中国战舰全电推进技术如何：落后美国近10年
原标题：未来舰艇发展的必由之路：综合电力推进作者：邓肯美国的“朱姆沃尔特”级驱逐舰即将服役，这是当代功率最大的全电推进舰艇，而英国的CVF“伊丽莎白女王”级航空母舰也在紧张的建造过程中，法国的“西北风”级两栖攻击舰、英国的“海神之子”级船坞登陆舰和美国的“刘易斯和克拉克”级弹药补给舰更是在辅助舰艇领域大规模的使用了全电推进系统，民用的“海洋绿洲”号全电推进超级游轮吨位更是超过了20万吨。“朱姆沃尔特”级驱逐舰21世纪以来，全电推进在军-民船舶领域都是技术发展的重中之重，其优异的特性也使得其成为未来军舰的首选，在技术没有达成突破之前，欧洲FREMM驱逐舰、美国LHA6“美国”级两栖攻击舰等还先选用了电力辅助推进系统。一切向电气化看齐，成为了各国舰艇建造和研制的共同目标。上古时代的全电推进实际上，电力化推进的舰艇出现得很早，美国第一艘航空母舰“兰利”就是在一艘蒸汽发电-电力推进的海军运煤船“木星”基础上改造的，距今已经102年。美国海军在1910年代因尚未研制成功大功率蒸汽轮机减速齿轮，因此田纳西级战列舰、科罗拉多级战列舰和列克星敦级战列巡洋舰（后改造为航空母舰）都采用了蒸汽轮机发电+电动机推进的设计。在二战期间因为减速齿轮生产能力不足，在护航驱逐舰、舰队油轮等辅助舰艇上也广泛采用了电力推进技术。不过当时主要的推进技术是采用的交流发电-交流异步电机，电机的转速、功率调节都极为困难，使用灵活性差，体积巨大，只是齿轮减速系统发展初期的一种简单代用品。田纳西级战列舰列克星敦级航空母舰在二战中，美国海军的常规潜艇引入了柴油直流发电-直流电机推进，可以较好的调节转速，在战后也逐渐成为了各国常规潜艇的主要推进方式。小鲨鱼级潜艇同时随着变电技术的发展，交流发电-直流推进、交流发电-直流输电-交流推进等技术也在战后发展开来，大部分先在各种常规潜艇上得到了营用，而在水面舰艇因为其功率不足使用较少。现代电力推进技术的出现80年代以来，随着MOSFET、IGBT等固体功率元件的发展，大功率变频器开始实用化，瑞士ABB集团、法国阿尔斯通集团等国际大型机电企业开始将变频电机引入船舶推进领域（与家用变频空调类似，可以高效的调节输出，降低能耗）。ABB集团专精吊舱式推进系统，电机安装在船体底部可以自由旋转的吊舱内，可以极大的提高舰艇机动性，甚至可以进行原地转向等高难度机动，被广泛的应用于海洋工程船舶、大型钻井平台等领域，我国的海监船也引进了ABB的吊舱技术。世界最大的电力推进船舶“海洋绿洲”号超级油轮装有三台20兆瓦的ABB电力推进吊舱，使得22.5万吨的该船可以达到22.6节的高速。世界上最豪华的海洋绿洲号超级游轮阿尔斯通集团专精于固定螺旋桨模式下的大功率推进电机技术，美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰采用了阿尔斯通的36兆瓦同步感应电机，而英国“伊丽莎白女王”则采用两组阿尔斯通40兆瓦同步感应电机。“朱姆沃尔特”级驱逐舰的PMM先进同步感应电机为什么需要电力推进？电力推进的主要优势主要有两点，1是节约燃料，2是保障舰艇设备和生活电力供应，3降低航行噪音。船舶，尤其是海军舰艇，大部分航行时间都是采取的低速巡航状态，因为舰艇的航速和动力是呈立方倍关系，所以低速巡航状态下的动力需求很低。以美国的“提康德罗加”级巡洋舰为例，其推进发动机总功率86000马力，最大航速32节，而以12节航速航行时需要的动力只需要4500马力就可以满足需求，而“提康德罗加”级采用四机双轴推进模式，在低速巡航状态下也必须在每个推进轴上开启一台单台额定功率21000多马力的LM2500燃气轮机，使其于2000余马力的怠速状态工作。燃气轮机的一个重要特性就是大功率工作状态单位油耗低，怠速运转单位油耗高，额定功率运行状态每千瓦功率每小时消耗约230克燃油，怠速状态则超过500克，因此巡航状态燃油经济性较差。同时舰艇本身还有大量的电力需求，要依靠舰上三台LM500燃气轮机供电，平时消耗功率甚至超过了推进用功率，LM500燃气轮机的油耗也高达400克以上，很不经济。随着舰艇电子设备的不断进步，尤其是大功率相控阵雷达的普及和发展，设备耗电需求还呈现不断增长态势。同时舰艇上的人员生活需求也不断提高，尤其是淡水和空调需求，设备和生活需求叠加之下，舰艇服役期间超过三分之一的燃油已经是消耗在发电上，同时美国驱逐舰、巡洋舰电力需求在过去二十年几乎增长超过50%，燃油消耗的增长更是让人难以承受。如果采用电力推进技术，则可以只运转一台LM2500燃气轮机供应推进和舰上供电，可以降低40%左右的燃油消耗，极大的降低舰队运作成本，同时也降低了战时海上补给的需求。LM2500燃气轮机的油耗曲线，巡航状态的功率低于图中所示20%功率如上面所论，舰艇的电力需求处于不断增长的态势，不光是燃油压力巨大，而且本身供电能力也严重不足，美国在“阿里伯克”级驱逐舰的flight III改进中，就将发电机容量在原有的7500千瓦基础上增加到了12000千瓦，但是这个电力供应能力只能满足缩小版AMDR-S相控阵雷达需求，原定的大口径AMDR-S雷达完全无法使用。在航空母舰上这个电力需求的增长更加恐怖，在“小鹰”级常规动力航空母舰上主发电机总发电功率32000千瓦，而在“尼米兹”级核动力航空母舰上则提高到了64000KW，如果这个电力需求是由常规动力系统提供的话，“小鹰”级航程将从12000海里直接被压缩倒5000海里以内，采用了电磁弹射系统的“
”级则将电力提高到了160000千瓦级别，接近于全速航行时的推进动力需求（美国50年代以来的超级航母，无论常规动力和核动力，推进功率都是200000千瓦），从燃油角度来说传统常规动力系统已经完全无法负担如此巨大的电力需求。如果要在常规动力航空母舰上使用电磁弹射器、在驱逐舰/巡洋舰上使用大型相控阵雷达，唯一的办法就是采用综合电力推进系统，推进和电力系统综合利用原动机的输出功率。未来大型航空母舰的标配-电磁弹射器，是一个对电力需索无度的饕餮当代大型舰艇电力推进的典范是英国皇家海军最新的CVF“伊丽莎白女王”级航空母舰，其采用两台36兆瓦的MT-30燃气轮机，两台8.7兆瓦的瓦锡兰12V38柴油机，两台11.6兆瓦的瓦锡兰16V38柴油机用于发电，总计发电功率112兆瓦，推进功率为80兆瓦，最大航速26节。虽然其是采用的滑跃起飞模式，但是通过将推进电力临时转用于弹射，以及预留了电力容量，其可以支持安装两台电磁弹射器，也是当前仅有的常规动力航空母舰搭配电磁弹射的方案。CVF航空母舰除了以上两点以外，电动机的噪音远低于减速齿轮组，因此对于需要安静的音响环境的声呐系统来说，电动机驱动船舶可以带来极大的性能增益，有利于反潜舰艇对潜艇的搜索。同时也有利于舰艇规避敌方声呐的搜索，提高生存能力。我国未来航空母舰如果要采用电磁弹射器，哪怕是核动力航空母舰也必须要搭配大功率的电力系统，与大型综合电力推进系统项目也只是省掉了推进电机，而如果采用常规动力，则必须采用综合电力推进。因此，大型船舶电力系统的发展，也是我国海军未来航空母舰发展的必经之路。同时，未来大型驱逐舰搭配大口径大功率的先进相控阵雷达，用于对付隐身目标和反导弹任务也是必须的能力，其对电力的需求几乎无上限，发展综合电力推进的大型水面战斗舰艇也成为必然。我国电力推进系统的现在和未来我国在综合电力推进系统上起步较晚，尤其是受限于固态功率元件生产研发的不足，长期以来没有生产先进电力推进系统的能力。随着国内高速铁路技术的发展，及其带来的市场扩展，为了生产高速铁路电机驱动系统的变频器，国产IGBT（(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管）产业在最近几年开始逐渐成型，开始逐渐替代铁路系统的进口IGBT元件，也为舰艇推进系统的配电系统打好了一定的基础。上个月，中国中车永济电机公司在西安发布完全自主知识产权高压大功率6500伏/200安IGBT模块，采用焊接、键合等工艺方式实现国产IGBT芯片和FRD芯片多片并联，实现一体化模块式封装设计，该模块是铁路机车辅助变流装置中的核心部件，也可以满足舰艇推进系统的需求。国产IGBT模块下线从工业角度来讲，高速动车组和大型电力推进船舶是一棵树上的两颗果实同时在发电、配电、推进等领域，国内也在发展之中，在过去国内电力推进主要是针对铁路（内燃机车是采用的柴油机发电，电动机驱动的模式，电力机车则是完全电力推进）、潜艇的需求，虽然在大功率推进系统上还没有工程实践的成功案例，但是也积累了一定的经验。大型机车的电网已经达到10兆瓦级别，而潜艇动力也达到了7兆瓦级别，虽然离大型舰艇的需求还有一定距离，但是也已经可以作为未来发展的一个基础。海军工程学院马伟明教授组织的研究项目组，在十五、十一五期间，已经攻克了构建了综合电力系统的基础理论体系，先后攻克了系统网络结构、集成化发电、先进感应推进等数十项关键技术，十二五期间提出一二代混合的综合电力系统技术方案，牵头并联合国内船电行业优势单位，构建了中压直流综合电力系统，同时完成全系统联调试验，使我国成为世界上首个实现中压直流综合电力系统的国家。当前中国电力推进系统的具体工程实现和生产集成，主要是由中船重工集团712研究所负责开发，今年5月14日，，由中国船舶重工集团公司组织的国家科技部科技支撑计划项目“船用电力推进系统开发及应用研究”课题“船用电力推进系统开发及关键设备研制”通过专家组验收。专家组一致认为，712所在国内首次成功完成了10兆瓦等级大功率船用电力推进系统及关键设备的产品研制，所有关键设备均取得CCS（中国船级社）产品检验证书，突破了10兆瓦级及以上多相船用电力推进系统关键技术，形成了具有完全自主知识产权的10兆瓦级船用电力推进系统及关键设备的研制能力，填补了国内空白。2012年，该项目正式立项，这是我国首次开展针对10兆瓦等级及以上船用电力推进系统及关键设备的技术研究与产品开发工作，其目的就是要快速提升我国船舶动力高端装备的自主研发能力，打破国外产品的垄断局面。通过近3年的时间，使我国船用电力推进系统的自主研发能力由过去的5兆瓦等级一举迈向了10兆瓦等级及以上。在实际交付方面，2013年开始712所开始向市场交付3兆瓦级别的推进系统，目前已经初步形成了一个3~5兆瓦级别的产品链。从产品级别来说，国内和欧洲先进国家相比还处于较为落后的状态，10兆瓦级的船舶推进系统，ABB和阿尔斯通在1990年左右就已经可以大规模投放市场，而要在“朱姆沃尔特”和“伊丽莎白女王”级这样大型舰艇上应用电力推进系统，还有至少10年以上的技术跨度需要追赶。当然，以国内对于大功率电力推进系统的旺盛需求（铁路、海洋工程、军事和化工等领域都大量需要大功率电动机械）和政府的扶持政策，在可以预期的未来，国内的电力推进系统产业将会迎来一个巨大的发展机遇。
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真相在这找二战中的战列舰全新比较
导读：战列舰代表的是几个世纪以来远洋作战舰船发展的顶点。战列舰的三项基本能力指发起强力打击的能力、承受打击的耐久力和进入作战区域以及在作战区预之间运动的移动力，归结起来为三点，即火力、防护力和速度。要把一艘舰设计成在三个方面都无可匹敌几乎是不可能的。在二战时期众多的战列舰型中，每一种舰型都有其优缺点，下面我们通过对其中较强的十余种舰型的综合比较，来做一个排名。在这里用的是对比方法，即以美国衣阿华级战列舰作为标准，其他舰型与他的比较用百分比表示。平衡性
?? 战列舰设计有的以三大能力中的某一项为重点，如安装巨大
代表的是几个世纪以来远洋作战舰船发展的顶点。的三项基本能力指发起强力打击的能力、承受打击的耐久力和进入作战区域以及在作战区预之间运动的移动力，归结起来为三点，即火力、防护力和速度。要把一艘舰设计成在三个方面都无可匹敌几乎是不可能的。在二战时期众多的战列舰型中，每一种舰型都有其优缺点，下面我们通过对其中较强的十余种舰型的综合比较，来做一个排名。在这里用的是对比方法，即以衣阿华级战列舰作为标准，其他舰型与他的比较用百分比表示。平衡性?? 战列舰设计有的以三大能力中的某一项为重点，如安装巨大口径火炮，或加强装甲，或提高速度。也有的设计以三大能力中的两项作为设计基准。然而，要在三项能力之间取得平衡是非常困难的，尤其在条约限制下这样做几乎变得不可能。??每个国家的海军都有其自己的设计倾向及设计哲学。就比较中意“”的概念。是指装甲薄、速度快的战列舰。 ??而另一方面，德国在一战中的公海舰队以及二战中的都比较喜欢重装甲并具备高速度的舰只，但是火力就稍微弱一些。在40年代建造成功新型的“快速战列舰”之前，也曾经以牺牲速度来赢得重装甲和强火力。??下面我们将对各国使用过的较强的十余种战列舰的设计性能做一仔细比较。火力??火力强弱主要是与主炮的口径成相对应的，因此装备14英寸火炮的战舰与装备15英寸火炮的战舰相比火力就稍微差些，然而影响火力的因素还有其他几个方面。??第一、炮管口径并不是唯一的决定因素。我们知道，各国海军战列舰在二战中使用过几种火炮口径，大至18英寸，小至11英寸。总的来说，越晚生产的火炮其身管越长，因此具备更高的出膛速度。火炮身管的长度是相对口径来说的。例如，45倍口径的16英寸火炮身管长度就为16英寸的45倍，即大约60英尺，50倍口径的16英寸火炮其身管就为67英尺。下面一个表格的数据体现了同口径不同身管长度的火炮之间的性能差别。不同身管长度火炮性能比较16"/45倍口径
16"/50倍口径炮弹重量
2700磅出膛速度
2300 英尺/秒
2500英尺/秒最大装甲穿透力 30,000码
14.97英寸20,000码
20.04英寸10,000码
26.16英寸近距离直接射击
32.62英寸??显而易见，加长身管之后的16寸火炮在舰对舰决斗中将获得额外的2英寸左右的穿透力。??第二、影响总体火力性能的另一个因素是火炮射速。口径小的火炮容易装填，能更快地射击。决定射速的因素除口径大小外还有炮弹输送装置和装填装置的设计，以及操作人员的技术熟练水平等。提高射速的一个通常的做法是增加主炮炮塔中的炮管数目，而炮管在炮塔中的排列方式也是影响射速的因素之一。很明显， 12门火炮比8门火炮的命中概率要大。??第三、影响火力的最后一个因素是命中精度，这是和密切相关的，并且和操作人员的技术水平也有很大关系。??总的来说，评价一艘战列舰的火力必须考虑以下几个因素：??1．装甲穿透力（由火炮口径和出膛速度决定）??2．射击速率（由填充时间和火炮数目决定）??3．命中精度（由和操作人员技术水平决定）??增加火炮口径及火炮数量要经过权衡，而加强人员训练却可以收到很好的效果。比如，德国人就使用较小口径但射速和精度都相当高的火炮配上训练有素的人员对抗英军的装备大口径火炮的战舰。下面一个表格列出了一些从一战到二战著名战舰的火力情况，其中PTC一栏是指和衣阿华级战列舰的对比百分度。火力性能对比年代 国家
射速1939 德国
21936 德国
沙恩霍斯特
2.51923 英国
21941 美国
21919 美国
1.51939 英国
21940 日本
1.751913 日本
1.51913 英国
21915 德国
21919 英国
21935 法国
维多利奥维内托
1.31919 日本
1.25??在上面的表格中，总得分是来源于火炮口径、火炮数目、倍口径、射速四项相乘的结果。可以看出，的高射速主炮使其火力傲视群雄，怪不得当年轻而易举就干掉了。而大和级战列舰由于射速和倍口径均不高，所以只能屈居第8。值得一提的是沙恩霍斯特级，虽然其主炮口径不高，但其炮管长度高达55倍口径，使其火力名列第三。这样评价火力虽然会有些牵强，但大致上代表了各舰的火力水平。防护??在一般术语中，“防护”涉及了战列舰的耐久力。战列舰装甲防护设计总的宗旨就是提供足够承受相当于本舰主炮炮弹打击的保护。例如，如果一艘战列舰主炮发射的是16英寸炮弹，那它也应当能够挨得住16英寸炮弹打击。??战舰的生命力和以下几项因素有关：??首先，是装甲保护。装甲是专门设计的用来保护战舰承受炮弹打击的经过硬化处理的钢。战舰设计史上有一个革命性的设计概念称为“全保护或无保护”，这个设计概念指在战舰的致命地带安置最大可能的装甲保护，而在其他非致命地带不安装装甲。这样，装甲可以发挥其最大的效能。这种设计概念的出发点是：如果炮弹打在战舰的致命区域时，其装甲可最大限度的地保障战舰安全；而如果打在其他非致命地带时，战舰也无大碍。根据这种原则，大量的装甲用在弹药库、炮塔等地带，这就形成了一个个的‘装甲盒’。另外一种用在新型舰只上的技术是斜角度装甲，通过使装甲倾斜一个角度，使得装甲的实际厚度增加了。因此我们看到旧战舰从外观上看是简单的平面装甲居多，而新型战舰上的装甲带则是呈锥形和倾斜的形状。??另外一个战列舰设计要考虑的重要因素是对于鱼雷和水雷的防护。现代舰船在船体中有多层舱室，用来减少水下爆炸物体所造成的破坏。这些舱室可以分为‘干’的和‘湿’的，‘干’的舱室被设计成空的以缓冲水下爆炸物造成的冲击波，保证船体的结构完整性。而‘湿’的舱室则被设计用来装载淡水、油料甚至是海水。??在战列舰设计中还有一个重要因素即损管设备，虽然有装甲保护以及多舱室结构，但难免会受损，当舰只一侧进水比另一侧多很多时就有翻覆的危险，为防止翻覆有时需要往舱室里注水或排水，这就需要大量的损管设备。新型战列舰中常装备有大型水泵以及灭火系统，而且船员都经过特殊的损管抢救训练。要把一艘战列舰打到它不能漂浮的程度是非常难的，在海战中很多舰只实际上是由于一侧进水的速度大于损管人员排水的速度而导致舰只翻覆。装甲防护性能比较年代 国别
装甲总重1940 日本
23,8521942 美国
18,7001941 美国
14,2001935 法国
16,4001919 美国
8,0001923 英国
11,9001915 德国
11,4281936 德国
沙恩霍斯特
14,0061939 德国
17,2561935
维多利奥 维内托79%
13,3311919 日本
13,6781939 英国
12,0001913 英国
8,2501913 日本
8,5881919 英国
13,550??在上面的表格中，总分是把各项装甲厚度相加得出。可以看出，大和级战列舰的装甲水平要远远高于其余各舰。（在这里没有综合考虑装甲带的覆盖长度及宽度，如田纳西级虽然只有8000吨装甲，却排在17256吨装甲的级前面。 译者注）速度??速度在战列舰设计中是一项非常重要的因素，不管是从战略意义上来衡量还是从战术意义上来衡量。战略上来说，战舰需要高速到达作战地带及临近地区，或在交战中迅速展开。战术上来说，速度使得战舰在海战中快速取得有力位置，并获得选择交战或是退出的权利。战舰设计中的一项总的宗旨就是设计出的战舰要么应当比强于它的对手要快，要么就应当比快于它的对手要强！??正如前文所说，速度并不是最初美国战列舰设计中的主要考虑因素。20年代以后，其他国家的许多战列舰都能够航行在24节航速以上，而美国的战列舰仅勉强突破20节航速。随着南卡罗莱纳级战列舰（最高28节）的建成服役，美国的战列舰才开始向高速化发展，衣阿华级甚至达到了33节，使得它们能够配合航母群一起执行战斗任务。衣阿华级战列舰成为有史以来最快的战列舰。??下面的表格列出了各战列舰型的航速比较。最高航速比较年代 国别
吨位1942 美国
52,0001936 德国
沙恩霍斯特
34,8411919 英国
36,3001935 法国
43,0001935
维多利奥 维内托91%
44,0001936 德国
36,3001939 英国
40,0001941 美国
42,0001919 日本
33,8001940 日本
69,1001913 英国
27,5001913 日本
30,6001923 英国
35,5001915 德国
28,0061919 美国
32,300（本人对以上某些数据持保留态度。 译者注）重量和尺寸??重量和尺寸是战列舰设计中非常重要的考虑因素，重量要符合条约限制，而由于舰只要满足某些运河的吃水要求以及进入船坞等等，也体现出尺寸设计的重要性。重量和尺寸都会诱使战列舰设计师的设计进入恶性循环。一艘大型战舰需要巨大的马力去驱动舰只达到设计要求的航速，然后提供足够马力的机器占用了大量空间，为了给这大量空间提供足够的保护，大量的装甲又被加进来，使得重量大大增加因此你又不得不采用更大的机器来提供足够的马力，然后增加装甲……结果到头来，就会搞得一团糟。??可以说，衣阿华级战列舰的设计是相当成功的。不仅因为它快，而且它还有很好的防护及较强的武装。难能可贵的是，它的排水量成功限制在45000吨的级别。还有其他的优点，比如它的舰身狭长，刚好能通过运河，而大和级和俾斯麦级就不行。总体性能比较??下面的图表表示出了各型战列舰的各项指数。由于在本文中衣阿华级被作为对比的标准，所以它的总百分比也就是300%。??20世纪已如过眼烟云，战列舰已经成为消失了的海军舰种。实际上，美国一直使用至上世纪90年代的衣阿华级战列舰通过现代化改装，在海上根本就是难逢敌手，其高航速使其能够与最快速的现代一同作战，其退役的原因只有一个：每年维持其战斗系统及人员的巨大财政花费。恐怕这是当年的设计者们所没想到的。本文内容于
9:52:31 被战犯2014编辑
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