■ 穆作棟 / 中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心

一場(chǎng)以電氣化為代表的新一輪能量系統(tǒng)技術(shù)革命正在重構(gòu)全球航空與地面運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)格局，并將引領(lǐng)防務(wù)領(lǐng)域的能量系統(tǒng)革命。

近年來，戰(zhàn)場(chǎng)電氣化（battlefield electrification）獲得了高度關(guān)注，美國(guó)及歐洲開展了多項(xiàng)武器裝備電氣化相關(guān)研究計(jì)劃，并嘗試在作戰(zhàn)行動(dòng)中采用新型電氣化手段。

相比于燃油、液壓等傳統(tǒng)能源形式，電氣化技術(shù)能夠顯著提高能源利用效率、改善維修性能、降低排放和噪聲，因而不僅在民用交通運(yùn)輸行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間，在武器裝備及作戰(zhàn)應(yīng)用中也有巨大的潛在收益。

電氣系統(tǒng)具有典型的軍民融合特征，在民用航空及汽車行業(yè)的巨大投資與市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，高能量密度電池、高功率密度發(fā)電機(jī)/電機(jī)、能量綜合管理等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展有力地推進(jìn)了戰(zhàn)場(chǎng)電氣化進(jìn)程。

戰(zhàn)場(chǎng)電氣化的發(fā)展現(xiàn)狀

航空裝備電氣化

美國(guó)空軍早在第二次世界大戰(zhàn)期間就提出了“基于電力的飛機(jī)”（Electrically-Based Aircraft）概念，設(shè)想了未來電氣化的飛機(jī)架構(gòu)。隨著電力電子等相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70—80年代洛克希德公司率先提出了全電飛機(jī)概念，隨后相關(guān)主要航空制造商開展了多電化技術(shù)研究，有力地推動(dòng)了航空裝備電氣化進(jìn)程。

INVENT計(jì)劃關(guān)注包括兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)在內(nèi)的電力系統(tǒng)（來源：美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室）

美國(guó)空軍于20世紀(jì)90年代初，在相關(guān)技術(shù)和行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，提出了多電飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃，1992年組織了來自50余家航空制造企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、高校及來自多軍種的專家，建立了電動(dòng)飛機(jī)聯(lián)合計(jì)劃組（MEAJPT），開展多電飛機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)研究、原理樣機(jī)研制和系統(tǒng)集成試驗(yàn)等工作。相關(guān)成果已應(yīng)用于美國(guó)多個(gè)航空裝備型號(hào)，例如，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用了固態(tài)配電技術(shù)，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用了固態(tài)配電、電靜液作動(dòng)、外裝式起動(dòng)／發(fā)電技術(shù)等。

為了進(jìn)一步提高F-35效能、降低研發(fā)和工程研制階段的技術(shù)和周期風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)空軍于1995年實(shí)施了“聯(lián)合攻擊機(jī)綜合子系統(tǒng)演示驗(yàn)證”（J/IST）計(jì)劃，涵蓋了容錯(cuò)式高壓直流發(fā)電/管理和配電系統(tǒng)（采用270V高壓直流電力體制、雙通道開關(guān)磁組起動(dòng)/發(fā)電機(jī)）、熱/能量綜合管理系統(tǒng)（輔助動(dòng)力裝置APU、應(yīng)急動(dòng)力裝置EPU、起動(dòng)/發(fā)電機(jī)、環(huán)控系統(tǒng)的綜合）等多項(xiàng)電氣化關(guān)鍵技術(shù)。

隨后美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）開展了為期10年的“飛行器能量綜合技術(shù)”（INVENT）計(jì)劃，自2008年招標(biāo)啟動(dòng)至2018年年初完成，美國(guó)主要航空主機(jī)制造商（波音、洛馬、諾格）、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商（GE、普惠、羅羅北美）、機(jī)載系統(tǒng)制造商（漢勝、派克宇航、穆格、霍尼韋爾）等均參與了INVENT計(jì)劃。該計(jì)劃關(guān)注3大子系統(tǒng)，包括魯棒電源系統(tǒng)、自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)、高性能電作動(dòng)系統(tǒng)，開展了模型開發(fā)、仿真分析、系統(tǒng)綜合、地面演示驗(yàn)證等研究。

INVENT計(jì)劃完成后，美國(guó)空軍進(jìn)一步提出“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計(jì)劃，增進(jìn)對(duì)未來機(jī)載電力系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，從主機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)角度評(píng)估其技術(shù)可行性，并開展演示驗(yàn)證。該項(xiàng)目被列為“絕密”（Top Secret）級(jí)別，項(xiàng)目周期為7年，內(nèi)容包括電力與熱管理架構(gòu)綜合研究、電力系統(tǒng)研究等多個(gè)領(lǐng)域，涵蓋魯棒高效電源管理、先進(jìn)電力控制與分配等技術(shù)內(nèi)容。

在開展多電技術(shù)研究的同時(shí)，以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）、AFRL為代表的研究機(jī)構(gòu)和以空客、羅羅為代表的企業(yè)正在開展電推進(jìn)技術(shù)研究。NASA開展了X-57全電推進(jìn)演示驗(yàn)證計(jì)劃，資助開發(fā)兆瓦級(jí)電機(jī)和電力電子設(shè)備研究，建設(shè)24MW、4.5kV電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT）。空客在電動(dòng)通用飛機(jī)研究基礎(chǔ)上與羅羅公司合作開展E-Fan X支線級(jí)混合電推進(jìn)演示驗(yàn)證計(jì)劃，測(cè)試2.5MW發(fā)電機(jī)、2MW電機(jī)、3kV高壓電網(wǎng)等技術(shù)。NASA與波音在“航空推進(jìn)系統(tǒng)研究與技術(shù)”（RTAPS）項(xiàng)目下，共同研究提出了N3-X未來分布式超導(dǎo)渦輪電推進(jìn)干線飛機(jī)概念，由2臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率、利用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動(dòng)15臺(tái)嵌入機(jī)體后部的超導(dǎo)電機(jī)產(chǎn)生推力，其配電系統(tǒng)、電纜也將廣泛采用高溫超導(dǎo)技術(shù)，一方面保證極高的能量效率，另一方面可顯著減輕系統(tǒng)質(zhì)量。在民用航空市場(chǎng)的巨大投資驅(qū)動(dòng)下，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)能夠得到快速發(fā)展，有望迅速應(yīng)用于武器裝備領(lǐng)域。

2013年，DARPA啟動(dòng)了“垂直起降實(shí)驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X）計(jì)劃，由極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Sciences，現(xiàn)屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發(fā)名為XV-24的分布式電推進(jìn)傾轉(zhuǎn)翼垂直起降飛機(jī)。XV-24有24個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變距涵道風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)垂直起降并轉(zhuǎn)換為平飛巡航。但由于霍尼韋爾公司在1MW發(fā)電機(jī)研發(fā)過程中遇到了熱管理困難，同時(shí)沒有找到合適的合作方，項(xiàng)目于2018年年初被取消。

2020年美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)科技大會(huì)（AIAA SciTech Forum and Exposition）上，AFRL展示了一款分布式混合電推進(jìn)飛機(jī)概念模型。這一概念采用分布式電推進(jìn)布局，駕駛艙上方設(shè)置有前置水平尾翼，同時(shí)采用無尾布局。機(jī)翼分段，內(nèi)側(cè)為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力；機(jī)翼外側(cè)為常規(guī)后掠翼。根據(jù)NASA此前公布的類似概念方案推測(cè)，內(nèi)、外翼連接處結(jié)構(gòu)可容納燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，為推進(jìn)系統(tǒng)提供電力。

地面裝備電氣化

美國(guó)陸軍針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電氣化設(shè)定了一個(gè)10年發(fā)展目標(biāo)，要求完成全部設(shè)備的電氣化。美國(guó)陸軍坦克車輛研究開發(fā)工程中心開展了“下一代作戰(zhàn)車輛”（NGCV）計(jì)劃，計(jì)劃于2022年前完成2輛坦克原型機(jī)。

英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（DSTL）于2019年9月11日宣布投資320萬英鎊，開展未來地面作戰(zhàn)車輛研究，核心內(nèi)容為地面裝備電驅(qū)動(dòng)解決方案。該項(xiàng)目由奎奈蒂克（QinetiQ）公司牽頭開展，參與研究的機(jī)構(gòu)還包括克蘭菲爾德大學(xué)、威廉姆斯高級(jí)工程學(xué)院、霍斯特曼防御系統(tǒng)（軍用車輛懸架領(lǐng)域?qū)I(yè)公司）等。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的混合電推進(jìn)概念模型（來源：航空周刊）

英國(guó)汽車制造商蘇帕凱特（Supacat）公司在2019年英國(guó)國(guó)際防務(wù)展上公布了全電驅(qū)動(dòng)的有人駕駛?cè)匦诬囕v（ATMP）驗(yàn)證機(jī)。ATMP基于現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行電氣化改裝，拆除原有發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配電池組、電機(jī)和變速裝置，動(dòng)力輸出至輪轂驅(qū)動(dòng)車輛。采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有效提升了車輛的控制性能，允許駕駛員和控制系統(tǒng)更為精確地控制車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

海上裝備電氣化

隨著先進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術(shù)的引入，艦艇功率需求激增，對(duì)電力系統(tǒng)容量和穩(wěn)定性的需求也大幅提升。為了保證任務(wù)系統(tǒng)及艦艇平臺(tái)的用電量，美國(guó)海軍于2007年在計(jì)劃執(zhí)行辦公室（PEO）下建立了電動(dòng)艦艇辦公室（ESO，PMS 320），負(fù)責(zé)開發(fā)架構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性良好并且能力先進(jìn)的電力系統(tǒng)，特別關(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(tái)集成，滿足海軍艦艇的使用需求。

2015年，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部提出了“海軍動(dòng)力與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖”（NPES TDR），梳理了新一代艦載能量系統(tǒng)的需求與關(guān)鍵技術(shù)。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(kù) ”（Multi-Application Shipboard Energy Magazine）研究計(jì)劃的信息征求書（RFI），旨在研究面向定向能武器等新型負(fù)載的模塊化、可擴(kuò)展的中間電力系統(tǒng)，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(shí)保護(hù)能量系統(tǒng)及平臺(tái)其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時(shí)，能量庫(kù)可以支持艦艇平臺(tái)的能量管理、負(fù)載均衡和應(yīng)急供電。

后勤保障電氣化

美國(guó)提出的艦載能量庫(kù)概念（來源：美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部）

美國(guó)陸軍已經(jīng)嘗試了在戰(zhàn)場(chǎng)后勤保障中使用新型電氣化手段，從而節(jié)約燃油消耗和人力成本，降低燃油運(yùn)輸對(duì)后勤供應(yīng)的壓力。美國(guó)陸軍在阿富汗執(zhí)行了尼姆羅茲行動(dòng)（Operation Nimroz），采用電池、太陽(yáng)能板等新型電氣化設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為行動(dòng)提供能源。按照后勤保障要求，該行動(dòng)的基地需要使用13臺(tái)基于燃油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、保證任務(wù)的能源需要，但大部分發(fā)電機(jī)都會(huì)處于低容量運(yùn)行狀態(tài)。美國(guó)陸軍引入了2套由電池、太陽(yáng)能板和發(fā)電機(jī)組成的混合裝置為特定任務(wù)提供電能，僅僅使用上述2套混合裝置和2臺(tái)原有發(fā)電機(jī)就滿足了后勤保障任務(wù)。這一嘗試每周可節(jié)省約6060L燃油、30個(gè)發(fā)電機(jī)加油工時(shí)和20個(gè)發(fā)電機(jī)維護(hù)工時(shí)，工程師可將精力集中在更為重要的任務(wù)上，同時(shí)有效減少了基地運(yùn)行過程消耗的燃油，降低了后勤保障的壓力。

戰(zhàn)場(chǎng)電氣化的收益

與民用電動(dòng)飛機(jī)類似，目前裝備及武器體系距離有效電氣化還有一定的距離，同時(shí)面臨著諸如電池、發(fā)電及配電等相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，但電氣化為武器裝備及后勤保障體系帶來的種種收益正在吸引軍方及工業(yè)界的關(guān)注。

支撐先進(jìn)任務(wù)與武器系統(tǒng)的應(yīng)用

在現(xiàn)代武器裝備發(fā)展過程中，先進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)裝備電能生成、存儲(chǔ)和管理等提出了極高的要求。以航空裝備為例，四代機(jī)謀求更強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知能力，以及隱身、超聲速巡航、超常規(guī)機(jī)動(dòng)等性能要求，推動(dòng)了機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)的快速發(fā)展。例如，F(xiàn)-22采用了基于“寶石柱”計(jì)劃的綜合航電系統(tǒng)，F(xiàn)-35進(jìn)一步開展射頻綜合并在機(jī)上大量裝備了大功率電子設(shè)備。隨著多電技術(shù)發(fā)展，航空裝備電氣化水平大幅提升，電網(wǎng)容量、能量轉(zhuǎn)換效率、功率密度、綜合控制能力得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，有力地保障了任務(wù)系統(tǒng)的效能。

英國(guó)“暴風(fēng)”未來戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)提出了更高的要求（來源：英國(guó)BAE系統(tǒng)公司）

下一代航空裝備將具備大空域?qū)捤儆虬€、大范圍高機(jī)動(dòng)敏捷飛行控制、先進(jìn)電子攻擊、高功率定向能武器等特征。以激光武器為例，美國(guó)空軍設(shè)想的機(jī)載激光武器功率達(dá)到3MW，遠(yuǎn)超當(dāng)前航空裝備全機(jī)電網(wǎng)容量。美國(guó)空軍指出，下一代戰(zhàn)斗機(jī)所需的電網(wǎng)容量是當(dāng)前的10倍以上，未來先進(jìn)任務(wù)與武器系統(tǒng)的應(yīng)用與效能發(fā)揮都需要電氣化技術(shù)提供基礎(chǔ)性保障。

提高能量效率 ，應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)

作戰(zhàn)行動(dòng)會(huì)消耗大量能源，隨著全球能源供需矛盾日益突出，應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)是戰(zhàn)場(chǎng)電氣化的原動(dòng)力。例如，美國(guó)空軍是美國(guó)國(guó)防部能源消耗最大的軍種，每年消耗超過75.7億升航空燃油，花費(fèi)超過90億美元。根據(jù)NASA的研究結(jié)果，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能60%的潛在收益，采用超導(dǎo)分布式渦輪電推進(jìn)的N3-X寬體機(jī)燃油消耗可較波音777-200LR降低70%以上；根據(jù)加拿大港灣航空公司的分析，其短途商用運(yùn)輸飛機(jī)電氣化能夠降低70%以上的運(yùn)營(yíng)成本。相關(guān)技術(shù)在武器裝備的未來應(yīng)用能夠有效降低燃油消耗，減輕能源供應(yīng)與保障負(fù)擔(dān)。

緩解后勤保障壓力

現(xiàn)代作戰(zhàn)行動(dòng)愈發(fā)依賴后勤保障，需要建立并維持通往戰(zhàn)區(qū)的龐大運(yùn)輸通道，為作戰(zhàn)提供燃油、裝備的維護(hù)服務(wù)等。后勤保障需要消耗大量資源，同時(shí)也暴露在較大的風(fēng)險(xiǎn)下。以燃油供給為例，作戰(zhàn)所需的大量燃油需要大型儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐難以有效隱蔽、極易遭受襲擊，例如也門胡塞武裝使用無人機(jī)成功襲擊沙特石油設(shè)施；同時(shí)將燃油運(yùn)輸?shù)綉?zhàn)區(qū)也需要大量軍用運(yùn)輸車輛；儲(chǔ)存與運(yùn)輸過程本身也需要相應(yīng)的安全保障、人員配給等。美國(guó)陸軍環(huán)境政策研究所的數(shù)據(jù)顯示，在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)燃油供給的傷亡系數(shù)為0.042，意味著每次燃油補(bǔ)給車隊(duì)任務(wù)會(huì)產(chǎn)生0.042人傷亡。而作戰(zhàn)行動(dòng)中大量的燃油消耗帶來了大量的燃油補(bǔ)給需求，數(shù)據(jù)顯示2007年美國(guó)在伊拉克的燃油補(bǔ)給車隊(duì)任務(wù)數(shù)量為5133，相應(yīng)的傷亡數(shù)字可觀。電氣化能夠大幅提高裝備能量使用效率，降低燃油消耗。另一方面，電氣化能夠有效提高裝備的維護(hù)保障性能，解決傳統(tǒng)液壓、引氣、燃油系統(tǒng)面臨的“跑冒滴漏”問題，減少裝備維護(hù)帶來的后勤負(fù)擔(dān)。采用電驅(qū)動(dòng)或多電技術(shù)，能夠大幅減輕裝備的質(zhì)量與機(jī)械復(fù)雜度，由于電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、旋轉(zhuǎn)部件少，可有效提高維護(hù)性。

以F-35為例，該機(jī)引入了固態(tài)配電、電靜液作動(dòng)等多電技術(shù)，采用熱/能量綜合管理系統(tǒng)和開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，取消了中央液壓系統(tǒng)和地面起動(dòng)、供電保障設(shè)備，大幅提高了裝備的保障性。與傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機(jī)相比，該機(jī)平均維修間隔提高1倍、同等規(guī)模部署時(shí)所需的保障人員數(shù)量降低33%。

結(jié)束語(yǔ)

隨著能源供應(yīng)、后勤保障壓力等問題的凸顯，同時(shí)也伴隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)電氣化正在逐步引起軍方與業(yè)界的關(guān)注，包括大功率發(fā)電機(jī)、高能量密度電池、超導(dǎo)發(fā)/配電系統(tǒng)、先進(jìn)能量管理等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，全球各國(guó)的研究均處于技術(shù)成熟度較低的階段，需要在超導(dǎo)材料、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有所突破。我國(guó)在動(dòng)力電池等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以戰(zhàn)場(chǎng)電氣化引發(fā)的技術(shù)革新為契機(jī)，應(yīng)當(dāng)主動(dòng)作為、加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與相關(guān)技術(shù)演示驗(yàn)證研究，支撐未來跨越發(fā)展、搶占先機(jī)。