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
发布日期：2019/3/13
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。
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。
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。
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。
3．发展规划
根据现有研究和应用基础，路线图提出了综合动力和能量系统在未来30年的发展规划，分为3个阶段：
（1）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。完成模块化、可扩展的能量库演示验证，以验证其与现有平台的整合、满足新型任务系统的需求。
（2）中期阶段（2026-2035）
面向未来水面作战舰艇及其它新型平台的电力系统发展，中期阶段将在任务系统硬件在环的情况下，开发并验证电力和控制系统，并在陆基试验场开展动力与能量系统测试。
（3）远期阶段（2036-2045）
远期阶段将完成下一代综合动力与能量系统开发，并开展测试，达到灵活、高适应性、智能化和可升级的目标。此外，将继续研究高温/室温超导、碳纳米管、金属基体纳米碳复合材料、新型燃料电池等技术，提高能量系统效率。
三、“多用途舰载能量库”研究计划
1．计划概况
“能量库（Energy Magazine）”是一种面向定向能武器等新型负载的模块化、可扩展的中间电力系统。能量库的目的在于为定向能武器等高能任务系统提供电力，同时保护能量系统及平台其他系统不受任务系统产生的脉冲的影响。同时，能量库的变电器是双向的，可支持舰艇平台的能量管理、负载均衡和应急供电。
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，向系统制造商、系统集成商及学术界征求信息，以支撑能量库技术发展。
该研究计划分为4个阶段，第一阶段（2020年）为非经常性工程设计阶段；第二阶段（2021年）为原型系统制造及工厂测试阶段；第三阶段（2022）为舰载能量库产品制造阶段，这一阶段的时间将根据需要进行调整；第四阶段（2023），通过测试后，完成首个能量库产品的制造和交付。
能量库用于满足定向能武器需求（美海军图片）
2．主要研究内容
能量库计划的具体功能、性能需求由功能需求文件提出，但由于包含受控信息，该功能需求文件仅授权与美国防部及其承包商（Distribution State D）。因而本文关于能量库计划的研究内容是基于技术发展路线图和信息征求分析获得的。
（1）能量库架构研究
能量库由通用模块组成，主要组成部分为储能模块、变电模块、配电模块与保护模块，其架构如下图所示，示意图仅代表了能量库的权衡空间，其最终功能尚待进一步确定，可能包含如下形式：1）不含储能模块，直接由变电器向负载供电；2）利用储能模块，将平台供电放大并直接供给负载；3）由储能模块单独向负载供电。
信息征求提出能量库结构将分为两部分，分别为储能柜（Energy Storage Cabinet）和变电柜（PowerConvert Cabinet），两者的边界为680VDC-1000VDC总线。
能量库功能模块（美海军图片）
（2）储能技术研究
研究适用于能量库的储能介质及其相关技术。
储能介质研究主要关注电池、电容及旋转机械等储能介质在能量库的应用，分析混合介质储能的效果，并探索储能元件并联技术的可行性，特别关注公共接口下多个电容器或电池并联的电流分配、稳定性及短路保护等技术。
储能相关技术研究主要关注不同储能介质对电力电子设备接口的要求，特别是旋转储能情况下电力电子设备的拓扑、控制，以及所需轴承等技术。
（3）变电技术研究
研究能量库所需的变电技术，以满足能量库从多种不同电压等级平台获取电能、并向多种负载供能的需求。
能量库储能柜如采用混合介质，应考虑是否需要设计额外的变流器以保证其安全接入直流总线。
特别的，美海军关注高压碳化硅宽带隙半导体器件的应用，以及其如何改善电力电子设备的性能，希望明确这一技术能否改善能量库的设计性能。
碳化硅技术在电力电子设备的应用（美海军图片）
（4）配电技术研究
针对不同特性的负载，开展配电技术研究，研制适用于能量库的断路器、继电器等装置。
此外，对于具体的能量库结构，储能柜、变电柜总线上可能需要使用高速断路器，该断路器是否封装到储能柜或变电柜内部，以及是否影响原有接触器、保险装置。
（5）热管理技术研究
能量库需要一套采用水作为冷却介质的热管理系统，以满足大功率散热的需求。
冷却介质的可能选择包括环境水与专用冷却水，考虑到介质储存、循环、结构相容性以及对能量库性能的影响等因素，需要对两者进行考量。冷却介质的温升上限设定为6.9K。
（6）演示验证
完成模块化、可扩展的能量库全尺寸演示验证，集成到现有装备平台，以满足2021年开始在平台应用的多个任务系统的需求。
能量库演示验证安排（美海军图片）
四、启示
能量系统技术已成为航空装备、舰艇等发展的“瓶颈”技术，严重制约装备平台的效能，限制了定向能武器等新型武器、任务系统的集成应用。随着高温/室温超导、纳米材料、宽带隙半导体电力电子器件、新型控制理论等技术的发展和应用，能量系统技术可能迎来新突破。
美空军、海军长期关注能量系统技术发展，发布路线图并长期投资基础科研计划与技术研究计划，研究成果有效推动了能量系统发展及平台效能提高。
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。
来源：中国航空工业发展研究中心 作者：穆作栋
