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畅想中国第一艘核动力航母的动力系统

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发表于 2018-3-7 09:14:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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作者:晨枫
来自空军之翼

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“辽宁”号的战斗训练远航已成惯例
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完全中国独立建造的第一艘航母也已经下水
  “辽宁”号的战斗训练远航已成例行行动,完全中国独立建造的第一艘航母已经下水,海试在即。完全中国独立设计、建造的第一艘航母也时有所闻。为方便讨论起见,姑且称其为三号舰,“辽宁”号为一号舰,已经下水的为二号舰。就像所有还在保密阶段的重大军工项目一样,不到已经成形而无法保密,外界对三号舰的设计、建造状态甚至是否存在都只能猜测,更不用说吨位、特点和关键技术了。但这不妨碍外界的合理推测。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:15:15 | 显示全部楼层
  “辽宁”号是由前苏联“瓦良格”号深度改装而来的,满载排水量约6万吨,采用滑跃起飞。二号舰是完全重新设计的,但无疑深受“辽宁”号的影响,吨位相似,也采用滑跃起飞。对滑跃起飞和弹射起飞的优缺点,以及蒸汽弹射和电磁弹射的优缺点,坊间已有很多论述,本文不再重复。一般认为,三号舰将采用弹射起飞,而且是电磁弹射。
  蒸汽弹射的技术成熟,但这是对已经制造和使用蒸汽弹射几十年的美国而言。对于中国而言,蒸汽弹射与电磁弹射一样,都是全新的技术,各有各的难关,而电磁弹射的发展潜力无疑更大。一般认为,马伟明院士的惊喜之一就是电磁弹射。
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三号舰很可能采用电弹
  电磁弹射技术不光包括电磁弹射系统本身,还牵涉到舰船综合电气系统。电磁弹射需要大量电力,但并不见得需要特大的持续功率,而是需要很高的峰值功率。这就要求能快速充放电的储能系统。快速充放电的储能系统还能从拦阻索助降中回收一部分能量,补充舰上的发电能力。但不管是采用超级电容,还是飞轮,特大功率快速充放电是世界级的难题,不知道马伟明能不能也一同惊喜一把。如果做不到快速充放电,就只有用特大的发电能力了,比较浪费。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:18:14 | 显示全部楼层
  在吨位上,“辽宁”号和二号舰都在6万吨左右,三号舰可能达到8万吨级。航母越大,可搭载的舰载飞机越多,舰上携带的舰载飞机燃油和武器弹药越多,战斗力越强大。更重要的是,大型航母可携带的舰载飞机种类齐全,尤其是对舰队防空制空和信息化作战至关重要的预警机。大型航母也有更好的条件搭载专用或者兼用的加油机。较大的甲板不仅便于出击和回收飞机的调度,也增加出动率,增加维修设施,提高等效载机数量。因此,航母的战斗力不随吨位线性上升。换句话说,一艘10万吨级的航母的实际战斗力比两艘5万吨级的航母更大,两艘5万吨级的航母的实际战斗力比4艘2.5万吨级的航母更大,以此类推。
  但航母的吨位也不宜无限增大。甲板面积增加到一定程度后,运作效益的提高有递减趋势,而建造和运作成本继续提高,造成航母数量减少,带来目标过分击中、调动部署不便等问题。吨位太大的话,连可停靠的码头数量都有限。
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10万吨可能是航母吨位与性能之间最优化的结果,美国海军从“企业”号到“福特”号都在10万吨级,不是偶然的
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另一方面,8万吨的“小鹰”级与10万吨的“尼米兹”级在搭载飞机的数量和搭配方面相近,除了峰值出动率、携带武器弹药数量和抗打击力有所降低外,战斗力相近,这是“小鹰”号
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这是CV-67“肯尼迪”号与CVN-75“杜鲁门”号
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但65000吨的“伊丽莎白女王”级(前)就要小一号了,幸好这里由于远近关系看不出来,后面的是“尼米兹”级“布什”号
  据认为,10万吨是美国海军综合考虑下来的最优吨位,“企业”级(只有一艘“企业”号)、“尼米兹”级(已建成10艘)、“福特”级(已建成1艘,在建2艘,确认订购2艘,计划总数10艘)都定位于10万吨,不是偶然的。但对于经验尚且缺乏而且不以全球争霸为目标的中国来说,一步到位建造10万吨的航母或许技术风险太大,战术上也无必要,就三号舰而言,8万吨级是较好的折衷。
  按照兰德公司的分析,8万吨级航母在舰载飞机搭载数量和搭配方面与10万吨级航母相近,除了峰值出动率、携带武器弹药数量和抗打击力有所降低外,依然具有可观的战斗力,但建造成本和技术风险显著降低。在“企业”级之前,“福雷斯特”级、“小鹰”级、“肯尼迪”级都是8万吨级。
  吨位定下来了,动力依然是一个问题。航母动力通常采用蒸汽动力、核动力和燃气轮机动力。柴油机动力在理论上可行,但重量太大,单位功率不够,至今未见采用。
  蒸汽动力和核动力的差别在于热能的产生方式,前者用重油锅炉,后者用核反应堆。燃气轮机过去只用于小型航母,如英国的“无敌”级,现在也用于大型航母,如英国的“伊丽莎白女王”级。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:23:11 | 显示全部楼层
  在电推进时代,蒸汽动力、核动力、燃气轮机动力都可以与电推进相整合。蒸汽动力与热电厂相对应,核动力与核电站相对应,基本技术是成熟的,舰用当然不是简单搬家,有具体问题。燃气轮机也用于发电,不仅燃气轮机直接驱动发电机,高温废气可以通过废热锅炉产生蒸汽然后驱动汽轮机发电,原则上还可直接驱动烟气轮机。燃气轮机也可以通过中冷和回热循环提高热效率,这样的先进循环燃气轮机的热效率已经接近柴油机的水平。
  就动力要求而言,以美国“肯尼迪”级为参照,8.2万吨级,采用蒸汽动力,总功率28万马力,最高航速34节。在这个速度范围,功率与航速大体成立方关系。适当降低最高航速要求,可显著降低功率要求。比如说,最高航速降低到30节,功率要求可降低到19.2万马力,可简化取整为20万马力。三次方关系可以用“辽宁”号与“伊丽莎白女王”号进行核算。“辽宁”号的吨位为6万吨级,总功率20万马力,最高航速为32节。吨位相近的“伊丽莎白女王”级的最高航速下降到26节,按照三次方关系功率可降低到10.7万马力,“伊丽莎白女王”级实际装机功率9.6万马力。作为初步估算,这样的精确度足够了。
  20万马力依然是很大的功率。“尼米兹”级的两台西屋A4W反应堆的单台额定热功率为550兆瓦,可提供折合100兆瓦的高压蒸汽(用于发电和蒸汽弹射)加上104兆瓦(14万马力)的推进功率,共28万马力。
  “尼米兹”级的A4W反应堆是专用的。相比之下,法国“戴高乐”级航母的阿里瓦K15型反应堆与“凯旋”级核潜艇共用,差别是“凯旋”级用一个反应堆,“戴高乐”级用两个。为核潜艇设计的反应堆有构型折衷的问题。潜艇用的反应堆常要“横过来”设计,反应堆直径以艇体直径为限,长度倒是可以稍长,但这样在热力学设计上有点吃亏。为航母设计专用反应堆的话,动力舱的空间尺度远比核潜艇宽松,较高的反应堆有利于热力学设计,反应堆的性能更好。这就是在成本、风险和性能之间综合权衡的问题了。像美国那样大批建造同系列航母的话,航母专用反应堆是最好的选择;航母数量较少则与核潜艇共用更加合理。中国航母需要多少,会建造多少,维持多大的航母舰队,是否会过渡到10万吨级,是否会过渡到全核,这些都是另外的话题。但即使在远期会设计、运作专用的航母反应堆,在开始时,与核潜艇共用反应堆依然是技术上比较稳妥的做法。
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法国“戴高乐”号是美国之外仅有的核动力航母
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与“凯旋”级共用反应堆
  与核潜艇共用的另一个坏处是反应堆出力较小。  “凯旋”级是战略导弹核潜艇,约14000吨级(潜航状态)。战略导弹核潜艇的静音要求非常高,但速度要求不高,最高航速有25节就够用了。因此K15反应堆的热功率只有150兆瓦。用于“戴高乐”级时,两台反应堆提供的推进功率只有8.2万马力,因此“戴高乐”级的最高航速只有27节。这还是设计航速,实际上在机械状态或者海况不理想时经常达不到。这对航母是比较低的。
  航母的最高航速越大,舰载飞机的离舰速度越高,起飞重量越大,战斗力越强。假定在航母静止状态下弹射可使得30吨重的典型舰载战斗机达到270公里/小时的离舰速度,那航母速度从25节增加到30节可使机翼升力增加3%,也就是说,飞机可额外携带1.8吨燃油或者武器,这是可观的。
  但巨大的航母要提高速度,动力代价必然巨大。增加弹射的力度是相对简易的方法。蒸汽弹射装置相当于一个很长的汽缸,随着活塞向前运动,汽缸压力直线下降,高压蒸汽在缸内的冷却进一步加速压力下降。要维持活塞在接近终端时的压力,需要极大地提高蒸汽的压力和过热度,殊非易事。在战斗机发动机推力不足的时代,就只有靠航母的航速了。“福雷斯特”级、“小鹰”级和“肯尼迪”级的最大航速都是34节,不是偶然的。
  现代战斗机的发动机推力大大提高,更重要的是推重比显著提高,这使得“尼米兹”级和“福特”级的最大航速可以降低到30节。进一步放宽战斗机起飞重量的要求的话,航母最大航速还可以降低,英国“伊丽莎白女王”级为26节,法国“戴高乐”级为27节,兰德公司为美国海军规划的8万吨核动力航母的最高航速为28节,都低于30节。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:41:32 | 显示全部楼层
  但电磁弹射不同。只要快速放电系统能够维持,电磁弹射的弹射力不随行程增加而降低,这使得舰载飞机在弹射起飞中加速更均匀,离舰速度更高,有利于提高起飞重量。“伊丽莎白女王”级的最大航速只有26级,或许就有电磁弹射可以补足航母速度不足的考虑。“伊丽莎白女王”级最初是按照电磁弹射设计的,滑跃起飞只是退而求其次的后备选项。最后建成时果然退而求其次,但这是题外话了。兰德8万吨航母方案也采用电磁弹射。
  兰德8万吨航母的最大航速为28节,因此动力只需要单一的A1B反应堆,这是与“福特”级共用的,从两个反应堆降低到一个是相对于“福特”级成本显著降低的一大原因。A1B的额定功率是保密的,一般认为比“尼米兹”级的A4W要高25%,热功率可能达到700兆瓦,主要用于更大的发电量,推进功率也有所增加。兰德8万吨级航母的推进功率要求不明,但按照三次方规律估算,应该在15.6万马力左右。这高于单一的A4W能提供的推进功率,但与增加功率的A1B是一致的。
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中国094核潜艇“只有”11000吨,传说在建的096有可能达到18000吨
  假定中国航母三号舰与核潜艇共用反应堆,正在研制的096的反应堆是最合理的选择。094的潜航吨位为11000吨,096的吨位更大,据说可携带24枚“巨浪2”潜射洲际导弹。参照相同载弹量的“俄亥俄”级,096很难小于18000吨,需要6万马力(约45兆瓦)的推进功率才能维持25节左右的航速。“俄亥俄”级的通用电气S8G反应堆可提供220兆瓦的热功率。在没有进一步消息的情况下,假定096的反应堆具有相同的热功率和推进功率。一般来说,由于系统效率的缘故,反应堆的热功率与推进功率的比率在5:1上下。“尼米兹”级的A4W除了提供推进功率,还需要提供大量弹射和发电用的蒸汽,所以达到5.5:1;“俄亥俄”级核潜艇没有蒸汽弹射需求,发电量的要求也较低,为4.9:1。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:42:37 | 显示全部楼层
  这样看来,三号舰即使把最大航速降低到28节,两个096的反应堆也只能提供12万马力,也难以像“尼米兹”级或者“福特”级那样,由两个反应堆提供足够的主要动力。3-4个反应堆当然能达到功率要求,“企业”号就用了8个反应堆。但反应堆不仅制造和运作成本高,还体积大、重量大。S8G的直径为13米,长度为17米,重达2750吨。4个这样的反应堆就达到1.1万吨,这显然太重了。除非万不得已,简单地增加反应堆数量显然不是个办法。另一方面,两个反应堆还是需要的,万一一个反应堆故障或者受到战损,舰船还能保持动力。在兰德报告中,8万吨级方案的单一A1B反应堆万一故障或者受到战损就会丧失动力是一大弱点。
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俄罗斯的“基洛夫”级采用独特的核蒸联合动力
  但除了全核动力外,还有核蒸联合动力,现在只有俄罗斯的“基洛夫”级战列巡洋舰使用这样的方式。这是在常规的核动力基础上,另外增加常规的重油锅炉,像喷气发动机的加力燃烧一样,对核动力产生的高温高压蒸汽进一步加温加压,提高出力。在反应堆故障的情况下,锅炉也提供备用动力;在港内机动时,则提供辅助动力。这样既能得到核动力无限航程的好处,又不至于过度增加制造和运作成本。
  但锅炉毕竟升火慢,使用复杂,体积和重量较大。用燃气轮机补充核动力更加合理。燃气轮机启动快,功率大,体积小,重量轻,运转平稳、安静,尤其适合用于峰值载荷。在电推进的情况下,核动力与燃气轮机的整合更加容易。

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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:47:38 | 显示全部楼层
  假定三号舰为8万吨。两台096的220兆瓦热功率级的反应堆能提供90兆瓦(12万马力)的推进功率,足够实现25节持续航速。另外增加两台052D和055级上已经成熟使用的QC280燃气轮机,每台可提供28兆瓦(75000马力)的推进功率。这样,总功率达到20万马力,可以满足30节最高航速的动力需求。核电与燃气轮机发电都是成熟技术。在马伟明的舰船综合电气系统的架构下,两者形成合理互补。
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在“海上轨道”行动中,美国海军的全核动力特郡舰队耀武扬威地以30节航速持续环绕地球一圈,创造了航海史上的记录
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但在实用中,核动力航母的护航舰队依然是常规动力的,这是“里根”号航母战斗群
  核燃联合动力或许没有全核动力高大上,但未必不是更符合实际需要的选择。全核动力在理论上可以无限期保持30节的最高航速,美国海军甚至在1964年用“企业”号航母、“长滩”号巡洋舰、“班布里奇”号驱逐舰组成的全核动力舰队进行“海上轨道”行动,在65天里绕地球一圈,航程26560海里。但在实际上,核动力的巡洋舰、驱逐舰被证明成本过高,现以全部淘汰。常规动力的护航舰队不可能保持30节的持续高速,驱护舰的经济巡航速度通常只有18节。采用核燃联合动力后,航母需要另外携带动力燃油,增加海上补给问题。但航母总是需要海上补给舰载飞机的燃油和弹药的。由于燃气轮机主要用于加速和短时间的最高航速,正常的持续巡航依然以核动力为主,实际消耗并不多,所以海上补给的问题不会太大。另外,常规动力的护航舰队也需要海上加油,而航母是不可能远离护航舰队而单独行动的。但降低核动力的功率要求和与096共用的优越性是显著的。
  最要紧的是,096的反应堆是本来就需要研发的,QC280则已经成熟,三号舰的核燃系统是整合问题,而不需要全新特意研制关键组成单元。这将大大降低系统的成本和风险,有关技术也完全在中国掌握范围之内。这会成为现实吗?如前所述,有关三号舰的一切,都还处在知情人不会说、会说的人不知情的阶段,外界在现在只可能作合理猜测。但这也是乐趣所在,不是吗?

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