055型万吨大驱的终极目标

近日网上有一幅图片显示，大连造船厂的一个船坞内出现两艘055型驱逐舰的分段，上海江南造船厂此前已经出现第3艘055的分段，显然新一代全电推进的055型驱逐舰正在批量生产。然而，在马伟明院士的眼里，055还不是我军的目标舰。

      官媒发表了一篇《科技创新将颠覆海上传统作战模式》-----中船重工党组中心组听取马伟明院士专题报告，文章虽然不长，但揭秘我国正在研制比055更先进的“全能舰”，它对未来海上作战模式将有颠覆性、革命性的影响。

       这是文章的重点段：马伟明院士在讲座中详细分析了海上防空、反潜与对陆攻击装备的现状与局限，分析了未来海上作战面临的挑战，阐述了当前海上作战模式及革新的需求，立足于即时打击、攻防一体、经济可承性，阐述了全能舰 对未来海上作战模式的颠覆性、革命性影响，提出了新的海上作战模式构想。

     从这段文字中能看出马伟明院士所说的“全能舰”，并不是全能型军舰（防空反导、反潜反舰 和对地攻击）。因为像055、伯克II这类已经是“全能型”的大型驱逐舰，但它们仍是基于现有的海上作战模式，不会有颠覆性、革命性的影响。

      为什么055型驱逐舰不是“全能”？首先我们来看看以四台燃气轮机为动力的055型，为什么要采用“全电推进”。拼图（下）是美国LM-2500燃气轮机在不同功率下的耗油率（Kg/KW*h）。

   当输出功率小于40%以下，耗油率会迅速升高，例如输出功率为90%、60%、30%、20%时，耗油率分别为0.27、0.29、0.35、0.41 Kg/KW*h，分别是满功率的1.08、1.16、1.40、1.64倍。可见，越接近满功率，单位功率的耗油率越低，举个例子：三台30%功率的耗油率，接近于一台90%功率的四倍。

  由于推进动力的大小 与 航速的3次方成正比，也就是说，中速巡航时所需的推力要比高速航行小的多。如果发动机通过变速箱直接连接螺旋桨，那么再慢的速度也要开启两台燃气轮机。军舰除了推进动力，还需要辅机为其他设备供电，这样就需要多个型号的发动机，不但机组复杂而且高耗能。

  如果采用推进电机带动螺旋桨，即发动机带动发电机，产生的电力通过控制系统，给推进电机以及其他用电设备统一供电，那么就可以灵活使用1—4台燃气轮机，保证任何时候燃气轮机都处于较高的输出功率，这样既省去辅机而且节省燃料。

  下面拼图（左上）是美军朱姆舰的40兆瓦推进电机；右上是前几年我国定型的20兆瓦推进电机；拼图（下）是去年底央视报道的截屏，居世界领先水平的舰船综合电力系统。

   虽然全电推进的舰船在动力系统上目前已经是世界最先进，但仍有一个问题难以解决，那就是高能武器的瞬间电力需求。下一代大型战舰必定会装备防空反导的激光武器、电磁炮，装备全新概念的武器，才可能有“颠覆性、革命性”的影响，下图是我军激光武器打靶破坏效应物。

  我军很早就开始研究激光武器，例如下图的两篇论文，一篇发表于2008年《舰载激光武器系统建模与仿真技术》，作者来自海军装备部和 中国船舶重工，另一篇是研究车载激光武器，作者是从事船用机电设备。有理由相信055的改进型会装备激光武器。

  前不久马伟明院士称：2020年前，我国的电磁发射技术将可取代化学能，这里的“电磁发射”指的就是电磁炮。下图是美国正在试验的舰用电磁炮，以及多年前我国展出的制导型电磁炮弹。

    无论是激光炮还是电磁炮，对电力的需求都是脉冲式（毫秒甚至飞秒级）和 超高能（兆瓦级）；即使是采用综合电力系统，作战中使用其中一种武器设备时，其他设备和推进系统会因瞬间缺电而造成影响。

    下一代大型驱逐舰需要安装的雷达型号更多、功率更大，在不同作战状态下电子设备所需的电力差异大，例如大型相控阵雷达开机与否。假设在要求探测距离相同的条件下，2/3功率能探测可疑目标，满功率可看清并引导攻击目标。

   此外，下一代主力战舰的垂直发射系统可能采用电磁弹射，还可能装备微波武器，加上战舰在战场中的高速机动带来的动力需求变化大。因此，在未来战场上，面对呈指数级增长的电力需求，可用功率不变的舰艇，其发电能力已经不能满足高能武器、传感器、电子战设备随机变化的电力需求。

   如果按照所有武器设备的最大电力需求总和，来设计动力组显然过于庞大而且浪费；同时，在作战时如果所有的动力组都开足马力，则极大浪费燃料，这就不符合马院士所说的“经济可承性”；如果高能武器需要发射才临时启动动力机组，则因为无法快速响应而延误战机，就不符合“即时打击”。（下图上）

   马院士提出的“全能舰”则可以解决上述问题（下图下）。相当于在现有“全电”的基础上加入“能量包”的概念。舰上所有的分系统都以电能为纽带，联系在一起形成一个智能化的攻防体系。（拼图下是示意图）

   打个比方，一艘军舰就像一座城市：（1）动力机组就像是多个发电厂；（2）由超级电容器 高能蓄电池组，所构成的“能力包”就像是蓄能电站，用电高峰放电，低峰蓄电；（3）推进电机、高能武器、各种传感器和其他设备，就是大大小小的用电客户；（4）智能化的控制系统则是供电与用电之间的电力调配机构。

    动力机组发电，供推进系统、传感器和武器设备用电的同时，还给“能量包”充电；当用电量瞬间大于即时发电量时，能量包接受控制系统指令放电；与此同时，发电机组增大输出功率、或再启动一台机组为“能量包”充电。这样既保证随机变化的电力需求，又使得动力机组持续维持在低耗油的运行状态。

   下图的蓝线代表总用电量变化，红线代表动力机组的总输出功率变化，绿色区块代表“能力包”充电，蓝线出现脉冲波峰时是“能力包” 放电。由于发动机组与用电方之间多了一个“能量包”，发电与脉冲或随机变化的用电之间有了隔离和缓冲，动力机组则可以持续在最高效率负载下运行（红线较平缓）。

   下图是多年前712所研制的综合电力推进系统测试平台，交流发电后变为直流输变电。拼图下是马院士为电弹系统研制的逆变器与上位控制器、脉冲电容 蓄电池组的复合储能。

   全能舰彻底解放了动力组的限制，新增的武器和设备可以“即插”；动力组的数量也无需限定为“偶数”，安装上也不要求是纵向排列，大大提高设计的灵活性；需要开启多少台动力组全凭用电需求灵活控制，保证节能，大大提高“经济可承性”。

   几年前我国已研制成功世界最大的超级电容器，广州城市轻轨列车就是采用这种超级电容器，充电只需20秒，可重复充电100万次。近日一则新闻，浙大美女博士研制了一种新型锂电池，能力密度是现有锂电池的四倍。

   综上所述，“全能舰”是全新的设计理念，下表是第一代与第二代集成电力和能源系统 的比较。欧美目前采用的是第一代：中压交流的输变电，而且没有储能分系统，基本型能量管理分系统，美国现在才开始研制第二代。

   马院士已经研制成功第二代：采用高速集成的中压整流发电、中压直流输变电、永磁推进电机、超级电容的复合储能、智能型能力管理分系统，每个分系统都比欧美先进一代，而且开始研制第三代。

   马院士研制的第二代集成电力和能源系统（IPES），允许舰船的推进系统、各个任务系统共享一套“电源 能量储备 电力控制与分配”系统。而且新一代的电器接口技术，将实现快速切换、灵活增长、可扩展、低成本、节省空间和重量。所以“全能舰” 对未来海上作战模式将有颠覆性、革命性的影响。