军事评论

“全电动车”:未来战舰的概念

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建立在新物理原理上的武器将被安装在未来战舰上的前景将有助于增加海军水手对电力推进主题的兴趣。 这个想法本身,包括将船舶及其武器的发电厂组合成基于电能的单一回路,是非常有吸引力的。 因此,工程师和设计师越来越多地研究这个主题,包括俄罗斯造船业企业。


建立在新物理原理基础上的武器系统可以被称为,特别是有希望的复合物,它使用电磁脉冲暂时或甚至永久地禁用雷达,无线电和数字系统,敌舰的计算机。 此外,可以使用船舶的电力来发射和加速射弹(轨道炮)。 不要忘记所有这些系统都需要船上非常大的电能储备,以及在没有船进入基地的情况下恢复或维持所需水平的可能性。

如今,电动机被用在战舰上,作为主发电厂的一部分,并作为辅助推进装置。 由于现代发动机是高速的,因此需要在它们与螺旋桨之间放置减速齿轮,其中的功率损耗可达到2%。 在电气系统的情况下,必须使用总效率小于90%的变频器和发电机。 这低于“纯机械”系统(例如,燃气轮机和主涡轮齿轮单元)。 因此,从经济角度来看,电动运动无利可图。


当时,螺旋桨电动机的发明为水下造船的整个发展带来了相当大的飞跃,而对于水面战斗舰,它只能解决辅助任务。 尽管如此,更广泛的应用爱好者 舰队 “电磁力”不会在任何地方消失。 为了引起人们对该主题的兴趣,他们引入了新术语,例如“电动运动的扩展使用”。 仅当螺旋桨(或其他推进器)在船舶所有运动模式下仅由电动机驱动时,才可能实现全电动运动。 如果船上有机械能(涡轮机,柴油机等)可以旋转螺旋桨轴(通常是高速旋转)的机械能,那么我们可以谈谈“用辅助电动机直接驱动”,或者“部分电动运动。”

“全电动运动”基于机械能转换为电能,然后再转换为机械能,降低了整体效率。 这必须考虑到造船者和海军水手。 似乎电磁枪(在护卫舰,护卫舰和驱逐舰上)和弹射器(在航空母舰上)的预期外观将使一些能量损失在从一种类型转换为另一种类型时发生,这是合理的和可能的。

锂离子海底电池

与各种船舶系统(包括雷达,BIUS,GAK等)的能源消耗增加的总趋势相关,设计人员需要在他们的发电和电力保护方法中更加谨慎。 在这方面,世界先进的科技国家正在积极致力于大容量锂离子电池的研发。 这个地区和俄罗斯都取得了成功。


值得注意的是,锂离子电池本身(锂离子电池)是索尼在1991年度首次发布的,但长期以来这些电池仅用于民用领域。 如今,这种类型的电池在所有家用电器和电子设备中非常普遍,还发现了在各种能量系统中作为能量存储装置的应用,以及作为电动车辆中的能源。 今天,它是笔记本电脑,手机,数码摄像机和照相机以及电动汽车等设备中最受欢迎的电池类型。 锂离子电池在工作中已证明非常好,但直到最近它们才被用于车队。 尽管这些电池具有许多优于传统酸性电池的重要优点,包括能够承受增加的放电和充电电流,增加容量,延长寿命周期,降低运行期间的成本等。

当然,所有这些都离不开海军技术的设计者。 例如,在2014结束时,潜艇造船局专门从事潜艇设计并在我国领导的俄罗斯鲁宾设计局宣布了用于非核潜艇的新型锂离子电池测试周期的成功。 TsBB Rubin Igor Vilnit的总经理当时告诉记者。 这种电池显着提高了潜艇的自主性,具有较长的使用寿命,并且不需要维护和操作复杂的设备。 与此同时,在俄罗斯车队中,使用电池,其有效性是有限的,据专家称,价格可以达到300万卢布。 根据曾担任鲁宾中央设计局主席的安德烈·迪亚科夫(Andrei Dyachkov)的说法,现代锂离子电池将使潜艇至少保持在水下1,4次,而这种技术理念的潜力目前仅由35-40%使用, RIA报道 新闻.

这个方向对于舰队来说是有希望的,它一直被世界各地所关注。 据shephardmedia.com报道,在3月2020上,日本海军自卫队即将发射世界上第一艘非核潜艇(11-I在一系列潜艇中,如Soryu),它将接收锂离子电池。 这将使日本人不仅停止使用传统的铅酸电池,而且还停止使用潜艇上与空气无关的斯特林发动机。

Soryu型日本无核SS503Hakuryū潜艇。

根据退役海军上将Masao Kobayashi的说法,使用锂离子电池“应该会大大改变非核潜艇的行动。” 这种电池为潜艇提供水下行程的持续时间,与低速时使用空气独立发电厂(VNEU)的行程持续时间相当,但是,由于高容量,它们可以提供相当高的水下行程持续时间和高速度,这对潜艇来说尤为重要。当他们继续攻击或逃避敌人时。 同时,与VNEU不同,该潜艇通过使用RDP装置(用于在水下操作发动机的装置)给电池充电,能够不断补充锂离子电池的能量。

根据副海军上将Kobayashi的说法,与铅酸电池相比,锂离子电池的充电时间也更短,这是由于更大的电流充电。 而且,这种电池更耐用,并且使用它们的电路更容易构建电网和管理。 硬币的另一面是锂离子电池的高成本。 所以Soryu型11潜艇的合同价格为64,4十亿日元(约合566百万美元),相对于同类型的第十艘船的51,7十亿日元(454百万美元)。 潜艇的价格几乎所有差异都将出现在锂离子电池和相应的电气系统中。

划船电机的使用

对于水手来说,减少暴露的迹象非常重要。 最重要的是,这有助于螺旋桨马达(HED)的使用,这被认为是当今所有普通船舶推进系统中噪音最低的。 然而,对于水面舰艇而言,声场的减小与潜艇舰队不相关。 事实上,水面舰艇的主要揭露因素是雷达的可见度(无线电波很好地反映在上层建筑和板上),以及红外场(基于内燃机建造的发电厂)。

因此,对于水面舰艇而言,水声场的减少似乎与专用船舶 - 反潜(巡逻)船最相关。 大多数情况下,他们使用带有拖曳,潜水和子天线天线的声纳系统,以中小型旅行模式搜索敌方潜艇 - 不超过15节点(约28 km / h)。 这种天线的范围直接取决于运载船的振动和噪声“肖像”,船速越低,天线的工作效率越高。

模型HED,渲染realred.ru

噪音更小 - 电动推进装置的主要优势。 与使用电动机的装置相比,没有其他发电厂可以减少噪音。 在这种情况下,对船的整体噪声“背景”的显着贡献使得划艇轴通过齿轮箱与主发动机刚性连接。 为了减少这种噪音,使用了特殊的联轴器。 此外,发动机的振动传递到船体(船舶发动机,变速箱,机构放在基础上,其与船体刚性连接,并且又与船体壳体连接)。 它是船体,将振动辐射到外部环境(进入水中),这是噪声的来源,称为结构。 为减少“结构噪音”,广泛采用减震器上所有机构的安装。

在具有完全电力推进的发电厂中,螺旋桨轴绝不与主(对于它)噪声源(主发动机)连接,因为在所有行驶模式中它仅通过电动机旋转。 此外,在“电力”主发电厂中,发电机与原动机一起甚至可以位于船舶的上层建筑中(例如,这是一些柴油发电机如何位于23项目的英国护卫舰上),将它们从船的外壳上移除到最大。

确实,在超过15节点的速度下,电动运动的所有优点在这种移动的无噪声方面结束。 这是因为水下噪声的主要成分(距离船只一定距离)是来自空化螺旋桨空化的噪声。 因此,在战舰上,仅在速度高达15节点的情况下处理来自发电厂的降噪是有意义的。 因此,电力推进的使用只能用于为船舶提供搜索行程,适用于反潜船舶。

今天,有些例子表明,个别设计师试图通过减少轴的长度来降低战舰的声学可见度,并认为通过将发电厂的元件正确地定位在舰船和上层建筑的船体内来实现这种解决方案。 其中一些解决方案实际上是在实践中实施的,例如,英国45 Daring型驱逐舰,其动力装置包括劳斯莱斯2燃气轮机,一对瓦锡兰柴油发电机和Converteam电动机。 对于在2003年2011上使用6的KVMS,建造了这样的驱逐舰。

驱逐舰类型45大胆

在美国,正在积极建造新一代有前途的驱逐舰,称为Zumwalt。 这项工作始于2008年,该系列的主导船于10月2016投入使用。 该船的发电厂包括燃气轮机和异步36,5 MW电动机,其工作电压为6600 B. Lyndon B. Johnson计划向DDG-1002系列的第三艘船提供带有永磁体的高温超导同步电动机,其功率将与36,5 MW和转速相同轴 - 每秒2转数。 与此同时,新一代驱逐舰的初步运行向全世界证明它仍然不可靠并且患有儿童疾病,其操作伴随着无数次失败。 因此22十一月2016,Gum驱逐舰Zumwalt在通过巴拿马运河时坠毁。 固定的船只必须在最普通的拖船的帮助下被拖到基地,这些拖船没有新型发电厂的负担。

除了降低噪音之外,电动机的另一个积极品质可称为船舶机动性的增加。 燃气轮机和柴油发动机都具有最小功率值,因此,还存在最小稳定速度。 使用电动机时,您可以很容易地改变螺旋桨轴的旋转频率和方向,这意味着船的速度和方向。 因此,带有电动机的主发电厂已经在这些船上使用了很长时间,根据其目的,它们应具有最大的可操作性:拖船,渡船,破冰船,浮式起重机等。

的Azipod

在未来,战舰电动机的另一个无可争议的优势可能是拒绝使用螺旋桨轴。 从1992开始,带有潜水推进发动机(吊舱驱动)的螺旋桨和转向复合体开始被广泛用作推进电动机(HED),其中HED被移出船体并安装在水下舱(茧)中,其具有高流体动力学性质。

Azipod - 方位角吊舱推进系统

典型的VRK创建或使用一个固定的,或两个同轴(牵引和推力)螺钉。 在我国,芬兰系统的名称为“Azipod”(Azipod - 方位式吊舱式推进系统),带有一个电阻螺钉和HED,功率从1,5到4,5 MW,得到了最大的分布。 WRC的主要优点是:能够将胶囊在水平面上旋转到360度,也就是说,以100%的力量反转螺杆的旋转方向; 轴系和低速运转固定螺距螺杆的能力(从正常情况下高达0,1)。 此外,WRC允许显着降低发电厂的振动和噪声水平,以及在难以容纳货物的地方安装电力设备,这反过来又允许设计者更有效地利用船舶的空间。

WRC最有效的电流源是交流电网,它不仅可以提高主电厂的效率和可靠性,还可以使用异步电机驱动螺杆,配备短路转子,运行时无需维护。 为了提高异步驱动器的启动质量,通常使用具有特殊性能的深相和双电池转子。 可以使用晶闸管变频器调节称为Azipod的系统中的螺杆速度。 在实践中使用WRC显着提高了船舶的机动性,并且在没有拖船辅助的情况下甚至可以在港口进行相当大的操作。 此外,螺旋桨轴的缺乏增加了船体的有效容积。

众所周知,电力推进系统被用于俄罗斯武器运输Akademik Kovalev,该运输在Severodvinsk的Zvezdochka CS建造,并于今年12月2015被接纳进入舰队。 由Almaz冶金设计局创建的20180TV项目船的一个特点是其推进系统:船舶的柴油发电机发电,为可定向的旋转转向复合体中的电动机提供动力。 由于WRC在船上的存在,这种武器运输的特点是机动性提高,它可以保持预定航向,并伴有严重的海上干扰,并成功地完成了由海军指挥分配给它的任务。 目前,Zvezdochka CS正在同一项目下建造第二艘船。


专家们认为,今天最常见的水下和水面舰艇将在未来得到改善,特别是考虑到螺旋桨转向系统的使用越来越多。 与此同时,未来,世界各国海军舰艇上的电力推进将越来越普遍。

信息来源:
https://tvzvezda.ru/news/opk/content/201706150803-999y.htm
http://bmpd.livejournal.com/2443028.html
http://www.arms-expo.ru/news/perspektivnye_razrabotki/tskb_rubin_litievye_batarei_dlya_podlodok_proshli_ispytaniya
Tseluyko IG。世界军事舰队电动运动的发展//青年科学家。 - 2012。 - №4。 - S. 54-57。
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27 评论
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亲爱的读者,您必须对出版物发表评论 授权.
  1. tchoni
    tchoni 18 August 2017 08:23
    +2
    实际上,创建强大的电动机是一项非常艰巨的工程任务,在解决这一问题时有必要在质量,电压,电流和发热量的临界值之间找到平衡。 在某种程度上,该领域的未来被视为高温超导体。 但是,由于后者的缺乏发展和繁琐的技术,未来非常模糊。
    1. A1845
      A1845 18 August 2017 09:50
      +1
      Quote:tchoni
      在某种程度上,该领域的未来被视为高温超导体。 但是,由于后者的缺乏发展和繁琐的技术,未来非常模糊。

      一切都这么雾吗? 上面的文章说:
      Quote:tchoni
      计划在DDG-1002 Lyndon B. Johnson系列的第三艘船上安装带有永磁体的高温超导同步电动机,其功率将为36,5 MW,轴速将为每秒2转。
      1. tchoni
        tchoni 18 August 2017 10:00
        0
        据我从新闻界的出版物中判断,安装非常复杂,无法在实际条件下进行。 尽管该设备具有吸引力,但实际操作仍可以发现将对其致命的问题。 此外,您需要了解价格/购置物业的问题可能至关重要。 嗯,是。 是的,进行大范围的牵引操作很方便,但这很重要吗? 是的,低噪声很重要,但是对于谁又多少钱? 是否值得,因为有几艘反潜艇用冷却的超导体围住了一个花园(它们和高温的超导体的超导温度约为-160 -170度),还是可以不采取其他任何措施? (油封,枕头,减震器,补偿轴)。 要求此类装置的实际操作来回答所有这些问题。
        1. A1845
          A1845 18 August 2017 15:44
          0
          他们做一个全长的花园。 即使在无人机上,也要尝试挤压它。
    2. 评论已删除。
  2. KIG
    KIG 18 August 2017 09:00
    +4
    早在2003年,美国人宣布对5000 kW高温超导划船电动机进行地面测试。 它的尺寸只有一半,重量比这种功率的普通ED轻70%。 有趣的是,如果制冷装置出现故障,它又要继续工作一周,那么其功率必须与绕组温度成比例地逐渐降低,最终它将变成功率约为500 kW的普通EM。 这足以到达最近的港口。
  3. 伊拉祖姆
    伊拉祖姆 18 August 2017 09:08
    +1
    我们的好吧,没有办法,没有办法! 否则,我们将再次落在尾巴...
  4. silberwolf88
    silberwolf88 18 August 2017 09:33
    +2
    主题很好。但是需要在船上(核反应堆或船用燃气轮机)接收足够量的电能,包括脉冲(峰值)电压……部分存储起来(散弹枪或使用弹射器)……也许这艘船和这艘船的重量的一半将是所有的经济,并且将...
    生存问题以不同的质量出现...在该浮动电站中的人员的行动...水导体...网络故障...短路...以及其他问题...停船会导致可控性完全丧失...有一些需要考虑的事情/从事具有军事偏见的工程))
  5. 弗拉基米尔SHajkin
    弗拉基米尔SHajkin 18 August 2017 10:09
    0
    潜在地
  6. BORMAN82
    BORMAN82 18 August 2017 10:17
    +2
    由于现代发动机是高速发动机,因此您必须在它们和螺杆之间放置一个减速齿轮,其功率损失可能高达2%。 对于电气系统,必须使用总效率低于90%的变频器和发电机。 这低于“纯机械”系统(例如,燃气轮机和主涡轮齿轮装置)的系统。 因此,从经济角度来看,电动似乎是不利的。

    效率方面的这种醋汁不会打扰您吗?
    例如,燃气轮机的效率达到60%的水平,甚至机械变速箱中2%的损耗看起来也令人信服)))
    1. ProkletyiPirat
      ProkletyiPirat 18 August 2017 11:31
      +1
      Quote:BORMAN82
      例如,燃气轮机效率为60%

      这是一个小谎言,涡轮机的效率从未达到60%。 通常,每当有人谈论效率时,都需要一个衡量方案。 如果您仔细看一下这个方案,就会发现这60%的热量大部分不是轴的旋转。
      1. BORMAN82
        BORMAN82 18 August 2017 13:23
        +3
        Quote:ProkletyiPirat
        这是一个小谎言,涡轮机的效率从未达到60%。

        从文章的“纯机械系统”中提取出来的效率仅超过90%)))这个事实对您来说不是撒谎吗?
        1. ProkletyiPirat
          ProkletyiPirat 19 August 2017 02:42
          +1
          是的,占90%,尤其是在ICE中 LOL 正如他们所说的“广告不说谎!它并不能说明全部事实!” 笑
          一般而言,有必要测量的不是元件的效率,而是整个系统的效率。 对于50%+ 50%的效率实际上不是100%甚至50%,而是大约10%甚至1%。 也就是说,从燃料到推进,基于液压或电力传输的混合动力系统处于领先地位。 首先,通过在缓冲器中存储能量的可能性来确保这种领导地位。 但是这里有开发人员的门槛,他们以某种方式放入了能量转换的额外节点,或者试图做一些没有缓冲的事情。 通常,不要做一些垃圾。
        2. ShVEDskiy_stol
          ShVEDskiy_stol 8九月2017 22:04
          +1
          纯粹的谎言。 ICE的效率几乎不超过40%,但ED仅有约85-90%(我在一些科学文章中读到,它们的效率几乎达到98%)。 这就是为什么他们不使用ED的原因,是因为电池的容量大小不一。 好吧,还有什么合适的技术人员...
          1. ProkletyiPirat
            ProkletyiPirat 8九月2017 23:10
            0
            有一些超级电容器的重量/容量比可以接受,但是它们具有快速自放电的问题,因此不适合长期储能。 但是,将它们用作缓冲区时,这不是必需的。 但是由于这种使用,出现了另一个问题,这是发电机运行模式的恒定切换,这降低了其效率。 正是通过使用大量的小型发电机而不是大型发电机来解决这一问题。 也就是说,目前最有效的方案是“许多小型发电机”->“超级电容器”->“电动机”。
            1. 候选人
              候选人 31可能是2019 22:56
              0
              方案看起来不一样
              然后,一切都会更好:
              “ TE-SuperConder-Inverter-AD”
              или
              “发电机-NPCH-AD”
              1. ProkletyiPirat
                ProkletyiPirat 1 June 2019 01:19
                0
                Quote:候选人
                发电机-NPCH-AD

                这是一个无效的旧方案,我在上面写道了原因。
                Quote:候选人
                TE -SuperConders-逆变器-HELL

                在这里,可能出现与上述相同的问题,但对于TE来说已经存在,也可以通过相同的方法解决。
  7. a3542475
    a3542475 18 August 2017 10:18
    0
    实际上,一切都简单得多,这里有压缩机电动机,这是当涡轮发电机通过压缩机产生的压缩空气来打开/关闭时,迫使空气压力的压缩机既可以利用电力又可以利用燃料来工作。
    1. Großerfeldherr
      Großerfeldherr 18 August 2017 11:56
      +1
      每次能量转换都会损失一部分效率。
  8. 好奇
    好奇 18 August 2017 12:30
    +3
    上面考虑的所有热力发电厂的结合是这样的事实:在它们中,燃料的化学(或核)能逐步转化为电能-首先获得热能,然后获得机械能,然后才获得电能。 同时,这样的方法早已为人所知并已成功开发,它们缺乏获得机械能的中间阶段,即,将热能或什至化学能直接转化为电能。
    MHD方法,热电发电机,热离子转换器,燃料电池-确实没有朝这个方向移动。 还是没有有关这种运动的信息?
    1. Servisinzhener
      Servisinzhener 18 August 2017 13:13
      +3
      对于潜艇,最佳选择是燃料电池,锂离子电池和电动机的组合。 至少在低噪音方面。
      1. 乌科夫特
        乌科夫特 18 August 2017 19:30
        0
        超级电容器可以被想到。 如果他们在断电期间能够盈利并在经济上合理地保持电压
    2. 乌科夫特
      乌科夫特 18 August 2017 19:29
      +1
      标签正在飞速发展。 我们在天然气管道上放了很多。 无需沿着气体管道设置空气。 但是尽管效率很低。 在突破的视线中,看不到戴上汽车或其他大型物件。 是的,作为小型能源的自主来源,它们正在稳步发展。 石墨烯上的电池也将是一个突破,但是当它出现时,人们开始学习如何大量使用纳米技术
    3. AIW
      AIW 21 August 2017 22:52
      0
      MHD是一个很小的资源。 热电发电机和热电子设备-低功率+秒功率也低于基板。 它们在需要高可靠性和耐用性(例如空间)的地方很重要。 TE-一切都很酷,但是燃油清洁度,惯性等存在很多问题。 尽管它们作为VNEU放在潜艇上。 顺便说一下,为什么根据本文,潜水艇无法在RDP下启动膨胀机/电解器,而我也不知道如何积累氧气...

      在MHD的基础上,这是推进器的有趣选项,但实际上是沉默。
  9. ZEFR
    ZEFR 18 August 2017 20:59
    0
    铁中的6500伏特能在盐水海洋中漂浮吗? 我不会坐下。 您旅途愉快。
  10. 巴比妥
    巴比妥 20 August 2017 10:26
    0
    来自文章:
    “今天,有很多例子,其中有个别设计师试图通过减少轴的长度来降低军舰的声音可视性,并认为通过将动力装置的元件正确地放置在军舰的船体和上部结构内来实现这种解决方案。其中一些解决方案实际上是在实践中实施的,例如,英国的45型驱逐舰“大胆”驱逐舰的发电厂包括2台劳斯莱斯燃气轮机,一对瓦锡兰柴油发电机以及Converteam电动机。2003年至2011年间,为KVMS建造了6艘这种驱逐舰。

    这是它的发生方式(只是有些人认为这些驱逐舰几乎是世界上最好的驱逐舰):
    “与此同时,最近发现,诸如“大胆”这样的驱逐舰对潜艇是完全无力防御的:根据海军少将克里斯·帕里的说法,“大胆”犹如带扳手的盒子轰隆隆隆地轰鸣(!!!),可以被一艘160公里外的敌方潜艇看到“他们只是在舰船的设计过程中忘记了反潜防御,希望减少冷战结束后俄罗斯潜艇的威胁。”

    好像很有趣 笑 ,但我喜欢这篇文章+!
  11. 戈尔巴蒂
    戈尔巴蒂 21 August 2017 06:29
    0
    在地震工业中,长期以来一直使用电动船。 顺便说一下,苏联是这方面的先驱。
  12. vladimir1155
    vladimir1155 24 August 2017 17:27
    0
    不能将azipod放在战舰上,它们几乎没有维修,水面战舰应该很小,吃水少,不能发射azipod