戰場電氣化——防務領YE3電機域的能量系統技術革命（2）

時間：2020-02-06 10:11

英國“暴風”未來戰斗機要求具備定向能武器、先進傳感器與數據系統等，對電力系統提出了更高的要求。

英國蘇帕凱特公司的全電驅動全地形車輛

戰場電氣化的發展現狀

1．航空裝備電氣化

美空軍早在二戰期間就提出了“基于電力的飛機”（Electrically-based Aircraft）概念，設想了未來電氣化的飛機架構。隨著電力電子等相關基礎技術的發展，20世紀70至80年代洛克希德公司率先提出了全電飛機概念，隨后相關主要航空制造商開展了多電化技術研究，有力推動了航空裝備電氣化進程。

在相關技術和行業發展的推動下，美空軍于20世紀90年代初提出了多電飛機發展計劃，1992年聯合航空指揮官小組組織了來自50余家航空制造企業、研究機構、高校及來自多軍種的專家，建立“電動飛機聯合計劃組”（MEAJPT），開展多電飛機基礎技術研究、原理樣機研制和系統就成試驗等工作。相關成果已應用于美國多個航空裝備型號，例如F-22飛機應用了固態配電技術，F-35飛機應用了固態配電、電靜液作動、外裝式起動／發電技術等。

為了進一步提高F-35效能、降低研發和工程研制階段的技術和周期風險，美空軍于1995年實施了“聯合攻擊機綜合子系統演示驗證”（J/IST）計劃，涵蓋了容錯式高壓直流發電/管理和配電系統（采用270伏高壓直流電力體制、雙通道開關磁組起動/發電機）、熱/能量綜合管理系統（輔助動力裝置APU、應急動力裝置EPU、起動/發電機、環控系統的綜合）等多項電氣化關鍵技術。

隨后美空軍實驗室開展了為期10年的“飛行器能量綜合技術”（INVENT）計劃，自2008年招標啟動至2018年初完成，美國主要航空主機制造商（波音、洛馬、諾格）、發動機制造商（通用電氣、普惠、羅羅北美）、機載系統制造商（漢勝、派克、穆格、霍尼韋爾）等均參與了INVENT計劃。該計劃關注3大子系統，包括魯棒電源系統、自適應動力與熱管理系統、高性能電作動系統，開展了模型開發、仿真分析、系統綜合、地面演示驗證等研究。

INVENT計劃完成后，美空軍進一步提出“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計劃，增進對未來機載電力系統的認識，從主機和發動機兩個角度評估其技術可行性，并開展演示驗證。該項目被列為“絕密”級別，項目周期7年，內容包括電力與熱管理架構綜合研究、電力系統研究等多個領域，涵蓋魯棒高效電源管理、先進電力控制與分配技術等技術內容。

在開展多電技術研究的同時，以NASA、美國防部國防預先研究計劃局（DARPA）、美空軍研究實驗室為代表的研究機構和以空客、羅羅為代表的企業正在開展電推進技術研究。NASA開展了X-57全電推進演示驗證計劃，資助開發兆瓦級電機和電力電子設備研究，建設24兆瓦、4.5千伏電推進飛機試驗臺（NEAT）。空客在電動通用飛機研究基礎上與羅羅公司合作開展E-Fan X支線級混合電推進演示驗證計劃，測試2.5兆瓦發電機、2兆瓦電機、3千伏高壓電網等技術。NASA與波音在“航空推進系統研究與技術”（RTAPS）項目下，共同研究提出了N3-X未來干線分布式超導渦輪電推進飛機概念，由2臺渦軸發動機輸出軸功率、利用超導發電機為系統提供電能，驅動15臺嵌入機身后部的超導電機產生推力，同時配電系統、電纜也將廣泛采用高溫超導技術，一方面保證極高的能量效率，另一方面可顯著降低系統重量。在民用航空市場的巨大投資驅動下，相關關鍵技術能夠得到快速發展，有望迅速應用于武器裝備領域。

英國奎奈蒂克公司的輪內電動輪轂驅動技術

2013年，DARPA啟動了“垂直起降實驗飛機”（VTOL X）計劃，由極光飛行科學公司（Aurora Flight Sciences，現屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發名為XV-24的分布式電推進傾轉翼垂直起降飛機。XV-24具有24個電機驅動的變距涵道風扇，可實現垂直起降并轉換為平飛巡航模態。但由于霍尼韋爾在1兆瓦發電機研發過程中遇到了熱管理困難、同時DARPA沒有找到合適的軍方合作項目，因而DARPA于2018年年初取消了該計劃。

2020年美國航空航天學會科技大會（AIAA SciTech Forum and Exposition）上，美空軍研究實驗室展示了一款分布式混合電推進飛機概念模型。這一概念采用分布式電推進布局，駕駛艙上方設置有鴨翼，同時采用無尾布局。機翼分段，內側為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進系統提供動力；機翼外側為常規后掠翼。根據NASA此前公布的類似概念方案推測，內、外翼連接處結構可容納內燃機驅動的發電機系統，為推進系統提供電力。考慮到混合電推進技術能夠有效提高能量效率、降低噪聲，因此可推測該飛機概念作為運輸機可獲得良好收益，一方面保證較大航程，另一方面降低在戰場上的噪聲特征。

2．地面裝備電氣化

美陸軍針對戰場電氣化設定了10年發展目標，要求完成全部設備的電氣化。美陸軍坦克車輛研究開發工程中心開展了“下一代作戰車輛”（NGCV）計劃，計劃于2022年前完成2輛坦克原型機。

英國國防科學技術實驗室（Dstl）于2019年9月11日宣布投資320萬英鎊，開展未來地面作戰車輛研究，核心內容為地面裝備電驅動解決方案。該項目由奎奈蒂克公司（QinetiQ）牽頭開展，將采用輪內電動輪轂驅動（In-wheel electric hub drive）技術，同時探索電力和液壓主動懸架控制、車輛地形掃描傳感、激光雷達等技術。通過電驅動技術的應用，有效提高作戰車輛的操作性和戰術機動性，同時提高能量效率。該研究計劃為期3年，分為2個階段。第一階段將為期1年，重點是概念研究和建模；第二階段為期2年，開展原型機設計與測試。參與研究的機構還包括克蘭菲爾德大學、威廉姆斯高級工程學院、霍斯特曼防御系統（軍用車輛懸架領域專業公司）等。

英國汽車制造商蘇帕凱特公司（Supacat）在2019年英國國際防務展上公布了全電驅動的有人駕駛全地形車輛（ATMP）驗證機。ATMP基于現有平臺進行電氣化改裝，拆除原有發動機，裝配電池組、電機和變速裝置，動力輸出至輪轂驅動車輛。采用電驅動系統有效提升了車輛的控制性能，允許駕駛員和控制系統更為精確地控制車輛運動狀態。

3．海上裝備電氣化

隨著先進任務系統及武器系統技術的引入，艦艇功率需求激增，對電力系統容量和穩定性的需求也大幅提升。為了保證任務系統及艦艇平臺的用電質量，美海軍于2007年在計劃執行辦公室（PEO）下建立了電動艦艇辦公室（ESO，PMS 320），負責開發架構簡單、經濟性良好并且能力先進的電力系統，特別關注定向能（DE）和其他高功率任務系統的能量系統研究及其平臺集成，滿足海軍艦艇的使用需求。

2015年，美海軍海上系統司令部提出了《海軍動力與能量系統技術發展路線圖》（NPES TDR），梳理了新一代艦載能量系統的需求與關鍵技術。2019年1月2日，海上系統司令部發布了“多用途艦載能量庫”（Multi-Application Shipboard Energy Magazine）研究計劃的信息征求（RFI），旨在研究面向定向能武器等新型負載的模塊化、可擴展的中間電力系統，目的在于為定向能武器等高能任務系統提供電力，同時保護能量系統及平臺其他系統不受任務系統產生的脈沖的影響。同時，能量庫可以支持艦艇平臺的能量管理、負載均衡和應急供電。

4．后勤保障電氣化

美陸軍已經嘗試了在戰場后勤保障中使用新型電氣化手段，從而節約燃油消耗和人力成本，降低燃油運輸對后勤供應的壓力。

美陸軍在阿富汗執行了“尼姆羅茲”行動（Operation Nimroz），采用電池、太陽能板等新型電氣化設備，代替傳統內燃機為行動提供能源。按照后勤保障要求，該行動的基地需要使用13臺基于燃油的傳統內燃機，以驅動發電機、保證任務的能源需要，但大部分發電機都會處于低功率運行狀態。美國陸軍引入了2套由電池、太陽能板和發電機組成的混合裝置為特定任務提供電能，僅僅使用上述2套混合裝置和2臺原有發電機就滿足了要求的后勤保障任務。這一嘗試每周可節約1600加侖（約合6060升）燃油、30個發電機加油工時和20個發電機維護工時，工程師可將精力集中在更為重要的任務上，同時有效減少了基地運行過程消耗的燃油，降低了后勤保障的壓力。

啟示

隨著能源供應、后勤保障壓力等問題的凸顯，同時也伴隨著電力系統技術的發展，戰場電氣化正在逐步引起軍方與工業界的關注，包括大功率發電機、高能量密度電池、超導發/配電系統、先進能量管理等在內的關鍵技術研究全球各國均處于技術成熟度較低的階段，需要在超導材料、寬禁帶半導體電力電子器件等基礎研究領域有所突破。

我國在動力電池等相關技術領域具有較強的技術和產業基礎，以戰場電氣化引發的技術革新為契機，我國應當主動作為、加強基礎研究與相關技術演示驗證研究，支撐未來跨越發展、搶占先機。