二、海軍動力與能量系統(tǒng)路線圖

1．概況

隨著先進任務(wù)系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術(shù)的引入，對能量系統(tǒng)功率、穩(wěn)定性的需求大幅提升。美海軍于2007年建立了電動艦艇辦公室（ESO，PMS 320），以促進艦艇平臺與能量系統(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)研究及其平臺集成，謀求與研究機構(gòu)、工業(yè)界合作，開發(fā)、引進能量系統(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)司令部進一步提出了《海軍動力系統(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)司令部進一步更新了其能量系統(tǒng)發(fā)展路線圖，更名為《海軍動力與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》，對需求分析、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展建議進行了更新。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個領(lǐng)域，分別為能量存儲、電動旋轉(zhuǎn)機械、變電、原動機、配電、控制。針對每個技術(shù)領(lǐng)域，路線圖分析了當(dāng)前發(fā)展情況、發(fā)展趨勢以及軍方所關(guān)注的進展。

（1）能量儲存

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

能量儲存技術(shù)的主要技術(shù)指標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)運行的應(yīng)用場景；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間應(yīng)用場景。

不同儲能方式的能量和功率密度

（2）電動旋轉(zhuǎn)機械

電動旋轉(zhuǎn)機械即電動機和發(fā)電機，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)。海軍希望電動旋轉(zhuǎn)機械能夠在提高能量密度以滿足艦艇需求的同時，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，作為這些負載與能量系統(tǒng)、能量存儲裝置的橋梁，變電裝置也面臨著新的挑戰(zhàn)。

（4）原動機

原動機是能量系統(tǒng)的動力源，主要包括艦載柴油發(fā)動機和燃氣輪機。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，以及保護負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，艦載機械控制系統(tǒng)負責(zé)包括能量系統(tǒng)、推進系統(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力和能量系統(tǒng)在未來30年的發(fā)展規(guī)劃，分為3個階段：

（1）近期階段（2016－2025）

面向新型雷達和定向能武器，開發(fā)先進儲能方案、電路保護方案、能量管理系統(tǒng)，以及先進的系統(tǒng)設(shè)計工具。完成模塊化、可擴展的能量庫演示驗證，以驗證其與現(xiàn)有平臺的整合、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)并驗證電力和控制系統(tǒng)，并在陸基試驗場開展動力與能量系統(tǒng)測試。

（3）遠期階段（2036－2045）

遠期階段將完成下一代綜合動力與能量系統(tǒng)開發(fā)，并開展測試，達到靈活、高適應(yīng)性、智能化和可升級的目標。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”研究計劃

1．計劃概況

“能量庫（Energy Magazine）”是一種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(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，同時保護能量系統(tǒng)及平臺其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時，能量庫的變電器是雙向的，可支持艦艇平臺的能量管理、負載均衡和應(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。

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

能量庫連接平臺與任務(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）