为何说中俄航母动力是最落后的?看美英法采用的动力装置有差距
发布时间:2024-08-25 来源:行业动态
前言:航空母舰是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰艇,能够给大家提供舰载机的起飞和降落水面作战平台,也常常被称之为“海上浮动的机场”。航空母舰可以依靠自身的动力,以及在其它主战舰艇的护航下远赴数千公里之外的海域进行作战或对他国实施军事干预,航空母舰慢慢的变成了现代海军中不可或缺的武器,也是海战最重要的舰艇之一,更是一个国家综合国力的象征。不过,航空母舰并非完全相同,根据采用动力方式的不同、舰载机起降方式的不同和吨位的不同。
根据吨位的不同航空母舰可以划分为大型航母(6万吨以上)、中型航母(3-6万吨)和小型航母(3万吨以下),起降方式的不同则将航母划分为弹射型航母和滑跃起飞型航母,采用动力方式的不同则又将航母划分为核动力航母和常规动力航母,常规动力航母又划分为蒸汽轮机动力航母和燃气轮机动力航母。而以下内容,我们将带大家一起分析航空母舰所采用的三种动力方式,看看它们是如何工作的,又都有哪些优缺点。
自航母诞生以来,在人类海军史上,一共仅仅建造了5个型号的核动力航母,分别为美国海军的“企业级”航空母舰、“尼米兹级”核动力航母、“福特级”核动力航母,法国的“戴高乐”号核动力航母和前苏联建造的“乌里扬诺夫斯克”级核动力航空母舰(苏联解体后被拆解),其余的全部是常规动力航母。所以,能够建造或曾经建造过核动力航空母舰的国家仅有三个,分别为美国、法国和前苏联。
而技术最成熟、数量最多、使用经验最丰富和威慑能力最强的无疑是美国。美国现役拥有航空母舰均为核动力航母,分别拥有10艘“尼米兹级”核动力航母和1艘“福特级”核动力航母,且满载排水量都接近或超过10万吨,同时还采用蒸汽弹射(“尼米兹级”核动力航母)或电磁弹射(“福特级”核动力航母)助舰载战斗机从甲板上起飞,提高舰载机的起降效率和机载武器装备。无论是从航母的吨位、采用的动力方式、威慑能力还是作战能力,美国都是当之无愧的世界第一。
而法国虽然也拥有一艘“戴高乐”号核动力航母,但该航母满载排水量仅有4.5万吨左右,仅属于中型航母,与大型航母相比,舰载机搭载能力不能够比拟。除此之外,该航母虽然采用了核动力装置,但马力上的不足使得该航母成为第二次世界大战以后跑得最慢的航母,其最大航速只有27节,总马力仅有76200轴马力。
像美国的“尼米兹”级核动力航母都能够达到32节以上,我国的“辽宁舰”和“山东舰”也能够达到30节的最高航速,而它们的总马力都超过了20万匹马力。由于,法国在建造“戴高乐”号核动力航母时核反应堆小型化技术不成熟,美国不为法国提供核动力装置,无奈法国只能将“凯旋”级弹道导弹核潜艇的K-15核反应堆搬上航母,最终就造成了“小马拉大车”的尴尬局面。
所以,当今世界核动力航母技术最成熟的还属美国,美国海军前后开发了三代核动力航母(分别为企业级、尼米兹级和福特级),技术已达到了“炉火纯青”的地步,核动力装置的安全性、输出功率、经济性、体积和常规使用的寿命等方面都得到了优化,大幅度提升了航母的作战效率。
核动力航母与传统的常规动力航母,其工作原理本质上是相同的,只是提供能量方式的不同。核动力航母的核动力装置是通过核燃料在核动力装置的反应堆中产生裂变反应,释放巨大能量,被不断循环的冷却水吸收,后者又通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水,使之变为蒸汽后到汽轮机中作功,从而通过传动轴和减速齿轮等装置将动能传递给螺旋桨,或者发电机组,从而驱动螺旋桨产生前进的推力,或驱动发电机组产生电能供全舰使用。
例如美国的第一艘核动力航母“企业”号,其核动力装置由8座威斯汀豪斯A2W压水堆、32台蒸汽发生器、4台蒸汽轮机、4根传动轴和4个螺旋桨组成。每两个反应堆配有8台蒸汽发生器,供给一台蒸汽轮机,驱动一根轴,组成一个单元,可产生28万匹的最大马力。而随着核反应堆小型化技术的持续不断的发展,在美国最新的“福特级”核动力航母上仅采用两座A1B核反应堆,相较于“企业”号核动力航母核反应堆的数量减少了6座,但产生的功率几乎相同。这使得“福特级”核动力航母上的核反应堆所占空间更小,可靠性更高,维护成本相对降低。
同时,加注一次燃料使用的年限更长。如“企业”号核动力航母使用的核反应堆首次装上燃料后仅能航行3年,约21万海里,第二次更换新燃料后则能航行10~13年。而“福特级”核动力航母所采用的A1B反应堆的堆芯常规使用的寿命长达50年,在这50年内不要换掉核燃料,这使得“福特级”核动力航母在50年几乎能无限航行,从而增加了寿命周期内的执勤时间。
但制造航母所使用的核反应堆绝非易事,目前在全球200多个国家或地区当中,能够建造满载航母所需核动力装置的国家仅有美国。虽然像中国、俄罗斯、英国和法国等国均有建造核动力潜艇的能力,还有部分国家具备建造核电站的能力,但与航母所使用的核反应堆相比。航母所使用的核反应堆要求在体积有限的情况下提供更大的功率,更长的常规使用的寿命和更高的可靠性,对核反应堆的小型化技术方面的要求极高。
核动力航母的优点很明显,一是动力足,美国最新的“福特级”核动力航母搭载的2座A1B反应堆可产生超过28万匹的最大马力,而法国的戴高乐号核动力航母仅能产生76200匹马力,两者的动力水平相差接近4倍,而两艘航母的满载排水量相差不到3倍,使得在同等排水量的情况下,“福特级”核动力航母能轻松的获得更充足的动力,且如果不考虑其它设备承担接受的能力的情况下,在常规使用的寿命期内几乎能持续无限高速航行,这是任何一种动力装置都不能够比拟的。
二是续航里程长,传统的常规动力航母在满油的情况航行,最远航程也仅有1万公里左右,如果是在极速的情况下驰援战场,航程将急剧下降,可能只有三四千公里。为此,为保障航母在海上持续作战,常规动力航母对后勤补给的要求会更高、更繁琐,作战效率相对降低。而核动力航母几乎不需要仔细考虑续航里程问题,只要是在常规使用的寿命期内,核动力装置就能为航母提供源源不断的动力,使航母获得无限的续航能力,对补给的要求大大降低。
三是常规使用的寿命长,福特级核动力航母A1B反应堆的寿命一般可以达到50年之久,在这50年时间里,福特级核动力航母不要换掉燃料,而常规动力航母如果在海上持续航行,每一个星期就需要补充一次燃料,对补给的要求更高。
四是可以腾出更多的空间装载更多的舰载机燃料和舰员所需的物资,提高海上持续作战能力,降低补给难度和补给过程中所耗费的时间,降低被攻击的风险,作战效率可以有明显效果地提升。常规动力航母一次需要装载数千吨的燃料,而核动力航母不需要,同时核动力航母还不需要烟囱,由此减少了更多空间的浪费,提高空间利用率。
比如采用常规动力的“小鹰”级航母,满载排水量约为8.2万吨,尽管只比“尼米兹”级小了不到2万吨,但燃料装载量和弹药装载量都有着非常大的差距。“尼米兹”级核动力航母省去舰用燃油以后,还可以携带12000吨航空燃油,是“小鹰”级核动力航母6000吨的两倍,弹药装载量上,“小鹰”级航母的弹药装载量是1800吨,“尼米兹”级核动力航母是3000吨。空间上的减少占用,还增加了舰载机搭载能力。所以,核动力航母在空间利用率上的优势是很明显的。
核动力航母虽然优点明显,但也并非没有缺点:一是造价高,“尼米兹”级核动力航母的造价为45亿美元(1995财年的造价)。1980财年批准“罗斯福”号的建造经费为32亿美元,而同一时期苏联建造的“瓦良格”号航母建造费用只有7亿美元不到。
最新的“福特级”核动力航母的建造均价更是高达120亿美元,与常规动力航母相比,同等排水量的情况下,核动力航母的造价起码是常规动力航母的2倍以上;二是使用成本高,“尼米兹”级核动力航母在50年的服役期内,整体维护费高达200亿美元,且航母全生命周期的三分之一是在船坞里面度过的,而常规动力航母的维护费用大约只有二分之一不到,维护周期也相对较短。
三是核燃料的换取和退役后处置更麻烦,“罗斯福”号中期换燃料时就花费了26亿美元,这几乎接近其造价,杜鲁门号的费用则预计超过30亿美元,于是2020年美国开始停止对杜鲁门号航空母舰进行大修以及更换核燃料,理由是成本太高。退役后核反应堆的处置更是一个棘手的问题,前不久美国军方才将“小鹰”号和“肯尼迪”号两艘航母卖给了拆船厂,售价为1美分。售价之所以如此低廉,正是与高昂的处置费用有关。
根据军方的计算,拆解一艘核动力航母,预计需要花费超过10年时间和15亿美元,其中核反应堆就是重中之重,2017年12月美国亨廷顿·英格尔斯公司在处理“企业号”核动力航母的核反应堆时,在耗资8亿美元和4年时间后,才完成该航母8个核反应堆的核燃料卸载工作,可见核动力航母的拆解也是相当麻烦的。
上面我们已提到了核动力航母的优点和缺点,并对比了与常规动力航母相比的优势所在。蒸汽动力航母与核动力航母除了提供能量方式的不同以外,原理上基本相同。常规的蒸汽动力航母通过燃烧大量的燃料加热锅炉中的水,从而生产蒸汽,驱动汽轮机,再通过一系列的转化后产生动力和电力等,以满足航母的需求。这种动力的航母,目前仅有中国和俄罗斯采用,俄罗斯使用的“库兹涅佐夫号”航母,以及中国使用的“辽宁舰”和“山东舰”均为采用的是蒸汽轮机。其中“库兹涅佐夫号”航母由8台增压锅炉、4台TV-12-4型蒸汽轮机、4根传动轴和4个螺旋桨组成。
这种动力方式,优点很明显,缺点也很明显。我们先来说一说优点,一是可靠性高、技术成熟、结构相对比较简单,整合核心部分最重要的包含锅炉,汽轮机和冷凝器三个部分,蒸汽动力的运用已有上百年之久,经过长时间的装备和摸索,技术已相当成熟,且造价低,维护也简单;二是使用成本低,别看常规动力航母的续航能力和持续作战能力不及核动力航母,但它的使用成本远远低于核动力航母,只需要燃烧价格低的重油即可,重油的价格大约只有柴油的一半。
对比核动力航母成本优势也同样明显,上面我们提到“罗斯福”号中期换燃料时就花费了26亿美元,大约也就是25年,其中换核燃料的费用大约在15亿美元左右,如果以这25年航行100万海里来计算(这几乎也是“罗斯福”号核反应堆燃料的极限)。
对比我国改造的辽宁号航空母舰,作为姊妹舰我们就参考“库兹涅佐夫号”的公开数据,该航母一次大约需要加注8000吨重油,以18节的经济航速航行,续航能力大约是8000海里(约为14000公里),100万海里大约需要100万吨的重油,按照一吨重油3600元的价格计算,大约需要消耗36亿元的燃料费,折合美元约等于5.64亿美元。这样的成本似乎只有核动力航母成本的三分之一左右,即使是考虑到吨位,再乘以二,成本也要远低于核动力航母,而且核动力航母核反应堆的造价也要更加高昂。
缺点也同样明显,一是冷启动时间很长,据有关联的资料显示,常规动力航母(蒸汽动力)冷启动要消耗大约48个小时,将近百吨的冷水加热到驱动航母的峰值,这是一个非常漫长的过程。所以航空母舰为时刻保持战斗状态,正常情况下不会关机到冷却,时刻处于热机状态,这样启动时间大约在10个小时左右。
而核动力航母由于核反应堆在常规使用的寿命期内,如果不是遇到大修更换燃料,或遇突发事件,几乎不会关闭核反应堆,启动时间大约需要4个小时左右。时间最短的为燃气轮机(代表的为英国的“伊丽莎白女王”号),启动时间大约在2个小时左右。缺点二是体积大,占空间大;三是热效率低,燃料浪费率高。
燃气动力是以燃烧气体为工质,并采用内燃机、燃气轮机或喷气发动机作为原动机的动力装置,这种发动是在航空发动机的基础上研制而来的。如美国海军最成熟,装备最多,出口最多,装备最广泛的LM2500燃气轮机,它就是上世纪六十年代以TF39涡轮风扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机,而TF39涡轮风扇发动机则是C5“银河”运输机的核心发动机。
两者的工作原理基本一样,只是能量的输出方法不一样,燃气轮机输出的是功率,航空发动机则输出的是推力。这种发动机就像航空发动机一样,有着体积小,功率大,启动时间短和能够迅速达到峰值功率等先天性的优势,一般主要运用在驱逐舰和护卫舰等作战舰艇上,使驱逐舰和护卫舰等舰艇能快速启动,快速到达战区支援作战。
鉴于燃气轮机的先天优势,英国在“伊丽莎白女王”级航母上就首次运用了燃气轮机作为动力来源,直接抛弃了传统的蒸汽动力,印度正在建造的首艘国产航母“维克兰特”号也采用了燃气动力,将搭载4台来自美国通用电气的LM2500燃气轮机。而“伊丽莎白”女王级航母则搭载2台劳斯莱斯MT30型,36MW的燃气涡轮引擎构成。
另有2台单机功率11兆瓦的瓦锡兰16V38B、2台单机功率9兆瓦的瓦锡兰12V38B柴油发电机组作为巡航时的动力来源,推进总功率在108兆瓦以上,约等于11.69万匹马力,相较于中俄航母20万匹马力的动力,在同等排水量的情况下“伊丽莎白”女王级航母要弱一些,这使得“伊丽莎白”女王级航母的最大航速只有27节左右,低于中、美、俄航母的30节。
不过燃气轮机的优势显著,能源利用率高,启动时间短,系统所占据的舰体舱室容积更小,动力系统的重量、动力分配的灵活性等方面有优势,同等动力下,燃气轮机的所占体积大约只有蒸汽轮机的十分之一。缺点是零件较为厚重,大修周期长,常规使用的寿命短,造价高昂,低速经济性差,在动力上和经济性上都不及蒸汽轮机。
从以上我们分析的航母动力来看,各有优势,各有缺点,不过从技术、作战能力等层面来看,最强大的是核动力航母;从出动效率上度层面来看,效率最高的还属采用燃气动力的航母;从经济性上来看,常规的蒸汽动力航母优势最明显。但如果从技术的先进程度上来看,最先进的还属核动力,燃气动力次之,蒸汽动力排在最后。