如何看待全电推进系统中国领先美国一代 美赶上需十几年？

从技术的角度讲一讲马伟明院士的舰船中压直流综合电力系统，完整版发在另一个回答里了。本文仅为科普，不涉及任何技术细节，所有信息均源自民用以及军方公开出版物。

首先要区分几个概念：直流输电、船舶直流配电、船舶电力推进和军用舰船综合电力系统。

一、 直流输电

直流输电可以追溯到爱迪生那个年代。直流电在大多数方面比交流电有一定优势，但无法灵活变换电压和电流不容易切断两个致命弱点直接导致了其远距离输电困难且难以组网。相比之下交流电虽然折腾了点但没什么大问题，因此直流电最终败给了特斯拉的交流电。随着电力电子技术的发展，现在人类可以很轻易的实现直流电与交流电之间的转换，直流断路器的性能也越来越好，这才有了直流输电的发展。高压直流输电线路世界各国都有，只不过这些工程主要是点对点的。

二、 船舶直流配电

配电网是指用于把输电网/电厂发出的电能逐级分配给各类用户的电网，目前城市居民/工业用电主要还是交流配电，而在数据中心/船舶/飞机等领域直流配电已经运用过一段时间了。直流配电并不是什么新鲜事物，国外十几年前就提出了相关的概念，国内的高校也迅速跟进，托国网/南网的福，国内在实际工程建设上可能还稍微快点。详细的介绍我师兄写了个很好的回答：

直流配电的优势有很多，但类似于分布式电源接入这种事，在船舶工业并没有体现出来。具体到船舶工业，直流配电网的优势主要在于：

1. 交流电网运行时需要控制电压的幅值、频率和相位，而直流电网只需要控制电压的幅值，不存在频率稳定/无功功率这些问题，运行方式更为灵活，供电可靠性更高，能承受更高的功率波动。更详细的了解这一点可以去搜一下电网潮流方程，因为交流电存在相位，所以电网中各点的电压电流必须用复数来表示，整个潮流方程就变成了一个复数矩阵，而直流电就是一个实数矩阵，求解难度不是一个级别的。这说的还是稳态，暂态就更蛋疼了。

2. 直流配电更容易实现不同区域之间的隔离，安全系数更高。

3. 线路更少，布线成本更低，对线路的绝缘要求更低。

4. 同样质量铜线，直流电可以多传输五分之一的电能，功率密度更高。

这里用DDG1000举个例子，很多人觉得DDG1000采用了中压交流，其实是指其综合电力系统（IPS）以中压交流体制为主。事实上，DDG1000除了推进/雷达/高能武器的供电仍采用中压交流以外，大多数小功率设备采用的就是直流配电：Integrated Fight Through Power (IFTP)。

该系统的资料比较少，我个人的理解是，除了满足各种设备的用电需求以外，其最大的优点在于可以在舰体受损的时候自动判断故障部位，给出替代线路和补救措施，将受损的大配电网灵活重组成多个区域小网络，尽可能确保重要设备的供电可靠性。这在电力工业叫做配电网的自愈能力，这里并不是说交流配电网就没法实现自愈，而是指直流配电网更容易实现更高水平的自愈。

三、 船舶电力推进

船舶的电力推进说白了就是原动机输出的能量用于发电，再用电能驱动电动机推动船舶前进。一百多年前就已经诞生了最早的电力推进船舶，潜艇更是很早就采用电力推进，然而直到上世纪80年代随着大功率电力电子的发展电力推进才开始大规模应用到船舶工业。

这里稍微插入一点电力电子在电力拖动领域的应用。船舶在运行中肯定要进行各种加减速/转向等操作，传统船舶是通过齿轮箱和调整原动机出力来实现的，而对于电力推进船舶就需要调节电动机输入电压的幅值、相位和频率。而一切电能形式的转换，比如交流变直流、直流变交流、改变电压、改变频率、改变相位乃至输出脉冲功率，都需要依靠电力电子装置来实现。本文所介绍的一切内容，均不超出电机设计和电力电子学的范畴，对电力电子感兴趣的推荐王兆安老师的网课，b站上就有（电机这玩意太尼玛难了）。

图1 军舰采用机械传动vs电传动的能量转换效率

上图是美国海军算的结果，大意是电传动的效率为机械传动的116%，其实这个数有很多种不同的版本，机械传动不会再有什么革命性的进步了，而电传动的效率仍有进步空间。船舶电力推进的优点这里也简单概括一下：

1. 由于能量只要拉根电线就可以传输了，推进轴系被大大简化。

2. 原动机可以在舰船内部自由布置，便于船舶设计，军用的话还便于红外隐身设计。

3. 不同的原动机可以自由的工作在不同工况，实现最高效率。

4. 不需要机械齿轮箱，节约成本与体积；噪声更小，客船坐着舒服，军舰利于反潜。

这里补充一句，船舶电力推进这块最厉害的就是瑞士ABB，德国西门子和E-MS，这几个企业的供应商也分布在德法意瑞这一片，全是老欧洲的黑科技，民用这块中船还有很长的路要走。因为我从本科到现在跟ABB打了太多交道，目前人也在瑞士，因此本文中但凡民用的我都拿ABB的产品举例子。ABB主打吊舱式电力推进器Azipod，由于不需要机械传动，螺旋桨可以全向旋转，你可以把它理解成船舶的矢量推进。缺点就是贵，功率做大有点难，可靠性略低，好像目前军舰还不是特别喜欢这种推进器。

图2 ABB Azipod XO吊舱式推进器，最高功率22MW

我在这里专门提一下西方民用电力推进的发展，是因为电力行业军用民用的差距远不如火箭/导弹的差距那样大，民用产品的水平，相当程度上反映了该国工业的整体水平，也会一定程度的影响该国军工产品质量。没有发达的电气装备制造业，即便我们用更低的良率为海军提供同水平的装备，代价也会比别人大的多，而这并不是靠马院士一个人就能改变的。现在是不是稍微明白一点为什么国网要推国产柔性直流，为什么铁总这么强调高铁国产化了？柔直、高铁和未来的全能舰拥有同一颗心脏。

船舶电力推进也分交流和直流，二者的优劣又要从电力电子学的角度分析一下。我之前讲过，由于轮船具有机动性的需求，对电动机需要加速减速，也就是需要产生幅值频率相位可控的交流电，而交流电网的电能是不可调的，为此需要推进变流器。推进变流器是大功率电力电子变换器的一种，首先将交流电网的交流电整流成直流电，再把直流电按照人们的需要逆变成交流电。下图是ABB的ACS6000的电路图和实物图，ACS6000最大功率为36MW，正好对应DDG1000一台电动机的功率。实物图的尺寸懒得找了，每一个柜子大概是800x800x2000的样子，当然军舰上的变流器肯定比商业产品紧凑很多。

图3 ABB ACS6000中压变频器，电路图（上）实物图（下）

从电路上看，ACS6000采用了基于IGCT的三电平中性点箝位变换器，图中的ARU负责将交流电整流成直流电，CBU是直流支撑电容，INU负责把直流电逆变成可调的交流电。看到这里你应该明白直流电力推进的意义了，如果发电机发出的直接就是直流电，系统中的整流环节ARU可以直接省略（上图那个大柜子可以缩小起码三分之一），各个设备或直接使用直流电，或将直流电逆变成自己需要的交流电，这将大大提高系统的效率和紧凑性。

此外，交流电力推动的发电机和电动机往往工作在不同电压，因此需要额外的推进变压器。工频变压器就是大家平时见到的电力变压器，受物理规律限制，这玩意又大又重。美国的综合电力系统在中压工频交流（60Hz）和中压直流之间采用中压中频交流（200~400Hz）过渡，就是因为随着频率的提高，变压器的功率密度提高，体积降低。而如果一步到位采用直流，那就连变压器都不需要了。

图4 同等容量的工频（50Hz）和中频（20kHz）变压器体积对比，来自赤木泰文教授

四、 军用舰船综合电力系统

最后才是本文讨论的重点，也就是综合电力系统，Integrated Power System(IPS)。

所有船舶都有自己的配电网，很多船甚至采用先进直流配电网，但如果这一配电网的电源是单独的发电机，那就算不上综合电力系统。在综合电力系统中，传统舰船机械推进系统和电力系统被合二为一，船舶所产生的一切能量均转化为电能接入电网，而所有设备均从电网中获取能量，整个船舶的能量生产、传输与消耗均采用电能的形式，实现能源的统一供应、分配、使用和管理。相比之下，传统军舰需要配置不同的原动机分别用于推进、大功率雷达/电子战设备供电、日常设备供电、高能武器供电、备用供电，结构无比复杂且灵活性极差。

图5 传统军舰vs电力推动+综合电力系统

图6 某LNG船中压交流配电网示意图

从标题上看我专门标出了军用，这是因为对于不少实现了电力推进的民船，如果全船采用同一个配电网，大部分功率用于推进，小部分功率用于全船的其他设备供电，那在某种程度上你也可以说他采用了综合电力系统，也就是全电船舶。上图是一个采用中压交流配电的LNG船，四台共计42MW的发电机接入6.6kV/60Hz的交流母线，整个船的所有用电设备均从这根母线上获取电能。

军用舰船的综合电力系统虽说结构上跟民船没有什么本质区别，但其性能指标，尤其是对稳定性和灵活性的要求远超过民船，从难度上讲可以说是两种事物。毕竟民用船舶主要追求价格低、操纵性好、节约空间和减少排放等指标，大多数民船也就慢慢悠悠开着经济航速跑运输，功率基本上是恒定的。而军用船舶的总功率可能不如十几万吨的货轮，但其功率波动性远超民船。举个例子，四面22英尺的AMDR-S大盾的功率就是十几兆瓦的级别（我自己估计的，有没有雷达大佬纠正一下），DDG1000总功率也就不到80MW，这种大功率雷达只有在有明确敌情的情况下才会全功率运转，这一上一下就是10%的功率波动，如此大的波动会对船舶的供电稳定性带来极大的冲击，甚至直接趴窝，更不用说未来战舰上的各种高能武器。这也是为什么马院士会说综合电力系统是“为了解决高能武器上舰的问题”。毕竟电磁炮、电磁弹射、高能激光/微波这些东西一旦全速运转起来，各个都是兆瓦级别的负载，舰船供电系统的稳定性问题会变得极度复杂。甚至在极端的情况下，需要牺牲部分军舰的动力供电，将更多电能分配给雷达/高能武器等设备，这也是民用系统不需要考虑的。

尽管我之前讲了很多直流比交流的优越性，但并不是说交流供电无法解决这个问题，只是需要花很大的代价，且稳定性也无法做到很好，而直流供电从原理上就比较容易解决这个问题。为了更好的说明舰船直流配电的优势，本文就以当今世界已服役的军舰里综合电力系统的标杆，DDG1000朱姆沃尔特级驱逐舰为例来分析一下直流系统的优点在哪里。下图是美军文献里的DDG1000电气系统结构图，我自己P了个中文介绍便于理解。

图7 DDG1000电气系统结构图

图8 DDG1000直流区域配电系统结构图

下面开始《如何准确且优雅的吹DDG1000》。

1. DDG1000拥有两套独立的供电系统，在图中分为红绿两色，每套均包含一台主涡轮发电机MTG、辅助涡轮发电机ATG和应急柴油发电机EDG，输出4.16kV/60Hz交流电。两套系统可以并联运行，也可以分别独立运行，一旦一套系统失效，故障部分会被迅速隔离，另一套系统仍可确保所有设备的供电，只是功率减半。总装机功率78MW，也就比QE小那么一点，然而人家可是航母。充沛的功率可以充分释放舰载设备的性能（同样装着346A雷达，055比052D因为功率更大，可以在更长的时间内开更多面盾搜索更远的距离且不会影响其他性能），也代表着未来丰富的扩展空间。

2. DDG1000的发电部分采用罗罗的MT-30燃气轮机配合GE的交流发电机，功率密度世界第一，新一代的高温超导发电机交给了诺格，09年刚完成满功率实验；推进电机本打算一步到位采用永磁电机，然而05年因为定子绝缘问题悲剧了，退而求其次采用阿尔斯通的先进感应电机AIM，虽然技术上有点倒退，但这个电机法国人已经玩了20多年，在设计上已经接近了材料技术的极限，下一代IPS必然采用永磁或超导电机。

3. DDG1000的配电系统也就是前面提到的IFTP，采用1kV直流，只能说是低压直流，美国海军自己叫他DC Zonal Electric Distribution System，直流区域配电系统。读了我这篇文章以后就不要用什么“DDG1000是中压交流”这样笼统的说法了，人家采用的明明是中压交流+低压直流的混合体制，这也说明美国海军充分意识到了直流的优势，只是中压直流在当时面临太多的困难。从图7中可以看出DDG1000的配电系统被分为了四个区；图8中只花了三个区，但对每个区的内部结构进行了更详细的介绍。对于每个区域，PCM-4将4.16kV/60Hz交流电整流成1kV直流电，PCM-1将1kV直流电转换为800V直流电供大型设备使用，PCM-3将800V直流电转换为270V直流电供小型设备使用，PCM-2将1kV直流电逆变为450V/60Hz交流电供交流负载使用。这套系统以电力电子变换器为核心，可为舰上电力负载提供灵活、可靠且高质量的电能，除了体积和成本大幅降低以外，由于采用了分区设计，且直流配电网自带灵活的特征，一旦设备受损，可以自动重构并隔离故障部位，最大程度上保证供电可靠性。

4. 我个人很好奇DDG1000以后装雷达/高能武器的供能问题如何解决，在不大改供电系统的前提下，应该是直接从4.16kV交流电网取电，毕竟1kV直流够呛带的动四面大盾（再次召唤雷达大佬）。

5. DDG1000只是体制上稍显落后，以中国的工业水平造个DDG1000，无论是功率密度、效率还是可靠性只会更拉跨。

讲完了美国人（其实DDG1000动力部分很多核心技术来自欧洲）的牛逼之处，让我们脑洞一下，如果把DDG1000的供电系统整个换成中压直流体制会怎么样。

1. 供电系统功率密度进一步提高，运行方式更灵活，可靠性更高，更容易实现区域隔离。以上都是物理规律决定的，具体数值很遗憾我在这里给不出来，得看美国人未来的论文了，但肯定好不少。

2. 在交流系统中，由于采用工频交流电，发电机的转速通常为每分钟3000转，原动机和发电机之间必须加装减速齿轮箱。如果换成中压直流，对发电机转速不再有任何要求，所有的齿轮箱都可以省略，进一步降低噪声水平。

3. 在交流系统中，所有并网的交流发电机的频率和相位必须匹配，这导致不同调速性能的原动机（例如柴油机和燃气轮机）很难并联使用。对于全燃的DDG1000不是什么问题，但对于柴燃联合的QE来说，采用中压直流可以极大降低不同发电机的并网难度，并进一步提高效率。而对于我国来说，由于燃机技术日常孱弱，就更需要靠中压直流来弥补劣势了。（听上去是不是有点歼20靠飞控来给发动机找补的意思了？中国硬件不行靠软件弥补的东西太多了……）

4. 目前DDG1000上暂时没看到储能模块，但如果考虑上高能武器，大容量储能装置（例如超级电容、燃料电池、飞轮等等）是必不可少的。中压直流体制下储能装置的并网远比交流体制简单，能量转换效率也更高。

5. 由于省去了整流单元，图7推进变流器的功率密度和效率大幅度提高。推进变压器（我觉得应该有，但图里是看不到，欢迎大佬指正）也可以省去。

6. 由于发电机直接输出直流，因此配电网的交直流转换模块PCM-1可以省去，结构进一步精简，效率提高。

接下来讲一讲马伟明院士具体做了什么，毕竟中压直流综合电力系统是一个太宽泛的概念，马院士在其大多数子系统上均做出了杰出的成果。由于涉及到了我军的武器装备，我实在不想跟上面那样详细的展开讲，因此在这部分我只会选择性的复制粘贴中国知网上就能找到的公开论文的原文。不涉密的技术问题可以在评论区讨论。这些东西电力电子/电机专业的看一眼就知道多牛逼，非业内人士只要明白了我之前讲的东西应该也能懂个大概了，保密侠请退散。

图9 保密就是保打赢，泄密就是打不赢

1. 2003年在世界上首先提出中压直流综合电力技术路线，开展了舰船综合电力技术基础研究与关键技术攻关。在设备层面，研制了高功率密度燃气轮机发电模块和柴油机发电模块、中压直流输电模块、高转矩密度推进模块、直流区域配电模块；在系统层面，先后攻克了舰船综合电力系统的电网结构理论、系统模型与仿真、并联机组功率均分、系统稳定性分析与控制系统分层协调保护、系统接口设计以及高功率瓶颈技术，完成了中压直流综合电力系统集成和性能试验。
2. 攻克了几百千瓦至数十兆瓦级整流发电机的集成优化设计、高效冷却、输出电压精确控制、关键加工工艺固化等关键技术，解决了时间常数和功率等级有量级差异的燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联运行难题，提高了我国舰用发电机的单机容量、集成化程度、运行效率和功率密度。
3. 创造性地提出了采用三次谐波注入和蒸发冷却技术的多套多相绕组大功率推进电机系统方案，突破了非正弦供电电机优化设计、强迫式蒸发冷却、新型磁脂旋转密封、大型鼠笼转子搅拌摩擦焊接、中压大容量变频器分布式电路结构设计、高速高性能通信、调速性能优化、故障冗余控制和减振降噪控制等关键技术，研制成功大容量新型感应推进电动机及其配套的变频调速装置，实现了我国舰用电力推进系统的高功率等级、高功率密度和高效率，满足了大型舰船模块化应用的需求。
4. 突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术，创造性地提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成，并将飞轮与转子合二为一的储能电机方案，提高了装置的功率密度和能量密度，解决了脉冲功率装置与不同容量电力系统适配的难题。
5. 采用时域仿真和基于状态方程的特征值分析方法，计算中压直流综合电力系统的稳定性，通过合理设计发电机、推进变频器等参数，解决了交流整流发电机并联运行时带恒功率负载时的稳定性问题。利用直流区域变配电分系统的状态空间平均数学模型，采用输入输出阻抗比奈奎斯特曲线的相角裕度和幅值裕度，评估了该分系统的稳定性，计算得出该分系统在全工况范围内均能保证稳定运行。
6. 中压直流综合电力系统可划分为3个层次网络，即中压直流输电网、直流区域变配电网和日用负载配电网。为减少系统不同层次网络短路故障的影响范围、提高负载的供电连续性，3个层次网络之间的保护配置应相互匹配。为此，实验室分析了3个层次网络的短路故障特性，研究了短路故障的快速提取方法，提出了中压直流综合电力系统分层协调保护策略，给出了3个层次网络内部和网络之间保护匹配性技术要求及其具体的实现方法。进行3个层次网络的短路故障试验，结果表明，所提出的保护策略可实现系统不同层次网络内部和网络之间的协调保护。
7. 实验室分析了中压电缆电磁屏蔽效能和周围产生的动态磁场，提出了中压直流电缆设计和敷设方法，以提高电缆的电磁屏蔽效能和降低电缆周围的动态磁场。提出了信息网络+现场总线+点对点硬线连接的信息接口设计原则，提高了数据传输速率和可靠性。
8. 实验室设计并构建了燃气轮机发电机组和柴油发电机组并联，且给推进分系统和直流区域配电分系统供电的最小中压直流综合电力系统，完成了设备和分系统的性能试验，完成了系统额定效率、系统稳态电能品质、系统动态性能、推进功率限制、系统连续运行、系统故障保护、能量管理、系统电磁兼容、振动噪声、动态磁场、超导限流等试验，试验结果达到了设计的技术指标要求。

图10 舰船中压直流综合电力系统样机，截图自CCTV

虽然我也只能从公开渠道获取信息，但马院士的成果在我看来拥有相当高的完成度，一些文章中也指出了该系统后续的优化方向。

1. 直流断路器是直流配电网的最大技术难点之一。配电网难免遇到短路故障，此时短路电流会迅速上升，必须依靠断路器迅速切断远超额定的故障电流，否则整个系统都会崩溃。如果强行把承载电流的两块导体拉开，电流会在两个导体的断口产生电弧，交流电由于是正弦，只要等个几十毫秒电流过零，电弧自然消失，而直流电没有过零点，电弧难以熄灭。而对于舰船的直流配电网，由于发电机的瞬态阻抗很低（为了追求功率密度），且线路很短电感很小，短路电流上升速度比陆上的直流配电网更快，可以说是最难的情况了。从公开文章上看，马院士采用了超导限流配合中压直流断路器的组合，而中压直流断路器这块还有很大的进步空间。不过我并不担心这一块，与电力系统一次设备相反，我国的二次设备，尤其是继电保护，从高校到企业都是吊打国外的水平。从学术上说，我本人在清华就做过直流断路器，以我的所见所闻，欧美学校的研究水平不比国内的清华西交浙大华科厉害到哪里去。软件上，托我国过去电力基础设施太差的福，我国的继电保护理论/算法被逼成了世界第一（喜闻乐见的硬件不行软件凑x2）。硬件上，由于直流断路器是个新事物，大家的积累都不多，而国网南网这些年在直流输配电领域大干快上，也把国内制造商的水平逼了上来。以上这些，绝对能保证我们的军舰未来能用上好东西。

直流断路器这块继续搬运师兄写的科普，虽然电网用的高压直流断路器和舰船用的中压直流断路器在设计思路上有一定区别，但面临的困难和采用的技术总体上是类似的。

2. 先进的控制策略。很遗憾，我本人没涉及具体研发，并不了解系统的实际运行状况。从论文里看，针对未来高能武器上舰的问题，需要继续研究脉冲负载的运行特性及其对舰船综合电力系统的电能品质和安全稳定性的影响机理；由于中压直流系统提供了极大的灵活性，需要根据军舰的不同工况和任务需求来设计全舰能量管理算法，保证系统经济性、机动性和安全性都不断趋向最优。

3. 先进的永磁电机/高温超导电机。电机学我是真的学不明白，但国内的水平还是有所了解的。不要被部分营销号骗了，国内有进步，在潜艇上的小功率推进电机还可以看看，大功率的跟国外还差不少。事实上，任何涉及到动力、材料，涉及到基础工业、技术积累的东西，谦虚点绝对没错。

4. 先进储能技术。都说高能武器上舰了，储能这东西自然是能量密度越高越好，响应速度越快越好，吞吐能力越大越好。除了发展更先进的储能技术以外，有时候一种储能方式无法满足所有要求，就需要多种配合使用。中压直流天然的适合多种储能接入，但对应的控制策略也需要研究。

5. 芯片。没错，不只是华为中兴，动力这块也需要各种芯片。图3的电路图里采用的就是大功率二极管和IGCT（ABB喜欢用自己家的IGCT，别的公司以IGBT为主）。IGBT/IGCT这东西，说白了就是个开关，只不过他们可以以数千赫兹的频率开关数兆瓦的功率。国内小功率的有比亚迪在做，大功率的有中车在做，性能可以说堪用（比起几年前全靠进口要好多了），但跟国外产品相比还需要更多的时间来提升工艺。之前说的都是硅基的器件，新一代的碳化硅器件国内也在追，比美国日本还差点，不过在电力这块，硅和碳化硅的区别，远不如雷达领域砷化镓和氮化镓的区别那么大。此外，电力装置的控制也需要用DSP+FPGA，不过对运算能力的要求远不如5G/雷达，用中电XX所的国产货应该能顶上了，最近看学校里给本科生练手的小科研项目都开始用国产芯片了，好现象。

图11 国产大功率二极管、IGBT、IGCT（中车时代电气）及碳化硅MOSFET（基本半导体），有幸跟这两家公司的人都打过交道

最后说一下马院士成果在世界上的地位。你问我马院士的成果领先不领先？结果必然是领先，因为马院士做出来了，而美国人还没做出来，中压直流比中压交流的优越性是任何一篇论文里明明白白写着的。为什么领先？原因一方面自然是因为马院士前瞻的眼光及其团队的辛勤工作，但美国人就不努力么？DDG1000之所以采用中压交流体制，我想更多是因为其综合电力系统立项于上世纪90年代，当时的电气工程，尤其是电力电子技术的水平并不足以支撑中压直流。美国人大概率觉得直接上中压直流风险过高，且当时并没有发展新技术的紧迫性，便走了相对稳妥的路线，从中压工频交流开始，经过中压中频交流，最终发展成中压直流。我国综合电力系统立项时，中压直流技术的相关研究和应用比DDG1000那个年代丰富了很多。我们作为追随者，不兵行险着，是无法实现超越的。我相信只要美国人有了紧迫感，未来几年自然会拿出性能更先进、完成度更高的新一代舰船中压直流综合电力系统。

以上所有内容总结成一句话：我们一瘸一拐的走了70年，终于和欧美站到了同一条起跑线上，革命尚未成功，同志仍需努力。

图12 美国海军综合电力系统发展蓝图，中压直流是其最终目标，说什么直流交流只是两条技术路线没有先进落后之分的，谁都别杠，咱以美国海军为准行不行？

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马院士的全能舰（如约发稿，庆祝超大重开）-海军版-超级大本营军事论坛-最具影响力军事论坛 -

所谓全能舰，我的理解，必然首先是全电力舰，也就是全舰的动力、武备、探测、人员生活等所有需要用到能耗的地方，全部使用电力，而这一目标的实现，就必须引入“综合电力系统”这一概念。

综合电力系统（Integrated Power System，简称IPS），就是通过原动机（核反应堆+蒸汽轮机或者燃汽轮机）带动发电机发电，并通过储能、智能电力分配，再带动电动机推动舰船前进、各种电子探测系统工作，未来还会成为电磁炮、电磁弹射器等装备的工作动力来源，从而成为划时代的新一代“全电力”舰船！想来，马院士前不久在中船对全体领导进行讲解的“全能舰”，必然就是这种全电力舰。 https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/112837e3zrtvtivzmmreu9.jpg

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而由于综电系统以线缆取代机械轴承和各种汽液管路，在舰船上布置的自由度相当高，使得舰船外形可以以实现雷达隐身为主要指标，在有限的空间内布置各种设备；而电力推进动力产生的机械噪音远低于传统热动力，又可以大幅度降低被潜艇发现的距离，使得自身的攻防能力远超过目前的航母特混舰队，从而取代航空母舰，成为新一代的海上霸主。这必定是自蒸汽动力舰船取代风帆战舰、无畏舰取代老式铁甲舰、航空母舰取代战列舰之后，第四次海上舰船迭代！

谈完了这些设想，再来说说马院士。他曾多次公开表示，“我们的综合电力领先美国人一代”，“如果美国人搞不明白，可以请我去”……以中国科学家的素养，是不会随便说这种话的，如果能说出这些话，必然是成竹在胸了。那么，笔者从马院士发表的论文中，试着解读这翻话里的乾坤（还得感谢闭关的这十五天，否则我还真静不下心来读这些论文）。

马院士在他的论文中，详细分析了这一系统的构成，明确指出，IPS中最为关键的是“高功率密度集成化发电技术”、“电力推进技术”、“环形网络区域配电及智能化电能管理技术”和“大容量电能变换技术”。

那么这四大技术又是什么？我们和西方的差异在哪里？我们领先的水平又在哪些方面？以下是我的解读：

一、 高功率密度集成化发电技术 欧美等国在发展这一技术中，由于采用的中压工频交流同步发电，需要有一个整流环节，而整流是非线性的，系统稳定性较低，这类整流发电机带反电势负载或者多机整流并联带任意负载时，可能产生一种固有低频功率振荡，引起系统失效。而马院士团队创造性的发明了12相交流整流型一体化发电机，又在这个基础上，又研制成功了交直流双绕组发电机电力集成供电系统（也就是一台发电机，既能发交流电，又能发直流电，并且能够同时供电），从而在原理上解决了这一固有问题。完全满足整个舰船中对于各种不同用电设备所需的各种电压和效率条件下的直流、交流电供电，并能在各系统工作过程中，不产生电磁兼容性问题，还大幅度节省了动力系统所需占用的空间，提高了动力系统布置的灵活性。目前这一先进的供电系统，已应用在国产新型常规动力潜艇中，并进行了长时间的实际航行试验了，哪型艇，大家都懂的…… https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113002z11mqep1zaudne5m.jpg

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另一方面，由于我们在综合电力系统上，直接采用了中压直流体制，原动机转速不再受交流频率限制，因此也就不需要在原动机和发电机之间加装减速齿轮箱，而将两者直连，使得舰船机械震动大幅度降低，其安静性和整个发电系统的体积将是目前舰船难以企及的，也全面领先西方综合电力系统一代。由此带来的舰船航行的隐蔽性能大幅提升，在配合舰船在外形上的隐身修形，无论是水面还是空中的雷达，还是水下的声纳，都很难发现他，这种技术上的革命必将带来战术上的革命。

二、 电力推进技术 马院士在其早期的论文中，就明确指出电力推进技术的发展路径是，突破大功率推进电动机技术和系统控制与监测技术，并在这个基础上，研制“吊舱推进器”。完全取代现有舰船的轴系、螺旋桨和舵！由于吊舱推进器可以任意转动推进方向，这有点象四代战斗机装备了矢量喷口发动机一样，就具备了“超机动性”。要是大吨位舰船同时安装了多个吊舱推进器，还能实现自行离靠码头，提高机动通过狭窄曲折水道的能力等目标，从而带来整个海军勤务保障体制和作战能力上的变革。 https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113122vufbh4sf5dn1vfvb.jpg

这一推进系统的核心无疑还是电动机，而在马院士的一系列论文中，提出研制“先进无轴推进系统”，这一装置除了变频器需要安装在船体内，整个系统都能吊挂在船体之外，成为吊舱推进器的组成部分，但又不额外增加吊舱的复杂程度，降低可靠性。这一系统同样比目前西方电推所采用的感应式电动机先进一代！ https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113104drz6tt0wws0rqdi3.jpg

三、 环形网络区域配电及智能化电能管理技术 如同一开始的示意图，我国的舰船配电管理技术，从一开始就是按照环形网络、区域配电和智能化管理的方向在发展。而由于从一开始，马院士团队就直接采用了第二代中压直流综合电力系统，因此整个电力输送采用4~5kv直流电，从而避免了目前西方第一代中压交流综合电力系统所必须解决发电和负载两端交流频率、相位、振幅同步的问题，加上直流输电比交流输电在原理上又减小了电缆的直径和数量（减重减容积），同时不产生电容电流损耗，整个系统位于各个区域的用电设备也不必考虑交流多相负载平衡的问题（面临战损时，可能因负载不平衡而导致全舰电力终断），极大的提高了整个系统的性能和抗损性。

这一体系其实也是西方瞄准的方向，但他们选择了先从较为简单的中压交流体制入手，建造一批这样的舰船，然后在使用中逐步改进和升级的道路。而结果却不尽理想，45型舰因动力系统问题，全面趴窝；朱姆沃尔特造价突破天际，使得财大气粗的老美也望而生畏……而马院士从一开始就选择了研制难度大，但生产使用维护都方便得多，也相对便宜的“一步到位”的技术路径，虽然全电力舰出现的比西方要晚，但由于一开始就没有上述的那些固有问题，因此一但上舰，其发展速度必将把西方远远甩在身后，后发而先至，就是这个道理！ https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113208hsau5j51mmcmuclz.jpg

四、 大容量电能变换技术 由于系统输电是采用的中压直流电，而在舰船各区域的用电器，又需要交流电，那么就存在一个大容量电能变换的问题，这既是现实舰船用电系统模块化的基础，也是电力做功武器系统的基础。在此问题上，马院士团队也进行了专门的技术攻关，开发出了“间歇脉冲式兆瓦级并联逆变器同步控制技术”（电磁炮），“超大容量电能储存与变换技术”（电磁弹射器）等一系列的先进技术。对于这些东东，网上已多有讨论，我就不在这里多谈了。

除了上述如何在舰船发供电和电力推进上取得一系列技术突破外，如果不能在武器系统中广泛采用电力做功，那么舰船仍然无法被称为“全电舰”，如今没有装备电磁炮的朱姆沃尔特就是这么个跛脚鸭，也难怪马院士瞧不上了！

关于电磁轨道发射技术，目前网上的内容看似多，但真正的涉及核心的相当少，无疑这是目前国家最重要的机密之一，但也不是没有可以谈的料。

马院士在他的论文中，曾谈到了目前在电磁发射领域主攻三个目标，既：按照发射长度和末速度的不同，电磁发射技术可分为电磁弹射技术( 发射长度百米级，末速度可达100 m/s) ，电磁轨道炮技术( 发射长度十米级，末速度可达3 km/s) ，电磁推射技术(发射长度千米级，末速度可达8 km/s)。 https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113259coa1xp1abw5xc5hf.jpg

而应用于全电力舰的，主要是前两种技术，以及这两种技术的扩展。

关于电磁轨道炮的原理，这里不再详述，需要指出的是，由于电磁轨道炮在射击弹丸时的能量转换效率，远高于传统的化学能火炮，因此电磁轨道炮的射程很轻松的就能达到三四百公里。从而实现对海、对陆目标的远程即时打击能力，配合全电力舰本身的水面水下隐身能力，完全可以实现海上作战单向透明！

而由此再发展一步，以电磁轨道发射技术+火箭技术相结合，以10米级电磁轨道垂直发射各种导弹或鱼雷（对现有舰载垂直发射系统进行升级换代），那么在导弹自身化学能发动机工作之前，就能获得一个相当高的初速（类似坦克炮射导弹），因此导弹自身也就不需要那么大的体积来容纳推进剂和发动机，而实现同样的射程；或者，用与原来同样大小的导弹，现实高得多的射程和打击半径。

由此，我们就可以想象，一但电磁轨道发射技术全面实用化之后，以055上130主炮的体积，改装一门电磁轨道炮，担任300公里以内的对海对陆攻击主角；以海红旗10的发射系统，来实现海红旗16的“天际线内防空能力（40km）”；以比海红旗16略小的体积（以实现一坑四弹）实现区域防空，甚至末段反导（200km）；至于海红旗9的体积，如果也能用电磁轨道发射，那么中程弹道导弹和中段反导（2000km），也完全不在话下……用这个综合系统，再加上激光近防系统，基本上就可以形成全面攻防，作战半径2000公里，四层以上攻防打击配备的“全电舰”。或者，更大胆的构想一下，全面取消所有化学能发射武器，利用原来安装主炮和垂直发射系统的空间，安装多门不同轨道长度和发射能量的电磁轨道炮，完全实现攻防武器通用化，通过数门炮发射的不同弹丸，实现多层对空防御和对海对陆攻击手段。

考虑到地球曲率的影响，水面舰艇探测能力还是比较有限，但电磁轨道发射技术的用途广泛，完全可以在全能舰的舰尾飞行甲板安装一台长度不超过30米的小型电磁弹射器，用于弹射高空长航时预警无人机，该无人机能为全能舰提供较长时间的空中预警，以量子通讯数据链系统向本舰或本方其它节点力量实时通报战场态势，并能在完成任务后，通过舰尾甲板上的挂网回收。

同时，由于全电力舰自身航行噪音相当低，在水面能够进行“超机动”的特性，其探潜攻潜的能力也有了一个非常大的提升。目前的潜艇搜索目标多采用被动声纳，同时为了不暴露自身，在搜索目标时，也只能进行低速航行，虽然能够在水下进行三维运动，但其机动能力是受到限制的。而全电力舰可以采用拖曳声纳进行主被动探测，自身又安静，即使被发现和攻击，也能依靠携带的反潜直升机，以及自身的机动性和远程反潜鱼雷、假目标诱饵等，摆脱敌潜艇攻击，并与敌潜艇进行对抗，并在对抗中获得海域的控制权。

我认为，这种能力超过航母，具备对所有敌方目标进行远程打击的通用化舰船，就是马院士所说的全能舰！在一定程度上，全能舰能够部分取代目前以航母为核心的海空一体作战样式，在面对敌方航母战斗群时，其打击效率和威慑能力也将远远超过航母舰载机。在未来，全能舰将会带来整个海洋战略的又一次革命，当今世界格局也将因此而改写。 https://img.supmil.net/data/attachment/forum/201704/25/113351ryhkhhcwxlwg8ghx.jpg

本报记者 唐 婷

在第十一届中国发明家论坛上，马伟明院士展望未来海战——

进入4月以来，美国航母战斗群将驶入朝鲜半岛海域的各种传闻喧嚣尘上，加剧了半岛的紧张局势。看似平静的海面，是各国军事实力较量的主战场之一，如何才能在现代海战中赢得先机呢？

“要想赢得战争，亟须舰船平台在能源动力、武器及发射方式上进行颠覆性变革，以技术性创新牵引作战样式创新。”中国科协副主席、中国工程院院士马伟明表示。他是在25日上午在京举行的第十一届中国发明家论坛上作主旨报告时作这番表述的。此次论坛由中国发明家协会、科技日报社等主办，全国政协副主席、中国科协主席、科学技术部部长万钢出席开幕式并致辞。

当前世界各国海上作战样式，是按照任务类型设计和建造不同的作战平台，由多个作战平台组成编队，谋求体系作战和精确打击。马伟明认为，以编队为单元的海上作战样式主要存在两大局限，一是平台和武器的建造、维持成本高，经济可承受性差，二是投入的作战平台种类和数量多，前沿传感器系统复杂，协同指挥难度大，电磁脆弱性强。

在描述对新的海上作战样式的构想时，马伟明指出，舰载高能武器和全电舰船技术的集成创新与研制成功，将使单艘舰艇实现系统防空、反潜和对海、对岸的精确打击，这将彻底颠覆现有的海上作战样式。电磁轨道炮、电磁火箭弹、线圈炮、激光炮等高能武器的出现，使单舰平台的整体攻防性能和持续作战能力大幅增强，舰船综合电力系统的研制成功，又为高能武器上舰提供了充足的能源支持。

如此强大的单舰平台，马伟明称之为“全能舰”，对其攻防性能逐一进行了设想。防空分为3个层次：200—600公里范围，使用可重复自动装填的通用电磁发射装置发射反导导弹，实现点对点防御；10—200公里，利用电磁轨道炮实现目标面拦截；10公里以内，利用激光炮作为最后一道防线，对末端导弹进行拦截。反潜和反鱼雷上，利用电磁发射装置发射反潜导弹对潜艇进行攻击，利用电磁线圈炮对来袭鱼雷进行拦截。

在反舰与对陆攻击体系的构想中，“全能舰”将形成3层火力圈：600—1000公里，使用可重复自动装填的通用电磁发射装置发射远程巡航导弹和弹道导弹，完成对海和对岸目标攻击；200—600公里，利用电磁火箭弹（炮），进行对海和对岸目标攻击；200公里以内，利用电磁轨道炮完成对海和对岸目标的攻击，一具电磁轨道炮可将对岸打击能力提高一个数量级。

在马伟明看来，我国在舰载高能武器和全电舰船技术两大领域的群体性突破，为海上作战样式变革提供了基础和条件。他表示，若能抓住当前化学能、机械能向电磁能变革的技术发展趋势，充分发挥当前我国在电磁能武器和舰船综合电力系统领域的世界领先优势，先对手一步实现作战样式的创新与变革，必将实现对英美发达国家的后发赶超，并主导和引领未来海上作战样式。