美国海军电力推进、综合动力系统的历史、现状及未来发展趋势
本文介绍了美国海军电力推进的历史和现状和综合电力系统（IPS）船舶从世纪初到今天的发展。
摘要
虽然舰船电力推进已经存在了近一个世纪，但现代综合动力系统在美国海军舰艇上的发展和实施，是冷战结束后才出现的。主要的推动因素是旋转机械(发电机和推进电机)、电力电子(动力转换和电机驱动)、储能和控制等方面的研究和开发。美国海军已经逐步实施了这项先进技术。Nota Bly、DDG 1000及其综合推进系统和CVN 78及其电磁飞机发射系统将很快加入舰队，标志着电力舰船的又一重大进步。未来，轨道炮、大功率雷达、激光等电子武器的集成将最终实现战舰电力化的目标。
引言
冷战的结束标志着水面战斗人员向电力战舰的数十年演变的开始。1989，“技术集群”的概念出现，倡导地面作战技术的协同研究与发展[11]。技术集群承诺支持并行系统工程和组件研发，提供程序稳定性，并减少车队的引入时间。基础的“A群”由集成电力驱动、先进推进系统、中冷回热(ICR)燃气轮机、脉冲功率综合配电系统、机械监控系统、先进辅助系统和低观测/游荡电力系统组成。集群A使其他集群得以引入，最显著的是集群E，电磁脉冲功率。
在接下来的几十年里，美国海军使这些技术成熟，并逐步将它们引入到船舶设计中，即将向美国海军交付第一艘以美国综合电力系统(IPS)Zumwalt(DDG 1000)为特色的现代电力军舰为证明。现代电力技术也被引入辅助舰艇(T-AKE 1级和MLP 1级)、两栖军舰(LPD 17级、LHD 8级和LHA 6级)、航空母舰、潜艇和DDG 51飞行升级。此外，定向能量武器原型，如激光武器系统(Law)也开始投入使用，电磁轨道炮目前正在从早期的电磁发射器原型转变为武器系统技术开发项目。
高功率雷达，如空中和导弹防御雷达(AMDR)，也是由于电力舰船技术增加电力供应而实现的。虽然“技术集群”一词已不再被广泛使用，但它所代表的概念继续影响着技术发展。
海军电力推进
一些研究成果已经提供给电力推进舰船的使用，从早期的1900s二战深入讨论，然而，直到近代才努力开始发展先进的高功率密度，它可以提供给中小水面舰艇推进机器（如护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、潜艇和 ）使用。这些早期的主要集中对低温超导提供高磁场强度的研究成果会导致更紧凑的机器的使用。
选择直流(DC)同极技术有几个原因，但主要是因为同极电机不需要换相，是一种非常安静的纯直流电机。然而，它有两个缺点：第一，同极机是低电压、大电流的器件，在整个规模上需要6万A；第二，低温超导体在液氦或近液氦温度下工作，因此需要复杂的低温系统。
为了适应非常大的电流，早期的机器使用液态金属电流集热器，一种钠钾共晶材料，它必须保持在惰性的气氛中，因此需要复杂的旋转密封。为了降低电流密度，我们尝试了杂极和六极结构，而不是偶极子结构。这些确实成功地提高了机器电压，但电流密度仍然很高。为了消除对液态金属的需求，我们也尝试了固体刷，但这些刷子数量多，寿命相对较短，使它们不太令人满意。
在简单性方面确实有所改进的是开发铌钛代替铌锡，而铌锡可以在10 K误差的范围内操作，这是铌锡的4K误差要求。这就消除了氦液化器，该液化装置复杂且对舰载应用来说太脆弱。最终，同极技术被抛弃，取而代之的是交流(Ac)机，这些机器可以提供船舶推进所需的尺寸，而不需要复杂的直流同极系统。
为了尝试使用传统的同步电机而不是超导电机，美国海军制定了综合电力驱动(IED)计划。认识到直接驱动电机将很难纳入驱逐舰大小的船舶，高速机器选择完全液体冷却转子和定子与行星轮减速齿轮的输出轴，以降低固定螺距螺旋桨要求的速度。
为了减少当时可用的电机驱动器的尺寸和效率损失，采用了用于机动和低速运行的部分量程变频器。在较高的速度下，相同的发电机和电机同步运行，能提供既安静又有效的动力。
这个系统虽然相对紧凑和安静，但仍然只是一个推进系统，它的效率和成本都低于它所取代的机械传动系统。直到IPS的发展，才能充分发挥电动船舶技术的潜力。通过充分整合所有船舶的动力源和负载，使其在任何情况下都能有效运行，并为未来的发展提供收益，IPS大大提高了操作效率。
综合电力系统
电力推进和电力系统技术方面的一些研究和项目是在20世纪60年代和70年代进行的，形成了坚实的知识基础，将IPS纳入DDG 1000的具体工作可追溯到1979年11月，在海军海洋系统司令部管理的高级综合电力推进装置概念设计项目下进行了一系列研究[10]。20世纪80年代初，美国海军开始设计DDGX(未来的DDG 51级)。在DDGX的初步设计中，由于受到AIEPP的严重影响，选择了电力驱动作为基线的推进系统。
然而，这一决定担心合同设计中出现的相反的情况，超过成本和进度风险以及被认为缺乏专业知识的海军，工业工程设计和发动机劳动力。因此，传统的机械在DD 963和CG 47类中使用的驱动设备是采用DDG 51级。
1988年9月，海军作战总司令克鲁里克和格雷厄姆在海军联盟的一次讲话中说：
综合电力驱动及其相关技术集群将成为下一代地面战斗人员的推进技术支持，我将指导所有参与这些努力的主要海军组织，以使他们的精力集中于这一目标。
这一声明表明，以前取消的IED程序开发一个非常安静的表面战斗力密集的电力推进系统，1998年十一月，通用电气有限公司承包了开发样机硬件的项目 ，硬件包括120赫兹，六相，25 4160-v，KHP 3600转的旋转机械，非常安静，可以作为一个发电机或为推进电机。
1989年至1991年，苏联解体。冷战结束后，苏联的优先事项转向“和平红利”，而不是持续的国防开支。随着DDG 51级刚刚推出，海军再也负担不起发展未来的地面战斗人员的费用。IED计划正在开发一种昂贵的技术，它没有一条通往船舶设计的过渡道路。1991，简易爆炸装置项目被列入先进表面机械计划(ASMP)。
工程师在1991年秋季和1992年春季花费了大量的精力并利用商业技术来降低IED系统的成本。考虑到新的严峻的财政现实，项目经理格雷厄姆上尉重新定义了项目目标，从提高军事效力、提高成本到使系统在不降低性能的情况下更实惠；在未来几十年里，很可能不再需要IED系统的先进的声学性能。ASMP工程师发现，与IED系统相比，其他新兴技术可以生产出能力更强、价格更实惠的电力系统。ASMP的焦点从IED程序的完成转移到另一种状态。一些简易爆炸装置的硬件已交付海军，但从未测试过。
1992年，ASMP将重点转移到一种既经济又适合海军计划收购的海军舰艇的电力系统架构。IPS的基本架构和不同的模块类型如[3]：1992，ASMP所述。
集成电源体系结构(IPA)提供了将IPS的设备和软件划分为模块的框架。IPA定义了六个功能元素及其之间的权限、控制和信息关系。每个IPS模块对应于IPA功能元素之一。功率关系是指两个功能元素之间的电能传递关系。
控制关系是指命令从一个功能元素传输到另一个功能元素，而信息关系表示数据从一个功能元素传输到另一个功能元素。其功能要素包括发电、配电、功率转换、电力负荷、储能和系统控制。
1992年，IPS的概念中包括了通用模块，这些模块将在应用于特定船舶之前，按照不断发展的“基线”定义的开放体系结构进行设计。这些模块将由模块特性表加以描述，这些表格提供了必要的信息，以便将它们集成到一个系统中，以及采购这些模块所需的规格和标准。
设计数据表将提供开发IPS配置的过程，方法来调整各个模块以满足船舶需求。
电力系统基线旨在确保IPS解决方案始终存在于新的海军舰艇设计中，并反映出市场上的技术状况。如果海军在短期内需要一个电力密集、安静的电力驱动系统，那么ASMP将提出一个基于IED计划的系统。这套技术被称为“基线1”，反映了当时的记录程序。由于水陆两栖战舰或辅助舰无法使用“基线1”，因此将提出一种基于军事化商业技术的电力系统，这被称为“基线2”。这些基线将得到规范、标准、手册、设计数据表和设计工具的支持。
正在进行的科学技术（Samp;T）和研发（Ramp;D） 努力最终会需要新的动力系统“基线3”取代“基线1”成为更实惠的电力系统架构战斗员，一个未来的“基线 4”将取代“基线 2”两栖作战和辅助船。这些基线是一个早期的来促进技术发展[ 5 ]的“生产线”应用。
IPS还纳入了关于交流分区分配系统和船舶服务负荷直流分区分配系统的规定。DDG 51级的飞行Ilia包含了交流分区分配系统的一个改进版本(见[22])。Ac分区分配系统也被纳入LPD 17和LHD 8。直流分区配电系统成为综合电力作战(IFTP)系统，并作为IPS的一部分过渡到DDG 1000。IPS成为了一种电动舰船推进器，并为船舶设计提供了以下益处[4]。
1)支持高功率任务系统：电力舰船上产生的所有能量都可以满足船舶的服务需要。大量可用的能量使许多新技术武器系统部件，如高功率雷达、电磁炮、电磁发射器和激光武器。大功率的存在将导致武器系统本身的变化以及武器系统如何与舰船集成。例如，随着电子武器取代常规枪支和导弹，诸如弹夹、武器装卸装置，船舶安全和保护系统等船舶系统也将发生根本性变化。
2)减少原动机的数量：电动战舰使较少的原动机能够满足较高的功率负荷。例如，传统设计的LPD 17有九台旋转机械，相当于船舶总功率的43MW：四台用于推进的中速柴油原动机和五台柴油发电机。一种基于IPS的新设计LPD只需四台原动机即可配置。较少的原动机可能会创造更高的燃油效率、降低采购成本、减少维护和减少人力需求。
3)提高原动机效率：IPS结构的整体系统效率可高于等效机械传动设计。机械驱动船舶的整体效率可能会受到影响，因为推进原动机在低船速时效率低下，发电机往往负荷较轻。有了IPS，船舶服务和推进负荷管理在同一个分布式系统，使原动机的负荷更有效。
4）提高推进器的效率：该推进轴线可与传统可控螺距螺旋桨去除简化（CPP）系统，如螺旋桨或POD推进锡安替代使用。改进的POD 也可以提高螺旋桨的效率，推进性能，已被建设者和具有很多渡船、游船、和其他商业船的商船运营商的认可。
由于许多推进电机在同一轴上都有两个独立的电机，因此将每台电机专用于自己的螺旋桨，并不会增加显著的复杂性。设计长寿命轴承来支撑内轴是一个工程师的挑战，已经成功地在商业实践中实现。另外，船体安装的轴和螺旋桨也可以与吊舱配对，以进行反向旋转。
(5)提供灵活的常规管理：电动舰船能够挑战传统的船舶设计规则，传统的船舶设计将原动机置于船舶的较低位置，使其与轴对齐，定位发电机组提供了在几乎任何位置的灵活性(取决于稳定性考虑)轴线可以通过直接驱动电机简化。船舶设计人员还可以挑战与推进器纵向分离相关的常规设计，提高船舶的生存能力，提高船舶的可维护性，为燃气和排气设计提供了新的途径。
6)提高船舶生产效率：通过消除长轴线，船舶建造商可以简化安装进度，从而减少船舶建造进度。通过在船舶内仔细布置发电机组，可以推迟这些项目的船厂需要日期，减少设备在建造过程中损坏的可能性。此外，每个模块都可以在融入船舶之前进行测试，降低了设备在船舶验收过程中出现故障的风险。分区分配系统缩短电缆长度，并尽量减少电缆必须穿透的空间数。
7）促进燃料电池一体化：燃料电池承诺提高未来海军电力系统的燃料效率。由于燃料电池直接产生电力，他们整合到一个电子电力系统是自然的。燃料电池是一种发电机组，而燃料电池技术将挑战应用限制，这些挑战正在由海军和市场解决。在将来当燃料电池技术可行，电动军舰将协助他们融入船舶设计。
在1992期间，ASMP开始和Newport新闻造船和Kamen电磁讨论去发展一个采用永磁电机（PMM）技术的“基线3”系统 。该技术用于代价低于的“#39;基线1”提供高功率密度。“基线 3” 也是为了能够支持未来脉冲功率武器如激光和电磁炮，表明PMM技术建立了缩尺高级开发项目 （序列），1994年其促使了一个3000马力的PMM替代一个25000马力的电动机样机测试成功。
在1992的秋天，ASMP完全集中在“基线 3”，因为“基线 1”是不可行的，其和“基线2”是不需要任何进一步的发展。因此，IPS会解决电力系统需要的DDG 51级辅助船，如T-AKE 1类（以及后来的MLP 1类）， 将使用商业海洋的IPS解决方案，实现“基线2”。
1995年2月，NAVSEA授予洛克希德马丁公司的海洋、雷达和传感器系统一份IPS全面先进开发(FSAD)合同。FSAD系统将作为可纳入未来舰载IPS体系结构的技术的试验平台。作为系统集成商，洛克希德马丁公司负责开发用于设计和集成系统的标准、规范、设计数据表和手册。
不幸的是，虽然洛克希德马丁公司是开发特定产品的杰出系统工程组织，但它并不是一家习惯于开发产品线的公司。我们付出了很大的努力来转变ASMP政府团队在系统架构过程中所获得的知识，以使承包商能够符合IPS系统集成商的设想角色。产品线开发人员和产品开发人员的技能之间的不匹配没有得到解决。继IPSFSAD合同之后，洛克希德·马丁公司终止了与IPS的合作。
1996年6月，一项SC-21(DDX计划的前身)IPS船舶撞击研究比较了IPS和机械变速器。这项由SC21成本和作战效能分析小组进行的研究发现，IPS船的购置成本低于一千万美元，比美国低400 LT，燃料消耗少17%。1998年3月，中海油的SC 21 COEA报告得出结论，IPS“大幅降低了船舶设计、建造和生命周期成本”。
Walsh[24]介绍了将IPS纳入DD 21方案的情况：
1999年初，海军高级官员包括海军核推进计划主任Frank Lowman，以及海军作战副局长Donald Pilling、NAVSEA指挥官George Paninorsquo;s 、NAVSEA工程副海军上将George R.Youn
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