اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت چهارم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

نیروی دریایی آینده

همانگونه که به پیشرفت مداوم "تحقیقات و توسعه" در سیستمهای قدرت و کنترل الکترونیکی و سلولهای سوختی اشاره شد، بیشتر کارهای اساسی قبل از اینکه رویای کشتی جنگی تمام برقی بخواهد به حقیقت بپیوندد باقی مانده اند. از میان حوزه های فنی که چالشی برای مهندسان و محققان دفتر تحقیقات نیروی دریایی  بوجود آورده اند جستجوی راهی برای ساخت یک سیستم یکپارچه قدرت قابل نصب در کشتی هاست.

کنترل کننده پیشرانه موتوری پیشرفته احتمالا بی صداتر،  قدرتمندتر، با پنهای باند بالاتر، باکارآیی بالاتر و با مصونیت بیشتر در برابر خطاها ساخته خواهد شد.

سلاح انرژی جنبشی و موشک اندازهای پیشرفته ، در مفهوم، قادرخواهند بود 6 تا 12 گلوله را با انرژی جنبشی 20مگاژول تا فاصله 200 گره دریایی پرتاب کنند. کلید برتری "تفنگهای مغناطیسی" کاهش وزن گلوله ها، عدم نیاز به باروت، پیشرانه های راکتی، کلاهکهای با قدرت انفجاری بالا و احتمالا ظرفیت بالاتر ذخیره کردن آنها می باشد.

سلاح های انرژی مستقیم ، شامل لیزرهای قدرت بالا، توانایی این را دارند تا یک نیروی کشنده را با سرعت نور به دشمن وارد کنند. اما هر دو نوع لیزرهای حالت جامد و الکترون آزاد به یک منبع قدرت انرژی الکتریکی عظیم نیاز دارند که تنها یک کشتی جنگی تمام برقی می تواند آن را تأمین کند.

ذخیره سازهای برق برای مجموعه یکپارچه تفنگهای مغناطیسی، سلاح های لیزری، پرتابگرهای برقی، حسگرهای قدرت بالا و شتابگیری در وضعیت جنگی یک عنصر حیاتی محسوب می شوند. بسته به نوع تجهیزات نصب شده بر روی شناور، انواع خازنها، باتری ها، میل لنگها و حتی ذخیره سازهای مغناطیسی فوق هادی می توانند مورد استفاده قراربگیرند.

ژنراتورهای برقی پیشرفته می توانند از تکنولوژی فوق هادی یا ژنراتورهای سرعت بالا برای افزایش توان تولید شده و کاهش وزن و حجم دستگاه تا 50% استفاده کنند. برای کشتی ها می تواند از ژنراتورهایی با توان 10 تا 30 مگاوات استفاده کرد.

تصویر7- سوپرموتور. یک ژنراتور فوق هادی به قدرت 5 مگاوات که توسط شرکت فوق هادی آمریکا و آلستوم ساخته شده و از 30 کیلوگرم هلیوم برای سرد کردن آن استفاده شده است. ولتاژ خروجی آن 2400 ولت سه فاز بوده و سرعت نامی آن 230 دور بر دقیقه می باشد. آزمایش قدرت کامل آن برای ابتدای سال 2005 برنامه ریزی شده است.

عملگرهای الکتریکی (actuator) اجازه می دهند تا تجهیزات هیدرولیک و پنوماتیک از روی کشتی جمع آوری شوند که به صورت معنی داری هزینه تعمیرات و نگهداری را پایین خواهد آورد. این عملگرها کاملا مجتمع و با صرفه خواهند بود و پیکربندی سیستمهای قدرت و کنترل آسیب را در کشتی های آینده بازسازی خواهند کرد.

مترجم رضاکیانی موحد

منبع

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p4.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت سوم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

توسعه تکنولوژی

دو تکنولوژی اول جدول 1 قبلا در دفتر تحقیقات نیروی دریایی آغاز شده و آنها در حال تکمیل شدن هستند. برنامه های تحقیقاتی مورد نیاز برای تبیین اصول علمی تکنولوژی های دیگر نیز در حال پیشرفت هستند اگرچه تمرکز بیشتری  بر روی توپهای مغناطیسی بوده است. انتظار می رود که آزمایش نمونه های ساخته شده در طی یکی دو سال آینده مرحله بعدی پروژه باشد.

حوزه تکنولوژی	دسته بندی	وضعیت
تولید قدرت پیشرفته	سلولهای سوختی	در حال آزمایش (2004تا 2005)
پیشرانه پیشرفته برقی	موتورهای الکتریکی قدرتمندتر، باکارآیی	درحال آزمایش  (2004تا 2005)
سلاح های برقی	توپهای برقی، لیزرهای پرقدرت، رادارهای قوی	در حال تحقیق
ذخیره سازی انرژی	خازنها، میل لنگها، باتری ها	در حال تحقیق
سیستم های قدرت پیشرفته	معماری پخش بار، مدیریت نیرو، مبدلهای قدرت	در حال تحقیق

جدول-1 پایه های کشتی جنگی تمام برقی نیروی دریایی آمریکا

همچنین یک ماجول سلول سوختی 625 کلیوواتی مولتن با بازده 50 درصد در دست ساخت است. این ماجول شامل یک بهینه ساز سوخت ،که می تواند گوگرد موجود در سوخت استاندارد نیروی دریایی را تصفیه کرده و آن را به یک گاز غنی از هیدروژن تبدیل کند، یک جداساز گوگرد، دیگ بخار و کندانسور، مبدلهای حرارتی، سیستم تهویه، سیستم تبدیل قدرت و سیستم کنترل وایمنی می باشد. سلولهای سوختی به همراه یک الکترولیت شامل پتاسیم-لیتیوم-کربنات می توانند در درجه حرارت 650 درجه سانتیگراد با طول عمر 40000 ساعت قدرتی با ولتاژ 450 ولت تحویل دهند. این ماجول ،که در سال گذشته آزمایشهای کارخانه را پشت سر گذاشته است، امسال برای تست زمینی آماده می شود. شرکت انرژی سلول سوخت و دفتر تحقیقات نیروی دریایی با سرشکن کردن هزینه ها تهیه آن را برعهده دارند.

تصویر5- سلول سوختی مولتن. ابعاد این ماجول 8×2.5×3.35 متر می باشد.

تصویر6- سلول سوختی 625 کیلووات ساخته شده در سال 2004.

اگرچه سلولهای سوختی فعلی توانی برابر با 500 تا 600 کیلووات را تأمین می کنند اما هدف این است که قدرت خروجی آنها تا 20 مگاوات افزایش یابد تا پیشرانه و سلاح ها از آن بهره گیری کنند. برای استفاده همزمان از این طرح های جدید به قدرتی بیش از آنچه امروز در دسترس است نیاز است.

مترجم:رضاکیانی موحد

منبع

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p3.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت دوم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

افق آینده

اولین اعضای نسل جدید شناورهای رزمی تمام برقی توسط دو مقاطعه کار نیروی دریایی آمریکا تولید خواهند شد. اولین آنها ،کشتی جنگی دی.دی.اکس، به وسیله یک سیستم یکپارچه الکتریکی پیشرفته قدرت خواهد گرفت و توسط نورث روپ گرومن (مقاطعه کار اصلی) و رایتئون (مسئول ساخت سلاح ها و تجهیزات الکترونیکی) ساخته خواهد شد. نیروی دریایی قرار است که جزئیات طرح این کشتی را اوایل امسال اعلام کند. برنامه ریزی تحویل اولین نمونه این کشتی برای سال 2011 انجام شده است و قرار است که تا سال 2013 به خدمت وارد شود. نمونه دوم کشتی لجستیک رزمی تی-آ.ک.ئی است که طراحی و ساخت آن توسط فولاد ملی سان دیگو و یکی از شعبه های جنرال دینامیکز انجام شده است. این شناور از یک پیشرانه برگرفته از نمونه های تجاری موجود استفاده می کند و قرار است تا در میانه سال 2005 تحویل داده شود. سیستمهای الکتریکی هر دو کشتی بر اساس تکنولوژی توربو-ژنراتورهای امروزی خواهد بود. یک باسبار نیروی موتورهای الکتریکی معمولی متصل به محورهای کشتی را فراهم می کند.

دریادار جای کوهن ،رییس دفتر تحقیقات نیروی دریایی، برای برنامه "نیروی دریایی آینده" اهمیت گذار از کشتی هایی با پیشرانه الکتریکی به سوی کشتی های تمام برقی را دریافته و بر روی نیازهای علمی و توسعه فنی این پروژه سرمایه گذاری کرده است. با نگاه به آینده ، دریادار کوهن می گوید:" پیشرانه برقی مانند تغییر پیشرانه از بادبان به موتور بخار ،نفت به نیروی هسته ای یا توپ به موشک یک طرح انقلابی است." اما برای اینکه کشتی تمام برقی به واقعیت بپیوندد نیروی دریایی مجبورخواهد بود تا مقدار زیادی بر توسعه  تکنولوژی های جدیدتر در حوزه هایی مانند تولید و پخش نیروی الکتریکی، ذخیره برق، رسانایی و پخش بار و پیشرانه ها تأکید کند.

تصویر3- وصل کن و بازی کن. اندازه سلاح های برقی آینده و حسگرها یک سیستم قدرت یکپارچه را تقاضا می کنند.

پیشرفت در الکترونیک- تحقیقات در حوزه تجهیزات الکترونیک قدرت و کنترل مستقیما برآمده از تعامل بین تجهیزات کلید زنی پیشرفته و ماجولهای قدرت برای کارکردن در ولتاژها بالاتر بود. این تکنولوژی در دسترس است اگرچه باید کار بیشتری صورت بگیرد تا تولیدات کارخانه ها بر اثر توسعه فنی قیمت ، اندازه و وزن کمتری در برداشته باشند. جلوگیری از امواج ضربه قدرت بالا وظیفه بلاکهای الکترونیکی قدرت هستند که کلیدهای قدرت بالا را با تجهیزات کم قیمت، انعطاف پذیر و کنترل کننده های قابل برنامه ریزی ترکیب می کنند. یک نمونه 9 مگاولت آمپر برای آزمایش در اواخر امسال آماده شده و یک نمونه 13 مگا ولت آمپر نیز در حال توسعه می باشد.

سلولهای سوختی دریایی- سلولهای سوختی دریایی (SSFC) ثابت خواهند کرد که یک سلول سوختی ، به همراه یک بهینه ساز سوخت دیزل، می تواند به عنوان یک پیشرانه پیشرفته برای شناورها بکاربرده شود و توربینهای گازی را از دور خارج کند. سلولهای سوخت می توانند قدرت جریان مستقیم را بدون نیاز به موتورهای درون سوز با بازدهی بالاتر از 50 درصد تولید کنند. آنها همچنین آلاینده ای غیر از آب نخواهندداشت و هزینه کمتری نیز دارند. کلید اصلی برای توسعه این سلولهای سوختی یک بهینه ساز است که می تواند هیدروژن/متان را ،همانند یک دستگاه تصفیه گوگرد کاتالیزوری، از سوخت استاندارد نیروی دریایی جداکند. اما به دلیل زمان بالای راه اندازی یک سلول سوختی دمای ،نسبت به سلولهای سوختی دمای پایین، باید عامل سرعت را نیز در نظر گرفت. ممکن است که شتاب برای یک شناور غیرنظامی مسئله چندان مهمی نباشد اما برای یک کشتی جنگی زمان می تواند عاملی برای مرگ یا زندگی باشد.

سلولهای سوختی دریایی

در پیشرانه های ترکیبی که برای کشتی های جنگی تمام برقی آینده متصور می شوند سلولهای سوختی سهمی اساسی در تهیه توان مورد نیازدارند. امروزه، دو نوع سلول سوختی آزمایشی موجود است. اولی از یک غشای تبادل پرتونی (PEM) استفاده می کند و دومی ماجولهای مولتن کربنات هستند. بسته به توسعه در حوزه تجاری، هزینه های تحقیقاتی و نتایج آزمایشی یکی از این دو در نهایت برای شناور آینده نیروی دریایی انتخاب خواهند شد.

توسعه یک سلول سوختی غشای تبادل پرتونی با قدرت 500 کیلووات تا مرحله نهایی توسط US.DOE ادامه پیداخواهد کرد. این پروژه تولید یک مولد سوخت یکپارچه موثر برای تهیه سوخت استاندارد نیروی دریایی به یک سوخت مناسب در سلولهای سوختی را هدف قرارداده است. این مولد سوخت باید شامل یک بهینه ساز با تحمل گوگرد، بستر جذب سطحی گوگرد قابل بازیافت و بسترهای کاتالیستی محافظ باشد. طرح مولد سوخت قبلا کامل شده است و قرار است تا در پایان سال 2004 مورد آزمایش قرار بگیرد. طرح نهایی در یک ماجول مجتمع به همراه چگالی قدرتی سه برابر بیشتر نصب خواهد شد. آزمایش کامل مجموعه قرار است تا در سال بعد دنبال شود. پیش بینی شده است که بهره برداری از سلول سوختی در درجه حرارت 80 درجه سانتیگراد بازدهی در حدود 40 درصد و طول عمر 40000 ساعت به همراه داشته باشد. شرکت SOF Co-EFS قرار است که این مجموعه را با تقسیم هزینه ها با دفتر تحقیقات نیروی دریایی تأمین کند.

تصویر 4- سلول سوختی (PEM) 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع 

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p2.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت اول

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

کشتی 19360 تنی یو.اس.اس ژوپیتر اولین نتیجه علاقه نیروی دریایی آمریکا به نیروی محرکه الکتریکی بود. ژوپیتر دارای یک پیشرانه آزمایشی بود که بعدها به صورتی گسترده در نبردناوی ساخته شده در دهه های 1910 و 1920 بکارگرفته شد. به عنوان مثال، نبردناو 36000 تنی یو.اس.اس نیومکزیکو ،که در سال 1918 به خدمت پیوست، اولین نبردناو از سه فروند نبردناوی بود که از موتور الکتریکی استفاه می کرندد.  پیشرانه نیومکزیکو عبارت بود از 4 دستگاه توربین بخار که به وسیله 6 دستگاه دیگ بخار نیرویی برابر با 40000 اسب بخار تولید می کرد و می توانست سرعت نبردناو را به 21.5 گره دریایی برساند. در طی همان دوره، چند کلاس مختلف از ناوشکن ها و زیردریایی های دیزلی با موتورهای جریان مستقیم ،که مستقیما به پروانه های شناور متصل شده بودند، ساخته شدند.

 

تصویر1- اولین شناور نیروی دریایی آمریکا با موتور الکتریک یو.اس.اس ژوپیتر (بعدها به یو.اس.اس لانگلی تغییر نام داد).

در آن زمان، به موتورهای الکتریکی به عنوان نسل بعدی پیشرانه ها (در برابر موتورهای بخار با دور پایین که در ابتدای قرن ناوگان سفید را بوجود آوردند) نگریسته می شد. تولید توربینهای بخار با دور بالا در ابتدای قرن بیستم به این معنی بود که برای انتقال نیروی تولید شده به محورهای کشتی یا باید از یک جعبه دنده کاهنده یا یک موتور الکتریکی استفاده کرد. پیشرفتهای ساخت جعبه دنده ها سب شد تا طراحان کشتی ها به سیستمهای اتصال مستقیم پیشرانه متمایل شوند چرا که موتورهای الکتریکی آن زمان بزرگتر، سنگین تر، با بازده کمتر و از نظر تعمیرات پرهزینه تر از جبعه دنده های مکانیکی بودند. به هرحال، در طول جنگ جهانی دوم کمبود ظرفیت کارخانه های جعبه دنده سازی سبب شد تا در تعدادی از کشتی های جنگی آمریکا موتورهای الکتریکی نصب شوند.

علاقه به این موتورها پس از پایان جنگ به دلیل توسعه پیشرانه هسته ای و توربینهای گازی کاهش یافت. امروزه، غیر از ناوهای هواپیمابر با پیشرانه هسته ای، کشتی های جنگی نوعا یک جفت توربین گازی ال.ام2500 ساخت جنرال الکتریک دارند که از طریق یک کلاچ اس.اس.اس به یک جعبه دنده کاهنده مشترک وصل شده اند. این کلاچها 50000 اسب بخار را به محورهای کشتی منتقل می کنند با یک پروانه با زاویه گام قابل تغییر در آب حرکت می کند. بعضی از شناورها به 100000 اسب بخار بر روی محور نیازدارند تا وزن 10000 تنی خود را به سرعت بیش از 30 گره دریایی در دریا برانند اگرچه بیشتر کشتی های جنگی 90 درصد عمر خود را تنها با یک یا دو موتور سرمی کننند. چون افزایش قدرت با توان دوم افزایش سرعت نسبت دارد هر کشتی چند موتور اضافی دارد تا زمانی که باید از منطقه خطر فرار کنند و نیاز به سرعت بیشتر دارند از آنها استفاده کنند.

بار الکتریکی نوعی کشتی های نظامی (شامل چراغ ها و سلاح ها) به وسیله سه توربین گازی آلیسک 501 (موسوم به اس.اس.تی.جی) که هرکدام به وسیله بازیافت حرارت آبهای داغ تولید شده تقویت می شوند تأمین می شود.

احیای کشتی های برقی

با آغاز دهه 1970 توانایی ساخت قطعات الکترونیکی و کلیدهای حالت جامد سریعتر و موتورهای جریان متناوب سنکرون پرقدرت سبب شد تا نیروی دریایی دوباره به کشتی های تمام برقی علاقمند شود. در گذشته، طراحان کشتی به وسیله فشارهای تعیین محل نصب ماجولهای پیشرانه در فشار بودند. محل پروانه های کشتی به گونه ای بود که باید محور کشتی در وسط قرار می گرفت و به ناچار توربینهای گازی به صورت عمودی در کشتی نصب می شدند. به خاطر قابلیت بقای بیشتر یک ماجول در سینه و دیگری در پاشنه کشتی نصب می شدند. به صورتی معنی دار، کشتی های تمام برقی طراحان را از مکان یابی توربینهای گازی آزادکرده است و درنتیجه آنها می توانند وزن و تعادل کشتی را بهینه کنند. توربوژنراتورها با استفاده از کابل و قطعات پرسرعت الکترونیک به موتورهای الکتریکی پیشرانه نصب شده اند.

یک طرح تکمیل شده کشتی جنگی تمام برقی یک پریز دیواری برای تمامی تکنولوژی های آینده مانند توپهای برقی، لیزرهای پرقدرت، حسگرهای قدرتمند و پهپهادهای شناسایی محسوب می شود. چنین طرحی به صورتی مهیج توانایی های رزمی و انعطاف پذیری کشتی را بهبود می بخشد. به علاوه برای کاهش هزینه های عملیاتی و نگهداری، کشتی می تواند بقاپذیری بیشتری داشته باشد چرا که تولید نیرو می تواند در کشتی پخش شود. یک سیستم یکپارچه قدرت همچنین بازده بیشتری دارد که با مشخصات نوعی یک عملیات رزمی بیشتر مطابقت دارد: سرعت بالا در عملیات و کاهش سرعت در هنگام گشت زنی. 

  

تصویر2- شوک آینده- کشتی جنگی تمام برقی

مترجم: رضاکیانی موحد 

منبع: 

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044.html