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西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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中国航母猜想(三)  

2010-03-29 10:26:09|  分类: 纸上谈兵 |  标签: |举报 |字号 订阅

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动力方面,核电驱动是最有利的方案。这是舰船推进的最先进技术,但在技术难度上反而是在中国的能力范围之内。核电驱动就是在航母上搞一个核电站,然后用大电机驱动螺旋桨。核电站技术中国不陌生,赶不赶得上这个、那个的水平是一回事,搞一个能转得起来的核电站那是没有问题的。这是航母动力,不是民用核电站,安全要求和操作条件也完全不一样,实际上技术难度只有低。大电机是一个难点,但相信这不至于难到绊倒在这里的地步。

为什么用核电呢?那就看看其他选择。柴油机、燃气轮机对驱动这么大的高速船都不合适,燃油舱要占去好多体积;蒸汽轮机也是一样。直接驱动对于大轴的要求很高,空间也不好安排。最重要的是,核电可以提供大量电力,供电磁弹射起飞用。

 

在所有的军舰中,航母要算大象了。推动这大象的屁股可是不容易,不光要考虑一般的舰船动力问题,如直接推进还是全电推进,还要考虑航母的特殊性。具体来说,就是要和起飞方式一同考虑,还要考虑甲板上的烟雾问题。

航母动力大体有四种可以考虑:核动力、蒸汽轮机、燃气轮机和柴油机。


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柴油机用于巨型船只是有先例的,世界上最大的集装箱船Emma Maersk号的排水量接近16万吨,比尼米兹级航母还大。这巨无霸就是单台柴油机驱动的,单机功率接近11万马力。


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这是一艘比“尼米兹”级航母还大的船


柴油机的特点是省油、可靠,噪声和振动大。柴油机适宜于长时间稳定地满负荷工作,而不适宜于经常加减速。航母在行进途中经常需要调转方向和加减速,在起飞和回收的时候需要迎风加速,起飞和回收作业完成后回到航线航向并减速到经济航速,否则即使航母有足够的航程,护航舰队也吃不消这么个长时间的冲刺式航行。柴油机不适合这种方式的航行。另一个问题就是如果采用蒸汽弹射,还需要另外设置锅炉,产生蒸汽弹射所需要的高压蒸汽。这样叠床架屋,动力系统的空间和燃油效率很低。柴油机的废气还容易在甲板上形成黑烟,正好吹入下降中的飞机的航迹,如果不至于对发动机的安全工作和寿命造成影响的话,至少对飞行安全很不利。柴油机适宜于用来直接驱动,现代巨型柴油机的单机功率已经十分巨大。柴油机也有用于全电推进的邮轮的,要是用于全电推进,可以用几台较小的柴油机分别连接发电机,各自按最优工况运行。这一点比较灵活。现代航母还没有用柴油机动力的先例。


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蒸汽轮机动力的锅炉排烟对飞机降落是一个很大的威胁。这是美国“大黄蜂”号航母,这一天航速不高,所以烟云集中往上。如果按30节高速航行的话,烟云就正好落在下滑飞机的航迹上,对飞行员的视界影响很大


蒸汽轮机是传统的大型船舶推进方式。蒸汽锅炉产生的高压蒸汽推动汽轮机,汽轮机直接驱动螺旋桨,或者带动发电机。用于直接驱动的话,汽轮机的单机功率容易做得足够大,可以几台锅炉共用一台汽轮机,避免齿轮箱耦合的麻烦。用于发电,那更是和常规的火力发电站无异,任何具备一点工业基础的国家都很熟悉。蒸汽锅炉产生的高压蒸汽可以和蒸汽弹射系统分享,比柴油机推进更加合理。用于全电推进的话,蒸汽电站的热效率也高于柴油机电站。但蒸汽锅炉的升火、加速比较慢,系统庞大、复杂,使用和维修都很麻烦,在现代军舰中已经用得越来越少了。


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英国“无敌”级航母(右)是世界上第一级燃气轮机动力的航母,意大利“加里波地”级和西班牙“阿斯图里亚斯亲王”级也是燃气轮机动力,但这些都是小航母,和美国大甲板航母不可相提并论


燃气轮机是大多数现代军舰的标准动力,具有体积小、启动快、噪声和振动低的优点。但燃气轮机的耗油率较高,单机功率也不够大,用于直接驱动航母级的大型军舰的话,需要很多燃气轮机并联,耦合的齿轮箱不仅复杂,而且带来一定的功率损失。皇家海军的无敌级小航母是现在已知的唯一一级燃气轮机驱动的航母,但这毕竟只是2玩吨级的小航母,5-6万吨以上的中型航母没有使用燃气轮机动力的先例。但如果不用直接驱动,而是用全电驱动,燃气轮机反而可以热效率比柴油机和锅炉还好,这是由汽电联合系统(co-generation)实现的。换句话说,燃气轮机的轴功率用于直接驱动发电机,高温尾气则进入废热锅炉,产生高压蒸汽,或者用于蒸汽弹射,或者用于汽轮机发电,极大地提高了全系统的热效率。通过电气耦合的多台系统并联工作,燃气轮机单机功率不足也不再是问题。在常规动力中,这或许是最适合航母的。但燃汽轮机的进气和排气量最大,对甲板风的影响也最大,这是在航母上使用的不利之处。汽电联合是比较新的东西,在西方电力工业中也是80-90年代以后才开始,至今尚未出现在航母上也就不奇怪了。不过汽电联合的优势在于在发电的同时产生高压蒸汽,如果没有这个需要,单纯汽电联合在热效率上并没有优势,单纯燃气轮机推动更没有优势了。


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美国“企业”号是世界上第一艘核动力航母,这是“企业”号航母、“长滩”号巡洋舰和“班布里奇”号驱逐舰组成的全核动力特混舰队在做环球不加油、不停靠航行


大型航母最合适的动力还数核动力。核动力通过反应堆产生高压蒸汽,推动汽轮机,或者直接驱动螺旋桨,或者用于发电。在60年代时,美国海军打造过全核动力的航母特混舰队,企业号航母、长滩级巡洋舰和班布里奇级驱逐舰(当时用了一个奇怪的名称驱逐领舰)浩浩荡荡地环绕全球也不需要途中加油,一时轰动世界。实际上,航母核动力的主要目的不在于无限航程,在舰上飞机燃油和弹药有限的情况下,无限航程本身并不能带来无限的作战能力。美国海军后来再也没有建造核动力巡洋舰或驱逐舰,但继续建造核动力航母。实际上,在企业号之后,除了小鹰级四艘(现已全部退役,但企业号还在服役)继续沿用改进的福雷斯特级的常规设计,美国海军的航母全部采用核动力。航母采用核动力的主要原因是避免挤占飞机燃油、弹药和机库的空间,最大限度地增强携载的战斗持续力。更重要的是核反应堆容易产生大量的蒸汽和淡水,供蒸汽弹射系统使用。如果不用核动力,产生淡水和蒸汽耗用的燃料将非常可观,极大地影响航母的自持力。苏联对舰船核动力并不陌生,1959年下水的列宁号破冰船就是核动力的,此后还陆续建造了9艘核动力破冰船,最后一艘是1993年下水的“50周年胜利号,原本用来纪念卫国战争胜利50周年,但到2007年才最后完成舾装。基洛夫级战列巡洋舰也采用核动力(不过用蒸汽锅炉加力,用于加速和港内的无核机动)。苏联的库兹涅佐夫级没有采用核动力,并非苏联缺乏核动力技术,而是一方面是避免核动力的高昂成本,另一方面是采用滑跳起飞,没有产生大量蒸汽和淡水的需要。


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“尼米兹”级是战后美国最成功的航母设计,已经建造了10艘


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“尼米兹”级的改进型“福特”号自然也是核动力


核动力用于航母在技术上并不比核电站更难。直接用潜艇的核反应堆可能有功率不够的问题,或者需要多用几个反应堆,或者用放大的反应堆。这些都在中国的技术能力之内。相比来说,超大功率柴油机和燃汽轮机都不是中国的强项,常规蒸汽轮机的技术前途有限,大功率船用蒸汽动力对中国也很陌生,同样要攻关,直接攻核动力反而可能是中国的最优选择。

 

至于电磁弹射所需要的功率,这是可以计算出来的。美国海军设计中的电磁弹射系统的核心是直线感应电动机,要求使舰载机在3秒内在91米冲程内达到55节到200节的起飞速度,具体速度取决于实际需求和飞机重量。为简化计算,假定舰载机发动机在弹射过程中做的功以及其它阻力可以忽略不计,并假定电磁弹射系统对舰载机的作用力是均衡的,也就是达到匀加速。美国海军对弹射的要求是使45吨的舰载机在91米冲程内达到130节(66.88/秒),也就是说,整个过程中的加速时间为2.72秒,加速度为24.57/秒平方,对舰载机的推力为1105.9千牛,整个过程中做功100.6兆焦,平均净输出功率为37兆瓦。由于功率等于推力与速度的乘积,推力恒定,故舰载机速度最大的时候,功率最大,为74兆瓦。如果电磁弹射系统的效率为60%,此时电磁弹射系统的功率应为123.6兆瓦。


对于苏-27来说,苏霍伊试飞员萨多伏尼科夫曾轻载试飞出180公里/小时的起飞速度,折合50/秒。假定正常起飞重量和一般水平的飞行员手里需要增加到和美国海军标准一样的66.88/秒,还是用91米的冲程,但发动机打开加力,也就是说有250千牛的额外推力。另外正常起飞重量降低到30吨,那峰值功率下降到32.6兆瓦,平均功率16.3兆瓦,尼米兹级的舰载发电能力不加改装就可以同时承担两架的起飞,当然这是别人都不得用电的理想情况。

对于加重的苏-30,满载起飞重38.8吨,算40吨。但上面的计算对滑跃起飞的作用一点也没有考虑,在有初始迎角的情况下,安全离舰的速度要降低,用美国海军和萨多什尼科夫的数字折中一下,取58/秒,那峰值功率反而下降为27兆瓦,平均功率13.5兆瓦,可见滑跃的作用是很大的。

E-2C预警机的重量其实反而没有战斗机重,只有20吨。假定和苏-30一样的起飞速度,即使不扣除发动机的推力(螺旋桨的马力和推力之间的折算与速度有关,不便于简化计算),峰值功率也进一步下降为21.4兆瓦,平均功率10.7兆瓦。

非全电推进的尼米兹级的发电能力为64兆瓦,中国航母比尼米兹级要小一点,但采用全电推进的话,发电能力更高,采用超级电容或飞轮储能的话,电磁弹射这样的间隙耗电是能够满足的。

 

电磁弹射和全电推进属于航母技术前沿,但中国对于传统的蒸汽弹射和大功率直接推进并无技术储备,在这样的情况下跟着别人后面走并无必要,也一点不降低技术风险,还平白增加赶上先进水平的里程。这是跳跃式发展的最好时机,不容错过。采用电磁弹射加滑跃起飞和全电推进的中型偏大航母的战斗力应该很不错,可以满足在岸基航空兵和舰队的支持下在第二岛链作战的需要。在技术上,也属于中国跳一跳就可以达到的程度。

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