航空母艦動力裝置選型及應(yīng)用可行性研究

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

航空母艦是一類大型水面艦船。自1941 年12月，日本偷襲珍珠港成功后，航空母艦在世界范圍內(nèi)得以迅速發(fā)展［1］。航空母艦與其他水面艦船的主要區(qū)別在于其裝備的武器及艦體結(jié)構(gòu)。航空母艦的主要武器為艦載機(jī)，其艦體上有一塊覆蓋在整個艦體上面的飛行甲板，供艦載機(jī)起降。航空母艦的艦橋較小，且結(jié)構(gòu)集中，形如大海中的小島，俗稱島形建筑，是全艦的指揮中心。按戰(zhàn)斗性能和用途，航空母艦可分為重型攻擊航空母艦、輕型護(hù)航航空母艦及反潛航空母艦。

航空母艦可用于執(zhí)行對敵方艦艇基地進(jìn)行突襲，掩護(hù)和支援兩棲登陸，在作戰(zhàn)區(qū)及海上交通線上奪取制海權(quán)等任務(wù)。

航空母艦在海戰(zhàn)中起著重要作用，但其也具備諸多劣勢，例如艦體大，易受攻擊，艦載機(jī)自身的機(jī)動性受限，編隊(duì)航行時需配備有一定的反潛兵力及防空兵力等。

1 基于主機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的航空母艦動力裝置選型及應(yīng)用可行性研究

1.1 各類主機(jī)應(yīng)用于航空母艦的技術(shù)可行性分析

依轉(zhuǎn)速的不同，船用柴油機(jī)可分為低速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為200 r/min以下）、中速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為200～1 000 r/min）及高速柴油機(jī)（轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 以上）共三類。其中，單臺低速柴油機(jī)即可提供至少約50 000 kW 的功率，如由芬蘭瓦錫蘭（Wartsila）公司生產(chǎn)的RTA96-C 型14 缸低速柴油機(jī)，擁有約81 700 kW 的輸出功率，但其長約27.4 m、高約13.4 m，重逾2 300 t，過大的尺寸嚴(yán)重影響了艦體的布置，并且其轉(zhuǎn)速等參數(shù)與航空母艦的匹配性也不高，因此在選擇主機(jī)時通常不作重點(diǎn)考慮。而高速柴油機(jī)則存在著功率過小的問題，無法滿足大型水面艦船的動力需求，也不作重點(diǎn)考慮。相對而言，只有中速柴油機(jī)擁有相對合適的尺寸，總體前景優(yōu)于低速柴油機(jī)及高速柴油機(jī)。相較于其他類型的主機(jī)，柴油機(jī)的最大優(yōu)勢是在全負(fù)荷工況下均有著較低的燃油消耗率，且能燃用低品質(zhì)燃油，操作與維護(hù)人員的需求也低于汽輪機(jī)及核動力裝置。但柴油機(jī)產(chǎn)生的污染排放較為嚴(yán)重，必須通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)來降低排放。此外，柴油機(jī)排出的高溫?zé)煔庖灿锌赡軙绊懙脚炤d機(jī)的起飛與降落［2］，并造成艦體外部的腐蝕。考慮到柴油機(jī)對艦體空間與重量的需求較高，為了降低動力系統(tǒng)所占空間，由柴油機(jī)構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)通常需要采用多軸推進(jìn)方案，以及結(jié)構(gòu)更緊湊的機(jī)型。但考慮到上述幾類柴油機(jī)自身的功率狀況，其在大中型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景較為有限，多用于小型水面艦船中。此外，與汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等熱力渦輪機(jī)械不同，由于柴油機(jī)自身結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)的緣故，不可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的閉式循環(huán)［3］，或多或少會與外界存在一定數(shù)量的工質(zhì)交換，從而無法與各種型式的核反應(yīng)堆結(jié)合成新型核動力裝置。因此，在航空母艦動力裝置選型過程中，以上幾類柴油機(jī)均不被納入備選行列之中。

與柴油機(jī)不同，汽輪機(jī)能為航空母艦等大型水面艦船提供足夠的推進(jìn)功率，并且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性較高。但由于其輔助設(shè)備繁多，系統(tǒng)組成復(fù)雜，相應(yīng)需要配備大量的操作人員，并且經(jīng)濟(jì)性也有待改善，仍有一定的技術(shù)提升空間。

與汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)則有著重量輕、機(jī)動性強(qiáng)的優(yōu)勢，其在高負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性較好，操作與維護(hù)的人員需求也少于汽輪機(jī)與核動力裝置。但燃?xì)廨啓C(jī)龐大的進(jìn)、排氣道會占用航空母艦較多的上甲板空間，影響了全艦的結(jié)構(gòu)布置。同時，燃?xì)廨啓C(jī)排氣所產(chǎn)生的紅外線信號也更強(qiáng)烈，并且還存在低負(fù)荷工況下燃油經(jīng)濟(jì)性較低的問題。但總體而言，燃?xì)廨啓C(jī)卓越的動力性能確保了其在航空母艦等大中型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

目前，在常規(guī)動力航空母艦中，燃?xì)廨啓C(jī)可與汽輪機(jī)構(gòu)成重要競爭關(guān)系，幾類柴油機(jī)均已被排除在主機(jī)備選行列之外，因此本文僅對燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)這兩類主機(jī)進(jìn)行更為詳細(xì)的定性對比分析［4］，具體如表1 所示。總體而言，兩類熱力渦輪機(jī)械各具優(yōu)勢，均無法完全取代對方。

就核動力裝置而言，通常采用壓水堆+汽輪機(jī)的組合，但目前也有高溫氣冷堆+氦氣輪機(jī)（以氦氣為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)）的組合［5］。核動力裝置主要具備如下優(yōu)勢：

1）較強(qiáng)的續(xù)航能力。

2）可以大幅減少燃料攜帶量，相應(yīng)可攜帶更多的武器設(shè)備。

3）減少了高溫燃?xì)獾呐欧帕浚嵘巳灥碾[蔽性。

將常規(guī)動力航空母艦（以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)）與核動力航空母艦進(jìn)行簡要對比。由于核動力航空母艦無需攜帶過多的常規(guī)燃料，可有效降低全艦排水量，但其設(shè)計及制造成本較高，目前仍亟待優(yōu)化。雖然僅采用常規(guī)動力系統(tǒng)，也能滿足航空母艦在作戰(zhàn)時的高功率需求，但就目前而言，常規(guī)動力航空母艦尚不具備核動力航空母艦的綜合作戰(zhàn)能力，尤其是在高負(fù)荷工況下的續(xù)航力與戰(zhàn)術(shù)機(jī)動性明顯不如后者。當(dāng)面對突發(fā)的作戰(zhàn)部署需求時，核動力航空母艦更具優(yōu)勢，并且能為整個艦隊(duì)提供更充分的保障，因此總體發(fā)展前景更好。

引理 3[13] 每一個頂點(diǎn)至多相鄰兩個2-點(diǎn)。另外,如果一個頂點(diǎn)u相鄰兩個2-點(diǎn)v,w,則v和w不與任何的3-圈相關(guān)聯(lián)。

1.2 基于航空母艦技術(shù)特點(diǎn)的主機(jī)選型要求

考慮到航空母艦的實(shí)際航行特點(diǎn)，通常要求主機(jī)有著較高功率，并且能夠與艦載機(jī)起降作業(yè)相適配，主機(jī)的選型原則總體概括如下。

為滿足艦載機(jī)的飛行需求，航空母艦的最高持續(xù)航速需要維持在27 kn 以上，以便在回收艦載機(jī)時能有流速約25 kn 的甲板風(fēng)，從而對主機(jī)的輸出功率提出了一定要求。以法國“戴高樂”號核動力航空母艦為例，其采用了核潛艇的反應(yīng)堆，只能提供約57 000 kW 的推進(jìn)功率，致使全艦最高航速僅有27 kn。為確保艦載機(jī)的作戰(zhàn)效能，需要為其選用彈射起飛的方式［6］。航空母艦彈射方式主要可分為蒸汽彈射及電磁彈射。航空母艦如需采用蒸汽彈射方式，則必須采用汽輪機(jī)這類主機(jī)（含核動力裝置），從而可為蒸汽彈射器提供必需的汽源。由此可知，彈射起飛的方式一定程度上會對航空母艦主機(jī)選型及其功率下限產(chǎn)生影響。

美國方面自“福萊斯特”級航空母艦起，就要求全艦具有30 kn 以上的航速。因此，通常要求航空母艦的總功率在210 000 kW 以上。以上技術(shù)要求對主機(jī)類型進(jìn)行了進(jìn)一步制約。中速柴油機(jī)即便在外型尺寸方面能與航空母艦相匹配，其功率也很難滿足全艦的推進(jìn)及艦載機(jī)起降作業(yè)需求，目前所能選用的動力裝置僅限于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核動力裝置這幾類。

從全艦的生命力和機(jī)動性上考慮，航空母艦必須采用兩軸以上的推進(jìn)方式。除了確保足夠的航速之外，也必須考慮到其中一軸在受到戰(zhàn)損影響后，而不至于使全艦失去機(jī)動能力。此外，機(jī)艙布置多單元化，也是確保全艦生命力的一項(xiàng)基本原則。

此外，電能是航空母艦上的一類重要能源，不但要確保航空母艦作戰(zhàn)系統(tǒng)和日用系統(tǒng)的電力需求，同樣也要滿足航空系統(tǒng)及艦載機(jī)的電力需求［7］。美國最新的“福特”級核動力航空母艦，很大程度上解決了未來航空母艦對電力的需求［8-9］。

由此可知，采用核動力裝置將是各國航空母艦未來最重要的發(fā)展方向之一。由于目前多以壓水堆作為動力來源，因此同樣也需要依存于汽輪機(jī)來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。而以氦氣作為工作的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)也可與高溫氣冷堆搭配［5］，并作為核動力艦船的動力來源，目前仍在持續(xù)研究過程中。

2 航空母艦動力裝置發(fā)展前景展望

第二次世界大戰(zhàn)以后，以航空母艦為代表的水面艦船不斷地沿著大型化、高速化和專業(yè)化的方向發(fā)展［10-11］，其排水量和航速等參數(shù)在持續(xù)增長，這就要求采用大功率的主機(jī)與其適應(yīng)。多年來，在提升艦用主機(jī)的動力性方面取得了較為顯著的成就，出現(xiàn)了適用于不同艦型和航速的多種主機(jī)。

低速柴油機(jī)是一類得到廣泛應(yīng)用的船舶主機(jī)。其優(yōu)勢在于燃油消耗率低、壽命長、工作可靠、易于維修保養(yǎng)、造價低且經(jīng)濟(jì)性好，但其體積和重量較大，并且該兩項(xiàng)指標(biāo)會隨機(jī)組功率的提升而迅速增大。尤其是機(jī)組高度較大的問題，限制了其在航空母艦等大型水面艦船上的應(yīng)用。同時，即便是大型低速柴油機(jī)，其功率依然有限，較難滿足航空母艦的動力需求。

與船用低速柴油機(jī)相比，船用中速柴油機(jī)體積小、重量輕，且燃油經(jīng)濟(jì)性同樣較好。因此，隨著性能指標(biāo)的逐漸提升，其在航速較高的小型水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增多。舉例而言，掃雷艦、登陸艇等艦型已廣泛采用了中速柴油機(jī)。但如要應(yīng)用于航空母艦等大型水面艦船，中速柴油機(jī)同樣存在功率不足的情況。高速柴油機(jī)的功率尚不如中、低速柴油機(jī)，因此在最開始便不作考慮。

汽輪機(jī)具有功率大、壽命長、工作平穩(wěn)、使用可靠和易于維修保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)。與其他類型的主機(jī)相比，汽輪機(jī)燃料適應(yīng)性較好，能燃用煤、重油及液化天然氣。因此，汽輪機(jī)被廣泛應(yīng)用在排水量高于100 000 t的大型船舶上，以及對振動水平有嚴(yán)格要求的特種船舶上（如大型科學(xué)考察船等）［12］。作為現(xiàn)階段排水量最大的水面艦船，航空母艦領(lǐng)域采用汽輪機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)有著較好應(yīng)用前景。

雖然發(fā)展年限短于以上幾類主機(jī)，但燃?xì)廨啓C(jī)已彰顯出強(qiáng)大的生命力及廣闊的前景。與汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)更簡單，重量更輕。就目前而言，輕型燃?xì)廨啓C(jī)是水面艦船較為理想的動力裝置，其不僅適用于高速快艇，也適用于護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等中型水面艦船。但由于輕型燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率較大、對燃油品質(zhì)要求較高，所以其經(jīng)濟(jì)性目前依然有待提升。同時，單臺燃?xì)廨啓C(jī)如要應(yīng)用于航空母艦等大型水面艦船，則略顯功率不足，需要采用多機(jī)并車的方式，例如采用COGAG 型聯(lián)合動力裝置的方式。

由于具有功率高、續(xù)航能力強(qiáng)、排放少、隱蔽性好、便于機(jī)艙甲板布置等顯著優(yōu)勢，核動力航空母艦?zāi)壳笆歉鲊傁嘌芯考伴_發(fā)的對象，以“福特”級為代表的核動力航空母艦將是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。截至目前，我國所擁有的3 艘航空母艦均采用常規(guī)動力［13］，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型核動力航空母艦也有望加入我國海防武備體系之中。

3 結(jié)論

綜合全文所述，現(xiàn)階段在航空母艦領(lǐng)域得到應(yīng)用的動力裝置主要包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核動力裝置這幾類。具體而言，大中型航空母艦更趨向采用于核動力裝置，而輕型航空母艦則傾向于采用燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)動力裝置（為減少燃料消耗，同樣可采用COGAG 型聯(lián)合動力裝置）。汽輪機(jī)作為一類工作可靠、運(yùn)作平穩(wěn)且功率覆蓋面較廣的主機(jī)，可適用于各種排水量的常規(guī)動力航空母艦，并且作為核動力裝置的主機(jī)，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。