舰队航母的动力选择

双鹤一凤是日本帝国海军航母技术的巅峰,推进功率 120 兆瓦。


光辉级共建造 4 艘,是二战时期英国皇家海军的顶梁柱,推进功率 81 兆瓦。


建造 2 艘的怨仇级是光辉级的改进型,推进功率 110 兆瓦。


美国海军的埃塞克斯级是历史上产量最大的舰队航母,其生产计划一度达到 32 艘,实际完成 24 艘。该舰推进功率 110 兆瓦,与怨仇级相当,但体型更为修长,吨位与最大航速均在怨仇级之上。



诞生于舰队航母黄金时代的上述型号均由蒸汽轮机提供动力。彼时燃气轮机与核动力几乎与如今的翘曲引擎般科幻,柴油机虽然燃油效率更高,但在功率与可靠性等方面均无法与蒸汽轮机竞争。蒸汽轮机因而成为大型主力战舰动力核心的不二选择。


蒸汽弹射器是英国海军的发明,1950 年装上 R51 珀尔修斯号航母进行测试。



SCB-27A 构型埃塞克斯级,使用 2 条 H 8 型液压弹射器。


SCB-27C 构型埃塞克斯级则安装了 2 条 C-11 型蒸汽弹射器。



二战结束后,随着航空喷气化,武器原子化时代的到来,舰载机的速度与体型急剧膨胀,起飞推重比却大幅度下降。对于新世代舰载机而言,依靠自身动力滑行起飞很快变得不切实际。舰队航母的飞行作业模式相应地从滑跑起飞拦阻回收,过渡至弹射起飞拦阻回收。英国发明的蒸汽弹射器综合性能最为优异,在竞争中击败了美国海军的液压弹射器 (功率不足) 与内燃弹射器 (推力可预测性与可靠性太差),很快便完全统治了西方海军舰队航母的飞行甲板。


要使用蒸汽弹射器,就必须拥有充足可靠的高温高压蒸汽源。弹射起飞拦阻回收型航母的动力选择就此被锁定在了:1) 燃油型蒸汽轮机,也就是通常所说的蒸汽轮机;2) 原子热水型蒸汽轮机,也就是通常所说的核动力。蒸汽弹射王朝一天不倒,上述两个选项以外的动力模式就没有讨论的必要。





舰艇用核动力系统原理示意图。主冷却回路冷却水受到核燃料辐射,无法直接用于驱动蒸汽轮机,必须在蒸汽发生器内进行二次热交换,由此产生的高温高压蒸汽随后驱动推进涡轮与发电涡轮旋转,为推进系统与电气系统提供动力。使用蒸汽弹射器的核动力航母还需要为弹射器供汽。


1972 年是个神奇的年份。当年美国海军量产型核动力航母首舰 CVN-68 尼米兹号下水,最后 1 艘燃油型蒸汽轮机动力水面战舰 FF-1097 开工建造,法国海军末代燃油型蒸汽轮机战舰首舰 D610 图尔维尔号下水。


欧美国家的水面战舰从上世纪 60 年代开始逐渐进入燃气轮机时代。燃油型蒸汽轮机在功率重量比,冷启动速度,可维护性等方面完败于燃气轮机,热效率则不及低端舰艇广泛使用的柴油机,“群众基础” 也日趋薄弱 (燃气轮机的背后是欧美称霸的航空工业,柴油机广泛应用于各类交通工具,蒸汽轮机只在大型电力设施等少数场合能够找到用武之地),在动力选型竞争中节节败退。到上世纪 70 年代中期,西方世界海军新世代水面战舰的动力供应完全被燃气轮机与柴油机所瓜分,只有美国海军的两栖攻击舰与辅助船还在使用二战技术标准的燃油型蒸汽轮机。核动力舰艇已成为蒸汽轮机的最后避难所。


戴高乐级航母进入具体设计阶段时,欧美国家的燃油型舰用蒸汽轮机工业早已坟头长草 (液化天然气船仍在使用蒸汽轮机,以货舱中挥发出来的少量天然气为燃料,但这玩意与舰用燃油型蒸汽轮机完全不是一码事),核动力成为唯一可行的技术路线,其巨大优越性更是令人无法抗拒。法国海军航母建造批量太少,全新研制高功率舰用堆不切实际,选择现成的 K15 型潜艇堆因此完全合乎逻辑。


与通常的想象不同,所谓的无限续航力并非航母选择核动力推进的主要理由。实际上,由于体型庞大,航母的耐力天生惊人,是海军主要作战平台中最没有必要依靠核动力提升长跑能力的选手。


正如民航飞机的最大飞行速度受到音障的限制一样,常规排水型船舶的最大航速受到行波消散速度的制约,也存在一个理论极限,可类比音障,称为波障。船舶在水中运动时产生的行波波长与船只水线长度相当,传播速度则与波长的 1/2 次方成正比,为




即速度 (米/秒) = [(水线长 x 重力加速度) / (2 x 圆周率)] 的 1/2 次方,将速度单位转换为节后,可得出以下近似结论


行波传播速度 = 2.43 x 水线长的 1/2 次方。


低速航行时,行波传播速度远大于航速,能量迅速消散,波高很低,船舶总阻力由以摩擦阻力为代表的粘滞阻力主导,随着航速提高,兴波阻力逐步增大,中等航速时与摩擦阻力平飞秋色。中低速航行时,阻力与航速的 2 次方成正比,推进功率因此与航速的 3 次方成正比。


高速航行,船速接近行波传播速度,即波障时,兴波阻力的主要来源船首波无法及时消散,能量不断叠加,波高迅速增大,兴波阻力主宰阻力构成,并成航速的 4-5 次方增长,推进功率于是以航速的 5-6 次方提升。


水线长度越长,波障航速越高。尼米兹级航母的水线长度达到 317 米,波障航速超过 43 节,全速冲刺时仍远未进入高兴波阻力区。相比之下,水线长 142 米的 DDG-51 伯克级导弹驱逐舰的波障航速只有 29 节,高速航行过程中必须时刻与兴波阻力进行艰苦卓绝的斗争。尽管排水量不到尼米兹级的 1/10,伯克级的设计推进功率却达到尼米兹级 (设计推进功率基线值为 24 万轴马力) 的 44%,功率密度几乎是尼米兹级的 5 倍。


显而易见,同样以设计最高航速狂奔时,即使大型航母的自用燃油系数不到驱逐舰的 1/2,其续航力仍能达到驱逐舰的 2 倍以上。正因为这样,当美国海军开始筹划核动力作战平台时,优先级紧随潜艇之后的并不是舰队航母,而是理论计算与战争实践均反复确认的短腿油老虎 - 驱逐舰。


对于舰队航母而言,核动力的真正价值在于:

1. 消灭进排气系统

2. 动力响应迅速


高速行进中的 CV-67 肯尼迪号航母,其废气烟云清晰可见。


CVN-78 福特级的舰岛体积紧凑且位置非常靠后,为航空器在飞行甲板上的调度保障提供了最大限度的连贯空间。


核动力航母的舰岛无须支持常规动力系统的进排气管道,体积小且位置灵活,有利于降低舰岛尾流,优化飞行甲板布局,提高舰载机飞行作业的效率和安全性。高温废气排放的消失意味着上层建筑和停放在甲板上的飞机不再受到燃烧产物的腐蚀,地勤人员拥有更为清洁健康的工作环境,下降航道上的舰载机吸入污染物烟云的问题也迎刃而解。


所有类型热机的燃效均随负荷降低而变差。中速航渡过程中常规动力航母往往关闭部分原动机以节省燃料。美国海军的常规动力中大型航母装有 8 个燃油锅炉 (每对锅炉驱动 1 台主推进轮机),巡航状态下其中 1/2 处于闭缸状态,指挥官可随时调用的有效功率从 8 台锅炉全部点燃时的 200 兆瓦以上锐减至 100 余兆瓦,在满足基本的推进与电气功率需求后所剩无几。蒸汽轮机热惯性巨大,热电设施使用的千兆瓦级蒸汽轮机冷启动耗时可长达 10 小时以上。航母使用的小家伙自然没有如此夸张,但冷启动仍需至少 90 分钟,军情如火之际显然是缓不济急。燃油型蒸汽轮机航母因此必须在省油但动力响应迟钝的闭缸经济挡,与 8 缸全开,动力响应迅速但油耗急剧上升的运动挡之间进行非此即彼的选择。


由于剩余功率不足,1/2 锅炉闭缸的常规动力航母从 10 节加速至 20 节耗时达到 150 秒。加速至 30 节需要等待闭缸锅炉冷启动完成,足够看完一部动画长片。相比之下,核动力航空母舰的原子能锅炉时刻处于热机状态,动力随叫随到,从 10 节加速至 20 节只需 90 秒,从 10 节加速至 30 节仅用 180 秒,动力既充沛且线性。平台功率密度相同时,核动力航母的加速能力绝不会逊色于以燃效出色的柴油机满足基础负荷,由冷启动能力优秀的燃气轮机应对高峰负荷的柴燃联合动力航母。


英国海军的女皇级是具有代表性的柴燃联合动力航母,依靠电传动技术极大地改善了舰岛布置的灵活性,燃气轮机上置则有效地减少了大截面进排气系统对舰内空间的侵蚀。女皇级的柴油发电机组典型负载耗油率为 177 克/千瓦时,MT30 燃气轮机满负荷工况耗油率 207 克/千瓦时,中等负载油耗不超过 275 克/千瓦时。相比之下,CV-63 小鹰级航母的蒸汽轮机典型负载油耗为 375 克/千瓦时,但近年来建造的大型液化天然气船 56 兆瓦级蒸汽轮机的典型工况耗油率已下降至 240 克/千瓦时。


核燃联合并不是航母动力的合理选择。电传动虽可规避动力舱室与传动系统复杂化,以及舰岛位置受到限制的问题,舰岛肥化与废气排放的双重缺陷却仍然无解。高位安装于右舷的燃气轮机发电模块不仅侵蚀了宝贵的顶层重量,也令大甲板舰队航母普遍存在的右重(舰岛在右,飞机升降机多数/全部在右)左轻现象雪上加霜,从而需要采取额外的配重措施实现平衡。况且对于法国的紧凑型核动力航母而言,电传动实在是远远超越时代,遥不可及的云端馅饼。


实际上,戴高乐舰最为核心的弱点并非动力羸弱,而是体型太小。


戴高乐号全长仅 261.5 米,飞行甲板空间极其紧张,被迫选用 2 条做功行程裁短 18.3 米的阉割版 C-13-3 型蒸汽弹射器,弹射能量较美国海军使用的全尺寸版本下降超过 1/4。假设舰体线型不变,若将设计航速从 26.5 节放宽至 25 节,戴高乐舰的排水量将可上浮至 55000 吨,全长增加到 285 米,从而得以部署完整版 C-13 型蒸汽弹射器。以损失 1.5 节甲板风速交换 1/3 的额外弹射能量,这生意简直是肥得流油......


卡特政府时期设想的 6.3 万吨级满载排水量 CVV 中型航母,设计推进功率不到 75 兆瓦,功率密度比戴高乐舰还要低差不多 18%。


无庸讳言,核动力性能优势明显却也代价不菲。1998 年美国总审计署对 CV-9 埃塞克斯号至 CVN-76 里根号的 27 艘舰队航母进行统计分析后发现,以 1997 财政年度的美元计价,常规动力航母平均造价为 35191 美元/轻载排水吨,核动力航母则达到 51549 美元/轻载排水吨,二者之比为 100/146.5。至里根号为止的 9 艘尼米兹级均价达到 39 亿美元,几乎是王师海军末代常规动力航母 CV-67 肯尼迪号 21 亿美元造价的 2 倍。总审计署据此认为,轻载排水 78741 吨的大型核动力航母造价将达到 40.59 亿美元,而轻载排水 58268 吨的中大型常规动力航母则只需要 20.50 亿美元。按照服役 50 年计算,大型核动力航母的全寿命使用成本为 148.82 亿美元,比中大型常规动力航母的 111.25 亿美元高出 1/3。


美国海军对总审计署那帮吝啬鬼的结论深感不以为然。根据海军方面的评估,技战术指标向尼米兹级看齐的现代化常规动力航母,满载排水量需较尼米兹增加至少 5000 吨,而全寿命成本仅比尼米兹节省 7%。



美国海军代表性常规及核动力航空母舰每轻载排水吨的采购成本(1997财年美元币值)


美国总审计署1998年提交的服役周期为50年时常规动力航母与核动力航母的全寿命运作与支持成本 (单位亿美元,1997财年币值)

常规动力航母核动力航母直接费用人员46.3652.06化石燃料7.38-维修保养41.3057.46其它9.337.24间接费用训练1.6111.07运输化石燃料4.69-核能支持设施-20.45其它0.580.53总计111.25148.82

美国总审计署1998年提交的服役周期50年时常规动力航母与核动力航母的全寿命成本 (单位亿美元,1997财年币值)

常规动力航母核动力航母平台直接投资29.1664.41采购20.5040.59中寿升级8.6623.82 运作与支持111.25148.82退役处理0.538.99 年均全寿命成本2.824.44

帝国海军及国防部提交的航母成本分析,服役周期为50年 (单位亿美元,1997财年币值)

达到尼米兹级技战术指标的常规动力航母尼米兹级CVN-76

里根号核动力航母小鹰级CV-67肯尼迪号常规动力航母全寿命成本211.47227.45189.52 平台直接投资47.7665.7838.26采购35.2844.0828.45中寿升级12.4821.709.81 运作与支持163.07156.42150.76人员88.0791.1786.00维护48.7054.0543.33其它26.311.221.43 退役处理0.645.250.50



作为大甲板核动力航母路线的坚定贯彻者,美国海军自然难以做到不偏不倚,但总审计署以裁减政府开支为最高使命,分析航母成本时方法论存在问题。总审计属取样的 4 级 17 艘常规动力航母全部完成于 1969 年之前,加入舰队的平均时间点为 1952 年。而核动力航母除 1961 年服役的 CVN-65 之外皆在 1975 年之后服役,加入舰队的平均时间点为 1986 年。由于系统复杂性增加,人力成本提高,生产批量降低,国民经济去工业化等原因协同作用,二战结束以来美军大型武器平台的价格如雨后春笋般节节攀升。


以 2005 年美元计价,1967 年时美国海军核动力航母的单价为 30.36 亿美元,到 2005 年上涨至 60.65 亿美元,年均实际增长 1.84%。以 1.84% 年率爬升 34 年后,常规动力航母的平均造价将从上世纪 50 年代初的 35191 美元大幅度上升到 80 年代中叶的 65362 美元,按轻载排水 58268 吨计算每艘造价达到 38.1 亿美元,与同时期吨位更大的核动力航母已经没有实质性差别。


当然这样的计算并不完全科学。肯尼迪号开工后从 4 核岛方案改回常规动力,单艘构成独立亚型,对成本控制显而易见造成了不利影响。然而,即使考虑到核安全标准不断提高,柴燃联合动力模块价格相对低廉等因素,目前技术条件下,大型航空母舰采用核动力导致的采购价增量仍不超过 25%。


航母-舰载机武器系统全寿命开销的最主要部分来自舰载机的维护保障费用。满编舰载机联队的采购价大致与舰队航母平台相当,全寿命期运作成本大致为购入价的 3 倍。航母平台服役周期内其舰载机至少完成 1 次更新换代。保守假设核动力化带来的洁净环境使得舰载机运作费用平均下降 5%,航母服役周期内节省的舰载机维护保障开支即可达到航母平台原始采购价格的 30%。


美军舰队航母名义单价增长史。稳步上升的节奏早在核动力成为现实前就已确立


显然,只要技术允许,即便没有蒸汽弹射器这一决定性因素,大甲板舰队航母也应选择纯核动力方案。


对于纯滑跃起飞航母,或是使用内燃弹射器/电磁弹射器的弹射起飞型航母而言,为弹射器源源不断地提供高温高压蒸汽不再是动力总成设计必须考虑的问题,平台总有效功率由推进功率与电气功率两大部分构成。电气功率取决于计入增长余量后的预期电力负荷,推进功率则主要由平台吨位与设计航速决定。


航空母舰该造多大已经无需赘述。平台设计航速则需要稍微掰扯掰扯。舰队航母动力性能的核心驱动因素向来是战术机动能力而非舰载机对甲板风的需求。若甲板风过强则地勤人员无法正常开展工作,舰载机的整体运作效率将相应下降。即使在平静无风的天气里,航母以 28 节速度前进时,飞行甲板上的风力就已达到 7 级。在浪高 1 米,风速 10 节的 3 级海况下,以 25 节速度逆风而行的航母,飞行甲板合成风速已达 35 节,相当于 8 级强风。实际上,放飞与回收舰载机时,航空母舰通常以中等速度航行。高速冲刺往往发生在飞行作业结束,航空母舰重新回到舰队基准航向,全力追赶编队其它成员的过程中。


舰队航母的最大航速因此主要由下列因素决定:

1. 确保航母在正常运作舰载机的情况下能够跟上以巡航速度前进的舰队。根据英国海军的计算,这意味着航空母舰的冲刺速度 (略高于最大持续航速) 必须比舰队巡航速度高出 13 节。考虑到相对于驱逐舰等吨位较小的平台,航母实际航速受风浪影响更少,以及现代战争条件下单波次放飞规模下降的因素,该数值尚可适当放宽,但仍不宜低于 10 节。

2. 保证航母相对于敌方战列舰拥有足够的速度优势,进可攻如雷霆,退时迅捷如兔。这是黄金时代航母设计者需要认真考虑的因素,在现代战争条件下早已不再适用。

3. 保证航母的持续快速机动能力。长时间高速航行有利于规避敌方的侦察监视 (位置不确定性随航速的平方增长),依托恶劣气象条件掩护抵近目标发起突袭 (譬如二战时趁着夜色刺入陆基航空兵力覆盖范围),挫败敌潜艇的攻击企图 (攻击型核潜艇的低噪音战术航速很少能超过 20 节),即使在现代战争条件下也极具价值,是强国航母必须具备的基本性能。

4. 机动规避敌方来袭兵力兵器。


美国海军主力水面战舰的巡航速度达到 20 节,其航母兵力不仅用于海外干预,还需绷紧大国竞争这根弦 (后冷战时期有所放松,但也没有忘到九霄云外)。美军舰队航母的设计航速因此始终高于 30 节。CVV 之类从一开始就不打算北上叩关的 “经济型” 航母另当别论。


法英两国海军对于大国竞争早已放弃治疗。其舰队航母本质上是浮动的战术航空基地,只求能够修理卡大佐之流的菜鸟。由于远洋任务有限,英法两国水面战舰的设计巡航速度往往只有 15 节左右,航母能稳定地跑出 25 节实际上就够用了。


中国海军多数现役水面战斗舰只的巡航速度为 18 节,舰队航母应能以 31 节航速冲刺。


得到推进功率,排水量,航速三个变量后,可计算出所谓海军部系数 Admiralty Coefficient (吨位的 2/3 次方 x 航速的 3 次方后,除以推进功率),以比较不同舰艇的水动力性能。海军部系数数值越高,说明水动力性能和推进效率越好。舰队航母体型庞大,冲刺速度远离高兴波阻力区,全速航行时的海军部系数通常可达 260-280 (功率单位马力,排水量单位吨,速度单位节)。取保守值 260,则 8 万吨航母以 31 节速度航行时需要 21.3 万马力,也即接近 160 兆瓦的推进功率。10 万吨航母以 31 节速度航行时需要 24.7 万马力,略高于 180 兆瓦的推进功率。


考虑到中国海军航母船体线型受到基础设施限制较小 (美国海军航母的舰宽受到船坞限制无法增加,为了保证容积被迫选用较为方正,水动力性能相对较差的船型),能够为水动力性能充分优化,将海军部系数值取为 280 是可行的。此时 8 万吨航母 31 节航速需要的推进功率为 19.8 万马力即不到 150 兆瓦,10 万吨航母 31 节航速需要的推进功率为 22.9 万马力即大约 170 兆瓦。


尼米兹级的电气功率为 64 兆瓦,目前已显得捉襟见肘。福特级的电气系统装机功率较尼米兹级增长 150%-200% (前者为底线值,后者为理想值),可在单岛停机的状态下保证作战能力。据此可以认为电磁弹射型大型舰队航母的电气功率至少应该达到 80-100 兆瓦。如果简单地将推进功率 (推进系统采用机械传动) 与电气功率求和,那么 10 万吨级 31 节舰队航母的总有效功率应该达到 260-280 兆瓦 (海军部系数取保守值 260)。


如前所述,飞行作业时航空母舰实际上不需要全速航行,因此采用综合电力推进的航母可以适当放宽总有效功率指标。海军部系数 280 的 10 万吨级航母以 28 节速度航行时,推进功率为 16.9 万马力/124 兆瓦。这样全舰综合电气功率应该达到 220 兆瓦级,保险起见增加 10% 冗余后为 240 兆瓦级。相比之下,英国海军女皇级的综合电气功率为 110 兆瓦级,最大推进功率为 80 兆瓦。


如果选择 4 核岛方案,240 兆瓦全舰综合电气功率即分解为 60 兆瓦单岛电气功率。以目前的技术水平,空间限制相对较小的舰用反应堆的热效率可达 30%,60 兆瓦电气功率意味着 200 兆瓦级热功率。美苏两国海军冷战末期推出的大功率潜艇堆的热功率均已达到 200 兆瓦级水平,4 核岛航母与潜艇共享基本堆型完全可行。通过技术改造,该型反应堆在服役周期内有可能将电气功率提升至 70 兆瓦级 (在堆芯热功率与全系统热效率两方面做文章),从而使 4 核岛航母的综合电气功率达到 280 兆瓦级。


除供应核潜艇 (受到潜艇动力舱空间限制热效率较差,有效输出功率将小于舰用型) 与航母之外。200 兆瓦热功率反应堆还可用于驱动排水量超过 2 万吨的大型导弹巡洋舰 (2 套),排水量超过 7 万吨的核动力快速战斗支援舰 (2 套),大型豪华游船 (1 套,另外安装至少 1 台大功率燃气轮机电站用于调峰)......其批量生产带来的规模效益 (工业生产的普遍规律是,产品单价随着产量的翻倍以固定比例下降,譬如第 2 台比第 1 台便宜 10%,第 4 台比第 2 台便宜 10%,依此类推) 将抹平 4 核岛航母与 2 核岛航母之间因动力模块数量不同而导致的成本差异。对于缺乏海外基地的中国海军而言 (基地群成本极高,美国海军保障设施完备的基地全部依托发达国家布局,中国没法这么玩。另外还需要考虑大肆扩展海外基地群的政治代价),远洋作战舰队核动力化是必须认真考虑的课题,使用通用堆型的 4 核岛航母因而颇具竞争力。

编辑于 2018-03-21