微观航母之航母的建造

文/希 弦   2016-05-07 06:57:18


文/希 弦



船厂的硬件设施

理论上说,能够建造大型水面舰船的船厂就应该能够建造航母。但航母毕竟不是一般的水面舰艇,它的建造对船厂的硬件设施水平、建造能力要求更高。对于航母的建造,船厂首先要具备的基础设施就是船坞,或者船台。后者在苏联的航母建造中使用过,但相对而言船坞的建造条件更好。

干船坞的大小尺寸与承重能力是建造航母的最基本的两个要素。以纽波特纽斯船厂为例,其拥有两座适用于航母建造的干船坞,其中一座长350米、宽43米,目前只用于航母的维修;另一座为12号干船坞,船坞长662.3米、宽76.2米、深9.9米,下方是1.2米厚的混凝土承重板,可以装配总长332.9米、水线宽40.8米的10万吨级超级航母。而随着航母的预舾装程度越来越高,在干船坞内的航母的自重也越来越重,所以美国计划增加12号干船坞的深度,提高船坞的承重能力。

所以说船坞的尺寸大小是建造航母的基础条件,特别是船坞的宽度直接决定着航母甲板的大小。但一般的造船厂很难有这么大的船坞。例如印度建造国产航母的科钦造船厂和日本建造“出云”号的横滨造船厂,其船坞宽度都没有超过60米,与纽波特纽斯船厂宽76米的大船坞相比有很大的差距。具体来看,印度建造首艘国产航母的科钦船厂,其整体的硬件设备水平仅相当于我国江南造船厂80年代末的水平,其最大船坞主尺度为255×43×9米。而在建的“维克兰特”号在尺寸上也只能是水线长235米、水线宽32.5米、吃水8.4米。即便如此设计,船坞的长度还是有些不足,“维克兰特”号在建造过程中,舰艏还是伸出了船坞。

航母的建造对船厂的硬件要求还有起吊设备,其起吊能力要满足航母最大舰体结构、舰体分段的吊装要求。起吊设备主要是建在干船坞上方的大型龙门吊,其起吊能力必须要大于舰体结构或航母分段的重量。特别是随着航母建造中的分段在预舾装程度上越来越高,航母的分段也越来越重,龙门吊的能力也需随之提升。

美国纽波特纽斯船厂12号干船坞上方安装了一台巨型龙门吊,其最大的起吊能力为900吨(目前已提高到1050吨),沿船坞长度方向的轨道长度为743.7米,主梁跨度164.6米,主梁上有3个起重滑车,每个起重能力为300吨。这台龙门吊除了跨过船坞外,还跨过旁边的装配区,可以很方便地把装配区的分段吊入干船坞。在建造“布什”号航母时,该龙门吊起吊的最重的是飞行甲板中的一个分段,重865吨。

航母的空载排水量几乎是其交付使用时满载排水量的一半。美国海军的最后一艘“尼米兹”级“布什”号的满载排水量为10.2万吨,其完工时的船体结构用钢量为4.7万吨。由此可见,航母的钢材使用量是巨大的。因此船厂为了建造航母,要具备较强的船厂内外运输条件和能力。纽波特纽斯船厂内就有32千米长的铁路,以方便在厂内外重大部件的运输。

普通民用船只的建造,像载重15万吨的散货船,主船体结构用钢在1.5万吨以下。对比航母的建造中高强度钢的使用量,意味着航母的舰体结构更复杂,这必然会给前期的放样号料、切割和加工、大型铸钢件的铸锻生产等各道工序以及随后的分段加工、分段预舾装等任务带来巨大的工作量。因此,船厂的配套车间的设备必须具备一定的加工能力,以及雄厚的技术力量,特别是新技术新工艺,才能更好地满足航母建造的要求,保证航母建造的顺利完成。


◎俯瞰美国建造航母的纽波特纽斯船厂的12号干船坞及其周边的配套作业区等。在建造航母时12号船坞会围出前后两部分,后部用于航母的建造,前部可用于其它民用或军用船只的建造


◎印度建造首艘国产航母的科钦船厂,其整体硬件水平相对落后,“维克兰特”号的尺寸基本是围绕船坞的尺寸来设计的


◎进行“伊丽莎白女王”号航母总装作业的苏格兰罗塞斯船厂,装备的是从上海振华重工进口的“歌利亚”1000吨级巨型龙门吊


◎在航母舰体建造完成后,拖船要将巨大的空船体拖到舾装码头进行舾装作业


钢材加工车间,负责对航母建造钢材的处理,包括除锈、切割等。纽波特纽斯船厂的钢材加工车间面积约2.6万平方米,配备自动喷丸除锈机、数控切割机、激光切割机等,能加工厚度3~150毫米、长18米的钢板。铸造车间,用于铸造航母上的金属构件,面积约2.1万平方米,可铸造的最重金属铸件为66吨。机械加工车间,负责加工航母上各种船用设备,包括大型螺旋桨,以及传动轴等,面积约2.8万平方米,拥有数控机床等各类机床150余台。船体钢结构预装焊接车间,负责舰体分段的加工,车间内有平面分段流水线,面积4.5万平方米,年加工能力20万吨。模块舾装车间,对加工好的分段进行预舾装,面积约11万平方米,主要有分段的自动输送、液压定位设施以及空调设备,可满足各种电子设备对环境的严格要求。部分模块舾装车间带有活动屋顶,分段舾装完成后,可以直接从屋顶上吊出。航母的结构钢材要求高、厚度大,故船厂应有较高的焊接技术和优良的焊接设备,特别是要有对大厚度特种钢材和特殊结构进行可靠焊接的能力。

在航母的主体建造完成后,船厂还要有符合航母吃水深度要求的舾装码头,来完成航母的舾装和系泊试验。航母的舾装步骤大致是:先在分段内完成设备、管线的安装,把分段吊入干船坞完成船体的焊接;航母从干船坞下水,并拖到舾装码头完成下一步舾装,具体包括设备设施的安装、生活和工作住舱的舾装等。美国“布什”号航母在出船坞后先后在两个码头进行舾装工作,其中在1号舾装码头停泊了1年零1个月,在2号突堤式码头停泊了约1年零3个月,并在该码头完成了系泊试验。随着航母预舾装程度的提高,航母在舾装码头停泊的时间也将会越来越短。

如果可能的话,航母的建造船厂还要尽量靠近航母的基地,这样航母的定期进坞维修保养以及中期的现代化升级改造都更为便利。这方面的反面例子,就是苏联时期部署于北方舰队和太平洋舰队的苏联航母,由于母港没有及时建设配套维修设施,大修时必须回到黑海造船厂,使航母常年处于非战备状态,更使整舰寿命过早衰竭。

龙骨铺设是正式开工建造的标志

船舶正式开工建造的标志是龙骨的铺设,这是从古代到近代造船业的传统。因为龙骨是大小船只的最重要的承重结构,位于船的底部。所以,在过去的造船业中,铺设龙骨一般都是整个造船过程中重中之重的标志性事件,只有将龙骨钢板在船坞或船台中铺好并精确定位,然后才能够从底层船壳开始,自下到上一点一点地完成一艘新船的建造。但从上世纪40年代开始,现代造船业包括军用舰艇都已开始应用模块式分段建造,过去的所谓船舶的龙骨,也变成了龙骨分段。


◎图为1990年9月停泊在符拉迪沃斯托克(海参崴)的“明斯克”号航母。这时该舰的命运如这照片色调一般阴郁,舰上锅炉故障,技术状态严重老化。苏联计划该舰返回黑海船厂进行大修,但“明斯克”号最终没有等来大修后的新生,等来的只是除役、作为废铁被拖到了韩国釜山,后又辗转来到我国,在深圳落户为军事主题公园


◎在“福特”号航母的龙骨铺设仪式上,福特的女儿苏姗作为该舰的教母在第一块龙骨上签名、进行焊接,标志着该航母的建造正式开始


◎“福特”号航母的位于舰体中部底层的第一个龙骨分段在干船坞中进行精准定位铺设,后续的建造工作以此为中心向四周和上下延展开来

在美国航母的龙骨铺设仪式上,会专门邀请航母命名者的配偶亲属将名字签在龙骨钢板上,然后再把这块钢板和其它钢板一起焊接成巨大的龙骨分段。就像美国最新的“福特”号航母,福特总统的女儿苏珊(SusanFordBales)签名的钢板只有50厘米见方,而这艘航母的第一个龙骨分段是一块至少40米见方、重达数百吨的庞然大物。

虽说龙骨铺设仪式是航母建造正式开始的标志,但实际上在这官方指定的仪式之前的数月,大量的前期准备工作就已经开始,包括钢板的切割机加、一些分段在预装焊接车间中的建造。随着第一个龙骨分段在船坞中的精准铺设,整个航母舰体的建造由此确立了一个如同三维坐标的原点,后续的建造工作以此为中心向四周和上下延展,开始了“塔式建造”。

塔式建造法与总段建造法

塔式建造法,又称层状塔式建造,顾名思义就是像建造高塔建筑那样,自下而上一层一层的建造。但这种比较传统的造船方式的缺点是:一,作业面操作空间相对较小,需要布置很多脚手架,施工建造速度慢;二,舰体有些部分的建造是在封闭环境下进行的,建造环境比较恶劣;三,建造完成的焊接变形会比较厉害,焊缝收缩严重,既有横向收缩也有纵向收缩。当然,这些塔式建造的劣势是相对于总段建造法而言的。

总段建造法,就是沿着舰体的纵向横切,整个舰体被横切成几个或十几个环形总段,然后再分别建造。这种方法的好处是各总段可以同时开工,然后再焊接合拢,从而大幅减少了在船台上的工作量,缩短了建造时间,船体总变形量也更小。同时预舾装还可以做得很好,这又可缩短建造完成后在舾装码头的舾装时间。这种各总段的同时建造,自然对造船厂提出了更高的场地要求。建造完成后的各总段断面较大,在合拢焊接时对连接断面的对接精度要求非常苛刻。几百根纵骨都严丝合缝地对接在一起,并不是容易的事儿。特别是舰艏、舰艉等处线型变化比较大的地方,更不容易控制精度。

就各总段的断面精确控制而言,即便是在前期设计上对舰体结构、内部密布的管线的设计做到了全面细致、合理精确,但在建造的切割、焊接和装配过程中,随之就会有钢材遇热后的变形问题。这种焊接时的变形、收缩量,又是钢板厚度、焊接电流大小、焊接速度、人为操作等多方面因素综合作用下的不确定结果。可见在总段建造过程中各总段的断面精度控制就有很大的难度。但塔式建造对精度的要求就不会这么苛刻,建造过程中的焊接收缩是逐步累积又释放的过程,即便某一层建造中出现了较大的误差,也可以在下一层或采用相应的反变形措施来消弭。比如说在塔式建造时,舰体首尾段焊接后变形会较大,那么在建造时首尾部分就稍往下放置,焊接后由于变形,首尾部分会向上翘,这就是塔式建造中的反变形处理。


◎美国在DDG1000驱逐舰的建造上采用的就是总段建造模式,全舰分3个总段建造


◎采用总段建造,在合拢焊接时对连接断面的对接精度要求非常苛刻


◎虽然“福特”号仍采用传统的塔式建造,但已经引入了模块化分段建造的理念


◎完成基本的结构建造后已转移到船坞边作业区的“布什”号的舰岛分段,在预舾装后,将被龙门吊吊起转运到船坞中进行组装


虽说美国在最新的“福特”号的建造上仍采用传统的塔式建造,但已引入了模块化的分段建造。“福特”号被分为162个超级分段(“尼米兹”级的最后一艘“布什”号是161个),这些分段在船坞边的预装焊接车间独立建造完成后,由横跨船坞及车间的龙门吊吊入船坞,然后像搭积木一样对接合拢焊接成型。

这种在塔式建造基础上的分段建造,更进一步发展就是总段建造法。苏联黑海船厂在“库兹涅佐夫”号航母的建造中就抛弃了传统的铺设龙骨-构建船肋-敷设船板-安装设备的塔式建造,大胆采用了总段建造这种更高效的建造模式。“库兹涅佐夫”号以机库甲板为分界线,上下总共分为24个总段,主舰体由21个组件构成,组件的最大长度约32米,最宽的组件有相当于整个舰体的宽度,高度约13米。舰体总段在船体预装焊接车间完成装配后,龙门吊先将位于或靠近船体中部的基准总段吊入船台中固定,然后依次吊装前后的相邻总段……所以说,苏联航母采用的这种建造方式,与美国航母的建造方式实质上差异并不算大,只不过舰体“总段”作为“分段”的进一步集成,吨位上更大,其最大舰体即航母的舰岛上层建筑总段达到了1400吨。为此,黑海造船厂在1983年从芬兰科尼公司购入了2台起重能力达900吨的龙门吊,每台高110米、跨度150米,两台联合作业可将1500吨的大型舰体总段吊上船台。


◎“布什”号的最后一个分段舰岛分段被吊装到甲板上,这也标志着这艘航母的主要建造工程已经完成


◎1982年开始,黑海造船厂对0号船台进行了技术升级改造,除了引进巨型龙门吊外,还对船台加长加固,不仅能满足1143.5和1143.6舰的建造要求,还预留了将来建造更大更重的1143.7舰的富余量。图为1143.6型航母“里加”号(“瓦良格”号)建造中的总段吊装作业


◎“伊丽莎白女王”级虽然采用巨型总段建造模式,但建造巨型总段仍需采用塔式建造


◎“伊丽莎白女王”号已进行预舾装的舱室,舱室内灯光系统已经可以使用


“伊丽莎白女王”级的巨型总段建造

这种总段建造方式,进一步发展后即成为今天英国在“伊丽莎白女王”级航母建造中的巨型总段建造(法)。“伊丽莎白女王”号的舰体被分为6个超级巨型舰体总段(其中5个在4000~ 8000吨间不等,最重一个达到了11300吨)、6个中间分段、12个舷台分段和2个上层建筑分段,分别由在德文郡、泰恩赛德、格拉斯哥和朴次茅斯等地的4家公司的6个造船厂分别建造完成,每家船厂都各自完成切割钢板、部件组装、分段组装、总段合拢、舾装,甚至对已经形成系统的单元进行通电调试。巨型总段建成后,通过大型模块运输装置(可运输重达10000吨的总段)将其运至载重驳船上,然后送到罗赛斯造船厂进行最后的全舰成型合拢。虽然“伊丽莎白女王”级采用巨型总段建造法,但每个巨型总段在建造时,还是需要从下到上逐层进行塔式建造,需要更大的车间厂房,对总段陆上运输的模块运输装置、船厂龙门吊的起吊能力也提出了更高的要求。

较于美苏航母在纽波特纽斯船厂、黑海造船厂的建造,英国在其这艘最大的水面舰艇的建造上,由不同船厂共同建造这些总段、分段,6个巨型总段的开工日期前后不到一年,总段建造的并行建造速度以及可短时间内大量建造航母的优势体现得更为明显。“伊丽莎白女王”级的巨型总段建造,体现了英国不俗的国家配套协同能力。只不过“伊丽莎白女王”级只有区区两艘,这种高效的建造方式反倒被解读成在整个英国工业经济不景气背景下的“有饭大家一起吃”之举。

“预舾装”是目前造船领域的常规技术,目的就是把在舾装码头上的舾装工作提前到船坞阶段去做,把在船坞上的工作提前到总段建造中去做,从而将建造过程中线性的工作进程变成了并行推进。英国在“伊丽莎白女王”级的巨型总段建造过程中更是将预舾装发挥到了极致。在某些总段模块中,能看到有些舱室在出厂前就装上了床铺、卫生单元、日光灯,甚至灯光系统都已经可以使用了。这样,舰体总段在车间时即可把其内部的设备、部件等设施的舾装工作提前完成,加快了后期建造工作的进度,总体上缩短了整个航母建造的工期。

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