美海軍海上系統(tǒng)司令部《海軍動力系統(tǒng)技術發(fā)展路線圖》表示近期階段（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)設計工具。借鑒美空軍、海軍經(jīng)驗，我國應重視航空裝備及艦艇等平臺能量系統(tǒng)技術研究，開展專項研究計劃，探索前沿技術在能量系統(tǒng)領域應用，以滿足平臺及任務系統(tǒng)的技術需求與系統(tǒng)級產品需求，從而支撐裝備發(fā)展。
能量系統(tǒng)是裝備上涉及能量供給、能量轉化、熱量排散的系統(tǒng)，一方面保證裝備平臺及其任務系統(tǒng)的工作及作戰(zhàn)效能，另一方面也影響定向能武器等先進技術在裝備平臺上的集成、應用情況。
美軍一直十分重視能量系統(tǒng)技術研究，其空軍研究實驗室（AFRL）、海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）等部門已實施多個相關計劃。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”（Multi-ApplicationShipboard Energy Magazine）研究計劃的信息征求（RFI），旨在開發(fā)一種“通用的、模塊化、可擴展的中間電力系統(tǒng)，可用于多個任務系統(tǒng)和艦艇型號”，以滿足未來定向能武器等先進裝備的需求。
美海軍“能量庫”研究計劃信息征求頁（美聯(lián)邦政府“聯(lián)邦商機”網(wǎng)站圖片）
一、研究背景
1. 定向能武器技術快速發(fā)展
定向能武器是利用能量束產生殺傷的武器。依據(jù)能量載體不同，可分為激光武器、粒子束武器、微波武器等。其中，激光武器利用激光束攜帶的巨大能量摧毀或殺傷敵方飛機、導彈、衛(wèi)星和人員等目標，具有速度快、精度高、攔截距離遠、火力轉移迅速、不受外界電磁波干擾等優(yōu)點，得到了美俄等國的高度重視。1975年，美國2顆偵察衛(wèi)星在西伯利亞上空被蘇聯(lián)反衛(wèi)星陸基激光武器擊中；1982年馬島戰(zhàn)爭，英國航空母艦和護衛(wèi)艦上曾部署激光武器，使阿根廷多架飛機失控、墜毀。
上世紀80年代起，美國防部推進了化學、氣體激光器研發(fā)，開發(fā)了大型化學激光測試臺：中紅外高級化學激光（MIRACL）/ “海石”（Sea Lite）光束導向器（SLBD）測試平臺。隨后啟動了機載戰(zhàn)術激光（ATL）、機載激光（ABL）、空基激光（SBL）以及戰(zhàn)術高能激光（THEL）等項目。然而由于化學能量源具有毒性、系統(tǒng)體積過大等問題，研究方向逐步轉向固態(tài)激光器（SSL）與自由電子激光器（FEL）。
固態(tài)激光器（SSL）以光學透明晶體或玻璃作為基質材料，尺寸和重量較小，便于小型化、模塊化設計，因而適用于艦載、機載和地面平臺；其缺點在于能量轉換效率較低。自由電子激光器（FEL）具有高功率、高效率和短脈沖等一系列優(yōu)良特性；但其體積較大，且需要大功率電源供電。此外，研究者開發(fā)了光纖激光器、液體激光器等激光器技術。
美國諾格公司研制的固體激光器達到了105千瓦輸出功率，而100千瓦功率一向被視為武器級高能激光的門檻。
2．美國大力發(fā)展定向能武器
美國防部將發(fā)展定向能能力納入國家安全范疇，定向能武器將作為維持美軍優(yōu)勢、增強導彈防御以及應對地區(qū)沖突的關鍵手段。美國防部研究與工程副部長格里芬表示，定向能技術是2018年國防戰(zhàn)略中提到的高科技能力之一，其中最受關注的是高功率激光器。為應對高超聲速武器、無人機機群或小型艦艇群、高機動性巡航導彈和洲際彈道導彈等威脅，美軍必須快速戰(zhàn)場測試和部署定向能武器。
近年來，美國國會已加大對定向能武器的資金投入，2018年定向能武器峰會中，國會兩黨聯(lián)合小組聯(lián)合700多名成員代表美軍及國防工業(yè)部門，探討和概述將定向能武器擴展到實際應用的途徑。國會不僅在資金方面有更多支持，同時還確保國防部創(chuàng)建恰當?shù)慕M織機構進行資金管理和創(chuàng)新。
3．能量系統(tǒng)是定向能武器及平臺的必要保障
除了本身的技術困難之外，定向能武器還面臨著平臺集成困難，這一困難主要來源于其對能量系統(tǒng)的特殊要求。
一方面，定向能武器需要平臺在短時間內提供超大輸入功率。正如美國國防系統(tǒng)信息分析中心（dsiac）指出的，“美軍如果希望使用能量作為武器，首先需要有足夠的能量?！倍ㄏ蚰芪淦魍ㄟ^平臺能量系統(tǒng)提供的輸入功率，將電能等能源轉換為激光等粒子束，這一過程的效率尚處于較低水平（固態(tài)激光器的效率約15%～20%）。為了提供足夠的能量，平臺的能量系統(tǒng)需要具有大功率輸入及轉換的能力。
另一方面，在瞬時高功率脈沖下，需要維持能量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以保證平臺及其他系統(tǒng)的正常工作。這對高密度能量儲存、分配及穩(wěn)定性等技術提出了新的要求。
同時，考慮到定向能武器系統(tǒng)能量轉換的低效率，以高熱流密度散熱等技術為主要難點的熱管理系統(tǒng)也是保證系統(tǒng)安全運行的必要條件。
空基平臺方面，美空軍已針對定向能武器等需求實施了多個預研和演示驗證計劃，包括“飛行器能量綜合”計劃（INVENT）、“綜合動力與熱管理”計劃等。
艦艇平臺方面，美海軍海上系統(tǒng)司令部先后提出了下一代綜合動力系統(tǒng)（Next Generation Integrated Power System，NGIPS）、海軍動力系統(tǒng)（Naval Power System，NPS）和海軍動力與能量系統(tǒng)（Naval Power and Energy Systems，NPES）3項技術發(fā)展路線圖，以指導海軍及國防部對艦艇能量系統(tǒng)技術及產品的投資。在路線圖的框架下，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。
二、海軍動力與能量系統(tǒng)路線圖
1．概況
隨著先進任務系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術的引入，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)技術發(fā)展及決策制定。該辦公室關注定向能（DE）和其他高功率任務系統(tǒng)的能量系統(tǒng)研究及其平臺集成，謀求與研究機構、工業(yè)界合作，開發(fā)、引進能量系統(tǒng)新技術，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)的需求與關鍵技術。
2013年海上系統(tǒng)司令部進一步提出了《海軍動力系統(tǒng)技術發(fā)展路線圖》，基于艦艇任務系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的新型需求，梳理了能量系統(tǒng)在控制技術、電力儲存、電力轉換、配電等領域的技術需求，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)技術發(fā)展路線圖》，對需求分析、關鍵技術及發(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，并指導編制基于能力的預算。
2．主要技術領域
能量系統(tǒng)所關注的技術領域主要包括6個領域，分別為儲能、電動旋轉機械、變電、原動機、配電、控制。針對每個技術領域，路線圖分析了當前發(fā)展情況、發(fā)展趨勢以及軍方所關注的進展。
（1）儲能
能量系統(tǒng)領域主要的儲能技術包括電池、電容器和飛輪儲能3種形式，三者儲能的原理分別為化學能、電能及機械能。
儲能技術的主要技術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用場景。
不同儲能方式的能量和功率密度
（2）電動旋轉機械
電動旋轉機械即電動機和發(fā)電機，路線圖主要關注交流感應、交流同步、永磁和高溫超導等技術。海軍希望電動旋轉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、任務系統(tǒng)更高的功率需求，作為這些負載與能量系統(tǒng)、儲能裝置的橋梁，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，配電設備用于傳輸電力、配置設備，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。控制架構、算法和通信領域的不斷發(fā)展，將改變海軍艦載控制系統(tǒng)的可用設計空間。
3．發(fā)展規(guī)劃
根據(jù)現(xiàn)有研究和應用基礎，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、碳納米管、金屬基體納米碳復合材料、新型燃料電池等技術，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)不受任務系統(tǒng)產生的脈沖的影響。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)集成商及學術界征求信息，以支撐能量庫技術發(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）為艦載能量庫產品制造階段，這一階段的時間將根據(jù)需要進行調整；第四階段（2023），通過測試后，完成首個能量庫產品的制造和交付。
能量庫用于滿足定向能武器需求（美海軍圖片）
2．主要研究內容
能量庫計劃的具體功能、性能需求由功能需求文件提出，但由于包含受控信息，該功能需求文件僅授權與美國防部及其承包商（Distribution State D）。因而本文關于能量庫計劃的研究內容是基于技術發(fā)展路線圖和信息征求分析獲得的。
（1）能量庫架構研究
能量庫由通用模塊組成，主要組成部分為儲能模塊、變電模塊、配電模塊與保護模塊，其架構如下圖所示，示意圖僅代表了能量庫的權衡空間，其最終功能尚待進一步確定，可能包含如下形式：1）不含儲能模塊，直接由變電器向負載供電；2）利用儲能模塊，將平臺供電放大并直接供給負載；3）由儲能模塊單獨向負載供電。
信息征求提出能量庫結構將分為兩部分，分別為儲能柜（Energy Storage Cabinet）和變電柜（PowerConvert Cabinet），兩者的邊界為680VDC-1000VDC總線。
能量庫功能模塊（美海軍圖片）
（2）儲能技術研究
研究適用于能量庫的儲能介質及其相關技術。
儲能介質研究主要關注電池、電容及旋轉機械等儲能介質在能量庫的應用，分析混合介質儲能的效果，并探索儲能元件并聯(lián)技術的可行性，特別關注公共接口下多個電容器或電池并聯(lián)的電流分配、穩(wěn)定性及短路保護等技術。
儲能相關技術研究主要關注不同儲能介質對電力電子設備接口的要求，特別是旋轉儲能情況下電力電子設備的拓撲、控制，以及所需軸承等技術。
（3）變電技術研究
研究能量庫所需的變電技術，以滿足能量庫從多種不同電壓等級平臺獲取電能、并向多種負載供能的需求。
能量庫儲能柜如采用混合介質，應考慮是否需要設計額外的變流器以保證其安全接入直流總線。
特別的，美海軍關注高壓碳化硅寬帶隙半導體器件的應用，以及其如何改善電力電子設備的性能，希望明確這一技術能否改善能量庫的設計性能。
碳化硅技術在電力電子設備的應用（美海軍圖片）
（4）配電技術研究
針對不同特性的負載，開展配電技術研究，研制適用于能量庫的斷路器、繼電器等裝置。
此外，對于具體的能量庫結構，儲能柜、變電柜總線上可能需要使用高速斷路器，該斷路器是否封裝到儲能柜或變電柜內部，以及是否影響原有接觸器、保險裝置。
（5）熱管理技術研究
能量庫需要一套采用水作為冷卻介質的熱管理系統(tǒng)，以滿足大功率散熱的需求。
冷卻介質的可能選擇包括環(huán)境水與專用冷卻水，考慮到介質儲存、循環(huán)、結構相容性以及對能量庫性能的影響等因素，需要對兩者進行考量。冷卻介質的溫升上限設定為6.9K。
（6）演示驗證
完成模塊化、可擴展的能量庫全尺寸演示驗證，集成到現(xiàn)有裝備平臺，以滿足2021年開始在平臺應用的多個任務系統(tǒng)的需求。
能量庫演示驗證安排（美海軍圖片）
四、啟示
能量系統(tǒng)技術已成為航空裝備、艦艇等發(fā)展的“瓶頸”技術，嚴重制約裝備平臺的效能，限制了定向能武器等新型武器、任務系統(tǒng)的集成應用。隨著高溫/室溫超導、納米材料、寬帶隙半導體電力電子器件、新型控制理論等技術的發(fā)展和應用，能量系統(tǒng)技術可能迎來新突破。
美空軍、海軍長期關注能量系統(tǒng)技術發(fā)展，發(fā)布路線圖并長期投資基礎科研計劃與技術研究計劃，研究成果有效推動了能量系統(tǒng)發(fā)展及平臺效能提高。
借鑒美空軍、海軍經(jīng)驗，我國應重視航空裝備及艦艇等平臺能量系統(tǒng)技術研究，開展專項研究計劃，探索前沿技術在能量系統(tǒng)領域應用，以滿足平臺及任務系統(tǒng)的技術需求與系統(tǒng)級產品需求，從而支撐裝備發(fā)展。
