“一統江湖”

艦船動力裝置主要分類為蒸汽動力裝置、柴油機動力裝置、核動力裝置、燃氣動力裝置和聯合動力裝置。前兩種發展較早，后三種則是近幾十年迅速發展起來的新型動力裝置，其中艦船燃氣輪機動力裝置（以下簡稱艦載燃機）自20世紀50年代末期開始實用化，自60年代中期以來逐漸得到廣泛應用，功率總數日益增大，裝艦使用范圍日益推廣——由早期的試驗快艇發展到了護衛艦、驅逐艦、巡洋艦和航空母艦等，可謂“一統江湖”。

工作原理

燃氣輪機是以空氣為介質，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續做功的大功率、高性能動力機械，主要由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動等其他輔助系統。

艦載燃機的基本工作原理并不復雜。燃氣輪機機組起動成功后，就會進入穩定的熱力學循環過程：首先，壓氣機持續不斷地從外界大氣中吸入空氣并進行多級增壓，一方面使氧氣密度較高，有利于燃燒過程，另一方面空氣受到壓氣機做功，這個過程可以認為是壓氣機的動能轉化成空氣的熱能和勢能，被壓縮后的空氣溫度升高，有利于與燃料進行更猛烈的化學反應（化學反應的速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒，釋放更大的能量。第二步，壓縮空氣從壓氣機出來后，進入燃燒室，首先會在燃燒室進口與噴入燃料摻混，然后就會燃燒。這個過程可以認為是燃料化學能轉化成空氣的熱能和勢能，在短短幾十厘米的距離內，空氣的溫度上升數百甚至上千攝氏度，壓力激增。第三步，高溫高壓的燃氣從燃燒室噴出，開始膨脹同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣的熱能和勢能轉化成動能，轉化出的能量一方面用于壓氣機壓縮空氣，持續進行熱力學循環，另一方面由主軸將渦輪轉子的扭矩輸出，經過減速器，再用于推動軍艦。整個熱力學循環完成，使得燃氣輪機實現了由燃料化學能向機械能的轉化。

艦載燃機的優缺點

在軍艦動力方案選擇上，燃機輪機的主要競爭對手是柴油機和蒸汽輪機，但由于燃氣輪機的先天優勢與軍艦動力系統的性能要求更為吻合，故燃氣輪機逐漸成為各國軍艦動力系統發展的優先選擇。

燃氣輪機的最突出優勢是功率密度極大。一般情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機的五分之一到十分之一。這是由燃氣輪機精巧的連續轉動熱力學循環結構造成的，而柴油機必須進行復雜的往返活塞運動，還要使用多個氣缸進行能量轉化，蒸汽輪機雖然在輪機部分類似于燃氣輪機，但需要將燃料的化學能首先在鍋爐里轉化為水蒸氣的機械能，這套龐大的鍋爐結構會帶來巨大的體積和重量負擔，現代高性能水面艦艇基本不可接受，畢竟軍艦空間極其寶貴。

燃氣輪機的第二個優勢是啟動速度快。雖然其轉速是三種備選動力系統中最高的，但是燃氣輪機整個轉子輕巧，在啟動機幫助下，1~2分鐘就可以達到最高轉速。而柴油機由于轉子運動源于活塞往復，加速較慢；蒸汽輪機更是“反應遲鈍”，從點火到加熱水蒸氣，再到推動輪機轉動，相比之下非常漫長，整個系統達到最高功率輸出可能需要近1個小時。對于軍艦來講，在執行作戰任務時，時間就是生命和戰斗力，啟動速度和加速性能都是非常關鍵的指標，燃氣輪機明顯更符合其特性需求。

燃氣輪機的第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動，產生的噪聲更多是高頻噪聲。而柴油機的活塞往復產生了大量低頻機械振動噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點，導致軍艦容易被敵方聲納探測，故柴油機動力尤為不適合給反潛艦當動力系統。

當然，燃氣輪機也絕非十全十美。由于自身轉速較高，軍艦低速航行時，燃氣輪機的工作狀況會導致軍艦耗油高、易停車。為了解決這個問題，各國采用了各種動力搭配方案，比如柴燃交替動力，就是低速時使用柴油機，中高速時使用燃氣輪機，再如柴燃聯合動力，就是高速時柴油機和燃氣輪機一起輸出功率，并通過一個功率合成系統，將功率分配到螺旋槳上。目前艦船動力的熱點是全電動力——將柴油機和燃氣輪機的輸出功率都用于發電，然后使用全艦電力分配網絡，為軍艦量化提供動力和各種設備供電。

“工業王冠”

根據艦載燃氣輪機的基本原理介紹，我們可以發現燃機輪機的基本結構與噴氣式航空發動機相當類似，主要的區別在于前者是將轉子的扭矩輸出作為動力，后者依靠的是向后高速噴出的燃氣。不過航空發動機也包括大涵道比渦扇發動機和渦槳發動機，它們與燃氣輪機就愈加相近了——大涵道比渦扇發動機的主要動力來源是風扇，燃氣本身產生的推力只有百分之十左右；渦槳發動機基本上都是由發動機輸出的扭矩驅動螺旋槳，產生推力。根據航空發動機和燃氣輪機的研制經驗及其內在的技術相關性，很多艦用燃氣輪機都是由航空發動機改進而來，俗稱“航改燃”。因此，燃氣輪機研制的瓶頸其實就是航空發動機研制的難點——核心機，它是航空發動機和燃氣輪機的核心結構，又稱燃氣發生器。

不管是航空發動機還是燃氣輪機，本質上都是將燃料的化學能轉化為燃氣的熱能和勢能，再利用燃氣沖擊渦流和膨脹做功，最終將能量轉變為飛機或軍艦的推力。所以，如何組織燃料燃燒和進行熱力學循環就是核心機的研制難點。

一方面，核心機需要將空氣通過壓氣機，高效迅速地將大量空氣高強度壓縮進燃燒室，壓氣機的葉片氣動設計需要復雜的氣動分析理論研究、先進理論指導下的設計手段和將三維復雜氣動設計加工成實際部件的先進工藝。由于核心機轉子高速運轉，每片壓氣機葉片都承受著數噸的離心力，這對于葉片本身的強度結構設計提出了極高的要求。為了減輕重量，提高效率，壓氣機葉片也經常做成空心的，這進一步加劇了優秀壓氣機的設計難度。另一方面，空氣通過壓縮后，進入燃燒室，在短短幾十厘米的距離內與燃油充分混合燃燒，溫度上升數百甚至上千攝氏度，那么燃料與空氣如何摻混、摻混后油氣混合物質的特性、耐高溫特殊合金材料、燃燒室復雜冷卻技術等都需要大量的理論計算和工程實踐。

燃燒室噴出的高溫高壓高速的燃氣流只有通過沖擊渦輪做功，才能夠將能量轉化，為燃氣輪機所用。與壓氣機相比，渦輪需要增加一項非常重要的性能——耐高溫。壓氣機葉片在對空氣做功時，空氣也會升溫，但是一般只會升高200攝氏度左右；但從燃燒室噴出的燃氣溫度高達上千度，渦輪不僅能夠利用自身先進的氣動設計，高效率轉化能量，還必須能夠在極端的工作環境中保證可靠性。僅僅為了保證渦輪材料不被高溫燃氣融化，通常都要采取復雜的冷卻手段，比如氣膜冷卻、沖擊冷卻和對流冷卻等。這些冷卻手段都是通過空心渦輪內部釋放出來的冷空氣來實現的，而鑄造出空心的復雜氣動外形的渦輪葉片就成為挑戰各國航空工業的大難題，這項技術被人稱作是“工業王冠上的寶石”（正如航空發動機乃至艦載燃機被稱作“工業王冠”）。

此外，在航空發動機領域逐漸普及的單晶渦輪葉片也逐漸在艦載燃機上應用。單晶葉片就是只有一個晶粒的鑄造葉片，因此整個葉片在內部晶體結構上沒有應力集中和容易斷裂的薄弱點。美國從1976年開始生產單晶葉片，截止1986年，共生產約40萬片單晶葉片，然而1987年到1988年間單晶葉片產量就達近50萬片，超過之前10年的總和。這樣不可思議的發展速度就緣于美國20世紀80年代探索把單晶葉片用于燃氣輪機，到1985年，總運轉時間已達到百萬小時。據稱，美國主流單晶葉片具有復雜冷卻通道和前后緣冷卻氣膜，冷卻效果可達300~400攝氏度，現在又在開發更高冷卻水平的對開葉片、擴散連接葉片、多孔層板葉片等，預計冷卻效果可達400~500攝氏度。可以說，高性能渦輪葉片已是集新型材料、先進成型工藝、高效冷卻技術、高科技涂層于一體的工業結晶，研制難度極大，而現代艦載燃機的葉片也正朝這個方向發展。

總之，要想研制裝備一型先進可靠的燃氣輪機，必須具備研制先進航空發動機的能力。而具備這種能力的國家屈指可數——基本是美國、英國和烏克蘭（蘇聯解體后，主要燃機研制生產基地留在了烏克蘭，俄羅斯在此領域反而相對較弱），而我國也逐漸具備了這種能力。其他軍事強國尚不具備，比如法國的航空發動機工業是在由美國授權部分F404發動機技術后才有突破性進展，然而其艦載燃機長期仍以進口為主。

歷史回顧與啟示

我國艦船用燃氣輪機的研發起步并不算晚，根據公開的《中國艦用燃氣輪機總師訪談錄》介紹，1958年我國就開始艦載燃機研發計劃的具體組織，決定成立南、北兩個聯合設計組，先開展大、中、小三型機組的可行性論證和方案設計。1959年底，前蘇聯向我國轉讓了M-1艦用燃氣輪機技術，我國以“技術練兵”為目的，對其進行仿制工作，僅用了11個月，上海輪機廠就完成了該型燃機的首臺樣機制造。不過由于種種原因，仿制樣機經過近3年才排除大量故障，通過驗收試驗，后來在一艘高速炮艇上進行了試裝試驗。1964年完成設計的6000馬力燃機組則是我國第一次自行研制的艦載燃機，但由于研制周期過長，加之原裝配對象計劃調整，未能裝備部隊。

與世界上其他國家主要依靠航空發動機改進艦載燃機不同，我國由于航空發動機水平落后，采取的是仿效蘇聯的改進和專用研制并舉發展方式。1967年，我國決定將轟-6轟炸機上的渦噴-8發動機改進為大功率艦載燃機，這是我國首次進行“航改燃”實踐，但最終因為發達國家同意出口相應型號，自主研制工作受到沖擊，無果而終。后來我國一直在艦載燃機方面不斷嘗試，但長期沒能拿出一款成熟可靠、性能優良的艦載燃機。目前，我國先進作戰艦艇裝備的燃氣輪機都是進口燃機以及國產仿制型號。

我國在艦載燃機方面一直沒能突破技術瓶頸，既有航空動力方面的問題，也有艦載燃機工業本身的體制問題，不過最主要的原因恐怕是我國航空動力工業像很多落后國家一樣，是從修理和仿制國外成熟型號起步建設的，盡管在60年代基本建立起能夠和世界一流水平比肩的航空工業體系，但并沒有為航空工業及航空動力制定出明晰量化的長遠自主發展規劃，而是將航空工業本身的任務局限于仿制、生產和修理，確定了“以生產為主”、“遍地批量廠”的發展方針，長期處于“仿制——生產”的循環狀態，對于發展現代航空動力系統的客觀規律長期認識不足。

如果航空發動機研制沒能突破相關技術瓶頸，與其技術相通的艦載燃機想跨越式發展顯然無從談起。航空強國的動力發展經驗是先進行核心機預研，然后在同型核心機基礎上衍生出系列化航空發動機和艦載燃機。例如，通用公司研制出GE9核心機，直接衍生出F101大涵道比渦扇發動機用于B-1B戰略轟炸機，將GE9的換算流量減小后，發展出了GE15核心機，再衍生出YJ101渦噴發動機用于YF-17（F/A-18艦載機的前身），進一步將YJ101的低壓壓氣機放大成風扇，研制出正式裝備F/A-18的F404渦扇發動機，再把F404的風扇放大并跟F101的小涵道比型號結合，誕生了F-15和F-16的經典動力F110渦扇發動機。目前世界最成功的艦載燃機LM2500就是核心機預研工程的衍生產品，也直接衍生自GE9核心機，裝備了美國“伯克”級“宙斯盾”驅逐艦等世界著名先進軍艦。此外，通用公司還以GE9核心機為基礎，與法國斯奈克瑪公司聯合研制CMF56大涵道比渦扇發動機，成為第三代民用客機渦扇發動機的典型代表。單從以上GE9衍生過程，足以證明核心機預研的巨大效益。毫不夸張地說，一型核心機研制成功，意味著航空和船舶制造業的全面突破。美國從20世紀50年代末就全力推動核心機預研計劃，而我國比其晚了近30年，經驗和工業基礎都相對欠缺，至今未能拿出一款大規模實用的核心機型號，因此我國“航改燃”工程面臨相當艱巨的挑戰。

展望未來

航空航海，動力先行。在長期規劃指導下進行持續技術研制和儲備才是突破?？哲妱恿ο到y瓶頸的惟一“正途”。我國的核心機預研計劃雖然起步較晚，但根據公開報道，已經取得初步成果，“航改燃”工程也隨之取得一定成就。在我國新近研制的“昆侖”和“太行”航空發動機基礎上改裝的工業用燃機已取得成功，相信隨著我國基礎工業水平和創新性設計能力的提高，在適度吸取發達國家的先進經驗的前提下，我國國產艦載燃機的技術突破和批量裝備已不再遙遠。