关注海军装备发展的,会经常看到军舰的动力系统相关的内容。诸如柴油机、燃气轮机等词汇,应该见的比较多了。
今天这篇文章,把中国海军现役军舰的动力系统大概介绍一下,并讲讲它们的优缺点。1.蒸汽轮机这是很早的动力形式,从瓦特改良蒸汽机开始,就成为工业的主要动力,并持续改进。蒸汽轮机的工作原理很简单,就是烧开水。通过燃烧重油等燃料,加热锅炉里的水,水烧开后产生高温高压水蒸气。然后通过管道将这些水蒸气引入到汽轮机,推动轮机旋转,从而带动螺旋桨,产生动力。蒸汽动力最大的优点是功率够大,一般都是大型舰艇的选择。中国海军的现役三艘航母,主动力系统都是蒸汽轮机。
山东舰上蒸汽轮机的锅炉,可见相当占地方但是这种动力的缺点也很明显,包括:1)系统复杂蒸汽轮机需要配套的减速齿轮、倒车齿轮等设备,复杂不说,还很占地方。2)响应慢蒸汽轮机的动力来源是高温蒸汽,所以得把水烧开了,也叫做升火。这个过程是以小时,甚至是天来计算的。如果是平时,这倒不是大问题。如果是战时,总不能跟敌人说你等我两天,我要升火启动发动机。所以,战时的军舰不会完全熄火,而是会保证锅炉处于低功率的运作状态。一旦有事,立马加大功率,缩短升火时间。、除了3艘航母,中国海军还有1艘051B驱逐舰、2艘051C驱逐舰、4艘现代级驱逐舰是蒸汽动力。当时发展051B,是因为国内只有蒸汽动力,没得选择。后来发展051C,则是为了快速打造一型可靠的防空驱逐舰,所以直接沿用了051B的舰体和动力。
051B和051C的功劳是让国产蒸汽动力这条科技线得以维持下去,支撑起了后来的航母事业而苏联当初开发现代级驱逐舰时,给它的定位是防空和反舰,与无畏级反潜驱逐舰搭配使用。反潜舰需要安静的工作环境,而蒸汽轮机还有个缺点就是噪音大。所以,无畏级必须采用燃气轮机。但是现代级不用负责反潜,对噪音环境要求不高。所以,为了节省成本,现代级就采用了蒸汽轮机。
按照这些舰艇的舰龄,中国海军会长期拥有蒸汽动力。2.核动力本质上来说,核动力其实就属于蒸汽动力,因为两者的本质都是烧开水。区别在于,蒸汽动力是通过燃烧煤炭、重油等燃料,将水烧开;而核动力是通过核反应堆里的裂变产生的热量,将水烧开。另外这里普及一下,核反应堆有两种:沸水反应堆、压水反应堆。沸水反应堆,即水流经过核反应堆加热后,产生蒸汽,进入管道,然后推动轮机、活塞等设备运动,产生动力。这种反应堆结构简单,但是有个缺点——核污染。因为水是直接接触了核反应堆的,然后又去推动轮机,可能会产生核泄漏。
压水反应堆,则是搞了两个回路。一个回路,是水流经过核反应堆,并产生蒸汽。但是这个蒸汽不会去推动轮机,而是去加热第二个回路里的水。第二个回路里的水被加热后,产生水蒸气,去推动轮机。这两个回路是互相隔绝的,所以两个回路里的水也互相隔绝,一回路里的水永远出不去,也就不会有核泄漏的风险。当然,这种反应堆的结构会更复杂。
压水反应堆示意图,参与回路的水与核反应堆是隔离的无论是哪种反应堆,都能给舰艇提供无限的动力。像美国福特级航母,服役50年只需中间加注一次核燃料即可。中国海军目前只有潜艇有核动力用,舰用核动力还没见过。虽说潜艇的核动力可以给水面舰艇用,但并不是个好办法。因为核潜艇排水量撑死了也就一万吨左右,其核反应堆的功率太小了,如果要给军舰,尤其是排水量好几万吨的航母用,就得装好几台反应堆。就像美国的第一艘核动力航母企业号,用了8台A2W反应堆(单台3.5万马力),才得以推动9万吨的航母到33节的速度。太多的反应堆,既占用了空间,成本还高。后来有了单台13万马力的A4W反应堆,尼米兹级用2台即可。而法国的戴高乐航母,也是用的潜艇反应堆,单台功率只有3.8万马力。偏偏造舰成本还要控制,于是只使用了2台。这导致4万吨的戴高乐只有7.6万马力的功率,最大航速只有25节(一说是27节)。
对于中国海军来说,核动力不是急需的,航母的数量才是关键。而且,003后续舰要优化的地方很多,动力倒不算问题。3.柴油机柴油机是现在军舰使用比较多的动力,小到一两千吨的护卫舰,大到几万吨的两栖攻击舰,都有柴油机的生存空间。柴油机的原理是在密闭的气缸中燃烧雾化的柴油,产生的爆炸压力推动气缸里的活塞运动,从而带动轮机旋转。柴油机的优点是系统简单,占地面积小,皮实,维护起来也方便。最重要的是,便宜。柴油机的缺点是功率不够,而且噪音大(因为有活塞做工)。所以,一般是那种非主力或者辅助性质的舰艇,会考虑柴油机。像中国海军,054A/B护卫舰、056护卫舰、071船坞登陆舰,甚至075两栖攻击舰,都是使用的柴油机。因为这些军舰要么是要大量建造,必须节省成本(比如护卫舰);要么是对航速没有太高要求(比如两栖攻击舰),可以接受动力较小的柴油机。
054A能建造这么多,关键是成本够低4.燃气轮机比柴油机更好,更高级的就是燃气轮机。燃气轮机其实就是航空发动机上舰,大家的工作原理差不多:都是通过燃油的燃烧,产生高温高速气体。区别是航空发动机燃烧产生的气体直接被排掉,而舰用燃气轮机产生的气体要用来驱动叶片,从而带动轮机,产生动力。燃气轮机的优点是功率大、噪音低(比柴油机低很多),响应还迅速,是驱逐舰的不二之选。或者那些对反潜性能要求比较高的护卫舰,也会优先考虑燃气轮机。燃气轮机的缺点是贵,所以经费富裕但又不是特别富裕的中国海军,只能给驱逐舰用燃气轮机,护卫舰还是柴油机。
而且,052系列驱逐舰还不是纯燃动力基于燃气轮机和柴油机的各自优缺点,世界各国在设计军舰的时候,往往会基于性能、成本和用途等多个考虑,然后选择一些折中方案。比如中国的052系列驱逐舰,都是柴-燃交替动力。舰上同时装备2台燃气轮机和2台柴油机。平时巡航的时候启用柴油机,以节省燃油和成本;待到需要速度的时候,则启用燃气轮机。只有055这样的一级驱逐舰,才奢侈到使用了全燃动力。4台GT25000燃气轮机,可以为055提供澎湃的动力。而日本海自,无论是一级驱逐舰摩耶级、爱宕级之类,还是二级驱逐舰秋月级、高波级,都是全燃动力。哪怕是90年代生产的村雨级,也是全燃动力,当真是奢侈。
5.电力推进这是近些年的新技术,目标只有部分国家的舰艇采用了。
所谓电力推进,不是说军舰不再有柴油机、燃气轮机这些了。相反,这些设备都能还在,只不过不再用于驱动螺旋桨,而是只用于发电。
这些发出来的电会被存储起来,统一分配,给舰上的其他设施使用,比如驱动螺旋桨、给雷达武器系统使用、舰上官兵日常生活使用等。
电力推进的优势是噪音低,响应速度快(这两点大家比较一下油车和电车就能体会到),唯一的缺点就是技术要求高。电力推进本身出现的很早,因为常规潜艇在水下潜行的时候就是用的电机。浮出水面后,才会开启柴油机充电。问题是潜艇的体量小(常规潜艇撑死了也就四五千吨),它们的电机功率不大。如果要给上万吨,甚至是几万吨的航母用,那技术难度就骤然提高了。目前,中国海军还没有任何水面舰艇有采用电力推进的消息。
英国在这个领域的技术是出于世界前列的,女王级航母、45型驱逐舰都是采用的电力推进系统总的来说,中国海军目前在蒸汽动力、柴油动机、燃气轮机这三个领域发展的还不错。
核动力的话局限在潜艇领域,电力推进则有待进一步的消息。
在笔者看来,舰用电力推进系统,比舰用核动力紧迫性更高。
因为核动力的优缺点太明显了,而且优点可能发挥不出来,缺点却一直存在。
比如,核动力可以无限续航的优点,会因为舰艇需要定期靠港补给,从而很难充分发挥。
而核动力的缺点,比如安全、成本,却是时刻要面对的问题。
另外,关于大家最关心的核动力航母,其实并不比常规动力航母更适合中国海军(文末有分析链接)。
电力推进动力则不一样,除了成本,它几乎都是优点。
尤其是电力推进系统可以让燃气轮机更加灵活的布置这个优点(因为燃气轮机只用来发电,不用来驱动螺旋桨),对航母和大型驱逐舰的诱惑更大。
如果用电力推进,航母的舰岛可以灵活布置,不用受制于烟囱的位置。比如女王级航母,其燃气轮机就是在舰岛下面,这样就可以大大缩短烟囱的长度,节省内部空间。
如果003的后续舰不用核动力,而是电力推进,那么舰岛也可以做到灵活移动位置,而不是非要处于舰体中间位置(燃气轮机可以跟着动,反正发出来的电可以通过电缆输送到电机)。
至于驱逐舰,如果用电力推进,那燃气轮机也可以灵活布置位置,不用去跟武器舱室或者其他舱室抢空间。
所以,相比核动力,笔者更盼着电力推进系统。