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“全电动”武器装备的春天到了吗?

来源: 作者: 发布时间:2020-03-29
摘要:图为采用全电推进系统的西北风级两栖攻击舰。供图:阳明2月28日,“的黎波里”号两栖攻击舰交付美海军。除侧重提升航空作业能力外,该舰据称还有一个较大特点:它是一艘采用全电推进方式的军舰。长期以来,不少国
原标题:“全电动”武器装备的春天到了吗?

图为采用全电推进系统的西北风级两栖攻击舰。供图:阳明

2月28日,“的黎波里”号两栖攻击舰交付美海军。除侧重提升航空作业能力外,该舰据称还有一个较大特点:它是一艘采用全电推进方式的军舰。

长期以来,不少国家一直在研发全电推进的战舰,并取得一定成果。一些国家的科研人员还对相关技术应用加以延伸,试图探索用“电动”方式来解决坦克、战机的一些问题。

发电机、电动机加身,似乎正在成为更多可机动武器装备今后发展的一大选项。那么——

如果对世界上的战舰、战车、战机推动方式稍加对比就会发现,当前,对全电推进系统可以相对成熟地加以运用的,是一些国家海军的舰船。而且,越来越多的国家正在对全电推进系统上舰表现出浓厚的兴趣。

在机械推进技术已经成熟的今天,为什么电力推进方式能赢得各国海军垂青?原因就是,和传统的机械推进相比,它具有适应当前舰艇发展以及未来战争需求的潜力。

随着现代战舰上用电设施越来越多,采用传统机械推进系统的舰船往往需要配置至少两套原动机:一套原动机用来驱动机械带动螺旋桨等,使战舰前行;另一套用来发电,满足舰上各类用电设施的需求。这就使得战舰动力结构更加复杂、造价高昂,易出故障且难以维修。

采用电力推进方式,用发电机将舰船原动机的机械能转换为电能,再传输给舰船的推进电动机,带动螺旋桨或喷水推进器工作,不仅可以降低燃油消耗、合理利用能源、降低整体成本,而且可以延长发动机的使用寿命。

采用全电推进方式的战舰,优势更加明显。全舰所有原动机都用来产生电力,通过计算机分配和控制,电力可以迅速高效地分配给最需要的组件。这样的动力调配方式,有利于更好地满足电磁弹射装置、电动升降机甚至高能激光武器等高耗能武器的需要。

全电推进方式下,能量由电力传输而不是由机械传输,因此舰船可以省去传动轴系和离合器,减少甚至无需变速箱。如此,既减重量、省空间,有利于武器装备合理配置,也使得战舰更易于操控。同时,电力通过多路径流向电动机,也可以提升舰船动力的抗毁性。

当然,电力推进方式所带来的这些特点和优势,不会只体现在战舰上,这种推进方式用在战车和战机上,也同样能带来相关方面的很大改变与提升。

如此,电力推进成为各国寄予厚望的武器装备动力选项也就不足为奇了。

战舰:再次驶入“全电推进”时代

当前,各国战舰主流的推进方式仍为机械电力混合推进,即以大功率的柴油机、蒸汽机、燃汽机为原动力,高速航行时直接采用机械推进方式;低速巡航时,依靠电动机驱动螺旋桨等,以满足舰船经济性和低噪声需要。

但是,这种混合推进方式目前正被更“高端”的综合电力推进方式所取代。

与前者还存在机械直接推进不同,采用综合电力推进方式时,舰上所有的二级能源都为电能,推进、作战等系统的运行全部由电能带动电动机来驱动。舰船的“全电推进”指的就是这种综合电力推进方式,而不是指狭义上的仅靠电池来驱动。

之所以说战舰是再次驶入“全电推进”时代,是因为早在上世纪初,就已有战舰开始应用全电推进系统。

众所周知,在燃气轮机领域,英国一直处于世界领先地位。但上世纪初的全电推进领域,跑在前面的却是美海军。原因很简单:美国当时尚未研制成功大功率蒸汽轮机的减速齿轮。

无奈之下,其设计师在研发海军“木星”号运煤船时,便想到用蒸汽轮机来发电、再由电动机驱动螺旋桨。后来,“木星”号阴差阳错被改装成航空母舰“兰利”号,这使它极其偶然地成为人类历史上第一艘全电推进的战舰。

基于同样原因,美海军后来的“田纳西”号战列舰、“科罗拉多”号战列舰、列克星敦级航母都采用了类似的“蒸汽轮机+发电机+电动机”推进设计。

不过,当时舰船上的电路抗损性较差,动力可靠性不如机械驱动的战舰,所以在大型减速齿轮研制成功后,美海军又回到蒸汽轮机经减速齿轮驱动螺旋桨的时代。

上世纪80年代,随着新型发动机和发电机的问世及战舰吨位增大,电力推进概念复苏。1987年英国率先在现代护卫舰上采用部分电力推进技术,验证混合电力推进的优越性。此后,法、德、美等国的海军相继装备了混合电力推进舰船,如欧洲多任务护卫舰、F125型护卫舰、“马金岛”号两栖攻击舰等。

这一过程中,综合全电推进系统的研究取得成果。这次,走在前面的仍是英国。

2001年,英国全电推进的“海神之子”级船坞登陆舰下水。2006年开始下水的45型驱逐舰及2014年下水的“伊丽莎白女王”号常规动力航母同样采用全电推进方式。

法国海军紧随其后,2004年下水的西北风级两栖攻击舰也应用了全电推进系统。

美海军在其2006年下水的刘易斯和克拉克级弹药补给舰上验证了全电推进技术,并在2013年开始陆续下水的朱姆沃尔特级驱逐舰上采用了全电推进系统,但该驱逐舰自下水之日起便问题不断。

同时,这一技术开始向潜艇延伸。法国红宝石级核潜艇和美国弗吉尼亚BLOCK4攻击型核潜艇均采用全电推进方式。

可以预见,随着更多高强度、轻质量复合材料在发电机上的应用,以及大功率、小尺寸电动机技术的不断突破和发展,“全电动”战舰也许将很快迎来自己的春天。

坦克:局部突破,想说“全电动”不容易

当前,各国对传统推进动力坦克的研发、改进与挖潜仍在继续。与此同时,作为新概念坦克——全电坦克日益成为研发的重点。

这种新概念坦克和以前的电传动坦克有所不同,它的火力、机动和防护都以电能为基础,即不仅动力上采用电力推进方式,而且武器装备也将高度依赖电能,包括使用电磁装甲、电磁炮、电热炮等进行防护和作战。

如果按以前对电传动坦克的定义,即只从动力上采用电力推进方式来判定,那么,在第一次世界大战期间,就已有“电动坦克”投入战场。它就是法国的“圣沙蒙”重型坦克。

这种重达20多吨的坦克,动力源是一台90马力的四缸汽油机,通过克罗切特-考拉度电传动系统驱动主动轮,带动履带板向前开进。

此后,多国在电传动坦克研制方面作过尝试,包括英国的TOG重型坦克,美国T1E1重型坦克,德国“虎”P重型坦克、“鼠”超重型坦克以及苏联IS-6重型坦克等。只不过,这些尝试几乎都因电传动技术不够成熟归于失败。

德国的费迪南/象式重型坦克歼击车可谓这个时期硕果仅存的“电动坦克”。它曾参加库尔斯克战役,击毁过对手的不少坦克。但是,超过60吨的体重,加上传动系统方面的问题,使它在与重型坦克一起冲锋时“情况”不断。

在此之后,相关探索并未停止。冷战期间,美国曾经为M113装甲车和AAV7两栖装甲车换装过新型电传动装置,德国也在“黄鼠狼”步兵战车上安装过使用永磁电机的电传动系统。

进入上世纪90年代,随着发电机、电动机研发领域出现明显进步,一些国家提出“全电坦克”的概念,开始以此为基础研发下一代新型坦克。如美国联合防务公司设计研发的转型技术演示车TTD、德国马克公司推出的LLX型装甲车等,瑞典、法国、南非等国家也先后展开相关研发。

南非的“大山猫”装甲侦察车通过换装德国提供的永磁电机和使用混合镍电池,从机械传动装置改装为电传动装置,重量减轻1.8吨多,最大行程增加了400千米。这反映出,新型电传动系统已经在一些方面取得新突破。

除了动力系统上的电动化外,电磁炮、电磁装甲等新兴武器装备的研制也在紧锣密鼓地进行。当前,一些国家已研制出电磁炮样炮,据称可用于新型坦克。

但是,无论是电磁炮、电磁装甲,都需要消耗大量电能,储电装置体积过于庞大,仍将是坦克“全电动化”研制过程中需长期面对的难题。

战机:“多电”方兴,“全电”研发之路仍然漫长

和战舰的动力系统有混合推进和全电推进之分类似,飞机其实也有多电飞机和全电飞机之分。

一般来说,多电飞机上使用的主要功率是电功率,但也不排除使用少量其他功率。换句话说,多电飞机主要依靠电力飞行,但也不排除使用部分其他能源。它最重要的特征是大量采用机电作动器,用电力驱动代替了机上的液压、气压、机械系统和飞机附件传动机匣。

上世纪80年代中期,美国先行组织开展对多电飞机技术的研究。研究涉及到发电、配电、电力管理、电防冰、电刹车、电力作动和发动机等多个方面。目前,相关研究成果已逐渐得到应用,F-35战斗机也因此成为具有一定代表性的多电战机。

广义上的全电飞机则是指以完整的电气系统取代液压、气动和机械系统的飞机,其飞行控制和机载系统所需功率全部由飞机中央供电系统提供。从发展进程来看,多电飞机可视为全电飞机发展的一个过渡阶段。当前,“多电”方兴未艾,而“全电”相关技术还不够成熟,其研发之路仍然漫长。

不过,全电战机的影子已在一些试验飞机上闪现,如2019年底美国在阿姆斯特朗飞行研究中心展示的X-57飞机,就纯粹以燃料电池、太阳能电池为动力源。作为一款全电动载人飞机,其所用的锂离子电池模块已完成飞行条件下的测试,电动机也已经通过验收。但在此之前,其锂离子电池在热失控试验中遭遇严重失败,以至于相关方不得不重新设计电池模块。

而一些以太阳能电池为动力的中大型无人机,要具备夜间持久飞行的能力,也必须先过研发关,即要能研究出可储存足够能量的高储能光电池阵列。

由此来看,即使是狭义上的全电战机,打造起来也绝非易事。从这个层面来看,无论是广义还是狭义上的“全电”战机,其研发之路仍将漫长而艰难。

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