二、海軍動(dòng)力與能量系統(tǒng)路線圖

1．概況

隨著先進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術(shù)的引入，對(duì)能量系統(tǒng)功率、穩(wěn)定性的需求大幅提升。美海軍于2007年建立了電動(dòng)艦艇辦公室（ESO，PMS 320），以促進(jìn)艦艇平臺(tái)與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及決策制定。該辦公室關(guān)注定向能（DE）和其他高功率任務(wù)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)研究及其平臺(tái)集成，謀求與研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)界合作，開發(fā)、引進(jìn)能量系統(tǒng)新技術(shù)，滿足海軍艦艇的使用需求。

2007年，美海軍海上系統(tǒng)司令部提出了《下一代綜合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》，旨在梳理新一代艦載能量系統(tǒng)的需求與關(guān)鍵技術(shù)。

2013年海上系統(tǒng)司令部進(jìn)一步提出了《海軍動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》，基于艦艇任務(wù)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的新型需求，梳理了能量系統(tǒng)在控制技術(shù)、電力儲(chǔ)存、電力轉(zhuǎn)換、配電等領(lǐng)域的技術(shù)需求，并提出了2013－2042年間短期、中期及長期的發(fā)展建議。

2015年，海上系統(tǒng)司令部進(jìn)一步更新了其能量系統(tǒng)發(fā)展路線圖，更名為《海軍動(dòng)力與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》，對(duì)需求分析、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展建議進(jìn)行了更新。該路線圖為美海軍能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖的最新版本。

美國海上系統(tǒng)司令部編制該路線圖的主要目的是保證電力、能量系統(tǒng)的發(fā)展與作戰(zhàn)需求一致，并指導(dǎo)編制基于能力的預(yù)算。

2．主要技術(shù)領(lǐng)域

能量系統(tǒng)所關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域主要包括6個(gè)領(lǐng)域，分別為能量存儲(chǔ)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、變電、原動(dòng)機(jī)、配電、控制。針對(duì)每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，路線圖分析了當(dāng)前發(fā)展情況、發(fā)展趨勢(shì)以及軍方所關(guān)注的進(jìn)展。

（1）能量儲(chǔ)存

能量系統(tǒng)領(lǐng)域主要的能量儲(chǔ)存技術(shù)包括電池、電容器和飛輪儲(chǔ)能3種形式，三者儲(chǔ)能的原理分別為化學(xué)能、電能及機(jī)械能。

能量儲(chǔ)存技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)包括能量密度和功率密度，如下圖所示。一般而言，電池的能量密度較高、功率密度較低，適合持續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景；飛輪和電容器則與之相反，其能量密度較低而功率密度較高，適合于需要快速充放電的短時(shí)間應(yīng)用場(chǎng)景。

不同儲(chǔ)能方式的能量和功率密度

（2）電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械

電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械即電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，路線圖主要關(guān)注交流感應(yīng)、交流同步、永磁和高溫超導(dǎo)等技術(shù)。海軍希望電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械能夠在提高能量密度以滿足艦艇需求的同時(shí)，能夠保證較高的效率。

（3）變電

變電技術(shù)用于改變輸電的電壓、頻率等特性，以滿足電力傳輸、分配系統(tǒng)及用電負(fù)載的需求。由于能量系統(tǒng)面臨著來自武器、任務(wù)系統(tǒng)更高的功率需求，作為這些負(fù)載與能量系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)裝置的橋梁，變電裝置也面臨著新的挑戰(zhàn)。

（4）原動(dòng)機(jī)

原動(dòng)機(jī)是能量系統(tǒng)的動(dòng)力源，主要包括艦載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。此外，能量系統(tǒng)還可以從燃料電池和能量回收系統(tǒng)獲取能量。

（5）配電

在能量系統(tǒng)中，配電設(shè)備用于傳輸電力、配置設(shè)備，以及保護(hù)負(fù)載免受電氣故障的影響，主要包括斷路器、繼電器等。水面艦艇配電一般為60Hz、450V和4160V交流電，新型任務(wù)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)可能提出高壓直流／交流的需求。

（6）控制

目前，艦載機(jī)械控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)包括能量系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、損傷控制系統(tǒng)等的控制任務(wù)�？刂萍軜�(gòu)、算法和通信領(lǐng)域的不斷發(fā)展，將改變海軍艦載控制系統(tǒng)的可用設(shè)計(jì)空間。

3．發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)有研究和應(yīng)用基礎(chǔ)，路線圖提出了綜合動(dòng)力和能量系統(tǒng)在未來30年的發(fā)展規(guī)劃，分為3個(gè)階段：

（1）近期階段（2016－2025）

面向新型雷達(dá)和定向能武器，開發(fā)先進(jìn)儲(chǔ)能方案、電路保護(hù)方案、能量管理系統(tǒng)，以及先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具。完成模塊化、可擴(kuò)展的能量庫演示驗(yàn)證，以驗(yàn)證其與現(xiàn)有平臺(tái)的整合、滿足新型任務(wù)系統(tǒng)的需求。

（2）中期階段（2026－2035）

面向未來水面作戰(zhàn)艦艇及其它新型平臺(tái)的電力系統(tǒng)發(fā)展，中期階段將在任務(wù)系統(tǒng)硬件在環(huán)的情況下，開發(fā)并驗(yàn)證電力和控制系統(tǒng)，并在陸基試驗(yàn)場(chǎng)開展動(dòng)力與能量系統(tǒng)測(cè)試。

（3）遠(yuǎn)期階段（2036－2045）

遠(yuǎn)期階段將完成下一代綜合動(dòng)力與能量系統(tǒng)開發(fā)，并開展測(cè)試，達(dá)到靈活、高適應(yīng)性、智能化和可升級(jí)的目標(biāo)。此外，將繼續(xù)研究高溫／室溫超導(dǎo)、碳納米管、金屬基體納米碳復(fù)合材料、新型燃料電池等技術(shù)，提高能量系統(tǒng)效率。

三、“多用途艦載能量庫”研究計(jì)劃

1．計(jì)劃概況

“能量庫（Energy Magazine）”是一種面向定向能武器等新型負(fù)載的模塊化、可擴(kuò)展的中間電力系統(tǒng)。能量庫的目的在于為定向能武器等高能任務(wù)系統(tǒng)提供電力，同時(shí)保護(hù)能量系統(tǒng)及平臺(tái)其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時(shí)，能量庫的變電器是雙向的，可支持艦艇平臺(tái)的能量管理、負(fù)載均衡和應(yīng)急供電。

2019年1月2日，海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了“多用途艦載能量庫”研究計(jì)劃的信息征求，向系統(tǒng)制造商、系統(tǒng)集成商及學(xué)術(shù)界征求信息，以支撐能量庫技術(shù)發(fā)展。

該研究計(jì)劃分為4個(gè)階段，第一階段（2020年）為非經(jīng)常性工程設(shè)計(jì)階段；第二階段（2021年）為原型系統(tǒng)制造及工廠測(cè)試階段；第三階段（2022）為艦載能量庫產(chǎn)品制造階段，這一階段的時(shí)間將根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；第四階段（2023），通過測(cè)試后，完成首個(gè)能量庫產(chǎn)品的制造和交付。

能量庫連接平臺(tái)與任務(wù)系統(tǒng)（美海軍圖片）

能量庫用于滿足定向能武器需求（美海軍圖片）