航母動力科普

其實只要是艦艇，哪個沒有動力呢？而航母的動力，其實與一般艦艇一樣，必須具備動力，才能施展它的打擊靈活性。而作為航母，它的動力與一般艦艇相比，還有一定的特殊性。我們知道戰(zhàn)機起飛和降落時，航母要迎風高速行駛，也就是逆風行駛，不管是滑躍起飛的還是彈射起飛的航母都是如此。為什么要如此做呢？因為這么做在戰(zhàn)機起飛時可以增加初速度，而降落時又可以降低相對速度，從而可以達到更有效的起飛戰(zhàn)機及更安全的降落戰(zhàn)機的目的。還是以數(shù)據(jù)說話吧。我們假設(shè)一下，當航母迎風30節(jié)行駛的時候，航母的速度為30節(jié)，風速為10節(jié)，那么甲板風即為40節(jié)，也就是說，即便是戰(zhàn)機在甲板上一動不動，也具有了40節(jié)的初速度，不要不相信，這是事實。那么通過公式換算一下，1節(jié)等于1.852公里/小時，那么40節(jié)也就是74.08公里/小時，或者說是20.57米/秒的速度。也就是說，戰(zhàn)機一動不動實際上也具有了20.57米/秒的速度。我們再假設(shè)戰(zhàn)機達到起飛速度需要100米/秒（這個不一定，需要根據(jù)不同戰(zhàn)機及不同掛載和載油量才能定）。那么只需要在甲板上把靜止的戰(zhàn)機加速到80米/秒的速度就行了，因為再加上甲板風的話，兩者加起飛不就等于100米/秒了嗎？假設(shè)彈射器的加速度為4個G,那么2秒鐘就可以達到80米/秒的速度了。那么做功的沖程為：1/2G*T*T=0.5*40*2*2=80米，而實際上美國尼米茲級的蒸汽彈射器沖程長度也只有80多米，因為驅(qū)動活塞長度及末端的水剎器長度需要扣除的，它們不能算在作功沖程距離內(nèi)的。而如果航母是靜止的，或者說航母甲板風為0的話，利用彈射器直接加速到100米/秒的話呢？同樣以4個G來算，那么需要2.5秒的時間，那么做功的沖程為：1/2G*T*T=0.5*40*2.5*2.5=125米,如果加上驅(qū)動活塞長度及末端的水剎器長度的話，蒸汽彈射器的總長度估計不低于145米以上了。顯然這個長度太長了，與之配套的航母長度要增加，排水量要增大，蒸汽彈射器功率會更大。否則只有提高加速度，而如果加速度過高，飛行員也受不了，戰(zhàn)機也會受到一定損傷的。可見，在這些利弊中，必須要找到一個均可接受的平衡點，而這些就是今天的尼米茲級航母。對于降落也一樣，有興趣的朋友也可以計算一下。

可見擁有較高的航速對于航母來說，是多么的重要，而作為一艘超大的軍艦，如此大的排水量還要求如此高的航速，會對動力系統(tǒng)有著多么嚴峻考驗啊。值得一提的是，與航母配套的軍艦如宙斯盾，也必須要有與航母同樣的速度，否則，一旦起降戰(zhàn)機，就被拋得遠遠的，如何保護航母安全呢？與軍艦一樣，航母的動力也是多樣化，主要可以分為核動和和非核動力，或者說是常規(guī)動力，而常規(guī)動力又可以分為蒸汽輪機、燃氣輪機等，下面就這些問題一一介紹。一、核動力核動力是所有航母的向往，因為核動力代表無限續(xù)航能力，象尼米茲為例，可以十幾年不換燃料（而實際上美國更換燃燒棒的時間幾乎都超過了二十年），對后勤保障要求可以低一些。而且核動力沒有煙囪，不會熏黑雷達及設(shè)備。上部艦島顯得更簡潔。內(nèi)部只需航空燃料庫，大大節(jié)省空間。采取核動力的好處可見一斑，因此需要全球作戰(zhàn)的航母采取核動力是首選。但是核動力也有缺點，首先是它的造價高，一艘相同排水量的航母，核動力的比常規(guī)的要高三分之一，而且采取的無一例外都是壓水堆，體積大，重量重，功率密度低，象美國佬的航母，只能采取單體而非雙體或三體的，因為只有單體的空間能滿足要求。事實上，整個水下以下的部分，幾乎都被反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、蒸汽輪機及冷凝器及推進裝置占完了。陸上的核電站占在面積龐大，而艦上空間有限，因此在航母上為了輻射而采取了夾鉛鋼板等材料以代替陸地上的龐大體積混凝土。但是即便如此，仍是所有動力中最占體積的。而且還有致命的輻射，美國尼米茲級上的航母人員一年換三回，也就是說每個人一年只能呆四個月（當然也有特殊的），為的就是怕核輻射對人體會產(chǎn)生健康的影響。而常規(guī)動力的，如果你愿意，呆上一年也沒問題。還有就是核動力在更換燃料

棒時，不僅要花大錢，還要開膛破肚，還得一年半載的才能完成，你想想，這能不影響航母作戰(zhàn)能力嗎？核動力的原理很簡單，其實與陸地上的核電站差不多，下面是核電站原理圖:圖2.1壓水堆核電廠原理圖都是利用反應(yīng)堆來加熱，只不過，航母上的汽輪機直接推動螺旋槳（當然也有汽輪發(fā)電機，但是功率要小多了），而且直接利用海水做為冷卻劑?？傮w在原理上都是差不多的，但是事實上在外觀上相差很大。在陸地上，不管你的核電站做的有多大，基本上都可容忍，但是軍艦上就不行了，你的體積和重量必須要有限制，否則整條航母什么都不做了，就拉一個電站就得做得龐然大物了。因此在核電站上用超級大型的混凝土在航母上只得用夾鉛鋼板來代替了。為什么用壓水堆呢？首先，高溫氣冷效率確實很高，但是整個體積過于龐大，顯然是不合宜的。那么壓水堆為什么有如此高的功率密度呢（當然跟燃氣輪機相比就低多了）？原因就是它冷凝效率高。我們知道水在一個大氣壓時，100度就沸騰了，但是壓力如果增加到近20MPa,那么即便是溫度上升到350度也不會沸騰，而航母的壓水堆事實上就是如此的壓力，在如此壓力的水進入蒸汽發(fā)生室時，因為壓力驟減立即汽化，并推到蒸汽輪機做功，蒸汽輪機帶到螺旋槳及發(fā)電機。這些做過功的蒸汽仍然還有100多度以上，它們會進入冷凝器，龐大的冷凝器有數(shù)以萬計的散熱管及散熱片，海水及時帶走了這些蒸汽的熱量，并最終在一定的壓力下變成液體，而這些液體又重新進入到加熱室并重復(fù)以上的工作流程。事補，正時由于壓水堆才可以讓做過功的

蒸汽溫度提的夠高，而溫度夠高散熱效率也會更高。從而使其整體功率密度大副提升。前蘇聯(lián)的核反應(yīng)堆由于沒有采用壓水堆，因此盡管體積和重量很大，但功率密度仍不高。就是如此原因。二、燃氣輪機應(yīng)該說，燃氣輪機是現(xiàn)代艦艇動力的理想選擇。有的艦艇甚至寧愿放棄核動力也要搞燃氣輪機。美國的黃蜂級，英國佬的CVF,都采用了燃氣輪機，可見其優(yōu)點之突出。燃氣輪機最有代表的是美國通用動力公司于上世紀六十年代以TF39渦輪風扇發(fā)動機為藍本研制的航改式燃氣輪機。最為主要的用途是作為軍用艦艇的動力裝置。由于該型燃氣輪機性能優(yōu)秀，所以美國與其他海軍均采購LM2500燃氣輪機作為作戰(zhàn)艦艇的動力裝置。從上世紀70年代初正式投入使用以來，LM2500系列燃氣輪機已經(jīng)銷售了2000多臺（包括工業(yè)和艦船），占據(jù)了世界艦船燃氣輪機的絕大部分份額。目前，用于艦船推進的LM2500和LM2500+燃氣輪機的總運行時數(shù)已經(jīng)超過驚人的5千萬小時，這是其他任何一種艦船燃氣輪機都難以企及的高度。GeneralElectricLM2500GasTurbine這一切都得益于LM2500的高性能、高可靠性和高利用率，也得益于其不斷的升級改進。從最初的25500馬力（18755千瓦）到G4的47370馬力（34841千瓦），LM2500連續(xù)跨越了兩個功率等級的臺階，從而充分滿足了客戶的需求?？梢哉f，LM2500是最優(yōu)秀、最成功的燃氣輪機。從目前世界燃氣輪機發(fā)展的趨勢來看，很再難出現(xiàn)一種可以挑戰(zhàn)甚至超越這座豐碑的新型燃氣輪機了。而且燃氣輪機屬于高技術(shù)產(chǎn)品，研發(fā)必須具備雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和長期不斷的投入，目前世界上真正能設(shè)計、制造船用大功率燃氣輪機的廠商數(shù)量也很少。優(yōu)點：燃氣輪機單位功率重量尺寸小、機組功率較大，功率密度是所有已知中最高的；良好的機動性能；能連續(xù)輸出功率，是汽油發(fā)動機與柴油發(fā)動機所沒有的，能滿足艦艇動力裝置要求；快速啟動性能好，它不象蒸氣輪機那樣不斷的烘爐、煮爐等工作，也不象柴油機那樣啟動需要強大的畜電池組，在戰(zhàn)時能立即啟動，并很快加速到最高功率單位體積輸出功率大，載荷分布均勻，設(shè)計工況點運行平穩(wěn)，可以做出較大功率，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速高，軸系運行噪音??；噪聲低，由于柴油機是沖程式做功，蒸汽輪機也有一套笨重的葉輪，都無法與燃氣輪機相比，對于日益先進的潛艇來說，自身噪音很大的艦艇可能會成為潛艇的獵物，也不利于自身反潛。缺點：主機本身不能自轉(zhuǎn)，進排氣口噪音大、耗油率高；葉片需耐高溫造價高；對燃料要求高，簡單循環(huán)時熱效率低下，特別是尾氣仍有相當?shù)母邷?，變工況能力差，啟動條件要求較高，氣動部件的材料要求較高，簡單循環(huán)的燃燒率不高，制造工藝要求高。針對燃氣輪機效率低下的特點，近年來推出了燃氣一蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)，是把燃氣輪機和蒸氣輪機這兩種按不同熱力循環(huán)工作的熱機聯(lián)合在一起的裝置，有時也簡稱為聯(lián)合循環(huán)。由于蒸汽輪機和燃氣輪機的熱力循環(huán)都不能很好滿足上述要求。為了提高熱機的效率，應(yīng)該盡可能地提高熱機中的加熱溫度和降低排熱溫度。但如把它們結(jié)合起來，以

燃氣輪機的尾氣來加熱蒸汽（燃氣輪機的尾氣也有好幾百度呢），就可以同時取得燃氣輪機加熱溫度較高和蒸汽輪機排熱溫度較低的雙重優(yōu)點。聯(lián)合循環(huán)的理論基礎(chǔ)早已建立。熱力學奠基人之一卡諾就提出過聯(lián)合循環(huán)的概念。但是直到20世紀中葉，才開始有實用的聯(lián)合循環(huán)動力裝置。發(fā)展聯(lián)合循環(huán)的關(guān)鍵是要研制出高溫、高性能、大功率的燃氣輪機。為了適應(yīng)石油短缺的形勢，在燃氣輪機中有效燒煤也是一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，世界各先進工業(yè)國家均已有定型聯(lián)合循環(huán)機組產(chǎn)品。其中功率最大的已超過60萬千瓦，最咼熱效率已咼達47%以上。它作為熱電并供機組使用，燃料利用率可高達80%左右，單機組最長運行時間已超過10萬小時。熱機的熱效率要提高1%都是非常困難的，而聯(lián)合循環(huán)卻只要把燃氣輪機和蒸汽輪機結(jié)合起來就可以大幅度節(jié)約能源。另外，由于艦艇本身也需要熱量供應(yīng)，這些加熱過的尾氣其實仍具有一定的熱量，而艦艇上的烘干房、新風機系統(tǒng)或熱交換器通常也需要一定熱量供應(yīng)的，象毛子在北極，氣溫較低，利用這些熱量同時可以供熱，改善艦上人員的工作環(huán)境。因為，排放的高溫尾氣不僅浪費能源，也會增加紅外輻射特征，對艦艇隱身不利的。三、蒸汽輪機需要說明的是，其實蒸汽輪機并不能算一個分支，核動力其實也是蒸汽輪機，只不過是用反應(yīng)堆燒開水，而常規(guī)動力是用重油燒開水，原理上都是蒸汽輪機。由于蒸汽輪機具有功率大，維護費用低廉的優(yōu)點，工作可靠性高，效率高，造價也不高，因此在許多國家的大型軍艦動力裝置依然熱衷于使用蒸汽輪機。特別是采用核動力的話，也必須要蒸汽輪機。

不過，也應(yīng)該看到，蒸汽輪機體積大，重量重，特別是冷凝器更是龐然大物，占據(jù)了太多的艦長寶貴空間，而且鍋爐在啟動前還必須要引風、烘爐、預(yù)熱管道等一系列工作，沒有個把小時不能進入正常工作狀態(tài)，而且如果短時靠港還不能熄爐。鍋爐在不使用時腐蝕更大，長期不用還必須要充氮氣保護，使用的水必須是去離子水，一整套下來，把人累個半死，讓人幾乎忍無可忍。因此除非核動力外，已經(jīng)漸漸被淘汰，燃氣輪機一統(tǒng)江湖的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。四、柴油機柴油發(fā)動機的優(yōu)點是功率大、經(jīng)濟性能好。柴油發(fā)動機的工作過程與汽油發(fā)動機有許多相同的地方，每個工作循環(huán)也經(jīng)歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程。但由于柴油機用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻較汽油低，因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。不同之處主要是，柴油發(fā)動機氣缸中的混合氣是壓燃的，而不是點燃的。柴油發(fā)動機工作時進入氣缸的是空氣，氣缸中的空氣壓縮到終點時，溫度可達500-700°C，壓力可達40—50個大氣壓。活塞接近上止點時，發(fā)動機上的高壓泵以高壓向氣缸中噴射柴油，柴油形成細微的油粒，與高壓高溫的空氣混合，柴油混合氣自行燃燒，猛烈膨脹，產(chǎn)生爆發(fā)力，推動活塞下行做功，此時的溫度可達1900-2000C，壓力可達60-100個大氣壓，產(chǎn)生的功率很大，傳統(tǒng)柴油發(fā)動機的特點：熱效率和經(jīng)濟性較好，柴油機采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃燃點，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此，柴油發(fā)動機無需點火系。同時，柴油機的供油系統(tǒng)也相對簡單，因此柴油發(fā)動機的可靠性要比汽油發(fā)動機的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，柴油機的扭矩大，最大功率時的轉(zhuǎn)速低，適合于艦艇螺旋大扭矩的使用。MTU柴油機但柴油機由于工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強度和剛度，所以柴油機比較笨重，體積較大；柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。傳統(tǒng)上，柴油發(fā)動機由于比較笨重，升功率指標不如汽油機(轉(zhuǎn)速較低)，噪聲、振動較高，炭煙與顆粒(PM)排放比較嚴重。但隨著近年來柴油機技術(shù)的進步，特別是電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術(shù)得以在柴油發(fā)動機上應(yīng)用，使原來柴油發(fā)動機存在的缺點得到了較好的解決，而柴油機在節(jié)能與CO2排放方面的優(yōu)勢，則是包括汽油機在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機無法取代的，因此，柴油機對于現(xiàn)代艦艇仍不失為一個良好的選擇。對于小型的、排水量較低的航母，柴油機仍是可選之一，其中英國的未來航母CVF的動力里不僅有燃

汽輪機，也有柴油機。主要原因就是柴油機的經(jīng)濟性，同時還有它的負荷可調(diào)性強。庫艦上也有柴油機，它是用來發(fā)電的，即便是尼米茲級核動力航母，也配有柴油機，不過，它只是提供應(yīng)急的備用電源的。五、綜合全電力系統(tǒng)首先得強調(diào)一下，綜合全電系統(tǒng)仍需要外部機械提供電源，當然來源方式可以多樣化，可以是柴油機發(fā)電，如法國的西北風，也可以是燃汽輪機，如美國的DDG-1000。也可以是柴燃聯(lián)合的，如英國佬的CVF,還有就是福特級的直接利用核動力發(fā)電的。解決了電源問題之后，才能談綜合全電系統(tǒng)。冷戰(zhàn)結(jié)束之后，擁有大型艦船的各國海軍對艦船的建造費用和生命周期運行成本提出了更高的要求，他們要求大型艦船在滿足完成傳統(tǒng)使命的前提下，大幅度減低防務(wù)費用。因此，減少平臺及其推進設(shè)備費用，進而提高戰(zhàn)艦使命效率成為考慮的主要目標。雖然船舶電力推進技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀之初，由于受到當時的技術(shù)和制造業(yè)總體水平的限制，電力系統(tǒng)的優(yōu)越性不能得到充分體現(xiàn)，推進方式主要體現(xiàn)為DC發(fā)電機/電動機，變速交流發(fā)電機/電動機，以及稍后出現(xiàn)的恒速交流發(fā)電機-整流器-直流電動機等。實際上，此時的電力推進除了滿足潛艇和破冰船等特殊的工程船舶力推進一些特殊的應(yīng)用環(huán)境外，設(shè)備的制造與運行一點也不經(jīng)濟。因此，它在整個船舶推進領(lǐng)域內(nèi)所占份額非常小。上世紀80年代前后，大功率（十兆瓦級以上）交流電動機調(diào)速技術(shù)因電力電子器件和各種調(diào)速變速器技術(shù)獲得了極大的進步，在商船的應(yīng)用中積累了一定的設(shè)計與運行經(jīng)驗。例如，上世紀最后20年中，阿爾斯通就建造了110艘電力推進船，ABB公司的交流電力推進系統(tǒng)的裝機總功率也高達2318MW。商船電力推進的應(yīng)用為其在軍船上的安裝奠定了堅實的基礎(chǔ)，極大地促進了海軍水面艦艇推進系統(tǒng)電力化的發(fā)展趨勢。

艦船平臺系統(tǒng)全電力化進程體現(xiàn)了海軍對未來航母多功能化的迫切需要。新概念武器系統(tǒng)，如直接能量武器，探測設(shè)備和電子裝置都要求艦船平臺提供更大功率的電力保障。高能激光武器在工作時耗電390kW；大功率微波武器大約需要電力5000kW；電磁彈射器平均需要電力10MW,以及其他對空作戰(zhàn)武器都需要大量的電力。這些武器將在未來10-20年間裝備在航母上。因此，高能武器上艦將極大地改變平臺的能量供需結(jié)構(gòu)，航母的平臺設(shè)計應(yīng)首先考慮武器系統(tǒng)的需求來統(tǒng)籌全艦的能源系統(tǒng)。作為船舶電力推進系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，高功率密度永磁電動機及其系統(tǒng)技術(shù)倍受軍方關(guān)注，隨著海軍對電力推進給其帶來的種種好處的日益認識以及相關(guān)型號項目的相繼出臺，高功率密度船用推進型永磁電動機研發(fā)取得了令人鼓舞的進步。一些在幾年前還認為難以達到的技術(shù)，目前幾乎已經(jīng)進入實用狀態(tài)。歐美目前開發(fā)項目的目的是通過采用可得到的成熟技術(shù)將商船業(yè)引向軍艦環(huán)境。商船技術(shù)上艦，又使電力推進、電力變換、成套設(shè)備、船舶物理場特征和控制等很多領(lǐng)域的技術(shù)實現(xiàn)了跳躍式地發(fā)展，如船用直流區(qū)域配電和大功率（20MW以上）脈寬調(diào)制（PWM）的電動機驅(qū)動裝置都取得了令人矚目的成績。近20年間，電力推進技術(shù)在商業(yè)運營之中積累了豐富的運行經(jīng)驗。艦船電力推進綜合考慮了效率、靈活性和生命力等因素，使原動機使用的臺數(shù)減少，系統(tǒng)實行了集成化，設(shè)備靈活布置，從而降低了船主的建造和運行費用。對于大部分時間運行于50%的全功率下的軍船而言，電力推進系統(tǒng)可以使原動機最好地高效工作；根據(jù)反潛戰(zhàn)要求，電力推進系統(tǒng)可以設(shè)計成安靜運行。新型綜合電力推進將完全采用模塊化設(shè)計，由此縮短了建造周期，降低了建造費用，而更重要的是它充分體現(xiàn)了優(yōu)越的平臺系統(tǒng)重構(gòu)功能。經(jīng)濟型雙體航母方案一II有的人認為，綜合全電系統(tǒng)先用機械發(fā)電，然后再用電動機驅(qū)動螺旋槳，存在著能量轉(zhuǎn)化間的損耗，因此效率不可能比直接推進的高，但是綜合全電系統(tǒng)能節(jié)能的根源就是在于它在一個能量分配管理系統(tǒng)。根據(jù)經(jīng)驗，對推進和船舶日用電兩者采用一個公共電力系統(tǒng)，其效益是能使運行費用節(jié)省高達25%。雖然電力戰(zhàn)船不能像商船一樣一味地強調(diào)燃料的經(jīng)濟性而進行全面地優(yōu)化，但是所節(jié)省的生命循環(huán)周期費用（燃料、人員和維護等）還是非?？捎^的。根據(jù)英國國防部風險評估測算，和機械平臺相比，采用全電力推進的戰(zhàn)艦所節(jié)約建造的費用可以在建造了30艘艦船之后，就可以再免費獲得一艘同級別的艦船（約節(jié)約3.3%）。與之相比，目前的軍船直接驅(qū)動存在著極大