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畅想中国第一艘核动力航母的动力系统

发布时间:2018-03-04  原作者:晨枫   点击数:

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  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。

法国“戴高乐”号是美国之外仅有的核动力航母
法国“戴高乐”号是美国之外仅有的核动力航母

与“凯旋”级共用反应堆
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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