微觀航母之航母的建造費用和結構用鋼

希弦

對于航母的建造，除了裝備發展的需求外，還要考慮的是更為現實的成本問題。畢竟一艘航母的建造成本也或者說采購成本只是初期的“投資”，在隨后航母的全壽命周期中還有著是建造成本幾倍的預算要等待埋單。更何況，僅航母建造的費用對很多國家而言已經是“望而卻步”了。因此，觀察已有近百年航母建造歷史的美國，其航母的建造都是在前期大量成熟的技術基礎和充足的經費保障條件下才得以順利推進的。或是航母的相關設計和技術開發工作在建造合同簽訂前就已展開，或相應的配套系統采用現有的已使用多年的成熟技術。在隨后航母的建造過程中，各分系統、艦體分段的進度節點和經費預算都有著嚴格要求和周密計劃。這也可見，航母的建造又不單單是預算的問題，還涉及技術研發、組織管理、部門協調、系統配套等諸多方面，是一項非常龐大和復雜的系統工程。

就航母的費用而言，美國的大型航母和現在的超級航母，無論是初期的建造還是全壽命的費用，都要比其它各國的航母高出許多倍。最早在1998年美國GAO總審計署統計了1942年以來美國海軍的27艘航母的建造費用數據，得出的結論是：按1997財年的價格計算，“小鷹”級常規動力航母的單艘建造費用是20.5億美元，“尼米茲”級核動力航母的平均建造費用為40.59億美元。再具體來看，最后一艘常規動力航母“小鷹”級的CV-67“肯尼迪”號的建造費用是21億美元；“尼米茲”級的最后幾艘航母建造費用則不斷提高，第9艘CVN-76“里根”號的建造費用達到了45億美元，第10艘CVN-77“布什”號則漲至62億美元。再從全壽期費用來看，美國曾對1995年下水的CVN-74“斯坦尼斯”號航母及航母編隊所需的總費用進行過粗略推算，計算出其從開始建造到最后退役的開銷大概需要330億美元，這其中還不包括航母的現代化改裝、退役后的處理費用和間接性的保障費用。

2008年9月，美國海軍與紐波特紐斯船廠簽訂了價值為49億美元的成本補償合同，用于CVN-78“福特”號的詳細設計和建造。這份所謂的“成本補償合同”，亦稱“成本加酬金合同”，是指對于這艘“福特”號航母的建造，在合同簽訂之時工程實際成本尚不確定，最終合同價格將按照工程實際成本再加上一定比例的酬金來核算。也就是說在這類合同中，美國政府美國海軍作為雇主還要承擔“福特”號建造過程中實際發生的一切費用和全部風險。

因此，才會有美國國會對這艘大部分采用了新技術的“福特”級首艦建造的持續關注，并緊盯著過程中的預算成本，才會有《約翰·華納2007財年國防授權法案》，規定“福特”號的采購成本限定為105億美元，后續艦的成本限定為81億美元。但2013年10月11日“福特”號在紐波特紐斯船廠12號干船塢注水時，已經比原計劃的交付時間晚了近4個月。原計劃105億美元的建造成本也已增長至近129億。下水后的“福特”號也只是完成了原計劃70%的艦體建造和設備安裝工作，并未達到原計劃95%的工作量。隨后，面臨著“艦等設備”狀況的“福特”號還可能要面臨多項關鍵技術交付時間的拖延問題，隨之還將會額外產生14億美元的預算支出。

作為目前除美國之外的核動力航母使用國的法國，在“戴高樂”號的建造中更是將進度拖延和預算超支發揮到了極致。在“戴高樂”的建造之初，法國海軍樂觀的預算是120億法郎左右，在當時折合下來大約是18億～20億美元。預算是計劃分8年來撥付，只不過隨后“戴高樂”號建造的每年預算就增加到了近30億法郎，但這只是“戴高樂”號建造預算超支的開始。隨后建造工作便因新設備或在設計和制造、或在測試和試驗中，以及1988年法國的經濟動蕩，不得不幾度中斷停工。“戴高樂”號原計劃的4年建造期最終變成1994年才在布雷斯特海軍船廠下水。“戴高樂”號建造進度上的屢屢拖延，又使得早期上艦的設備因缺乏正常維護腐蝕嚴重需要重新更換，而后又因減搖鰭異常振動、主軸缺陷導致試航中螺旋槳脫落、反應堆外殼出現裂紋三度返廠大修。最終2001年“戴高樂”號正式入役法國海軍時，法國前前后后共花了700多億法郎，約合138億美元。

航母建造費用的最基本的花銷包括人工成本和原材料費用。其中的人工成本很大程度上就取決于航母的設計和建造進程，當建造進程拖延，將不可避免地導致工時增加、人工成本上漲。在新一級航母首艦“福特”號的建造上，雖然美國海軍對其建造工時的預估已比“尼米茲”級的4 000萬工時增加了10%，并提出了若干措施來提高船廠實際勞動效率，但最終來看實際工時并沒有期望的那般理想。

此前在“布什”號的建造過程中，美國海軍就曾預期通過使用計算機輔助設計來減少后續的建造工時，但最終并沒取得預期的顯著效果。作為承包商的紐波特紐斯船廠也就建造過程中的組織管理、車間中艦體分段的制造過程等進行了優化，對設備進行了升級改進，預期節省40萬個建造工時。只不過紐波特紐斯船廠也承認，這些新舉措到底能節約多少工時是無法精確估計的，事實上實際節約的工時往往比預期要少。

更何況，美國海軍將大部分先進技術都應用到了“福特”級首艦上，上述的節約工時措施所產生的效果，往往又因關鍵技術和項目試驗進度的拖延而消弭稀釋。不過隨著“福特”號建造所積累的經驗、技術和工藝上的成熟，后續二號艦CVN-79“肯尼迪”號、三號艦CVN-80“企業”號的建造工時有望控制在4 300萬～4 400萬，建造費用也將降至105億美元。

航母建造中的材料配套體系，包括材料的研制、配套材料的采購和建造中切割焊接等工藝上的完善等，是航母建造的基礎。而在這方面上的花費往往都會因通脹和材料成本的因素造成預算超支。在美國的“尼米茲”級和“福特”級航母、英國的“伊麗莎白女王”級航母和法國的“戴高樂”號航母的建造中，都出現了因通脹引起的原材料價格上漲、建造費用超支的情況。

航母建造的承包商對原材料的需求和成本往往是參考上一艘航母來進行預算，這就使原材料報價和成本預算存在很大的不精確性。對于一艘由幾十萬種零部件組成的航母，通脹的后果是巨大的，原材料成本即便只上漲了一點點，但累積加在一起就是一個龐大的數字。更何況隨著航母作戰性能的提升，系統設備的技術水平的提高，一些高性能材料和設備的不斷應用也會使得航母成本比以前的同型更高。但同時隨著材料技術和生產工藝上的飛速進步，一些過去金貴的材料已經開始了大規模工業應用，生產和使用成本又會有大幅下降。因此，諸多因素影響下導致航母的原材料費用一定會有不同程度的浮動，與預估經費目標一定有著偏離。

對于“福特”號的建造，美國海軍和承包商紐波特紐斯船廠吸取了以前“尼米茲”級航母建造的教訓，在建造合同簽訂前廣泛征詢了供貨商的實際報價，并且在合同簽署前已完成了“福特”號的大部分設計工作，對“福特”號原材料采購預算的估算可能會更精確些。但最終面對依舊不可控的受通脹因素和市場波動影響下的原材料價格，美國海軍與紐波特紐斯船廠在簽訂建造合同之時，70%以上的原材料成本都未寫入合同。在隨后的原材料采購過程中，美國軍方的審計部門在監管中發現，船廠方面有時過早地購入了部分原材料，而使用這些材料的工序還沒有開始，隨之僅這些材料的保管每年就產生了幾百萬美元的額外支出。

航母的艦體結構用鋼是航母原材料的主體，也是用量最多的，由此才能構成航母的巨大船體外殼、各層甲板和上層建筑。航母的結構用鋼除了必須符合普通水面艦船的要求、要具備良好的耐腐蝕性外，最主要的性能要求是具備高強度和很好的焊接特性。

航母的建造對高強度鋼的需求，出發點是在同樣的強度下，可適當減小板材的厚度，進而達到減輕整艦重量和減少鋼材使用量、一定程度上降低建造成本的目的。但航母即便是只采用更高強度的結構用鋼，但整艦的用鋼量還是很驚人的，航母的結構用鋼量要占約50%的航母滿載排水量。美國最后一艘“尼米茲”級航母“布什”號滿載排水量為10.2萬噸，完工后艦體的結構用鋼重4.7萬噸；英國“伊麗莎白女王”級航母滿載排水量為6.5萬噸，建造中原材料鋼板采購了4萬噸。對比而言，載重量15萬噸的散裝貨船，主船體結構鋼在1.5萬噸以下；甚至載重量28萬噸的油輪，主船體結構鋼也不超過4萬噸。因此對于艦體結構用鋼，這一包括航母在內的大中型水面艦艇建造中最重要的物質基礎的研制，各國都投入了大量精力，在過去的幾十年間也經歷了多個發展階段。當然，因結構用鋼的發展，歷型航母的建造費也會因所采用的結構用鋼性能、型號和用量上的不同，造成在原材料采購預算上的差異。

50年代美國海軍航母所使用的結構鋼主要是屈服強度為340兆帕的碳錳鋼DH/EH-36鋼和A、B、D、E等級的高強度及一般強度的結構用鋼，這類鋼材也在普通的水面艦艇和民用船只上使用，好處是成本低、焊接性好，可基本滿足當時美國中型航母的需求。到了60年代后，美國海軍在鎳鉻系的STS防彈鋼基礎上開發了以鎳鉻鉬釩系為主的HY系列鋼，包括屈服強度550兆帕的HY-80鋼、690兆帕的HY-100鋼和890兆帕的HY-130鋼。HY系列鋼不僅滿足了美國海軍對發展大型艦艇用鋼強度上的需求，而且HY-80、HY-100型鋼在-20℃環境時的沖擊性能也達到了美國海軍對結構鋼低溫韌性的嚴格要求。

雖然HY系列鋼在強度和韌性上達到了較高的水準，但在可焊性上還存在一些不足，主要表現在焊接工藝復雜，在焊接時需要高溫預熱環節，以防止出現焊接裂紋。預熱這一工序，勢必會加大施工難度、降低焊接效率，現場施工條件會非常艱苦，焊工不能連續工作必須頻繁換班。而一旦預熱或焊接后冷卻不當，又會影響焊接質量。因這道預熱程序，每噸鋼材就要平均增加1 500美元的預熱成本，排水量10萬噸級航母的建造就會因此增加幾千萬美元的花費。所以80年代后，美國海軍開始研發高強度低合金鋼（High-strength low-alloy，HSLA）。

HSLA鋼屬于低碳、銅析出強化鋼，與同等級強度的HY型鋼相比，不僅耐腐蝕性能更優異，更為關鍵的是HSLA鋼因碳、鎳鉻鉬含量的減少、淬硬性的降低，從而具備了更好的焊接性能，可以不預熱或只需低溫預熱即可焊接，大大降低了應用成本。同時，新型的HSLA鋼還可以采用與HY鋼相同的焊接材料、方法和設備，利于在美國海軍水面艦艇中的換代使用。所以這一時期美國航母的結構用鋼主要是HY系的HY-80、HY-100和HSLA系的HSLA-80、HSLA-100四者的按需搭配混用。

同時期，蘇聯（俄羅斯）和英國對航母結構用鋼的開發也非常重視。俄羅斯先后開發了AK-25、AK-29、AK-43等航母艦體和防護材料用鋼，以及成本相對較低的從355兆帕至980兆帕的A、B、D、E四個強度等級的結構用鋼，可滿足航母不同部位結構和性能的要求。英國在五六十年代發展了QT28和QT35鋼，之后由于技術和經費原因，分別仿制美國的HY-80、HY-100和HY-130，形成了英國的Q1、Q2、Q3鋼，為降低航母建造成本，在建造中也根據需求選用不同強度級別的鋼材。

美國海軍發展的HSLA系列航母結構用鋼，主要有4個等級強度：HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100和HSLA-115鋼，最低屈服強度分別為448兆帕、550兆帕、690兆帕和794兆帕。HS？ LA-80是最早研制的，在當時建造近海平臺用的民用鋼AST？ MA710A鋼基礎上改進開發而來，1984年2月獲得軍方許可后便開始在“提康德羅加”級巡洋艦首艦、CVN-72“林肯”號航母以及后續艦、大型兩棲攻擊艦等大中型水面艦艇的建造中使用。HSLA-100的研制始于1985年，1989年3月獲得許可后首次應用于CVN-74“斯坦尼斯”號航母上，用鋼量約2 113噸，主要用在主甲板及上層建筑結構中。在“里根”號和“布什”號的建造中，HSLA-100鋼已經開始取代傳統的HY-100鋼，用鋼量也增到了12 700噸。在“福特”號的建造中，HSLA-100的用鋼量進一步增加，還成為了航母動力艙室區域的用鋼。

較于已成熟的HSLA-80和HSLA-100鋼，HSLA-115和HSLA-65則是在“布什”號和“福特”號建造中才啟用的。HS？ LA-115是在HSLA-100鋼的基礎上通過改進熱處理工藝而得到的，2007年獲得軍方許可后納入了“福特”級航母的原材料采購中。HSLA-65鋼的研制始于80年代，在隨后歷經多年的性能試驗研究及焊接評定，在2002年完成鑒定試驗，2003年獲得使用許可，先是在“布什”號航母上試驗性應用，最終獲準在“福特”號推廣應用。

對于目前美國海軍開發的HSLA系列鋼材，其不需要預熱的優異焊接性能背后，除了源于鋼廠的高水平冶煉外，也因美國有世界領先的配套焊接材料和焊接技術（工藝）。一型新的結構用鋼在歷經研發、鑒定、獲準使用的過程中，對焊接材料的匹配，絲毫不遜于對鋼材自身的研發難度。焊接材料的匹配需要經過長期不斷地改進，需要耗費大量的資金進行各種不同惡劣環境下的試驗，來檢驗焊接材料的性能和焊接工藝，才能找到合適匹配的焊接材料和成熟的焊接工藝。

即便是HSLA系列鋼材在焊接性能上已有大幅提升，但在焊接作業中，難度還是要比普通的碳素鋼要高。一般來說普通的碳素鋼在焊接中遇到濕度稍大、電流和電壓不穩定的情況時，對最終的焊件焊縫的性能并不會有大的影響。但對于HY或HSLA這類合金鋼而言，這些稍微變化的因素最終都會對焊縫的機械、物理和斷裂韌性等性能有不容忽視的影響。所以對于航母建造中的焊接作業，對船廠工人的要求要高于民用船只的標準，技術水平要更高、經驗更豐富，施工管理要更成熟。

像美國在HSLA-65高強度低合金鋼的使用上，雖然在焊接方面的研究上耗費了多年時間，最終也獲得了軍方的批準實船應用，用于除飛行甲板以外的甲板和船體部位。但這型鋼材由于使用中的厚度較薄，在“福特”號的建造過程中，紐波特紐斯船廠發現其彎曲程度超過了預期，不得不在各分段周圍搭起腳手架以確保后續建造工作的正常進行，焊接作業完成后還要對變形進行火焰矯正處理。加之，船廠焊工對此型鋼材缺乏相應的焊接經驗，需要一定的技術培訓，由此也造成了“福特”號建造成本的額外增加和施工進度上的延誤。