美軍航母腐蝕控制技術(shù)體系的發(fā)展研究

錢江

（海軍裝備部，北京 100071）

美國作為世界上航母技術(shù)最為成熟完善的國家，迄今已建造了70余艘航母，目前已發(fā)展第三代核動力航母——福特級。美國航母戰(zhàn)斗群不僅數(shù)量龐大，一直維持在10個以上航母戰(zhàn)斗群，而且在技術(shù)上也對其他國家保持遙遙領(lǐng)先。二戰(zhàn)之后，航母便代表了美國軍事力量的縮影，龐大的航母艦隊奠定了戰(zhàn)后美國牢固的海上霸主地位，對于保障美國國土安全和海外利益發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[1]。

同時，作為保證航母戰(zhàn)斗力和服役壽命的關(guān)鍵所在，耗費巨大的維護保障工作也一直是美國軍方一直面對的重大問題，并在其近百年的發(fā)展史上積累了大量的經(jīng)驗教訓。“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，“它山之石，可以攻玉”，全面深入研究美國航母腐蝕控制技術(shù)體系，總結(jié)歸納對其發(fā)展趨勢起到重大影響和積極意義的關(guān)鍵因素和必然規(guī)律，對于其他國家海軍的發(fā)展無疑會起到重大引領(lǐng)和推動作用。

1 新材料與新工藝的發(fā)展應(yīng)用

新材料及新工藝的上艦應(yīng)用，是高性能艦船裝備孕育和發(fā)展的基礎(chǔ)。腐蝕又是材料學科的分支，所謂腐蝕控制，本身就是防護材料及設(shè)備的應(yīng)用過程，其控制對象也是艦船裝備中所應(yīng)用的各型材料。所謂的艦船服役全壽命周期，很大程度上是由船體與各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和各型功能材料、結(jié)構(gòu)功能一體化材料的服役壽命所決定的。另外，隨著美軍CVN 78福特級航母這類代表當今世界最高科技水平的重大裝備的面世，作為艦船裝備建造的基礎(chǔ)，先進艦船材料技術(shù)的上艦應(yīng)用（如圖 1所示），對于保持裝備先進性代差以及各系統(tǒng)效能的充分顯現(xiàn)，所起到的巨大支撐作用有目共睹[2-4]。

圖1 CVN 78先進性體現(xiàn)Fig.1 Advanced embodiment of CVN 78

在CVN 78設(shè)計建造所使用的13項關(guān)鍵技術(shù)中，僅材料技術(shù)就占兩項，分別是 HSLA-65高強度低合金船體結(jié)構(gòu)鋼，以及HSLA-115高強度超強韌飛行甲板用鋼。對其他關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)而言，先進材料的關(guān)鍵作用也非常顯著（如圖 2所示）[5-6]。例如，核動力推進及電力系統(tǒng)安裝了2座新研制的A1B型反應(yīng)堆，功率與尼米茲級 A4W 反應(yīng)堆相同，但燃料效率是A4W的3倍，堆芯壽命可延長到50年，可持續(xù)運行到航母退役。采用碳化硅半導體組成的大功率綜合電力模塊替換了又重又大的常規(guī)變壓器，實現(xiàn)了小型輕量化，但提供的電力卻是尼米茲級的3倍。由此可見，福特級航母的設(shè)計建造過程中，“裝備研制，材料先行”理念的貫徹，對于各級系統(tǒng)的研制建造，以及全壽命周期內(nèi)服役狀態(tài)和性能良好保持，起到了巨大推動作用。

圖2 CVN 78先進材料與腐蝕控制技術(shù)應(yīng)用Fig.2 Application of CVN 78 advanced materials and corrosion control technology

2 腐蝕控制應(yīng)用于艦艇全壽命周期

腐蝕是一個遵循能量最低原則的緩慢自然過程，看得見卻摸不著，但是不可避免的，因此只能預防和控制。腐蝕會在裝備的全壽命周期一直存在，并且裝備維護成本（包括人、財、物）會隨著裝備服役年限的延長而大幅增加，占國防開支預算的很大比例。這一現(xiàn)象引起的軍費激增是促使美國政府將腐蝕的預防與減緩作為國家戰(zhàn)略而推廣實施的直接原因。

美國海軍在艦船防腐頂層設(shè)計、管理機制、技術(shù)創(chuàng)新體制、軍民融合等諸多方面也進行了一攬子自上而下的改革，并頒布實施了一系列規(guī)章條例。宗旨在于，降低維護成本，減小腐蝕對于海軍裝備安全和戰(zhàn)備的影響，以求將腐蝕預防與控制貫穿于從海軍裝備采購到維護的全壽命周期。自2004年以來的十余年間，美國海軍通過“腐蝕預防與控制”的實施，以及對此前腐蝕控制系統(tǒng)工程建設(shè)存在問題的反思與深入分析研究，已經(jīng)確定了腐蝕控制的關(guān)鍵要素，并通過管理、技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，逐步控制住了腐蝕造成的艦隊維護成本急劇上升的勢頭。

3 腐蝕控制技術(shù)體系發(fā)展理念

對于引起當前維護成本急劇上升的原因，美國海軍在大量調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，從腐蝕控制經(jīng)濟學角度對該問題進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，航母等大型艦船維修周期過多、維修間隔過短、維修時間過長，是引發(fā)上述問題的最根本原因。因為修船就要花錢，一進船塢就要產(chǎn)生占塢費，修理人員一上船就要產(chǎn)生工時費、培訓費、材料費、賠償費等費用，而且艦隊在船廠期間的花費也不能停。對航母戰(zhàn)斗群而言，重新出塢還要再次進行適應(yīng)性訓練。總之，許多地方都要花錢和耗費時間，而且都是無效的。對美國這種發(fā)達國家而言，船舶建造和維修費用最高的其實是工時費。工作量最大的艙室、船體和甲板這些大面積、勞動密集型工作區(qū)中，腐蝕成本中的工時費要遠遠大于所耗費的原料成本，由此成為航母維護成本最高的區(qū)域。尤其是美國海軍艦船型號設(shè)計建造已基本發(fā)展完善，目前耗費最多的是各型艦船尤其是航母的維護。長此以往，艦船維護這種看似簡單的小事，其耗費的軍費巨大。

最為關(guān)鍵的是，維修耽誤部隊作戰(zhàn)和訓練，艦隊出勤率、戰(zhàn)斗力和快速反應(yīng)能力都要受到制約，對于航母這種為數(shù)不多的國之重器而言更是如此。平時可能顯現(xiàn)不出，一到戰(zhàn)時，這種高頻次的維修保障對于航母戰(zhàn)斗群綜合戰(zhàn)力的負面影響必將凸顯。

由此，美國海軍從兩方面入手對此問題制定了相關(guān)措施[7]：一是通過全壽命周期管理體制改革，延長入塢間隔，縮短入塢時間，做到盡量少去船廠修；二是在管理和技術(shù)層面，圍繞“省時、省力、省錢”下功夫（美國海軍稱之為 Faster, Easier &Cheaper）。如怎樣免維護或至少提前發(fā)現(xiàn)問題，怎樣提高維護工作效率，怎樣提高艦員級維護的技術(shù)水平。對腐蝕防護技術(shù)而言，核心是降低艦船全壽期成本，重點研究目前哪些技術(shù)是費時、費力、費錢的，怎樣提升裝備材料的服役壽命和效能，提升至什么程度才能使成本最低等。

具體措施方面，一是通過深化軍民融合提高艦船修造效率，并降低成本。與我國不同，美國國防工業(yè)主體是民企，只有核動力及武器裝備等核心技術(shù)裝備掌握在國家手中，國有船廠僅有四家。為提高艦船修造效率并降低成本，美國海軍一方面推行“一家船廠”優(yōu)化配置四家國有船廠的人力和物力資源，以提高艦船修造技術(shù)水平，節(jié)省人工成本。另一方面鼓勵“民參軍”，使更多具備資質(zhì)的民企通過競爭性定價參與到艦船修造，使高效低成本技術(shù)在艦船上獲得應(yīng)用，目前美國航母的維修近70%以上是由民企完成的（此前國防部制定的比例為50∶50）[8]。二是通過滿足使役性能前提下的“省時、省力、省錢”技術(shù)創(chuàng)新。

4 腐蝕控制技術(shù)體系科研體制創(chuàng)新

滿足使役性能前提下的“省時、省力、省錢”新材料及新技術(shù)的研發(fā)、考核以及應(yīng)用，替代當前低水平、低效能的艦船材料及腐蝕防護技術(shù)，是美國海軍為實施“腐蝕預防與減緩”戰(zhàn)略的基本工作。

美國海軍研究局（ONR）作為美國海軍科研的核心力量和指揮中樞，負責制定各項腐蝕戰(zhàn)略相關(guān)科研規(guī)劃的頂層設(shè)計，并發(fā)布相關(guān)研發(fā)指南、技術(shù)需求考核標準等綱領(lǐng)文件。其下屬的海軍研究實驗室（NRL）負責核心技術(shù)研發(fā)，組織海軍艦船材料與防腐技術(shù)的考核評定，并協(xié)同海軍各部門及國家表面處理中心（NSC）發(fā)布相關(guān)標準規(guī)范。其中，在艦船材料新技術(shù)應(yīng)用考核方面，以美國海軍金屬加工中心（NMC）為主。

海軍研究局通過需求牽引和技術(shù)推動類項目規(guī)劃，推動美國各民企、高校及科研院所廣泛參與，協(xié)同NRL這類軍方研究部門和國有修造船廠進行新材料與腐蝕控制技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用（如圖3所示）。同時，美國政府各部門也通過大量低準入、嚴考核的各類基金鼓勵艦船材料及腐蝕控制技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，尤其是前沿戰(zhàn)略領(lǐng)域，以保持美國在該領(lǐng)域的世界領(lǐng)先水平[9]。

圖3 美國海軍研究局艦船材料與腐蝕控制規(guī)劃Fig.3 Material and corrosion control plan of ONR ships

在具體單項技術(shù)領(lǐng)域，如本項目研究所述，美國海軍一方面推動原供應(yīng)商（如 PPG、IP等涂料供應(yīng)商，米塔爾等艦船材料供應(yīng)商）進行技術(shù)革新，另一方面推動軍地科研院所、企業(yè)的新技術(shù)成果通過實驗室和實船考核，盡快出臺相關(guān)標準規(guī)范，以推進低成本高性能材料及腐蝕控制技術(shù)成果的上艦應(yīng)用[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，美國海軍通過一系列新技術(shù)體系、新發(fā)展理念及科研創(chuàng)新的成功運用，正在逐步解決腐蝕引起的艦船裝備維護成本增加而引發(fā)軍費激增的問題，對提升航母戰(zhàn)斗群的綜合戰(zhàn)力起到了極大的促進作用。