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美国定向能武器供能与储能技术发展方向

北极星储能网  来源:高端装备发展研究中心  作者:太阳谷  2019/1/11 10:10:29  我要投稿  

北极星储能网讯:本文讨论了美国军方新型电力、能源和热管理系统等技术的研发,以及目前在储能技术领域正在进行研究的领域。

诸如激光器之类的定向能武器(DEW)在将电、化学或光学能量转换为光能以用于光放大刺激应用是方面非常低效的。因此集成定向能武器的平台需要增加输入的电力功率,另外还必须解决电力的供应和存储水平。其中最需要解决的问题是如何最大限度提高DEW的有效性,同时降低对主机平台的功率影响。

由于电力方面的挑战,虽然美国军方制作了几个DEW演示项目,但都没有完全集成到平台中使用。因此DEW在平台上应用需要增加新型电力、能源和热管理系统等技术的研发。

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激光器将能量转换为光能(Source: ONR).

不同激光器研发及其对耗能的影响

20世纪80年代和90年代,美国国防部投资了化学和气体激光器的研发。这项投资促成了大型化学激光测试台——中红外高级化学激光(MIRACL)/ Sea Lite光束导向器(SLBD)测试平台的开发和扩展。美国海军通过该项目对目标致死率以及如何控制大气中的激光束等相关技术进行了验证。随后国防部又启动了诸如机载战术激光(ATL)、机载激光(ABL)、空基激光(SBL)和战术高能激光(THEL)等项目。然而,这些激光器的局限性在于它们都使用有毒化学品作为动力源,这限制了其武器系统的开发并产生了诸如重装弹匣以及巨大的安全性问题。因此国防部开始探索电子激光器作为化学激光器的替代品。

Mid-Infrared Advanced Chemical Laser (MIRACL)

自由电子激光器(FEL)就是典型的的电子激光器,其原理是利用相对论电子束通过周期磁场将电子束的动能转换为具备激光品质的高功率辐射能。FEL具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等一系列优良特性,除自由电子激光器之外, 还没有一种激光器能同时具备这些特点。在DEW平台上,主要对FEL施加电力就可以实现无化学品无弹匣应用。但是,FEL必然需要大量的源功率才能在HEL水平下运行。

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A Simple Diagram Showing Accelerator Cavity and Permanent Magnet Wiggler for Extracting Light From Electrons (Source: ONR).

Navy Tests Free Electron Laser

适用于DEW应用的另一种类型电激光器是固态激光器(SSL)。目前,光纤激光器和平板激光器是针对HEL系统探索的SSL主要选择。这两种类型都需要增益介质、泵浦机制、反馈机制和输出耦合器等。SSL通常具有固定波长,并且由于其尺寸和重量适合于低功率接合而适用于船舶,空气和地面平台。

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HEL武器系统的基本要素

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ONR Graphic of SSL-TM Laser System

美国国防部也在探索电子气体激光器的应用。例如是美国空军的机载二氧化碳激光器。其他类型的气体激光器包括二极管泵碱激光器,其具有实现高功率的潜力。

电力问题与储能技术开发

在兆瓦级激光器的应用中,需要在极短的接合时间范围内由平台提供数十兆瓦的输入功率。因此为了在DEW正常应用的同时满足其他平台子系统的功率需求,需要探索高能量密度的电力存储解决方案。另外,增加的功率还将导致激光二极管,光学器件和耦合器以及控制器和开关等部件的热管理问题。

当前的海上平台具有使用不同类型的发电机产生电力的能力。空中和地面平台依赖于电源舱和辅助发电机,而岸基系统依赖于电网或基础电力系统。下表显示了不同应用场景DEW的电源设备,以及目前能实现功率和未来需求功率。

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DEW Power Based on Application (Source: ONR)

海军已经通过海军研究生院进行了关于储能技术的研究,以找出在舰船上进行多次高能激光射击后,船舶电气系统仍能正常运转的最优选能源方案。考虑的储能选项包括电池、电容器和飞轮储能。通过该项目比较了储能的使用速度,以及给定尺寸和重量(能量密度)下的放电和充电率等参数。研究结果表明一种发电机、飞轮和电池的混合系统是首选。电容器虽然具有极快的放电和充电速率,但由于其美国足够的能量密度而被放弃。另外,还有许多储能解决方案正在针对平台进行研究,其中一些解决方案有望获得更紧凑的储能架构。

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Energy density versus power density for different energy storage media

当前和未来的研究领域

美国海军研究办公室正在进行基础和高级研究,以解决DEW面临的许多与电力相关的挑战。以下列表简要说明了正在进行研究的领域。

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各种类型平台在发电、储能、配电和控制方面的研究领域

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多年以来,反舰导弹一直是美国军事运营商的持续威胁,也是对美国国防规划者和技术开发者的挑战。为了解决这个问题,传统上使用多种动能导弹来击败反舰导弹。而高能激光器(HELs)等定向能武器为军队提供了一个全新的改进反舰防御导弹的机会。但DEW在平台上应用最大的代价就是能量需求的增加。美国海军方面目前针对此类问题的解决方案之一是“Energy Magazine”技术,该技术利用储能+控制技术,有望满足定向能武器对脉冲功率和增加功率的需求。

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PMS 320项目未来电力一体化解决方案

主要资料来源:

[1]. Power Generation and Storage for Directed Energy Systems,DSIAC 2018

[2]. Laser Weapon System Integration Study, ONR

[3]. POWER SYSTEMS AND ENERGY STORAGE MODELING FOR DIRECTED ENERGY WEAPONS, NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL

[4]. Surface Navy Electrical Leap Forward Sea-Air-Space Exposition

[5]. High Energy Laser Systems for Short Range Defense, United States Army Space and Missile Defense Command, U.S. Army Forces Strategic Command


原标题:美国定向能武器供能与储能技术发展方向

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