差距巨大!中国航母和美国航母发动机的性能对比(图)

大鱼新闻 科技 1 month, 2 weeks

前言: 动力是航母最重要的技术指标,也是限制航母吨位的障碍,美国的航母核动力性能目前是世界上最强大的,中国前两艘航空母舰的动力都是苏联时代留下的,003航母的动力则是全新的,是中国水面舰艇动力的里程碑,这个动力系统和美国“福特”级航母的动力系统还有多少差距呢?动力系统就需要更大的宽裕度,

一:航空母舰动力性能的影响



航空母舰是海军中最有机动力的舰艇,速度是航母作战的灵魂,20世纪30年代各国战列舰最高航速只有21节到23节,美国的航空母舰最高航速已经达到34节,二战中的太平洋海战中航母作战都是以30节以上的速度狂奔,很多时候要在高速航渡状态下规避水下攻击和离开编队释放飞机和回收飞机。航母的设计都是围绕着舰载机的种类和数量计算出需要的舰体尺寸,世界上第一艘航空母舰只搭载了20架双翼螺旋桨飞机,现代航空母舰则搭载了近百架超音速飞机,飞机性能的攀升,航空母舰就需要不能小于300米的甲板才能运作现代化舰载机,动力限制了吨位,导致甲板面积严重受限,弹射器和降落区连在一起,所以小于300米的航空母舰只能起降小巧玲珑的战斗机,而且无法同时完成起飞和着舰。



美国航空母舰必须采用蒸汽弹射器才能起飞舰载机,起飞作战飞机时,弹射器只能加速到120节,不足以起飞重载状态下的舰载机,所以还需要强劲的甲板风,甲板风的产生办法是航空母舰加速到27节至33节,以31吨重载F-14A战斗机起飞时,需要航空母舰提供40节以上的甲板风,此时航空母舰要逆风全力加速到33节才能弹射起飞。弹射起飞时,航空母舰的蒸汽弹射器需要消耗大量的高压蒸汽,常规蒸汽动力的小鹰级航空母舰弹射4架战斗机后就会从33节降低到27节,必须等待足够的高压蒸汽,这严重影响了连续出动速率和航速,弹射器的效能又与蒸汽压强有关,蒸汽压强太小就只能弹射轻载战斗机,为了即要保持高航速,又要持续弹射战斗机,不可避免地需要更强大的动力系统,



航空母舰降落飞机时和陆地机场不同,舰载机着舰时发动机必须持续运作,着陆不成功马上加油复飞,航空母舰也要保持较高航速,尽可能减小飞机和航空母舰的相对速度,提高复飞的安全性。另外,航母编队在有潜艇威胁的海域活动时也要高度机动,通气管航行状态的柴电潜艇使用柴油机时会被500海里之外的低频被动声呐发现,采取柴油机隔振措施的常规潜艇通气管航渡时会被航空反潜平台发现,潜航状态受铅酸蓄电池容量所限,航速只有2~3节,几乎没有机会追上以30节机动的航母,攻击核潜艇也一样,攻击型核潜艇依靠自身传感器追逐目标时至少必需拥有多5节速度优势才可能咬住航母编队,全世界只有美国海军的“海狼”级攻击型核潜艇能达到20节静音航行速度,拦截以30节高速移动的航母战斗群需要开足全力冲刺,释放的噪声甚至一千余海里之外被低频被动声呐发现,

二:航空母舰动力系统种类



自第一艘航空母舰开始,航空母舰动力系统就是锅炉一蒸汽动力,高速柴油机单机功率低,需要十几台才能满足航空母舰的速度要求,低速柴油机则重达几千吨,只有蒸汽轮机才有足够的功率和效率满足航空母舰的要求,美国海军50年代的航空母舰蒸汽动力系统由8台锅炉和4台蒸汽轮机组成,蒸汽初温达到了510C-524C,压强达到了8.45兆帕,产汽量为118.2吨/小时,而中国的旅大级驱逐舰蒸汽初温才450C-470C,压强仅有6.4兆帕。

1955年服役的福莱斯特级航空母舰和后续的小鹰级航空母舰动力系统是蒸汽动力的最高水准,单台蒸汽轮机功率为70000马力,直到今日也没有其他国家可以超越,由于工作压力高,锅炉生产的蒸汽可直接用于驱动弹射器,无需再次加热,不过蒸汽参数要求高,制造要求也高,生产难度和采购成本都很高,而且蒸汽轮机从启动到可出航所需的准备时间也较长,主机启动时浓烟滚滚。



小鹰级航母的4台蒸汽轮机总功率达到28万马力,航速高达33节。蒸汽动力装置由蒸汽锅炉、过热器、蒸汽轮机、冷凝器和减速齿轮组成,通过燃烧重油或柴油将锅炉的水加热成高压高温的蒸汽,蒸汽锅炉长4875毫米,宽6300毫米,高6850毫米,炉膛容积258平方米,炉膛热强度1674x10614x106kJ/m,效率0.89,水平非常惊人,但是蒸汽动力需要体积庞大的锅炉与纵横交错的管路,还需要多达619名人为其服务。小鹰级航母之后的美国航空母舰普遍使核反应堆一蒸汽轮机动力,企业号航母核反应堆性能不高,8台反应堆只有28万马力,蒸汽轮机的蒸汽压强只有6.4Mpa,弹射31吨重载的F-14A战斗机时需要40节的甲板风,尼米茲级航母和“福特”级航母只需要两台反应堆就达到28万马力,蒸汽轮机的的蒸汽压强就达到8.45兆帕,只需要30节甲板风就弹射32吨重载的F-14A战斗机。



核动力的失败例子是法国的戴高乐号航空母舰,法国80年代建造戴高乐号航空母舰时要求核动力的无限航程,但法国无法设计出舰用核反应堆,法国人就发挥变通精神,把“凯旋”号导弹核潜艇的K-I5压水式核反应堆修改成适应航母需要的K-15D压水式核反应堆装上戴高乐号航空母舰,K-I5压水式核反应堆是法国第三代核动力装置,体积小,重量轻,噪声低,功率与美国S6G压水堆接近,但装上戴高乐号核动力航母是彻底失败的,两台K-15D压水式核反应堆动力总功率只有83000马力,航速才27.9节,成了最慢的航空母舰,由于核潜艇不使用高温高压的过热蒸汽,蒸汽初温低于300C,蒸汽压强只有2.4兆帕,弹射不了飞机,法国人只好一面加长飞行甲板,一面配备过热锅炉给蒸汽增压,才勉强把戴高乐号航空母舰服役了,也证明了核潜艇的动力系统并不适用于航空母舰。



近年来,不需要热机和冷却,加速快,油耗低,寿命长,体积小,重量轻的舰用燃气轮机开始大量应用于中小型航空母舰,运用最广泛的是美国LM2500发动机和英国奥林巴斯TM3B发动机,许多小型航空母舰都装两台美国LM2500燃气轮机单轴功率18500千瓦(25000马力),最大航速27节,LM2500发动机是是西方装机量最大的船用燃气轮机系统。美国海军的斯普鲁恩斯级基德级、伯克级驱逐舰,佩里级护卫舰、提康德罗加级巡洋舰以及日韩驱逐舰都装,LM2500发动机,LM2500取自C-5运输机的TF39发动机,在TF39发动机基础上开发的CF-6发动机也用波音747,波音777,A300,A330等飞机上,最大的特点是改善了机舱工作环境,人力需求比起核动力或蒸汽涡轮要少,轮机兵不再需要在油污满地的机舱打滚,只要坐在一尘不染和安静中央集控室里就可以了,



燃气轮机重量轻、反应迅速是最大的优点,全功率燃油效率相当好,英国“伊丽莎白女王”级航空母舰使用先进的MT30燃气轮机组,MT30船用燃气轮机是由用于波音757飞机和波音777飞机的“特伦特”800航空发动机派生而来,两者有80%的通用件,与LM2500燃气轮机相比零部件少50%-60%,功率重量比提高了25%,模块结构能经易拆卸和取换,不必大修整机,整机大修时间高达24000小时,低速柴油机可提供7万马力以上的功率,不过非常高大笨重,输出功率80.08兆瓦的低速柴油机重2300吨,最大输出功率25.04兆瓦的低速柴油机高达12米,远远超出航母能接受的限度,25.2兆瓦的WR-21复合循环燃气轮机重45吨,36兆瓦的MT30型燃气轮机总重仅22吨,25兆瓦的LM2500燃气轮机净重20吨,LM2500+发电模块长14376毫米,宽3.124米,高3.988米,



柴油机是最省油的舰用发动机,英国瓦锡兰12V38B与16V38B柴油发电机组只有177克/千瓦时,但LM2500单循环发动机油耗也不过235克/千瓦时,相比之下小鹰级航空母舰油耗达到了381g/千瓦时已经非常节约,MT30双转子简单循环发动机的燃油经济性着更加优异,油耗仅为207克/千瓦时,比LM2500发动机还要降低20%-40%,满载排水量7万吨的英国“伊丽莎白女王”级航空母舰只开一台发动机航速就可以达到20节,每小时油耗小于7吨,而8000吨的阿利伯克级驱逐舰20节航速巡航对每小时耗油超过4吨,节省燃油也相应减小了载油空间,而且MT30燃气轮机组布置在了水线以上船舷,节省了以往通向最下层甲板的烟道,航空母舰可以腾出更多的空间装载其他东西。燃气轮机的另一个好处是受到破坏后不会造成核泄漏,损管人员作业时不会受到核辐射,修理难度也更容易。

三:“福特”级航母的动力选择



核动力航母最大的优势是无限高航速,常规动力航母从美国本土到波斯湾要花25天时间,期间还要海上加油,海上加油时航速会降低到13节,核动力航母理想情况下从美国本土到波斯湾只需20天,“企业”号航空母舰曾经以平均30节的航速在6天半时间内航行了4300英里,不过核动力航空母舰全速航行时,常规动力护航舰艇会被远远甩在了后面,在护航舰艇跟上来之前仅能依靠作战飞机构建截击圈。

由核动力航母和核动力巡洋舰组成的核动力战斗群就厉害得多,能以30节平均航速全速航行7000海里发动奇袭,守军按常规动力时间估算还以为远在三四百英里外,常规动力航母速度随着热负荷的增加而恶化,巡航消耗的功率仅为全速航行的五分之一,所以尽管“小鹰”级航母安装有8个蒸汽锅炉,中速航渡时往往关闭4个以节省燃料,这时动力从200兆瓦以减至100兆瓦,动力不足以达到最大航速和承受连续弹射,



航母在战区活动时经常需要短时间内加速至最大航速,总功率198~209兆瓦的核动力航母可180秒内从10节加速至30节,而常规动力航母点燃锅炉需要1.5~2.0小时,从10节加速至30节耗时高于90分钟,所以不能关闭任何锅炉,这样也极度浪费燃料,常规动力系统高速航行时身后会留下长长的红外辐射尾迹,烟道的红外辐射也非常强烈,核动力航母没有高温废气释出,舰岛也进排气管道,隐形方面更好一点,而且常规动力航母燃油容量的4/7是舰用柴油,只能装载5919吨航空燃油和1800吨弹药,核动力航母只需储备少量舰用燃油,能装载7930吨航空燃油和2960吨弹药,持续作战能力提高一倍,常规动力航母每隔几天便需补给燃油,这不仅会拖累到整个航母战斗群,还会影响到整个海军燃油补给,而且常规动力航母一年需要消耗50万吨舰用柴油,

核动力航母不必担心燃油问题,但是核动力航母造价要比常规动力航母高一倍,50年全寿命成本高58%,只有油价在55美元时才大抵相当,原因是除了造价外,核动力航母寿限中期需要更换燃料和大修,这个费用两倍于常规动力航母,核动力航母退役解体的更是常规动力航母的16倍,美国海军设计“福特”级航母时,以鲍曼上将为首核动力派要求采用核动力,但也评估了燃气轮机与柴油机,其中将核动力的成本比燃气轮机高10%。

可选燃气轮机分别有LM2500、LM2500+与LM60003种,4-8台发动机不同构型的功率输出分别是21万马力到40万马力,现代航母需要大量电力,尼米兹”级航母发电能力是64兆瓦,支持4800吨空调容量捉襟见肘,“福特”级航母暴增至9900吨,发电能力高达160兆瓦,核动力航母的涡轮发电机寄生于蒸汽轮机之上,设计完成就固定了,不敷使用也未能扩容,常规动力航母则可借助燃气轮机尺寸小、节省空间的特性进行扩容,不过核动力思想在美国海军是根深蒂固的,“福特”级航母自然也是核动力。

四:中国航空母舰动力



美国航空母舰是核动力弹射起飞航母,中国前两艘航空母舰是常规蒸汽动力滑跃起飞航母,使用的TB-12动力组单轴功率4.5万马力,总功率为147兆瓦,电气功率是22.5兆瓦,可在0节甲板风用110米跑道可起飞重量达到27.2吨的歼15战斗机,平时20节巡航速度也可以起飞舰载机,没有弹射器消耗蒸汽,虽然存出动率劣势,但动力系统需求不高,最大航速29节也是可以接受的,“伊丽莎白女王”级航空母舰2台MT30燃气轮机机总功率仅110兆瓦,只有辽宁号航空母舰的三分之二,以26节航行4具推进电机需要80兆瓦功率,只有30兆瓦剩余留给电气系统。船舶航行时的极限高速是船体水线长1/2次方的2.43倍,003航母满载排水量预计为8万吨,长度超过300米,航行极限是42节,以31节航行时可避开高兴波阻力区,8万吨航母要维持31节航速,至少需要155兆瓦的推进功率。



中国目前用于052D型、055型导弹驱逐舰的OC-280型燃气轮机单机功率已经达28兆瓦,4台总功率可达132兆瓦,OC-280型燃气轮机长6.4米,宽2.5米,高2.7米,重14吨,,加上附件设备也不过10米,体积小,重量轻对长300米的航母算是小巧玲珑,安装6台OC-280型燃气轮机也绰绰有余,6台总功率可达168兆瓦,燃气轮机可以布置在两舷的舷台,节省了进排气道容积和重量,每舷2~3台分开相隔数十米,被击中的概率微乎其微,损失1台仍然可以全速行驶,出现受损时甚至可以直接调用052D型、055型导弹驱逐舰的零部件进行修理:这对核航母是难以想象的,新一代的R0110重型燃气轮机单机功率已经达114兆瓦,两台作为航母的动力装置有点过剩,有足够的富余为全电力推进系统、电磁弹射器、电磁炮、定向能武器提供电力。



核动力航母的无限航程优势对中国航母用途不大,中国航母主要在西太平洋和印度洋活动,对于超长的续航能力需求并不迫切,更重要的是航母的航速受速度最慢的常规动力护航舰艇牵制,核航母的速度得迁就护航舰艇,所以,整个舰队并不能持久高速机动状态,使用燃气轮机的常规动力航母完全可以与核动力航母一较高下,而且燃气轮机从10节加速至30节的耗时不比核动力航母差,另外,核动力航母虽然不用补给淡水、舰用燃料,但仍要补给弹药和航空煤油,同时使用两艘补给舰也可以解决常规动力航母装载能力的不足,更多的补给舰也提高了整个舰队的安全性、裕余度和补给效率,所以常规动力的003航母在在西太平洋与核动力的“福特”级航母交手时并不会落于下风。而且003航母在建造、运行及退役成本比“福特”级航母低很多。可以建造、运行更多的航母。

五:结语



当然,中国航母未来的活动范围不会局限于西太平洋,所以10万吨级核动力航母是中国海军的最终需求,核航母设计与制造难题对于拥有强大舰船建造能力的中国来说不是难题,中国早就从乌克兰得到完整的苏联“乌里扬诺夫斯克"号核航母设计图纸,但核动力装置还是最大的困难,虽然094型战略核潜艇使用的蒸汽轮机单轴功率已经达到35兆瓦,但并不适合直接用在航母上,即使安装4台还不足能达到“福特”级航母的160兆瓦,中国核动力航母要达到“福特”级航母的需花费更多时间继续追赶,值得欣喜的是,2017年中船重工披露了在研的核动力破冰船和核动力综合补给舰,为研制核动力航母做足了准备。

相关新闻