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美海军开展“能量库”研究计划 开发先进储能方案、能量管理系统用于武器装备

北极星储能网  来源:空天防务观察  作者:穆作栋  2019/3/13 9:17:53  我要投稿  

北极星储能网讯:美海军海上系统司令部《海军动力系统技术发展路线图》表示近期阶段(2016-2025)面向新型雷达和定向能武器,开发先进储能方案、电路保护方案、能量管理系统,以及先进的系统设计工具。借鉴美空军、海军经验,我国应重视航空装备及舰艇等平台能量系统技术研究,开展专项研究计划,探索前沿技术在能量系统领域应用,以满足平台及任务系统的技术需求与系统级产品需求,从而支撑装备发展。

本文来源:空天防务观察 微信公众号 ID:AerospaceWatch 作者:穆作栋

能量系统是装备上涉及能量供给、能量转化、热量排散的系统,一方面保证装备平台及其任务系统的工作及作战效能,另一方面也影响定向能武器等先进技术在装备平台上的集成、应用情况。

美军一直十分重视能量系统技术研究,其空军研究实验室(AFRL)、海军海上系统司令部(NAVSEA)等部门已实施多个相关计划。2019年1月2日,海上系统司令部发布了“多用途舰载能量库”(Multi-ApplicationShipboard Energy Magazine)研究计划的信息征求(RFI),旨在开发一种“通用的、模块化、可扩展的中间电力系统,可用于多个任务系统和舰艇型号”,以满足未来定向能武器等先进装备的需求。

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美海军“能量库”研究计划信息征求页(美联邦政府“联邦商机”网站图片)

一、研究背景

1. 定向能武器技术快速发展

定向能武器是利用能量束产生杀伤的武器。依据能量载体不同,可分为激光武器、粒子束武器、微波武器等。其中,激光武器利用激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标,具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰等优点,得到了美俄等国的高度重视。1975年,美国2颗侦察卫星在西伯利亚上空被苏联反卫星陆基激光武器击中;1982年马岛战争,英国航空母舰和护卫舰上曾部署激光武器,使阿根廷多架飞机失控、坠毁。

上世纪80年代起,美国防部推进了化学、气体激光器研发,开发了大型化学激光测试台:中红外高级化学激光(MIRACL)/ “海石”(Sea Lite)光束导向器(SLBD)测试平台。随后启动了机载战术激光(ATL)、机载激光(ABL)、空基激光(SBL)以及战术高能激光(THEL)等项目。然而由于化学能量源具有毒性、系统体积过大等问题,研究方向逐步转向固态激光器(SSL)与自由电子激光器(FEL)。

固态激光器(SSL)以光学透明晶体或玻璃作为基质材料,尺寸和重量较小,便于小型化、模块化设计,因而适用于舰载、机载和地面平台;其缺点在于能量转换效率较低。自由电子激光器(FEL)具有高功率、高效率和短脉冲等一系列优良特性;但其体积较大,且需要大功率电源供电。此外,研究者开发了光纤激光器、液体激光器等激光器技术。

美国诺格公司研制的固体激光器达到了105千瓦输出功率,而100千瓦功率一向被视为武器级高能激光的门槛。

2.美国大力发展定向能武器

美国防部将发展定向能能力纳入国家安全范畴,定向能武器将作为维持美军优势、增强导弹防御以及应对地区冲突的关键手段。美国防部研究与工程副部长格里芬表示,定向能技术是2018年国防战略中提到的高科技能力之一,其中最受关注的是高功率激光器。为应对高超声速武器、无人机机群或小型舰艇群、高机动性巡航导弹和洲际弹道导弹等威胁,美军必须快速战场测试和部署定向能武器。

近年来,美国国会已加大对定向能武器的资金投入,2018年定向能武器峰会中,国会两党联合小组联合700多名成员代表美军及国防工业部门,探讨和概述将定向能武器扩展到实际应用的途径。国会不仅在资金方面有更多支持,同时还确保国防部创建恰当的组织机构进行资金管理和创新。

美陆军太空和导弹防御司令部针对反无人机开展的定向能武器试验

3.能量系统是定向能武器及平台的必要保障

除了本身的技术困难之外,定向能武器还面临着平台集成困难,这一困难主要来源于其对能量系统的特殊要求。

一方面,定向能武器需要平台在短时间内提供超大输入功率。正如美国国防系统信息分析中心(dsiac)指出的,“美军如果希望使用能量作为武器,首先需要有足够的能量。”定向能武器通过平台能量系统提供的输入功率,将电能等能源转换为激光等粒子束,这一过程的效率尚处于较低水平(固态激光器的效率约15%~20%)。为了提供足够的能量,平台的能量系统需要具有大功率输入及转换的能力。

另一方面,在瞬时高功率脉冲下,需要维持能量系统的稳定性,以保证平台及其他系统的正常工作。这对高密度能量储存、分配及稳定性等技术提出了新的要求。

同时,考虑到定向能武器系统能量转换的低效率,以高热流密度散热等技术为主要难点的热管理系统也是保证系统安全运行的必要条件。

空基平台方面,美空军已针对定向能武器等需求实施了多个预研和演示验证计划,包括“飞行器能量综合”计划(INVENT)、“综合动力与热管理”计划等。

舰艇平台方面,美海军海上系统司令部先后提出了下一代综合动力系统(Next Generation Integrated Power System,NGIPS)、海军动力系统(Naval Power System,NPS)和海军动力与能量系统(Naval Power and Energy Systems,NPES)3项技术发展路线图,以指导海军及国防部对舰艇能量系统技术及产品的投资。在路线图的框架下,2019年1月2日,海上系统司令部发布了多用途舰载能量库研究计划的信息征求。

二、海军动力与能量系统路线图

1.概况

随着先进任务系统及武器系统技术的引入,对能量系统功率、稳定性的需求大幅提升。美海军于2007年建立了电动舰艇办公室(ESO,PMS 320),以促进舰艇平台与能量系统技术发展及决策制定。该办公室关注定向能(DE)和其他高功率任务系统的能量系统研究及其平台集成,谋求与研究机构、工业界合作,开发、引进能量系统新技术,满足海军舰艇的使用需求。

2007年,美海军海上系统司令部提出了《下一代综合动力系统技术发展路线图》,旨在梳理新一代舰载能量系统的需求与关键技术。

2013年海上系统司令部进一步提出了《海军动力系统技术发展路线图》,基于舰艇任务系统、武器系统的新型需求,梳理了能量系统在控制技术、电力储存、电力转换、配电等领域的技术需求,并提出了2013-2042年间短期、中期及长期的发展建议。

2015年,海上系统司令部进一步更新了其能量系统发展路线图,更名为《海军动力与能量系统技术发展路线图》,对需求分析、关键技术及发展建议进行了更新。该路线图为美海军能量系统技术发展路线图的最新版本。

美国海上系统司令部编制该路线图的主要目的是保证电力、能量系统的发展与作战需求一致,并指导编制基于能力的预算。

2.主要技术领域

能量系统所关注的技术领域主要包括6个领域,分别为储能、电动旋转机械、变电、原动机、配电、控制。针对每个技术领域,路线图分析了当前发展情况、发展趋势以及军方所关注的进展。

(1)储能

能量系统领域主要的储能技术包括电池、电容器和飞轮储能3种形式,三者储能的原理分别为化学能、电能及机械能。

储能技术的主要技术指标包括能量密度和功率密度,如下图所示。一般而言,电池的能量密度较高、功率密度较低,适合持续运行的应用场景;飞轮和电容器则与之相反,其能量密度较低而功率密度较高,适合于需要快速充放电的短时间应用场景。

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不同储能方式的能量和功率密度

(2)电动旋转机械

电动旋转机械即电动机和发电机,路线图主要关注交流感应、交流同步、永磁和高温超导等技术。海军希望电动旋转机械能够在提高能量密度以满足舰艇需求的同时,能够保证较高的效率。

(3)变电

变电技术用于改变输电的电压、频率等特性,以满足电力传输、分配系统及用电负载的需求。由于能量系统面临着来自武器、任务系统更高的功率需求,作为这些负载与能量系统、储能装置的桥梁,变电装置也面临着新的挑战。

(4)原动机

原动机是能量系统的动力源,主要包括舰载柴油发动机和燃气轮机。此外,能量系统还可以从燃料电池和能量回收系统获取能量。

(5)配电

在能量系统中,配电设备用于传输电力、配置设备,以及保护负载免受电气故障的影响,主要包括断路器、继电器等。水面舰艇配电一般为60Hz、450V和4160V交流电,新型任务系统和武器系统可能提出高压直流/交流的需求。

(6)控制

目前,舰载机械控制系统负责包括能量系统、推进系统、损伤控制系统等的控制任务。控制架构、算法和通信领域的不断发展,将改变海军舰载控制系统的可用设计空间。

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