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浙江新闻客户端观察员屠晨昕设计谢丹阳
“有自主创新的胆量,有另辟蹊径的思路,有向新兴领域进军的勇气。”这是马伟明院士对这位爱将的褒奖和激励。
年,24岁的肖飞在海军工程大学读完硕士后留校,加入了马伟明院士领军的舰船综合电力技术国防科技重点实验室,当时他已考上博士研究生,但研究所那时急需一名实验员,希望在新招的博士中选出一人放弃读博,来做实验员。肖飞选择了实验员,他的第一个项目,就是跟随马伟明开展“新型高速感应发电机系统”的研制。
肖飞(资料照片)
当时,这个研发项目遇到了前所未有的难题,发电机输出电压总是不稳定,于是他开创性地引入电力电子励磁技术。然而,其关键技术国内没有任何资料可供参考,唯一能查到的只有国外学术刊物发表的计算公式。
令肖飞没想到的是,按照这个公式始终无法得出有用的结果。一次又一次工作到深夜,肖飞突然灵感一现:“什么都没错,难道是公式错了?”他又想:“为什么一定要按国外的公式来?国外公式就一定对吗?”
一股全新的灵感涌现,肖飞冲破思维定势,提出了一种全新的算法,一举攻克了困扰已久的技术难题。
肖飞(左一)在马伟明院士(左三)指导下开展攻关
技术创新只是迈向成功的一小步,打通技术创新到工程实践的最后一公里才算成功。肖飞和课题组成员一起进驻工厂,把研究工作从研究所延伸到工厂车间。
高速感应发电机系统的研制相当艰辛,不仅设计难,而且加工工艺要求高。高速电机的设计标准比老式电机提高了很多倍,原来的一些设备、生产工艺和检验标准都不再适用。
在这个研发项目的最后冲刺阶段,为了尽快达到技术规范要求,肖飞成了“全能运动员”。他一会儿在研究所当教授搞研究设计,一会儿又赶到工厂担起设计师、工程师、技师和工人的活。工艺制作全过程的多个操作步骤,他都干过。
肖飞介绍实验进展情况
10多年来,在马伟明院士带领下,肖飞这员“闯将”凭着“与时间赛跑、与对手赛跑、与自己赛跑”的精神和韧劲,潜心钻研攻关,先后主持和参与了国家及军队10余项重大科研项目。
他参与研制成功的舰船中压直流综合电力系统,实现了我国舰船动力从传统机械方式向全电力方式的革命;他研制的直流区域变配电分系统,成功应用于我国A型护卫舰和岛礁风光储一体式发电站建设;他研制成功的2兆瓦级直驱式风力发电变流器系统,打破了该领域被国外产品长期垄断的不利局面,当年即为国家节约采购经费约10亿元人民币……
A型护卫舰“温州”号
这些项目绝大部分涉及的都是国防科技基础性前沿性的课题和装备发展的关键技术难题,多项成果达到或超过发达国家的同等水平,使我国在多个新兴领域、学术前沿一举实现“弯道超车”。
肖飞所在科研创新团队在国际上首先提出并研制成功舰船中压直流综合电力系统,肖飞负责组织电子电能变换领域技术攻关,解决了从基础理论研究、关键技术攻关,到装备和产品研制等一系列重大难题。
10多年来,肖飞先后获国家科技进步一等奖、二等奖,军队科技进步一等奖,获全国发明展览会金奖,被评为海军十杰青年,被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,获中国科协求是杰出青年实用工程奖,年被评为“全国优秀科技工作者”,年获“中国青年五四奖章”。
敢于更善于“弯道超车”,肖飞这员“闯将”,堪称我国突破关键核心技术的科技界领军人物、拔尖人才的突出模范。
传统船舶的机械推进系统和电力系统,是相互独立的,“老死不相往来”。综合电力系统这门技术,是以电能把这两者合二为一,通过电力网络为推进、通信、导航、特种作业和日用设备等提供电能,以电能为载体,实现全舰能源的综合利用。
采用综合电力系统,可以简化舰船动力系统结构、提高燃料利用效率、增加续航距离、降低舰船噪音、减少全寿命周期费用,好处多多。就拿运转时噪音振动更小这一条来说吧,不仅让水兵们在舰上的生活更舒适、睡得更香、持续作战能力更强,而且,水面舰艇反潜作战时因为噪音降低可以大大增加本舰声呐对潜艇的探测距离,还让敌潜艇对本舰的发现距离大大缩短……
电影《变形金刚2》里幻想美军驱逐舰上装备的电磁轨道炮
更长远的好处是,为定向能、电磁炮等新概念武器上舰提供了根本条件。随着技术发展,电磁炮、激光、微波等新概念高能武器应用于舰船的必然趋势,其对舰船如何合理地控制能量的配置使用,提出了新的要求。
简单来说,既能保证推进时的澎湃动力,又能提供战斗状态下的高能电力,科学地分配、控制动力系统中推进、武器装备和其他设备电力,已成为制约高能武器上舰载的一大瓶颈。传统动力平台对此无能为力,只有综合电力系统才能搞得定。
美国第一艘航空母舰“兰利”
其实,电力推进早在20世纪20到30年代就用在人类舰船上,美国第一艘航空母舰“兰利”号就采用汽轮机-发电机-电动机-螺旋桨的早期电力推进。与综合电力的区别在于,其日用电力与推进电力不是合为一体,而是各自独立的。
但随着大功率机械齿轮减速装置的日渐成熟,更不占空间的机械式推进系统逐步替代电力推进系统而成为各国在舰船动力上的主要选择。
英国皇家海军45型驱逐舰
而进入新世纪,机械传动推进方式已经很完善了,潜力基本挖尽,这时,电力作为能量利用率更高、而且有着无敌灵活性的选择,又大受青睐。美、英等西方发达国家自上世纪80年代开始进行综合电力系统研发,走中压交流综合电力系统的技术线路,已经实际应用到新一代主力战舰上。
9年7月服役的英国45型驱逐舰,是世界上首艘采用综合电力系统的军舰。随后,英国伊丽莎白女王级航母、美国朱姆沃尔特级驱逐舰、法国西北风级两栖攻击舰等采用中压交流综合电力系统的战舰纷纷下水服役。
美国海军“朱姆沃尔特”号隐身驱逐舰(前)
然而,英美新锐战舰在综合电力系统领域“第一个吃螃蟹”,却被“螃蟹”钳得不轻。
被誉为“科幻战舰”的美国DDG-驱逐舰的一号舰“朱姆沃尔特”号,就因为复杂的电气系统问题远超预期,而一再推迟交付美国海军。去年年底,二号舰“曼苏尔”号在建造商海试时,因谐波滤波器出现故障,导致无法满功率运行电气驱动系统,被迫提前返回造船厂。该舰原计划年3月交付,但直到现在都还未交付。
更夸张的是,今年4月,原计划前往波斯湾执行任务的英国45型驱逐舰“砖石”号因为螺旋桨传动轴断裂导致无法航行,英国海军随即暂停45型的部署,英国所有6艘45型驱逐舰全部因为动力故障而“趴窝”!导致海军只能依靠老旧的23型护卫舰去执行作战任务。
大胆采用不成熟的全新技术,就会出现各种始料未及的问题,付出这样巨大的代价。
时任海军司令员吴胜利海军上将(右二)为海军少将马伟明撑伞,引发网友热议
去年3月两会期间,马伟明院士在接受媒体采访时,自豪地表示:中国舰船综合电力系统,目前已处于世界领先地位。
目前综合电力系统技术可以分为两代——第一代以中压交流技术为核心,美、英等西方国家走这条路线;第二代以中压直流技术为核心,我国选择了这条技术路线。
相比于中压交流系统,中压直流系统由于取消了中压交流系统中的一些设备,发动机转速不受交流频率限制,对原动机的调速性能要求也比较低,因而相对于中压交流系统,体积重量更小、功率更大、运行效率更高、稳定性更好、供电连续性更好,运行更灵活,领先中压交流系统一代,也是未来舰船综合电力系统发展的必然趋势。
英美海军遭遇这样的窘境,在很大程度上,与他们的技术路线选择保守有莫大的关系。
霸气的马伟明院士(央视新闻截屏)
鉴于此,马伟明院士组建了我国第一个舰船综合电力技术国防科技重点实验室,于3年在世界上首先提出中压直流综合电力技术路线。
在设备层面,马伟明院士带领团队研制出了中压直流输电模块、高转矩密度推进模块、高功率密度燃气轮机发电模块、直流区域配电模块等;在系统层面,先后攻克了一代半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、系统接口设计以及高功率瓶颈技术等,完成了一代半中压直流综合电力系统集成和性能试验,实现了我国舰船动力的跨越发展。
同时,由于我国中压直流综合电力系统采用了环形网络区域配电和智能化管理技术,电力输送采用4—5kv直流电,从而避免了目前第一代中压交流系统面临的发电和负载两端交流频率、相位、振幅同步的问题,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(战时军舰受损时,可能因负载不平衡而导致全舰电力中断),极大提高了全系统的性能和抗损性。
从这个角度来看,我国未来采用中压直流综合电力系统的舰船,很有希望避免重蹈英美海军45型、朱姆沃尔特等新型战舰故障频发的覆辙。
马伟明海军少将
马伟明院士曾介绍说,我国综合电力系统的发展在“十五”计划中开始探索,形成了明确了综合电力系统的技术发展路线:其一,在军用舰船上,因此要求装机容量大、功率密度高、适装性好,应直接跳过第一代而研发第二代,即采用中压直流综合电力系统,大胆追求一步到位;而在民用船舶要求建造成本低,现阶段宜优先采用中压交流或低压交流的第一代成熟的综合电力系统。
事实上,西方已经用在军舰上的第一代中压交流技术,我国在民船上也有试验,在III型大型消磁船、海警、、、等船均已投入使用。
马伟明和他的团队
也正是由于这样明确的方案规划,经过数年来的艰辛攻关,马院士甚至一度自费支撑科研,使得在去年两会上,马院士可以自信表示,我们的选定的第二代综电系统,即中压直流综电技术已经攻克,因此比目前才开始对第二代综电系统,即中压直流技术进行预研的美国团队领跑一代,差距预测为十年以上。
目前我国正在研发中的B型护卫舰,极有可能采用全燃发电-综电推进的能量设计,这也会是马伟明、肖飞团队所创的中压直流综电系统在海军战舰上的第一次实际应用。
人类第四次船舶动力革命,中国虽然后发,却大有希望先至。担负着“近海防御、远海护卫”使命、一步步走向大洋的中国海军,未来将因此获得怎样的脱胎换骨?且让我们拭目以待。