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中国军舰动力将全面电力化 赶上国际先进水平

发布时间:2016-01-01 21:01:07

中国军舰动力将全面电力化 赶上国际先进水平

原标题:中国军舰动力将全面电力化 国内突破综合电力推进技术,航母电磁弹射则仍要等待较长时间

作者:候知健

中国军舰动力将全面电力化

图:采用综合电力推进的美国DDG 1000驱逐舰

11月4日,海军工程大学教授马伟明院士获得今年的“科学与技术成就奖”。马伟明院士主攻舰船电气领域研究,近年来公布的重大突破成果主要涉及到舰船的综合电力技术、电磁发射技术。

而这两个方向,正是西方现代先进军舰所采用的综合电力推进技术与电磁弹射技术的基础。国内在相关领域的成功突破,意味着我国在不太久的时间后,新一代军舰上也将具备相同的功能,从而追赶上国际先进水平。

一:综合电力推进有什么优点?

传统的军舰设计上,不论是采用蒸汽轮机(包括很多核动力舰艇)、燃气轮机,还是柴油机作为主要动力形式;都必须由这些原动机经过很复杂的大型传动减速设备(定位上类似于汽车变速箱),经过传动轴带动螺旋桨的旋转,推动船舶前进。这类设计存在三个方面的问题。

中国军舰动力将全面电力化

图:齿轮箱是军舰重要的噪音和振动源头,也是动力损失的重要环节

第一是复杂的大型减速设备造价非常高昂,而且在它内部齿轮等部件啮合旋转的过程中,形成的振动和噪音占了整艘舰船的主要部分。这不仅仅是成员的生活和工作舒适性问题,更重要的是,振动和噪音是非常强烈的信号特征——潜艇在水下搜索水面上的军舰,主要就是依靠声纳来探测军舰在水中传递的振动和噪音信号。

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图:福特 号航母的螺旋桨与传动轴。福特号由于总功率需求太大,超出现在技术能力所及,因此仍然采用了传统动力设计。

第二是由于要通过传动轴来带动螺旋桨,军舰里原动机和传动机构的位置就没有什么选择余地,而且轴本身也占据了大量的重量和空间。这对于军舰内部空间利用、舱室安排等总体设计上的优化,非常不利。第三是目前的原动机一般都只能单向旋转;因此为了满足低速稳定性和操纵性要求,只能采用维修困难、动力效率很低的可调距螺旋桨。

中国军舰动力将全面电力化

图:变距螺旋桨,它通过调整桨叶的角度来实现反向的推力等控制功能

而在采用综合电力推进的军舰上,由于原动机直接带动发电机,发电机和最终的推进电机之间只需要用电缆连接,因此原动机可以根据需要安置在舰船的任意位置。在取消减速和传动轴以后,军舰的噪音和振动大大减小,而且相同的吨位下能获得更大的内部空间和载重能力。

尤其是大幅度消除了机械传动带来的动力损耗以后,综合电力推进的军舰能获得16%以上甚至更高的油耗降低。这不仅是使用成本上的显著优化,最重要的是它大幅增加了军舰的航程和自持力。而且电力推进可以通过转换电源的极性或相位,快速实现螺旋桨的全功率反向旋转,对于舰船的操纵性和灵活性提升极大。

二:现在国外哪些军舰用了综合电力推进?我国什么时候能用上?

国外从80年代以后,美国、英法、北欧等国家开始各自提出一些不同的规划和概念,提升军舰的电气化程度。虽然具体内容各有差别,但总体特征和方向是一致的,就是不断提升军舰的电气化水平,最终使军舰上所有的动力系统(比如一些液压机构)全部电力化。

在这方面的发展上,西方国家普遍采取了三步走的原则:除了最基本的,在陆地设施上进行较大规模的长时间试验摸索以外,第一步是在民用船舶上进行推广和使用;比如2002年建造的15万吨豪华游轮“玛丽女王二号”,电力推进的总功率达到了80MW。作为对比的话,辽宁号航母动力系统总功率在147MW;而现代级驱逐舰,总功率73.5MW。

而第二步,则是在重要性相对比较低、而且动力需求不高的辅助性军舰上开始试用,总功率大约在2-15MW级别。比如英国的“回声”号测量船(3.4MW),“LPD”船坞登陆舰(12MW),法国海军的“西北风”两栖攻击舰(14MW)等等。而第三步,则是展开20-80MW级别的主力战舰动力系统研制,比如英国的T45驱逐舰(40MW)、美国的DDG-1000驱逐舰(72MW)。

从现在的进度来看,西方已经开始实现第三步进度了,综合电力推进已经开始在主力的驱逐舰、护卫舰上淘汰传统动力。而西方国家目前已经展开了第四步:未来将建造80MW以上级别的综合电力推进航母和核潜艇,目前包括英国CVF航母、美国CVN-21、以及美英法的新型核潜艇,都采取了类似规划。

中国军舰动力将全面电力化

图:综合电力推进能使船舶的获得非常灵活的可变动力方向,这是传统设计里做不到的

根据我国公开资料中披露的信息,海军工程学院的综合电力推进系统样机,在几年前已经初步具备了装船的资质。因此按照正常的技术规律,以及我国海军装备发展“小步快跑”的作风来看;我国近期会首先在一些辅助性军舰上装备使用综合电力推进技术,随后才会推广到护卫舰和驱逐舰上。

因此不考虑为了验证技术而做的改装,而是以实用型号为准的话;乐观估计,我国在测量船之类军辅船上应用综合电力推进技术,3到5年内应该就可以做到。但在054护卫舰或者052、以及传说中的055驱逐舰这个级别上,至少需要10年以上的周期。

三:电磁弹射的设计目的,主要在于改善蒸汽弹射的哪些缺陷?

借助弹射系统的强行加速,航母可以在更短的距离、更少的时间内,让装载更多燃油和弹药的飞机完成安全起飞;从而有效提高舰载机的实际作战半径和放飞速度,获得战斗力上的大幅提升。在目前具备较大实用价值的航母弹射方式,只有蒸气和电磁弹射两种。而新一代的、原理上近似于磁悬浮列车的电磁弹射系统,它将在未来取代蒸气弹射系统,成为航空目标的主流发展方向。

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图:蒸气弹射器的汽缸和活塞磨损很快,而且每次弹射都要泄露大量蒸气,这使非常多能量都没有来得及应用就被散发掉了

蒸汽式弹射的优势是技术成熟研发难度低,缺陷有以下几个方面。首先它不适合应用于高纬度寒冷海域——大量蒸气会很快在汽缸表面凝结成冰块,弹射时活塞反复撞击和挤压这些冰块会很快使弹射器变形和损坏;这也是苏联后来选择滑跃式航母的关键因素之一,当然对中国来说这不是有意义的问题。

其次蒸汽弹射需要从动力舱室的锅炉里引出大量的蒸气——也就说,蒸气管道要从后段舰体的底部一直铺设到到前端的甲板下面。这个过程中不仅浪费了大量的空间和舰体结构重量,而且蒸气管道本身会向外丧失大量的热能;再加上蒸气弹射本身在原理上的能量利用效率就不高,除非是尼米兹那样动力特别充沛可以肆意挥霍的大型航母,中小型航母使用蒸气弹射系统实际上不能获得持续的高速度、大载重放飞能力。这方面法国的戴高乐航母就是个负面例子。

最后一点则是,蒸气弹射的过程中,活塞和汽缸之间的相互磨损是比较厉害的,因此翻修的间隔相对比较短。在较高强度的持续作战中,这一点会对航母的作战能力形成明显的困扰;而弥补的办法只能是用更多的航母进行任务接替。

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图:电磁弹射系统,没有粗壮的蒸汽管道和汽缸,只有简洁的电缆和电气设备

四:现在哪些航母上使用了电磁弹射?我国什么时候能用上?

目前美国海军最新的福特号航母上就采用了电磁弹射系统,它意味着电磁弹射技术目前基本上达到实用化水平——最近美国爆出消息,福特航母的弹射系统,重量和体积超标很厉害,而弹射功率却离预计指标有明显差距。比如原来尼米兹航母上的蒸气弹射系统,每套重量是470吨,而通用原子公司目前提供的产品,重量达到630吨——四套弹射器,那就意味着多出整整640吨的重量。

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图:福特号航母

美国福特号的教训说明,到现在为止,电磁弹射系统在工程化的应用上,还有相当多的技术难题没有真正解决。如果我国在技术不成熟的情况下强行上马电磁弹射技术,不仅不能发挥它理论上的潜在性能优势,反而会在巨额的超支(福特号的电磁弹射系统上烧钱超过10亿美金)以后,性能上可能比原来的蒸气弹射系统还糟糕。

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图:我国的第一艘国产化航母,总体设计和辽宁号将会非常近似

而对于我国来说,综合此前的一些公开资料分析,未来的国产航母应该是先经历滑跃结构、蒸气弹射两个阶段,以后才会装备电磁弹射系统。因此至少在前面的3、4艘国产航母上,电磁弹射系统是无缘亮相的;它的进度将会晚于综合电力推进技术的应用,而具体要到什么时候,目前就很难判断了。



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