電氣時代 福建號有哪些方面領先福特號，船用綜合電力系統的演進

1982年,馬島戰爭 阿根廷的兩架法制戰機在掠海飛行,高度僅30米 他們帶了兩枚法制飛魚導彈 開戰以來,法國中斷了這款導彈的交付 阿根廷只有5枚,是壓箱底的殺手鐧 阿基靠近了鷹艦謝菲爾德號後 突然爬升開啓雷達 鎖定目標後,導彈發射 鷹艦被導彈命中,劇烈爆炸 沖天大火燒了6天,最終沉沒 這次教科書式的超低空突防 是二戰後最純粹的海空對決 工程師意識到,導彈已經成爲主角 戰艦必須有強大的電子設備做支撐 而且再不能用易燃的鋁鎂合金 各國爭相升級電子設備 雷達探測距離越來越遠 功率達到兆瓦級別 電子水平低的蘇聯艦艇 佈滿了各類雷達天線,像刺蝟一樣 雷達、計算機和導彈等設備 用電越來越多 二戰時電力系統只佔全船功率的5% 能量主要用於艦船推進 到了戰後美軍的阿利伯克級驅逐艦時 電力比重上升到15% 到後來,電力系統功率 已經和推進系統基本相當 50年代英美提出綜合電力概念 將船舶動力全都轉爲電能,統一調度 在馬禱戰爭的80年代 內燃機車進化到膠質膠模式 電力電子技術的成熟 使這一構想有了實現的可能 它率先在民用領域試水 石油危機後,1987年 豪華郵輪運營商冠達公司的 伊麗莎白女王2號 進行了電氣化改裝 這次改造 用便宜的柴油機替代蒸汽輪機發電 在船上建立交流電網 統一調配推進 照明、空調和大型遊樂設施 能耗大爲降低 讓這艘老船又高效運營了20年 技術革新往往先出現在軍事領域 這次卻是民用戰的先機 大概是因爲蘇聯崩潰 對手沒有了 此後,英美欺負弱小 打了些沒有技術含量的戰爭 發展慢了下來 金融大佬馬放南山 軍工大佬卻不能停 史密斯專員們還得進步 馬島戰爭後 大批英艦退役 英國希望用質量彌補 2009年 英軍四五型驅逐艦下水 用兩臺燃氣輪機和兩臺柴油機 發電帶動中壓交流電網 將電力靈活分配給推進系統 雷達和武器系統 巡航時可以只開柴油機 燃油效率很高 整艦的噪音很低 有利於反潛 這款戰艦 是傳用綜合電力系統的開山之作 四年後 美國首艘採用綜合電力系統的 朱姆沃爾特號驅逐艦下水 它的外形很科幻 將綜合電力和隱身等各種技術於一身 動力採用四臺燃氣輪機 兩大兩小 帶動發電機建立中壓交流電網 最初規劃要裝電磁炮 還有一個小規模直流電網 只服務於推進 電磁炮和雷達的峯值負載 其他仍舊由交流電網負擔 它的船舷內清 設備高度整合 幾乎沒有突出物 這艘1.6萬噸的鉅艦 雷達反射面積僅相當於小漁船 全艦僅需船員140餘人 約爲船桶的一半 自動化程度很高 號稱電力和隱身世界第一 很不幸 這兩款戰艦都栽了 英國四五型驅逐艦造了六艘 2009年 首艦勇敢號在大西洋失去動力 三年後在波斯灣再次癱瘓 同年布區號在西非沿海斷電 全艦一片黑暗 兩年後又斷電一次 2016年 鄧肯號出海兩天就被拖回 就在同年 這六艘軍艦集體趴窩 英國還造了兩艘倒黴航母 威爾士親王號的機艙進水 管路炸裂 還丟過螺旋槳 被譽爲玻璃航母 同款艦伊麗莎白女王號 也是漏水和螺旋槳故障頻出 這兩艘軍艦 甚至有時要互相借零件 才能出海 英國衰落已久 這似乎並不意外 但濃眉大眼的美軍也拉跨了 朱姆沃爾特號在2016年 發現海水滲入主軸冷卻器 同年在巴拿馬運河癱瘓 2017年2號艦在海試時趴窩 電磁炮研發失敗 只好拆除 它的系統複雜 穩定性極差 故障頻出 軍艦的造價也直衝天氣 超百億美元 快頂上福特號航母了 所以只造了三艘就停了 蘇聯崩潰後 英美產業空心化嚴重 不比以前了 所以在福特號航母上 美國不想弄得過於複雜 而是退回了中壓交流系統 交流電的優勢是穩定 在母線上連接變壓器 就能獲得交流電 就像在管道上裝水龍頭 再用類似內燃機車的 膠質膠裝置 整流或者是逆變後使用 用電設備和母線的隔離很簡單 局部變壓器損壞 不影響整體 不會引起全船停電 這在戰鬥中很重要 多臺交流發電機並聯 需要保證發電機和電網的頻率 相位和電壓完全一致 工程師通過齒輪箱和調速器 來控制原動機轉速 用電壓調節器控制粒子電流 用同步裝置控制接入時間 這個對美國不難 早在二戰前後 中壓交流已經是美國的艦船標準 美國軍工對此很熟悉了 中壓直流卻是全新領域 美國的相關產業鏈凋零 軍工大佬們不想再冒險了 原來計劃的全電推動也被放棄 仍然沿用了傳統的蒸汽輪機和齒輪箱 彈射器是航母的核心 中壓交流只能對應飛輪儲能 四個飛輪成對反向旋轉 以抵消陀螺效應 電動機從交流電網取得能量 催動飛輪旋轉 儲能和速度是平方關係 轉速越快儲能越高 彈射時高速飛輪釋放能量 順時產生巨大的電能 輸給彈射器 45秒後再次充能完畢 這的確是在中壓交流基礎上的務實方案 工程師盡力了 現實卻很骨感 它故障率奇高 高速旋轉引起的軸承磨損 發熱嚴重 它的能量密度足夠 功率密度卻不高 每次彈射需要四個飛輪一起上 一個出故障 整船就癱瘓 福特號服役9年 至今還是故障頻出 董王很不滿意 最近簽署命令改回蒸汽彈射 他更喜歡朦朦朧朧的鍋器 另一技術路線是超級電容方案 它是順時充放的直流儲能 在交流電網上 意味着巨大的轉換和濾波設備 複雜度直衝天氣 工程上完全不可能 只能對應直流電網 2022年 福建號航母下水 憑藉強大的電氣和製造業基礎 中壓直流系統 首先在中國實現了 福建號應用了超級電容 信源來自新華網和央視軍事頻道 可信度是比較高的 靜電學時代的萊頓屏就是電容 它有兩塊相互絕緣的基板組成 19世紀末 人們發現了電化學窗口現象 中學生熟悉的電解水實驗 當電壓低於1.23伏特時 反應並不會發生 電子從固體電極進入溶液 要克服能量壁壘 水分子有極性 它包裹在溶液離子外圍 稱爲水核離子 也阻擋着電子和離子接觸 只有電壓在1.23伏以上時 電子才能克服這些阻礙 實現電化學反應 這就是電化學窗口電壓 有機電解質會高一些 約爲3伏 亥姆霍茲據此在1879年 提出雙電層原理 這就是超級電容 在不超過窗口電壓時 電極吸引異性電解質離子 相當於兩個電容串聯 固體中的電子和液體中的離子 相互對質 距離只有幾納米 電極採用活性碳或石墨烯 表面積極大 能吸附大量電荷 極小的間距和極大的電量 使其容量遠大於普通電容 這就是超級電容的原理 有機電解質的電化學窗口電壓 不到3伏特 這是單個超級電容的物理極限 航母彈射器需要幾千伏特的電壓 在工程中 是通過將幾千個單體串聯來實現 這需要高效的管理系統 在數毫秒內 將高電壓精準分配到 數千節電容上 保證每一節都在3伏以內 防止局部擊穿 導致整組報廢 在潮溼的海上 還要防止高壓漏電 線纜 接頭和絕緣材料的質量 必須過硬 福建號的超級電容 採用單層石墨錫膜做電極 功率密度是飛輪儲能的5倍 循環壽命達百萬次 採用液氮冷卻 保證系統穩定 同時多組模塊並聯 單個故障不影響整體 戰場生存能力更強 超級電容的爆發力強勁 功率密度足夠 但能量密度並不高 有網絡文章 推測爲混合儲能 有超級電容 加磷酸鐵鋰電池 以及超級電容 加飛輪儲能兩種觀點 不過都缺乏權威信任 支撐這些系統運作的 是中壓直流系統 它是馬偉明院士團隊的成果 燃氣輪機 首先帶動交流發電機 再通過電力電子器件 轉換成爲直流電 多臺機組並聯 形成統一的電網 馬偉明院士的 12項整流發電機技術 是其中的關鍵 交流電經整流後 通過濾波來削風填骨 還會有一些波動 但採用12項電流的疊加 波動會減小到1%以內 這種直流電 幾乎是完全純淨的 在此基礎上 馬偉明團隊 發明的雙繞組發電機 能同時發出交流電和直流電 是革命性成果 原動機沒有了頻率限制 可以運行在最佳轉速 擺脫了巨大的齒輪箱 全船系統可以毫秒級調配 實現發電自由 用電靈活 超級電容 高能儲能和建載設備 可以直接接入 天生適合電磁炮 電磁彈射和激光武器 這類順時高能耗設備 爲進一步升級留下了空間 段路保護技術 是中壓直流系統的核心 艦船會有平時故障和戰時損壞 直流電中的用電器都是並聯 任何單體短路 都會引起整個電網的崩潰 戰時就是滅頂之災 必須及時斷開 直流電沒有自然零點 斷開會產生巨大電弧 完全切斷並不容易 美國中無沃爾特號上的 小規模直流電網 採用電流器自鎖 熔斷和機械隔離機制 一旦短路 就必須停機後重啓 相當於家庭裏換保險絲 至少需要幾分鐘 好在它是區域電網 不會引起全船斷電 但直流系統 如果不解決好這一問題 任何小的局部短路 都會引起整船癱瘓 中國學者研發的 機械和電力電子器件的 混合斷路器 在故障時斷開機械開關 電流順時轉移到 功率半導體之路 迅速分斷 能量由吸能之路釋放表 整個過程只有幾毫秒 不影響其他設備運行 它適用於大電流 高電壓的嚴苛保護環境 它是福建號 採用中壓直流的底氣所在 2001年 馬偉明當選院士 在12項發電機後 轉向綜合電力系統 2003年提出中壓直流路線 建立重點實驗室 聯合相關單位啓動研究 2006年取得關鍵突破 7年後 開始在海警船和輔助船隻上試用 2015年福建號開工建設 到了2017年 馬偉明獲八一勳章 帶領團隊攻關電磁彈射 電磁阻攔等關鍵技術 開啓陸地試驗 2022年福建號下水 採用電磁彈射和常規動力 世界首創 兩年後海試 根據官方報道 其能量轉化率達90% 故障率遠小於福特號 試驗取得了理想成果 中壓直流從理論到實現 歷經20年 如今開花結果 美國如夢方醒 在2023年預算中加入中壓直流研究 要在2035年應用 不過能否實現 要看他們的產業鏈條件 以及史密斯專員的心情了 中國實現了代際跨越 由跟進轉變爲領跑 馬偉明院士被一衆網友封神 被譽爲當代前學生 我們之中會有人悲觀絕望 怪腔怪調 也有人利益燻心 賣國求榮 但更多的凡人英雄 在埋頭苦幹 努力前行 他們纔是中國的堅實脊樑 真正無愧於這個偉大的時代