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美海軍針對(duì)定向能武器需求開(kāi)展“能量庫(kù)”研究計(jì)劃

2.主要研究?jī)?nèi)容

能量庫(kù)計(jì)劃的具體功能、性能需求由功能需求文件提出,但由于包含受控信息,該功能需求文件僅授權(quán)與美國(guó)防部及其承包商(Distribution State D)。因而本文關(guān)于能量庫(kù)計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容是基于技術(shù)發(fā)展路線圖和信息征求分析獲得的。

1)能量庫(kù)架構(gòu)研究

能量庫(kù)由通用模塊組成,主要組成部分為儲(chǔ)能模塊、變電模塊、配電模塊與保護(hù)模塊,其架構(gòu)如下圖所示,示意圖僅代表了能量庫(kù)的權(quán)衡空間,其最終功能尚待進(jìn)一步確定,可能包含如下形式:1)不含儲(chǔ)能模塊,直接由變電器向負(fù)載供電;2)利用儲(chǔ)能模塊,將平臺(tái)供電放大并直接供給負(fù)載;3)由儲(chǔ)能模塊單獨(dú)向負(fù)載供電。

信息征求提出能量庫(kù)結(jié)構(gòu)將分為兩部分,分別為儲(chǔ)能柜(Energy Storage Cabinet)和變電柜(PowerConvert Cabinet),兩者的邊界為680VDC-1000VDC總線。

能量庫(kù)架構(gòu)示意圖(美海軍圖片)

能量庫(kù)功能模塊(美海軍圖片)

(2)儲(chǔ)能技術(shù)研究

研究適用于能量庫(kù)的儲(chǔ)能介質(zhì)及其相關(guān)技術(shù)。

儲(chǔ)能介質(zhì)研究主要關(guān)注電池、電容及旋轉(zhuǎn)機(jī)械等儲(chǔ)能介質(zhì)在能量庫(kù)的應(yīng)用,分析混合介質(zhì)儲(chǔ)能的效果,并探索儲(chǔ)能元件并聯(lián)技術(shù)的可行性,特別關(guān)注公共接口下多個(gè)電容器或電池并聯(lián)的電流分配、穩(wěn)定性及短路保護(hù)等技術(shù)。

儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)研究主要關(guān)注不同儲(chǔ)能介質(zhì)對(duì)電力電子設(shè)備接口的要求,特別是旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能情況下電力電子設(shè)備的拓?fù)洹⒖刂,以及所需軸承等技術(shù)。

(3)變電技術(shù)研究

研究能量庫(kù)所需的變電技術(shù),以滿足能量庫(kù)從多種不同電壓等級(jí)平臺(tái)獲取電能、并向多種負(fù)載供能的需求。

能量庫(kù)儲(chǔ)能柜如采用混合介質(zhì),應(yīng)考慮是否需要設(shè)計(jì)額外的變流器以保證其安全接入直流總線。

特別的,美海軍關(guān)注高壓碳化硅寬帶隙半導(dǎo)體器件的應(yīng)用,以及其如何改善電力電子設(shè)備的性能,希望明確這一技術(shù)能否改善能量庫(kù)的設(shè)計(jì)性能。

碳化硅技術(shù)在電力電子設(shè)備的應(yīng)用(美海軍圖片)

(4)配電技術(shù)研究

針對(duì)不同特性的負(fù)載,開(kāi)展配電技術(shù)研究,研制適用于能量庫(kù)的斷路器、繼電器等裝置。

此外,對(duì)于具體的能量庫(kù)結(jié)構(gòu),儲(chǔ)能柜、變電柜總線上可能需要使用高速斷路器,該斷路器是否封裝到儲(chǔ)能柜或變電柜內(nèi)部,以及是否影響原有接觸器、保險(xiǎn)裝置。

(5)熱管理技術(shù)研究

能量庫(kù)需要一套采用水作為冷卻介質(zhì)的熱管理系統(tǒng),以滿足大功率散熱的需求。

冷卻介質(zhì)的可能選擇包括環(huán)境水與專用冷卻水,考慮到介質(zhì)儲(chǔ)存、循環(huán)、結(jié)構(gòu)相容性以及對(duì)能量庫(kù)性能的影響等因素,需要對(duì)兩者進(jìn)行考量。冷卻介質(zhì)的溫升上限設(shè)定為6.9K。

(6)演示驗(yàn)證

完成模塊化、可擴(kuò)展的能量庫(kù)全尺寸演示驗(yàn)證,集成到現(xiàn)有裝備平臺(tái),以滿足2021年開(kāi)始在平臺(tái)應(yīng)用的多個(gè)任務(wù)系統(tǒng)的需求。

能量庫(kù)演示驗(yàn)證安排(美海軍圖片)

四、啟示

能量系統(tǒng)技術(shù)已成為航空裝備、艦艇等發(fā)展的“瓶頸”技術(shù),嚴(yán)重制約裝備平臺(tái)的效能,限制了定向能武器等新型武器、任務(wù)系統(tǒng)的集成應(yīng)用。隨著高溫/室溫超導(dǎo)、納米材料、寬帶隙半導(dǎo)體電力電子器件、新型控制理論等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,能量系統(tǒng)技術(shù)可能迎來(lái)新突破。

美空軍、海軍長(zhǎng)期關(guān)注能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展,發(fā)布路線圖并長(zhǎng)期投資基礎(chǔ)科研計(jì)劃與技術(shù)研究計(jì)劃,研究成果有效推動(dòng)了能量系統(tǒng)發(fā)展及平臺(tái)效能提高。

借鑒美空軍、海軍經(jīng)驗(yàn),我國(guó)應(yīng)重視航空裝備及艦艇等平臺(tái)能量系統(tǒng)技術(shù)研究,開(kāi)展專項(xiàng)研究計(jì)劃,探索前沿技術(shù)在能量系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用,以滿足平臺(tái)及任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)需求與系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品需求,從而支撐裝備發(fā)展。

(中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心  穆作棟)

本篇供稿:系統(tǒng)工程研究所

運(yùn) 營(yíng):李沅栩

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