094型战略导弹核潜艇和他“显眼”的龟背
核电的任督二脉打通了,海军新一代核潜艇有谱了曾几何时,中国的核电行业极端的受制于人。民用的核电技术落后也连累了军用的进度。
拿深圳大亚湾核电站来说,这座核电站90年代开始建设。当时被认为是和法国进行民用核电合作的典范,但早期的几台机组建设中国技术人员几乎没有参与,中方就是个外围建筑的施工队。
大亚湾核电站早期,我国技术人员参与不多
时间到了2015年,几乎所有新一代的核电技术全都突破了。大功率核电机组全国遍地开花,对选址不敏感的钍堆机组这几年也在建厂验证。以后核电站可以修到内陆的对水源要求不高的地区。
我国核电机组的利用率很高,核电的装机容量只占总装机量的不到2%,但是发电量占了总发电量的4.6%。未来新的堆型推广开来后,比如钍堆和块堆等不依赖铀235发电。铀燃料的短缺将不是问题。
到了2016年,核电站的17项核心设备我国都能独立设计和制造。
包括:
反应堆压力容器
蒸汽发生器
稳压器
堆内构件
控制棒驱动机构
主管道
环吊
装卸料机
主泵
核二、三级泵
核级阀门
汽轮机
发电机
汽水分离再热器
海水循环泵
冷凝器
主控系统
我国核电设备制造以东方、上海和哈尔滨三大发电设备制造集团和第一、第二重型机械制造集团等国有大型企业为主。几大集团掌握了核电的关键技术。
我国多个核电路线都跑通了
主泵
主泵是核电站的心脏,在核岛一回路系统中,用于驱动冷却剂在RCP(反应堆冷却剂系统)系统内循环流动,主泵连续不断地把堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧,是核电运转控制水循环的关键。
2009年12月7日,四川德阳的东方电气完成国内首台百万千瓦核电主泵装机。
中国从此掌握了核电中最关键的一项技术。(来自西西河文总)
反应堆压力容器
一次使用要达到60年的反应堆压力容器的制造现场
压力容器进行装配,巨大的尺寸可以对比左下角的工人感受
这个技术和核潜艇强相关,随着大型锻件设备的成熟,反应堆压力容器生产、上、下封头的压制、加工及环缝、接管段、安全段的焊接都能顺利完成。目前国内的反应堆压力容器制造商主要是上海锅炉厂、东方锅炉厂。
主控系统
目前我国能提供百万千瓦压水堆核电站的全部全数字化控制系统,包括核岛安全、保护系统,常规岛控制系统,数据采集系统,控制棒棒控棒位系统和1 E级继电器架等。
国内的上下游大厂已把核电产业链跑通了。
核电和其他产业,如钢铁、大型金属件锻造、泵推发动机、声呐设备、电子设备、新型材料等各行业的大发展让中国海军最薄弱一环,战略核潜艇终于迎来了新生。
海军最短的一版中国的战略核潜艇前些年是最让军迷提不起气的。从70年代下水的091型到90年代的092型,早期两个型号对比其他国家只能相当于实验舰艇。
055大驱在批量下水
战略核潜艇是我国海军最短的一板,没有之一。在航母和神盾舰、常规潜艇都在下饺子的背景下,军迷们垂首顿胸的就是我国核潜艇水平一直在五常中吊车尾。不仅仅落后于英法,更远落后于美俄。
美俄最新的哥伦比亚级别和北风之神是地球上最强的核潜艇。目前我国最先进的094型战略导弹核潜艇比之差距很大。
094这个龟壳被吐槽极多,但也是当时受制于技术水平的无奈妥协
军迷最不满意可能就是094这个龟壳了,为了塞下巨浪2导弹,只能牺牲了潜艇的外型加了一个大龟背。094的整体直径11.8米(耐压壳还不到11米),而巨量2导弹长13米,根本塞不进潜艇。这个外型首先增加了潜艇航行的阻力让潜艇跑不快。
更严重的是在水下航行时龟背切割水流造成很大的噪声,不利于核潜艇水下隐秘巡航。
噪音大是我们几代潜艇的通病。
我国核潜艇噪声水平目前还不如俄国早期核潜艇
第一代核潜艇海底噪声150分贝,被美日戏称我们潜艇刚出海时他们就能检测到。即使后来有了094,噪音水平也仅有美军70年代水平。美国俄亥俄级别噪声95分贝,094达到了120分贝。
英国“前卫”级潜艇和法国“凯旋”级潜艇在深海“亲密接触”
2009年,英国“前卫”级潜艇和法国“凯旋”级潜艇在大西洋巡航时相撞,双方都没有检测到隐蔽巡航的对方。这事虽然很尴尬,但足可见两国的核潜艇静谧性做的有多好。
094级核潜艇,北约代号“晋级”
而且我国的核潜艇排水量也不大(接近1万吨,不如其他五常国家),限制了战略打击的能力(我们能带12枚导弹,美国俄亥俄能带同体量导弹24枚),潜艇内部官兵住的也不舒服。
海底巨兽,前苏联台风级核潜艇
对比前苏联台风级核潜艇,这是目前为止人类建造过的最大的潜艇(排水量4.6万吨,赶上轻型航母了)。
建造中的台风级核潜艇,可以看到双壳体
台风级与它的对手美国俄亥俄级相比,在体积上近乎是后者的两倍——但是核弹投射能力相当,主要是当时苏联单壳耐压加工不过关,只能退而求其次用了双壳体。但是潜艇内部是真的很舒服,不仅有单独的军官休息室,还配备了士兵中心和桑拿房。
多种技术储备已经准备好094是2004年后服役的,但直到多年后官方才爆出来。现在094潜艇已经可以大大方方的给公众拍照,保守估计096最差也得是下水测试阶段,我们现在海军装备大幅度提高,对于核潜艇这种国之重器,绝对是优先攻克的,因为战略核潜艇的重要性不亚于航母,高于055大驱逐。
中国核工业这20年大跃进,基本把国内各种技术方案都跑了一便。更难能可贵的是,这些型号都跑通了。
自主研发的华龙1号核反应堆
AP1000(美国西屋公司技术)、CAP1400(针对西屋AP1000自主消化)、华龙一号(自主高温气冷堆)、VVER(俄罗斯核电技术)、M310(法国核电技术)、CPR1000(针对法国M310的国产改进型)、ACPR1000(中广核针对CPR1000的自主改进型)。
VVER(俄罗斯核电技术)主要用在田湾、徐大堡核电站
中广核力推CPR1000和华龙1号
还有霞浦核电站,先进快堆CFR600正在建设中。
2021年甘肃武威2兆瓦钍堆试验堆建成。
玲珑一号,小型堆的典范
昌江核电站,商用模块化小堆“玲珑一号”ACP100,这个可以用在船用堆上(玲珑这个名字取得好)。留给096的动力方案极多。
更先进的下一代战略核潜艇、攻击型核潜艇可以在中国整个工业体系挑选最合适的方案。
耐压钢体
作为第一钢铁大国,我国除了产钢数量大,特种钢也百花齐放。2000兆帕屈服强度高强度耐压钢已经可以生产,这个强度远远大于094上的800兆帕屈服强度钢铁。水下潜深能达到400~800米,超过美俄真正成为“大洋黑洞”。
耐压壳
制作耐压壳的大型卷板机操作平台
大直径的耐压壳加工技术是潜艇加工的关键技术。曾经国外以瑞典研制生产的Ursviken卷板机为代表,对我国实施严格禁运。用国外机械制作大直径耐压壳的路子早就堵死了。
大直径卷板加工后的壳体
潜艇的耐压壳体是一个有肋骨的巨型钢管,这个钢管的厚度惊人,结构复杂,外面有消声瓦,内面有耐压抗冲覆盖层和各种管路电线信号线,其加工难度大。国外新一代核潜艇的壳体直径已经达到13.5米左右。
潜艇外形对于声学噪音优化很重要
2014年后我国大型卷板机设备打破了瑞典、英国等国家在该领域的技术封锁,目前能加工13米以上壳体。对比094潜艇的10米直径将有巨大的提升。
在潜艇长度不变的情况下都增加40%的空间。如果下一代潜艇拉长,那么排水量增加一倍达到2万吨。这个排水量和美国俄亥俄级相当了。
下图是俄亥俄战略核潜艇的剖面。
俄亥俄级剖面
降噪技术
由于潜艇直径提高,下一代百分百是“水滴形”外型,这将大大降低巡航阻力和水下噪音。除此之外目前094上应用的浮筏减震、自循环核反应堆、消声瓦技术肯定会用到下一代上。有了完美外形,这些技术的潜力能得到充分发掘。
中船集团的模型显示下一代核潜艇和“龟背”告别了
自循环核反应堆技术多提一嘴。这个技术不用冷却剂泵推动,仅靠冷却水的自然对流带走核反应堆堆芯热量,大大降低了核潜艇噪。而且实现核反应堆自然循环后,停电时也能保障核潜艇正常工作,使潜艇在不开启冷却剂泵时也可向推送装置供能,极大降低了噪声。
自循环核反应堆技术把这个冷却泵取消了
无轴泵推
目前先进无轴泵推技术是在有轴泵推的基础上,将驱动轴给拿掉了,这就相当于把震动和噪音的主要来源给拿掉了,这也就给核潜艇带来了最大程度的静音状态。
无轴泵推环形体(科学知识点)
无轴泵推主要靠电机驱动带动的环体转动,泵推上的桨叶,是安装在环体上,中间是空的。这对潜艇电力提出了高要求,而下一代的反应堆动力必然要大于150兆瓦(起码超过英法同型号)。
蓬勃的动力:
马院士“奉旨官宣”下一代核潜艇使用全电方案
马伟明在2017年已经说过无轴泵推已经用在了下一代和潜艇上,也就是说全电推进、综合电力技术下放潜艇了当时就在做了,现在时间过了7年。马院士的团队工作肯定进展的不错。
现代军舰上各种“电老虎”很多,负载超过100兆瓦是很正常的事。比如驱除舰有源相控阵雷达峰值功率就达几十兆瓦。核潜艇内用电没那么凶,但是各种设备也非常多非常耗电。
目前094的核反应堆功率还不如法国凯旋级
核反应堆的功率上,我们094反应堆功率是25兆瓦,而法国凯旋级所使用的K-15型核反应堆功率达到了120兆瓦,美国俄亥俄级所使用S8G型压水核反应堆功率更是有250兆瓦。
我国“全电化”采用中压直流方案
目前得益于核电产业链全自主化,适用于潜艇的小型反应堆我们肯定会更近一步,094的反应堆的功率。下一代反应堆会超过美国俄亥俄级别的250兆瓦,能给潜艇提供蓬勃的动力。
潜艇上了全电推进系统之后,就不需要机械传动系统,包括变速箱、离合器、传动轴等零部件了。没有了这些东西,自然就节省了空间,下一代船员的值班舒适性都会好很多。
美国全电化的失败之作,DDG1000朱姆沃尔特驱除舰,因为事故不断目前基本趴在港口
全电推进、综合电力管理在水面舰艇上已经积累了大量经验。潜艇内部空间狭小,又有大量电子设备和主动声呐等耗电设备。各种元件和设备的电源管理要复杂的多。但这些问题在以目前中国的工程能力都是可以解决的。
核潜艇是二次核反击的主力,是最高等级保密,094服役过了十多年才官宣。可能等096官宣了,已经在大洋深处威慑敌人多年了,那个时候更先进的098级别都在研制了。