航空母舰动力装置选型及应用可行性研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

航空母舰是一类大型水面舰船。自1941 年12月，日本偷袭珍珠港成功后，航空母舰在世界范围内得以迅速发展［1］。航空母舰与其他水面舰船的主要区别在于其装备的武器及舰体结构。航空母舰的主要武器为舰载机，其舰体上有一块覆盖在整个舰体上面的飞行甲板，供舰载机起降。航空母舰的舰桥较小，且结构集中，形如大海中的小岛，俗称岛形建筑，是全舰的指挥中心。按战斗性能和用途，航空母舰可分为重型攻击航空母舰、轻型护航航空母舰及反潜航空母舰。

航空母舰可用于执行对敌方舰艇基地进行突袭，掩护和支援两栖登陆，在作战区及海上交通线上夺取制海权等任务。

航空母舰在海战中起着重要作用，但其也具备诸多劣势，例如舰体大，易受攻击，舰载机自身的机动性受限，编队航行时需配备有一定的反潜兵力及防空兵力等。

1 基于主机技术特点的航空母舰动力装置选型及应用可行性研究

1.1 各类主机应用于航空母舰的技术可行性分析

依转速的不同，船用柴油机可分为低速柴油机（转速为200 r/min以下）、中速柴油机（转速为200～1 000 r/min）及高速柴油机（转速为1 000 r/min 以上）共三类。其中，单台低速柴油机即可提供至少约50 000 kW 的功率，如由芬兰瓦锡兰（Wartsila）公司生产的RTA96-C 型14 缸低速柴油机，拥有约81 700 kW 的输出功率，但其长约27.4 m、高约13.4 m，重逾2 300 t，过大的尺寸严重影响了舰体的布置，并且其转速等参数与航空母舰的匹配性也不高，因此在选择主机时通常不作重点考虑。而高速柴油机则存在着功率过小的问题，无法满足大型水面舰船的动力需求，也不作重点考虑。相对而言，只有中速柴油机拥有相对合适的尺寸，总体前景优于低速柴油机及高速柴油机。相较于其他类型的主机，柴油机的最大优势是在全负荷工况下均有着较低的燃油消耗率，且能燃用低品质燃油，操作与维护人员的需求也低于汽轮机及核动力装置。但柴油机产生的污染排放较为严重，必须通过优化排气系统来降低排放。此外，柴油机排出的高温烟气也有可能会影响到舰载机的起飞与降落［2］，并造成舰体外部的腐蚀。考虑到柴油机对舰体空间与重量的需求较高，为了降低动力系统所占空间，由柴油机构成的推进系统通常需要采用多轴推进方案，以及结构更紧凑的机型。但考虑到上述几类柴油机自身的功率状况，其在大中型水面舰船领域的应用前景较为有限，多用于小型水面舰船中。此外，与汽轮机及燃气轮机等热力涡轮机械不同，由于柴油机自身结构及工作特点的缘故，不可能实现真正意义上的闭式循环［3］，或多或少会与外界存在一定数量的工质交换，从而无法与各种型式的核反应堆结合成新型核动力装置。因此，在航空母舰动力装置选型过程中，以上几类柴油机均不被纳入备选行列之中。

与柴油机不同，汽轮机能为航空母舰等大型水面舰船提供足够的推进功率，并且运转平稳，可靠性较高。但由于其辅助设备繁多，系统组成复杂，相应需要配备大量的操作人员，并且经济性也有待改善，仍有一定的技术提升空间。

与汽轮机相比，燃气轮机则有着重量轻、机动性强的优势，其在高负荷工况下的燃油经济性较好，操作与维护的人员需求也少于汽轮机与核动力装置。但燃气轮机庞大的进、排气道会占用航空母舰较多的上甲板空间，影响了全舰的结构布置。同时，燃气轮机排气所产生的红外线信号也更强烈，并且还存在低负荷工况下燃油经济性较低的问题。但总体而言，燃气轮机卓越的动力性能确保了其在航空母舰等大中型水面舰船领域的应用前景。

目前，在常规动力航空母舰中，燃气轮机可与汽轮机构成重要竞争关系，几类柴油机均已被排除在主机备选行列之外，因此本文仅对燃气轮机与汽轮机这两类主机进行更为详细的定性对比分析［4］，具体如表1 所示。总体而言，两类热力涡轮机械各具优势，均无法完全取代对方。

就核动力装置而言，通常采用压水堆+汽轮机的组合，但目前也有高温气冷堆+氦气轮机（以氦气为工质的闭式循环燃气轮机）的组合［5］。核动力装置主要具备如下优势：

1）较强的续航能力。

2）可以大幅减少燃料携带量，相应可携带更多的武器设备。

3）减少了高温燃气的排放量，提升了全舰的隐蔽性。

将常规动力航空母舰（以燃气轮机为主机）与核动力航空母舰进行简要对比。由于核动力航空母舰无需携带过多的常规燃料，可有效降低全舰排水量，但其设计及制造成本较高，目前仍亟待优化。虽然仅采用常规动力系统，也能满足航空母舰在作战时的高功率需求，但就目前而言，常规动力航空母舰尚不具备核动力航空母舰的综合作战能力，尤其是在高负荷工况下的续航力与战术机动性明显不如后者。当面对突发的作战部署需求时，核动力航空母舰更具优势，并且能为整个舰队提供更充分的保障，因此总体发展前景更好。

引理 3[13] 每一个顶点至多相邻两个2-点。另外,如果一个顶点u相邻两个2-点v,w,则v和w不与任何的3-圈相关联。

1.2 基于航空母舰技术特点的主机选型要求

考虑到航空母舰的实际航行特点，通常要求主机有着较高功率，并且能够与舰载机起降作业相适配，主机的选型原则总体概括如下。

为满足舰载机的飞行需求，航空母舰的最高持续航速需要维持在27 kn 以上，以便在回收舰载机时能有流速约25 kn 的甲板风，从而对主机的输出功率提出了一定要求。以法国“戴高乐”号核动力航空母舰为例，其采用了核潜艇的反应堆，只能提供约57 000 kW 的推进功率，致使全舰最高航速仅有27 kn。为确保舰载机的作战效能，需要为其选用弹射起飞的方式［6］。航空母舰弹射方式主要可分为蒸汽弹射及电磁弹射。航空母舰如需采用蒸汽弹射方式，则必须采用汽轮机这类主机（含核动力装置），从而可为蒸汽弹射器提供必需的汽源。由此可知，弹射起飞的方式一定程度上会对航空母舰主机选型及其功率下限产生影响。

美国方面自“福莱斯特”级航空母舰起，就要求全舰具有30 kn 以上的航速。因此，通常要求航空母舰的总功率在210 000 kW 以上。以上技术要求对主机类型进行了进一步制约。中速柴油机即便在外型尺寸方面能与航空母舰相匹配，其功率也很难满足全舰的推进及舰载机起降作业需求，目前所能选用的动力装置仅限于汽轮机、燃气轮机及核动力装置这几类。

从全舰的生命力和机动性上考虑，航空母舰必须采用两轴以上的推进方式。除了确保足够的航速之外，也必须考虑到其中一轴在受到战损影响后，而不至于使全舰失去机动能力。此外，机舱布置多单元化，也是确保全舰生命力的一项基本原则。

此外，电能是航空母舰上的一类重要能源，不但要确保航空母舰作战系统和日用系统的电力需求，同样也要满足航空系统及舰载机的电力需求［7］。美国最新的“福特”级核动力航空母舰，很大程度上解决了未来航空母舰对电力的需求［8-9］。

由此可知，采用核动力装置将是各国航空母舰未来最重要的发展方向之一。由于目前多以压水堆作为动力来源，因此同样也需要依存于汽轮机来进行能量转换。而以氦气作为工作的闭式循环燃气轮机也可与高温气冷堆搭配［5］，并作为核动力舰船的动力来源，目前仍在持续研究过程中。

2 航空母舰动力装置发展前景展望

第二次世界大战以后，以航空母舰为代表的水面舰船不断地沿着大型化、高速化和专业化的方向发展［10-11］，其排水量和航速等参数在持续增长，这就要求采用大功率的主机与其适应。多年来，在提升舰用主机的动力性方面取得了较为显著的成就，出现了适用于不同舰型和航速的多种主机。

低速柴油机是一类得到广泛应用的船舶主机。其优势在于燃油消耗率低、寿命长、工作可靠、易于维修保养、造价低且经济性好，但其体积和重量较大，并且该两项指标会随机组功率的提升而迅速增大。尤其是机组高度较大的问题，限制了其在航空母舰等大型水面舰船上的应用。同时，即便是大型低速柴油机，其功率依然有限，较难满足航空母舰的动力需求。

与船用低速柴油机相比，船用中速柴油机体积小、重量轻，且燃油经济性同样较好。因此，随着性能指标的逐渐提升，其在航速较高的小型水面舰船领域的应用也逐年增多。举例而言，扫雷舰、登陆艇等舰型已广泛采用了中速柴油机。但如要应用于航空母舰等大型水面舰船，中速柴油机同样存在功率不足的情况。高速柴油机的功率尚不如中、低速柴油机，因此在最开始便不作考虑。

汽轮机具有功率大、寿命长、工作平稳、使用可靠和易于维修保养的优点。与其他类型的主机相比，汽轮机燃料适应性较好，能燃用煤、重油及液化天然气。因此，汽轮机被广泛应用在排水量高于100 000 t的大型船舶上，以及对振动水平有严格要求的特种船舶上（如大型科学考察船等）［12］。作为现阶段排水量最大的水面舰船，航空母舰领域采用汽轮机作为推进主机有着较好应用前景。

虽然发展年限短于以上几类主机，但燃气轮机已彰显出强大的生命力及广阔的前景。与汽轮机相比，燃气轮机的结构更简单，重量更轻。就目前而言，轻型燃气轮机是水面舰船较为理想的动力装置，其不仅适用于高速快艇，也适用于护卫舰、驱逐舰等中型水面舰船。但由于轻型燃气轮机的燃油消耗率较大、对燃油品质要求较高，所以其经济性目前依然有待提升。同时，单台燃气轮机如要应用于航空母舰等大型水面舰船，则略显功率不足，需要采用多机并车的方式，例如采用COGAG 型联合动力装置的方式。

由于具有功率高、续航能力强、排放少、隐蔽性好、便于机舱甲板布置等显著优势，核动力航空母舰目前是各国竞相研究及开发的对象，以“福特”级为代表的核动力航空母舰将是未来的重点发展方向。截至目前，我国所拥有的3 艘航空母舰均采用常规动力［13］，但随着技术的发展，新型核动力航空母舰也有望加入我国海防武备体系之中。

3 结论

综合全文所述，现阶段在航空母舰领域得到应用的动力装置主要包括汽轮机、燃气轮机及核动力装置这几类。具体而言，大中型航空母舰更趋向采用于核动力装置，而轻型航空母舰则倾向于采用燃气轮机等常规动力装置（为减少燃料消耗，同样可采用COGAG 型联合动力装置）。汽轮机作为一类工作可靠、运作平稳且功率覆盖面较广的主机，可适用于各种排水量的常规动力航空母舰，并且作为核动力装置的主机，有着较为广阔的应用前景。