美海軍海上系統(tǒng)司令部《海軍動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》表示近期階段（2016-2025）面向新型雷達(dá)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。借鑒美空軍、海軍經(jīng)驗，我國應(yīng)重視航空裝備及艦艇等平臺能量系統(tǒng)技術(shù)研究，開展專項研究計劃，探索前沿技術(shù)在能量系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用，以滿足平臺及任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)需求與系統(tǒng)級產(chǎn)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(zhuǎn)化、熱量排散的系統(tǒng)，一方面保證裝備平臺及其任務(wù)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(shù)在裝備平臺上的集成、應(yīng)用情況。
美軍一直十分重視能量系統(tǒng)技術(shù)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(guān)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(wù)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(shù)快速發(fā)展
定向能武器是利用能量束產(chǎn)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(dǎo)彈、衛(wèi)星和人員等目標(biāo)，具有速度快、精度高、攔截距離遠(yuǎn)、火力轉(zhuǎn)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(jì)80年代起，美國防部推進了化學(xué)、氣體激光器研發(fā)，開發(fā)了大型化學(xué)激光測試臺：中紅外高級化學(xué)激光（MIRACL）/ “海石”（Sea Lite）光束導(dǎo)向器（SLBD）測試平臺。隨后啟動了機載戰(zhàn)術(shù)激光（ATL）、機載激光（ABL）、空基激光（SBL）以及戰(zhàn)術(shù)高能激光（THEL）等項目。然而由于化學(xué)能量源具有毒性、系統(tǒng)體積過大等問題，研究方向逐步轉(zhuǎn)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(xué)透明晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，尺寸和重量較小，便于小型化、模塊化設(shè)計，因而適用于艦載、機載和地面平臺；其缺點在于能量轉(zhuǎn)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(shù)。
美國諾格公司研制的固體激光器達(dá)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(dǎo)彈防御以及應(yīng)對地區(qū)沖突的關(guān)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(shù)是2018年國防戰(zhàn)略中提到的高科技能力之一，其中最受關(guān)注的是高功率激光器。為應(yīng)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(dǎo)彈和洲際彈道導(dǎo)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(yīng)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(dāng)?shù)慕M織機構(gòu)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(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)提出了新的要求。
同時，考慮到定向能武器系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的低效率，以高熱流密度散熱等技術(shù)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(yù)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(shù)發(fā)展路線圖，以指導(dǎo)海軍及國防部對艦艇能量系統(tǒng)技術(shù)及產(chǎn)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(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，分別為儲能、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）儲能
能量系統(tǒng)領(lǐng)域主要的儲能技術(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。
儲能技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)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(fù)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(fù)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?xì)廨啓C。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(fù)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(fù)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)。控制架構(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(dá)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(yuǎn)期階段（2036-2045）
遠(yuǎn)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(dá)到靈活、高適應(yīng)性、智能化和可升級的目標(biāo)。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(fù)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(fù)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。
能量庫用于滿足定向能武器需求（美海軍圖片）
2．主要研究內(nèi)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(quán)與美國防部及其承包商（Distribution State D）。因而本文關(guān)于能量庫計劃的研究內(nèi)容是基于技術(shù)發(fā)展路線圖和信息征求分析獲得的。
（1）能量庫架構(gòu)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(gòu)如下圖所示，示意圖僅代表了能量庫的權(quán)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(fù)載供電；2）利用儲能模塊，將平臺供電放大并直接供給負(fù)載；3）由儲能模塊單獨向負(fù)載供電。
信息征求提出能量庫結(jié)構(gòu)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(shù)研究
研究適用于能量庫的儲能介質(zhì)及其相關(guān)技術(shù)。
儲能介質(zhì)研究主要關(guān)注電池、電容及旋轉(zhuǎn)機械等儲能介質(zhì)在能量庫的應(yīng)用，分析混合介質(zhì)儲能的效果，并探索儲能元件并聯(lián)技術(shù)的可行性，特別關(guān)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(shù)。
儲能相關(guān)技術(shù)研究主要關(guān)注不同儲能介質(zhì)對電力電子設(shè)備接口的要求，特別是旋轉(zhuǎn)儲能情況下電力電子設(shè)備的拓?fù)?、控制，以及所需軸承等技術(shù)。
（3）變電技術(shù)研究
研究能量庫所需的變電技術(shù)，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(fù)載供能的需求。
能量庫儲能柜如采用混合介質(zhì)，應(yīng)考慮是否需要設(shè)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(guān)注高壓碳化硅寬帶隙半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，以及其如何改善電力電子設(shè)備的性能，希望明確這一技術(shù)能否改善能量庫的設(shè)計性能。
碳化硅技術(shù)在電力電子設(shè)備的應(yīng)用（美海軍圖片）
（4）配電技術(shù)研究
針對不同特性的負(fù)載，開展配電技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部，以及是否影響原有接觸器、保險裝置。
（5）熱管理技術(shù)研究
能量庫需要一套采用水作為冷卻介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)，以滿足大功率散熱的需求。
冷卻介質(zhì)的可能選擇包括環(huán)境水與專用冷卻水，考慮到介質(zhì)儲存、循環(huán)、結(jié)構(gòu)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(zhì)的溫升上限設(shè)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(yīng)用的多個任務(wù)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(shù)已成為航空裝備、艦艇等發(fā)展的“瓶頸”技術(shù)，嚴(yán)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(wù)系統(tǒng)的集成應(yīng)用。隨著高溫/室溫超導(dǎo)、納米材料、寬帶隙半導(dǎo)體電力電子器件、新型控制理論等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能量系統(tǒng)技術(shù)可能迎來新突破。
美空軍、海軍長期關(guān)注能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，發(fā)布路線圖并長期投資基礎(chǔ)科研計劃與技術(shù)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(yīng)重視航空裝備及艦艇等平臺能量系統(tǒng)技術(shù)研究，開展專項研究計劃，探索前沿技術(shù)在能量系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用，以滿足平臺及任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)需求與系統(tǒng)級產(chǎn)品需求，從而支撐裝備發(fā)展。
