航空母艦動力裝置選型及應用可行性研究

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

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得以迅速發展［1］。航空母艦與其他水面艦船的主要區別在于其裝備的武器及艦體結構。航空母艦的主要武器為艦載機，其艦體上有一塊覆蓋在整個艦體上面的飛行甲板，供艦載機起降。航空母艦的艦橋較小，且結構集中，形如大海中的小島，俗稱島形建筑，是全艦的指揮中心。按戰斗性能和用途，航空母艦可分為重型攻擊航空母艦、輕型護航航空母艦及反潛航空母艦。

航空母艦可用于執行對敵方艦艇基地進行突襲，掩護和支援兩棲登陸，在作戰區及海上交通線上奪取制海權等任務。

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

1 基于主機技術特點的航空母艦動力裝置選型及應用可行性研究

1.1 各類主機應用于航空母艦的技術可行性分析

依轉速的不同，船用柴油機可分為低速柴油機（轉速為200 r/min以下）、中速柴油機（轉速為200～1 000 r/min）及高速柴油機（轉速為1 000 r/min 以上）共三類。其中，單臺低速柴油機即可提供至少約50 000 kW 的功率，如由芬蘭瓦錫蘭（Wartsila）公司生產的RTA96-C 型14 缸低速柴油機，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，過大的尺寸嚴重影響了艦體的布置，并且其轉速等參數與航空母艦的匹配性也不高，因此在選擇主機時通常不作重點考慮。而高速柴油機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，也不作重點考慮。相對而言，只有中速柴油機擁有相對合適的尺寸，總體前景優于低速柴油機及高速柴油機。相較于其他類型的主機，柴油機的最大優勢是在全負荷工況下均有著較低的燃油消耗率，且能燃用低品質燃油，操作與維護人員的需求也低于汽輪機及核動力裝置。但柴油機產生的污染排放較為嚴重，必須通過優化排氣系統來降低排放。此外，柴油機排出的高溫煙氣也有可能會影響到艦載機的起飛與降落［2］，并造成艦體外部的腐蝕。考慮到柴油機對艦體空間與重量的需求較高，為了降低動力系統所占空間，由柴油機構成的推進系統通常需要采用多軸推進方案，以及結構更緊湊的機型。但考慮到上述幾類柴油機自身的功率狀況，其在大中型水面艦船領域的應用前景較為有限，多用于小型水面艦船中。此外，與汽輪機及燃氣輪機等熱力渦輪機械不同，由于柴油機自身結構及工作特點的緣故，不可能實現真正意義上的閉式循環［3］，或多或少會與外界存在一定數量的工質交換，從而無法與各種型式的核反應堆結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，以上幾類柴油機均不被納入備選行列之中。

與柴油機不同，汽輪機能為航空母艦等大型水面艦船提供足夠的推進功率，并且運轉平穩，可靠性較高。但由于其輔助設備繁多，系統組成復雜，相應需要配備大量的操作人員，并且經濟性也有待改善，仍有一定的技術提升空間。

與汽輪機相比，燃氣輪機則有著重量輕、機動性強的優勢，其在高負荷工況下的燃油經濟性較好，操作與維護的人員需求也少于汽輪機與核動力裝置。但燃氣輪機龐大的進、排氣道會占用航空母艦較多的上甲板空間，影響了全艦的結構布置。同時，燃氣輪機排氣所產生的紅外線信號也更強烈，并且還存在低負荷工況下燃油經濟性較低的問題。但總體而言，燃氣輪機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域的應用前景。

目前，在常規動力航空母艦中，燃氣輪機可與汽輪機構成重要競爭關系，幾類柴油機均已被排除在主機備選行列之外，因此本文僅對燃氣輪機與汽輪機這兩類主機進行更為詳細的定性對比分析［4］，具體如表1 所示。總體而言，兩類熱力渦輪機械各具優勢，均無法完全取代對方。

就核動力裝置而言，通常采用壓水堆+汽輪機的組合，但目前也有高溫氣冷堆+氦氣輪機（以氦氣為工質的閉式循環燃氣輪機）的組合［5］。核動力裝置主要具備如下優勢：

1）較強的續航能力。

2）可以大幅減少燃料攜帶量，相應可攜帶更多的武器設備。

3）減少了高溫燃氣的排放量，提升了全艦的隱蔽性。

將常規動力航空母艦（以燃氣輪機為主機）與核動力航空母艦進行簡要對比。由于核動力航空母艦無需攜帶過多的常規燃料，可有效降低全艦排水量，但其設計及制造成本較高，目前仍亟待優化。雖然僅采用常規動力系統，也能滿足航空母艦在作戰時的高功率需求，但就目前而言，常規動力航空母艦尚不具備核動力航空母艦的綜合作戰能力，尤其是在高負荷工況下的續航力與戰術機動性明顯不如后者。當面對突發的作戰部署需求時，核動力航空母艦更具優勢，并且能為整個艦隊提供更充分的保障，因此總體發展前景更好。

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

1.2 基于航空母艦技術特點的主機選型要求

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

為滿足艦載機的飛行需求，航空母艦的最高持續航速需要維持在27 kn 以上，以便在回收艦載機時能有流速約25 kn 的甲板風，從而對主機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堆，只能提供約57 000 kW 的推進功率，致使全艦最高航速僅有27 kn。為確保艦載機的作戰效能，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，則必須采用汽輪機這類主機（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選型及其功率下限產生影響。

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。以上技術要求對主機類型進行了進一步制約。中速柴油機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及艦載機起降作業需求，目前所能選用的動力裝置僅限于汽輪機、燃氣輪機及核動力裝置這幾類。

從全艦的生命力和機動性上考慮，航空母艦必須采用兩軸以上的推進方式。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損影響后，而不至于使全艦失去機動能力。此外，機艙布置多單元化，也是確保全艦生命力的一項基本原則。

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系統和日用系統的電力需求，同樣也要滿足航空系統及艦載機的電力需求［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來進行能量轉換。而以氦氣作為工作的閉式循環燃氣輪機也可與高溫氣冷堆搭配［5］，并作為核動力艦船的動力來源，目前仍在持續研究過程中。

2 航空母艦動力裝置發展前景展望

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

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

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

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

雖然發展年限短于以上幾類主機，但燃氣輪機已彰顯出強大的生命力及廣闊的前景。與汽輪機相比，燃氣輪機的結構更簡單，重量更輕。就目前而言，輕型燃氣輪機是水面艦船較為理想的動力裝置，其不僅適用于高速快艇，也適用于護衛艦、驅逐艦等中型水面艦船。但由于輕型燃氣輪機的燃油消耗率較大、對燃油品質要求較高，所以其經濟性目前依然有待提升。同時，單臺燃氣輪機如要應用于航空母艦等大型水面艦船，則略顯功率不足，需要采用多機并車的方式，例如采用COGAG 型聯合動力裝置的方式。

由于具有功率高、續航能力強、排放少、隱蔽性好、便于機艙甲板布置等顯著優勢，核動力航空母艦目前是各國競相研究及開發的對象，以“福特”級為代表的核動力航空母艦將是未來的重點發展方向。截至目前，我國所擁有的3 艘航空母艦均采用常規動力［13］，但隨著技術的發展，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 結論

綜合全文所述，現階段在航空母艦領域得到應用的動力裝置主要包括汽輪機、燃氣輪機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氣輪機等常規動力裝置（為減少燃料消耗，同樣可采用COGAG 型聯合動力裝置）。汽輪機作為一類工作可靠、運作平穩且功率覆蓋面較廣的主機，可適用于各種排水量的常規動力航空母艦，并且作為核動力裝置的主機，有著較為廣闊的應用前景。