走:高效机动的快腿

文/武 为   2016-12-16 16:32:37

走,就是水面作战舰艇进行机动的行为。作为水面舰艇作战行动的重要支撑和方式,良好的机动能力不仅有助于舰艇躲避或摆脱敌方攻击,阻碍敌方武器的使用或降低其效果,同时也有助于抢占和保持有利阵位,充分发挥己方武器的威力。对于现代水面战舰来说,“跑得快、走得稳、待得久”是基本要求。

跑得快:快速机动能力

航速是舰队整体行动的基本保障,没有哪个国家的海军希望自己的舰队缓慢得像静止靶标一样供敌方练习反舰武器。并且,较高的航速还能为水面舰艇在近程防御系统被突破后提供最后的“绝命机动”。因此,最高航速一直是水面作战舰艇的重要战技指标之一,其主要由舰艇动力装置所能提供的最大推力和行进中遇到的各类阻力决定。

推进系统:螺旋桨的“空化”制约 动力是决定水面舰艇最高航速的根本因素,没有足够的动力一切机动行为都是“空中楼阁”。二战以来,尽管水面舰艇动力装置在输出功率上有了长足进步,但由于推进系统没有发生类似于飞机从螺旋桨推进到喷气推进的革命性变化,因此,水面舰艇的推进功率并没有实质性的提高,从而导致舰艇的最高航速难以取得突破。目前来看,大中型水面舰艇依旧采用螺旋桨推进方式,而螺旋桨在转动过程中产生的空化现象是制约舰艇推进功率的主要因素。众所周知,在标准大气压下,温度达到100℃,水就会沸腾,“沸腾”的表现就是冒气泡的现象。不同温度下,水沸腾的压强是不同的,这个压强称为饱和蒸汽压,也称蒸汽压。

舰艇螺旋桨在达到一定转速后,桨叶吸力面上的最大流速处的压力降到该处温度下的饱和蒸汽压,此处的水流就会沸腾,从而在桨叶吸力面上形成了大量气泡,随着螺旋桨转速继续提高,空泡区域会逐渐扩大直至覆盖整个吸力面,这就是所谓的空化现象。

空化现象分为两个阶段:如果空泡已经出现,但还没有扩展到桨叶的整个吸力面,则属于第一阶段;当空泡已扩展至桨叶的整个吸力面,并且越出其边界时,则属于空化的第二阶段。在第一阶段空化时,沿桨叶的压力分布发生了变化,但由于压力分布面积的减小能为这种压力的重新分布所增加的部分所补偿,因此它对螺旋桨的推力、力矩和效率均不会产生影响。当进入第二阶段时,桨叶吸力面上的压力将稳定在饱和蒸汽压力值上,但其推力面上的压力将总是随着绕流速度的增加而降低,这样,螺旋桨的转动效率也将随之下降,从而导致舰艇航速受限。

螺旋桨的空化现象最早由英国人发现。1894年,英国研制的小型驱逐舰“勇敢号”试航时,螺旋桨转速只能达到384转/分,比额定设计转速低1.54%,几经调试,直到1897年,项目总师才摸清原因,并发表论文说明是由于螺旋桨发生了空化现象,但并未引起关注。过了20年,当英国研制的新鱼雷艇“德林”号驶入大西洋试验时,空化现象依然牢牢锁定住了本应提高的航速。此后,人们才开始逐渐重视如何采取措施尽最大可能抵消螺旋桨空化现象所产生的负面效应。

如今,水面舰艇的推进系统正处于变革阶段,已出现了喷水和半潜桨的推进方式,但这些新技术还仅仅局限于小型舰艇,在大中型舰艇上还暂时看不到未来。短期来看,采用传统推进方式的水面舰艇,即使在高速性能上下大力气,其最高航速也不会有较大突破(水翼艇、滑行艇等除外)。于是,如何优化船型设计以减小行进阻力就成为了提高舰艇机动力的主要途径。

舰艇线型:优化但不能消除的阻力 舰艇在航行中,会受到两个层次的阻力,水面以上部分所受阻力主要来自于空气,水面以下部分阻力主要来自于水流。这大致分为摩擦阻力、涡旋阻力和突出体阻力三种。摩擦阻力指舰艇与流体摩擦产生的阻力;涡旋阻力的产生是因为流体在经过舰艇尾部时会突然失去舰艇表面的“吸附力”而不得不与舰艇表面“分离”,这样在舰艇尾部形成了一个低压区,周围的气流(水流)向低压区补充产生了涡旋,而舰艏所受压力一直存在,这样头尾所形成的向后压力差就是涡旋阻力;突出体阻力指舰艇整体外突出部分所受的阻力,像螺旋桨、舵等附件所受阻力都属于此类。从流体力学原理可知(物体所受阻力大小与CρSV有关,C为阻力系数,该值通常是实验值,和物体的受力面积、光滑程度和整体形状有关;ρ为流体密度;S为物体受力面积;V为物体与流体的相对运动速度),水面舰艇所受阻力随着航速的增加而显著变大(特别是摩擦阻力,其在低速时占总阻力较小,高速时占比大,甚至达到50%以上),而流体密度通常为固定值,因此,减小阻力大多从减小受力面积入手。这里主要包括两个方面的内容:一是优化水下舰体设计;二是优化上层建筑设计。

◎美国海军“独立”级濒海战斗舰采用穿浪三体船型设计,其两侧水线部分非常狭窄,在保证高速性能的同时也兼顾了高海况下的稳定性优化水下舰体设计。在水下部分,舰艇主要通过减小舰体与水接触那部分面积来降低阻力,也就是采用较窄的流线型舰体设计。例如穿浪体也有利于减小水下阻力,它利用狭窄锋利的舰艏将行波切开,达到减阻效果。由于舰艏体积小,占舰体总浮力比例小,舰体不会在舰艏波作用下抬头埋尾,而是破浪前进,原理与超音速飞机的尖锐机头颇为相似。伊拉克战争中,美国陆军“先锋”号穿浪双体高速运输舰的航速达到了48节,从美国东海岸到科威特仅需 17天,而普通后勤支援舰的航速仅10节,同样航程至少要40天。当然,舰体不能设计的过于狭窄,毕竟还要考虑到行进的稳定性,这样就出现了采用多体设计的舰艇,例如中国海军022型导弹快艇和美国海军的“独立”级濒海战斗舰等,兼顾了高速和稳定,但容量不及单体船。另外,水面舰艇所受到的水流阻力除了上述三种阻力外,还有兴波阻力,即舰艇在行进时产生的波浪和水面的波浪共同作用的阻力。针对这个问题,大中型水面舰艇除采用上述较窄的流线型舰体设计外,普遍通过安装球鼻艏的方式抵消兴波阻力,减阻效果可达15%~25%。不难发现,上述设计都是从优化排水型舰艇的传统线型的角度来降低水流阻力,随着技术的发展,现在已出现全新线型的设计。例如采用小水线面设计的美国海军IX-529“海影”号隐形实验舰,其大部分浮力由潜体产生,水线截面比穿浪体更小,形状更为狭长,减阻效果也就更好。还有滑行体和半滑行体设计,这种设计利用冲压力将舰体抬出水面,骑行于舰首波之上,而不像常规排水型舰艇那样推开或“翻越”舰首波,因此航速得以大幅度增加,例如各国海军装备的气垫艇就是滑行体设计,而美国海军装备的“自由”级濒海战斗舰则采用的是半滑行体设计。此外,还有模仿飞机机翼升力原理的水翼式舰艇,其利用类似于机翼的水下升力面在航行时产生的动升力,将船体抬出水面,使得浸润面积和水线面积大幅度减少,摩擦阻力和兴波阻力明显降低。不过,上述新线型的设计仍然只能应用于中小型水面舰艇,排水量3 000吨的“自由”级濒海战斗舰已是其中最大,况且还承受着高功耗的巨大压力,大型水面舰艇依然只能在传统线型上不断优化。

优化上层建筑设计。在水上部分,舰艇主要通过简化上层建筑设计和缩小上层建筑规模来降低空气阻力。例如通过集成各类电子设施以简化舰桥设计,将各类武器系统埋入甲板下方以缩小上层建筑规模等等措施。如今,各国海军新一代水面舰艇都在努力减小上层建筑尺寸,过去天线雷达林立的舰桥将一去不复返。美国海军“朱姆沃尔特”级驱逐舰的舰桥甚至已经基本与舰体融合,并且形状较为规整,这种设计将大幅减小空气阻力的影响。实际上,根据上述计算流体阻力的公式,同一个物体(阻力系数C值相等)在相同的速度和受力面积下,受到的阻力与介质密度关系较大。由于正常情况下水的密度是空气的近800倍,这样在相同条件下粗略计算,水流阻力是空气阻力的近800倍,这就是为什么人在陆地上可以自由奔跑,但在水中就举步维艰的原因。因此,水面舰艇所受到的阻力大小更多的还是由水流阻力决定,空气阻力一般仅占总阻力的不到1%。

最大航速:波障的羁绊 既然水面舰艇航速受到推进系统性能和各种阻力的综合限制而难以向上突破,那么,对于舰艇设计者而言,如何达到航速和经济性之间的平衡就显得非常重要,毕竟现代海战对舰艇速度的要求并没有几十年前那么高,为了追求无伤大雅的速度而大幅牺牲功耗显然并不值得。从这个角度来说,确定水面舰艇最大航速指标是保证作战效能发挥的重要前提。

常规排水型舰艇的最大航速会受到行波消散速度的制约,存在一个理论极限,可称为“波障”,这与对战斗机最大飞行速度限制的音障类似。根据流体力学理论,行波的传播速度与波长成正比,而舰艇在水中运动时产生的行波波长与舰艇水线长度相当,因此,行波传播速度与舰艇水线长度成正比,并且是水线长度二分之一次方的倍数。舰艇低速航行时,行波传播速度远大于舰艇航速,波浪能量迅速消散,舰艇所受水流阻力以摩擦阻力为主。随着航速提高,兴波阻力逐步增大,当舰艇航速接近行波传播速度,舰艏波无法及时消散,兴波阻力能量不断叠加,从而形成波障。正如战斗机突破音障需要发动机打开加力一样,常规排水型舰艇突破波障也需要大幅增加推进功率。

◎中国海军022型导弹艇采用了穿浪双体船型设计,能够达到40~50节的超高航速。其水线以下部分如刀片一般,浸润面积和水下截面积很小,因此能够大大减小航行中的阻力

◎美国海军“海影”号隐身实验舰采用了小水线面设计,试验中曾跑出55节的惊人速度,可以看到其水下部分截面比穿浪体更窄,相同排水量下高速性能较前者更佳

◎美国海军“飞马座”级巡逻艇采用了水翼式设计,航行时舰体基本浮于水面以上。这种设计在提高航速上的原理与滑行体相似,不过因为设计制造难度的原因使其只能应用在排水量不超过1 000吨的水面舰艇上

◎中国海军724型气垫登陆艇采用滑行体设计,艇体整体浮于水面,消除了水下阻力,只有与水面的摩擦阻力,使得航速大大提高

◎美国海军最新一级航母首舰“福特”号,水线下方红色部分为球鼻艏,能够有效减小舰艇航行时的兴波阻力例如,水线长317米的“尼米兹”级航母的波障速度约为43节,以31.5节的设计最大航速机动时,处于中等航速区间,194兆瓦的最大推进功率绰绰有余,甚至只需要130兆瓦就够了。而水线长142米的“伯克”级导弹驱逐舰的波障速度大约是29节,其要达到31.5节的航速所需的推进功率比达到29节时要高出51%~64%。故而,尽管“伯克”级的排水量仅为“尼米兹”的1/10,但推进功率却高达75兆瓦,功率密度是后者的4倍。显然,由于波障的存在,大型战舰比中小型战舰更容易达到较高的航速。因此,大型水面舰艇通常将最大航速控制在波障速度四分之三的区间内,以保证舰队其它战舰能够有效避开兴波阻力的高指数上升区,确保舰队高速行进的一致性。需要明确的是,舰艇的最大航速指标是一个下限值,一般在设计任务书里都会这样描述:“设计最大航速不低于××节”,并非是舰艇航速的极限。

不过,正如突破音障后空气阻力会有所下降一样,舰艇航速在突破波障区(大约是波障速度的0.9~1.2倍)后,兴波阻力也会出现一定程度的降低。因此,二战时的大中型战舰依靠超强的动力和细长的舰型,能跑出超过40节的高航速,当然,能耗也是非常惊人的。

走得稳:战场适应能力

与陆上装备或者水下装备相比,水面舰艇的作战使用环境更为恶劣,虽然几千吨的舰艇看起来很高大很威猛,但在广阔无垠的大海上,也不过是沧海一粟。实际上,无论是貌似风平浪静的印度洋,还是终年恶浪翻天的北大西洋,任何水面舰艇都可能随时葬身于突如其来的狂风暴雨。1944年12月,美国海军第58舰队在菲律宾中部的民都洛岛附近遭遇17级台风,3艘驱逐舰沉没,2艘航空母舰严重受损,146架舰载机被抛入大海,近800人死亡或失踪;1945年6月5日,美国海军太平洋第三舰队第1特混大队,在九州-冲绳海域碰上18级台风,36艘舰船受到中等程度破坏,其中包括3艘战列舰、2艘大型航空母舰、2艘轻型航空母舰、4艘护航航空母舰等多艘大型战舰,损失飞机142架。或许在军人的眼里,为了抓住稍纵即逝的战机或者生机,舰艇必须具备较高的航速,但在设计师眼里,航行的稳定性绝不可忽视。如果经不住海浪狂风的侵袭而舰覆人亡,再快的速度也只是纸上谈兵。

浮稳性:保证平衡的关键 浮稳性是水面舰艇首先要考虑的基本指标,它决定了舰艇航行的平稳程度,包括浮性和稳性两个方面的内容。

浮性是指舰艇承载一定重量后保持一定浮态的性能,即漂浮在水面上的能力。舰艇浮性由两个“心”决定:一个是舰艇本身以及所载物品、人员重量引起的重力,方向垂直向下,它的作用点称为重心;另一个是水压所形成的浮力,方向垂直向上,它的作用点位于排水部分的中心,称为浮心。舰艇在水面上平衡漂浮的条件是:重力等于浮力,且重心和浮心位于同一铅垂线上。然而,当舰艇受到风浪等外力干扰时,浮心和重心就不会始终保持在同一铅垂线上,舰艇就会发生倾斜,造成排水部分形状及浮心位置改变,这时就需要考验舰艇的稳性。

稳性是指舰艇在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜,舰艇具有抵抗外力并当外力矩消除后舰艇还具有恢复原来平衡状态的能力。这里面包含两层意思:一是舰艇倾斜之后能自动扶正;二是持续倾斜到一定角度不会翻沉。那么,舰艇在倾斜的时候,是什么力量让它自动回摆的呢?答案是复原力矩。具有适当稳性的舰艇会在浮力和自身重力的共同作用下,产生复原力矩以抵消外力矩的作用以免倾斜继续扩大。当外力矩消除后,复原力矩使舰艇浮心重新被调整到和重心同一铅垂线上(实际中表现为经过一定的周期性摇摆),从而再次获得平衡。这种复原能力就是舰艇稳性的主要表现。

◎美国海军“尼米兹”级航母在测试高速转弯时发生的横倾现象,显然,这种情况下是无法进行甲板作业的舰艇的浮性研究的是水面舰艇的平衡问题,稳性研究的则是恢复平衡的问题。因此,浮稳性决定了水面舰艇的航行姿态(包括正浮、横倾、纵倾和任意倾斜四种状态),一般在设计时要求舰艇保持正浮,或略带尾倾。即保持舰艇的重心与浮心重叠或重心的纵向坐标比浮心的纵向坐标稍靠后,这样舰艇无论是在机动或者作战中都能保持良好的姿态。因此,水面舰艇在设计建造和实际使用中都要注意控制重心位置,以保证具有良好的浮稳性。

适航性:“乘风破浪”的底气 适航性是评价水面舰艇作战性能的重要指标,通常用完成某项任务的最大海况等级表示。比如,某型航母可在八级海况下起降舰载机,某型驱逐舰可在九级海况下安全航行,某型护卫舰可在六级海况下发射导弹等等。适航性好的舰艇,在风浪中能保持较小的摇摆幅度和较大的摇摆周期,从而为武器发射、舰载机起降、雷达观察提供一个良好的平台,并能在风浪中保持较为稳定的航速、航向,大幅拓展水面舰艇的作战范围。

也许有人会产生疑问:稳性与适航性都描述舰艇摆动问题,两者是否为同一概念的不同表述?答案当然是不。前者主要描述舰艇从倾斜到平衡的恢复能力,扶正速度越快说明稳性越好,注重的是结果;而后者则主要描述舰艇保持平衡的能力,摆动幅度和频度越小说明适航性越好,注重的是过程。因此,就像上面提到的,水面舰艇在设计使用时要特别注意控制重心的位置。重心低了,与浮力作用线距离更远,复原力矩就越大,舰艇扶正的速度就越快,稳性越好。但从适航性的角度来说,最好的情况是舰艇慢悠悠的小范围晃荡,这就要求复原力矩尽量小。减小力矩的方法,就是升高重心,拉近和浮力作用线之间的距离(当然,重心的高度是有一个限度的,不能无限升高,如果超过稳心的话,浮力就会由扶正力矩变成一个倾覆力矩,也就是加速船的倾斜)。这样,就需要从适航性和稳性两方面综合考虑,寻求一个平衡点,获得最佳的摇摆节奏。

既然获得良好的适航性的办法是减小舰艇的摆动幅度和频度,那么是否将舰艇的宽度做的越大适航性越好呢?答案也是不。舰艇的适航性可以分解为纵向和横向两个相对独立的情况来分析:纵向上,耐波性和稳性都要求舰体更加长一些,以避开 1.3倍以下的纵向浪涌波长,减少纵向的摇荡。横向上,耐波性要求舰宽尽量窄(减小复原力矩的力臂),稳性要求舰宽尽量宽(增大复原力矩的力臂),最后是综合设定合适的宽度。纵横两相比较,有的时候反而是舰型越细长,更有利于适航性的改善。实际上,包括美国海军“伯克”级导弹驱逐舰在内的许多现役新型水面舰艇之所以选择小长宽比的肥大舰型,并不是从改善适航性出发的,而是为了改善总体布置,适应复杂繁多的武备载荷,提高舱室的利用效率。当然,当舰宽增加到一定的程度,比如像“独立”级濒海战斗舰那样的大型小水线面三体船,适航性是非常优异的。不过,对于常规单体排水型舰艇来说,宽大的船型必然会严重拖累航速,道理上文已解释。总体来说,水面舰艇的长宽比指标并不能作为评判其适航性好坏的标准。

由于与航速、稳性等重要指标存在一定冲突,如何在不影响其它指标的前提下提高舰艇的适航性就成为了设计师们钻研的重点之一。目前来看,舭龙骨、减摇水舱、陀螺减摇装置、减摇鳍这四类装置是在不改变舰艇结构的前提下增强舰艇适航性的常用方式,原理大致都是利用装置所产生的升力或重力形成稳定力矩,以减小舰艇摇荡幅度。其中,舭龙骨是在舰艇中段舭部外侧沿纵向装设的鳍状板,结构简单,能在舰艇零速时发挥作用,被广泛采用。减摇水舱是设置在舰艇两舷的水舱,舰艇在横摇时,利用水舱中水的运动与舰艇横摇的相位差,产生稳定力矩,结构较简单,但减摇效果稍差。陀螺减摇装置是利用陀螺转子产生阻摇的稳定力矩使舰艇减小摇摆,因造价昂贵未被广泛采用。减摇鳍装置是利用伸出在舰体外的鳍在舰艇摇摆运动时产生升力,形成稳定力矩,以抵消舰船的摇摆力矩,其减摇效果较好,适用于航速较高的舰艇。

抛开专业的力学问题,实际上,水面舰艇的适航性与排水量关系较大,质量体积越大的舰艇相对来说更稳一些,这是常理,并且大舰长宽能够跨越数个波长,被小海浪冲击的概率更低,本身就降低了摇晃的频度。最终来看,水面舰艇的适航性设计还要取决于海军战略,更具体一点就是取决于未来的作战环境,例如太平洋、印度洋风平浪静,对适航性要求可以低一些,而北大西洋风高浪急,则需要多关注适航性指标。

不沉性:轻伤不下火线 不沉性指舰艇在舰体破损、部分舱室进水后仍能稳定漂浮于水面的能力,是舰艇战技指标的重要内容。不同舰艇的不沉性在设计要求上存在一定差别,例如驱逐舰要求至少任意3个相邻的主隔舱,或长度等于舰长15%的舰壳破洞造成破损进水后,仍能稳定漂浮水面;而航空母舰则要求能承受若干次普通装药的鱼雷直接打击而不沉。

◎当因为装载不均等内在因素导致舰艇重心G升高时,为保持稳定,重心G产生的向下作用力和新浮心C1产生的向上作用力合力产生复原力,使新浮心C1与稳心m在同一铅垂线上,使舰艇达到新的平衡,但此时mθ是一个倾覆力

◎当风浪等外力因素使水面舰艇发生倾斜时,舰艇浮心C的位置发生改变。为保证舰体稳定,重心G处向下作用力和新浮心C1处的向上作用力合力形成了复原力mθ,使舰艇重新摆回平衡位置

◎减摇鳍对于高速舰艇的稳性保持效果较好,现在一般采用可收放式减摇鳍,图中凹槽部分即是,为对称设计,两侧均有。在海面条件不利于航行时,将其放出,通过提供额外的稳定力矩保持舰体平稳

◎舭龙骨是广泛采用的舰艇减摇装置之一,图中绿圈部分就是舭龙骨

舰艇不沉性的基本保障是储备浮力。在舰艇设计中,考虑到航行中可能发生的意外重量增加,如海损破舱进水、风浪袭击进水等,舰艇的满载水线应位于甲板下方一段距离处,以保证满载水线以上尚有一定的水密容积,该容积入水后所能提供的浮力称为储备浮力。实际上就是专门隔出一部分舰艇空间用于抵消意外情况所产生的载重增加的问题。储备浮力的数值用满载排水量的百分数表示,其大小关系到舰艇的安全性和经济性。因为加大储备浮力,舰艇不易沉没,能提高安全性,但会使舰艇的载重量减少,影响经济性。为保证安全,通常由舰艇检验机构根据舰艇的类型、大小、结构和航区等情况规定一个最小干舷值。为确保储备浮力及便于监督检查,在舰艇中央两舷一般会勘划载重线标志。

船壳、主舱壁和甲板是保障舰艇不沉性的关键性结构,在设计建造和实际使用时,有三个方面的特殊要求:一是上述三个部件不仅要求具有足够的强度、刚度和保持水密性,而且还要尽量少开孔洞,此外,传动轴、导管、电缆通过的部位均设置密封装置;二是舰艇舱壁要求能够承受一定水深的静水压力,首端舱壁还要能承受一定航速生成的动水压力和海浪的冲击力,因此在可能浸水的甲板以下的舱壁上一般不允许开设水密门,甲板上开设水密舱口也限制在最小量以内;三是对所有水密门和舱口盖均要求实行严格的管理制度,在暴风雨中航行或通过狭窄航道时,重要的水密门和舱口盖一律关闭。

为使舰员准确掌握舰艇的不沉性和正确处理破损情况,在舰艇建成后,造船部门还会为接舰部队提供一系列有关舰艇不沉性的技术保障资料,包括抗沉标板图、战用不沉性表、舱室参考表、载有典型情况和处置预案的舰艇抗沉表以及不沉性和破损稳性计算书等。在此基础上,各种水面舰艇均制定了严格的防沉规章制度和经常性的损管训练,历史上各国海军多次化险为夷的自救行动证明,人的主观能动性也是舰艇不沉性的重要组成部分。

待得久:持续行动能力

随着舰载武器弹药的机动能力不断提高,海上作战样式发生了深刻变化,其基本战术从依靠高速机动能力抢占发射阵位的“点面作战”,变为在一定时间对作战海域多维空间控制的“立体作战”,这就要求水面舰艇必须具备长时间、长距离的巡航能力。因此,现代水面舰艇的动力设计,从单纯追求高航速逐渐向注重航行的经济性上转变,也就是更加关注续航能力。

动力装置:远行的根本保障 舰用动力装置指舰艇上用于提供推进动力和提供能源的机械、设备和系统的总称。不同类型的主机、不同形式的动力传动方式和推进器的组合产生了不同的动力装置。由于核心部件是主机,因此一般根据主机类型划分动力装置,主要包括汽轮机和柴油机两种基本类型。从续航性能上讲,舰用动力装置必须具备燃烧效率高、低油耗的特点,而这又与对加速性能的需求形成了矛盾,因此,不同舰艇一般根据吨位大小、作战任务等因素综合考量后选择合适的动力装置。

柴油机动力装置。舰用柴油机与汽车发动机类似,采用柴油作为燃料,具有热效率高,油耗低,启动快,加速性能好,空气消耗量少等优点,续航性能好。但由于单机功率较小和噪声过大,因此,其主要应用于中小型舰艇上。

汽轮机动力装置。汽轮机的工作原理与风车类似,即风吹动叶片,叶片转动做功。由于单机功率较大,因此主要应用于大中型水面舰艇。汽轮机主要有蒸汽轮机和燃气轮机两类。前者是用煤或者重油作为燃料,用锅炉把水加热成蒸汽,然后由蒸汽去吹动叶片转动做功,具有单机功率大,寿命长,可靠性高,可使用劣质燃料等优点,一直都是大中型水面舰艇的主要动力装置;后者则是在燃烧室把油点燃,燃烧室上有一个开孔,高温膨胀的燃气经过这个孔吹向叶片,叶片转动做功,具有机动性好、全负荷时燃油消耗低等优点,但由于进排气装置尺寸大、需配置复杂的倒车齿轮系统或变螺距螺旋桨、造价高等因素,一直未能广泛应用。随着燃气轮机特别是中冷回热式(ICR)燃气轮机的技术越来越成熟,蒸汽轮机热效率低、油耗高、经济性差、起动速度慢、机动性较差等严重影响加速和续航能力的缺点被渐渐凸现出来,未来燃气轮机将慢慢取代蒸汽轮机成为大中型水面舰艇的主要动力装置。

联合动力装置。联合动力装置是指由两种不同类型和型号的主机、传动装置、轴系和推进器等构成的动力装置。采用这种动力装置的目的是充分发挥各类主机的优点,满足水面舰艇在续航和加速性能上的均衡需求。目前舰用联合动力装置主要有三种类型:柴-燃联合动力装置、燃-燃联合动力装置和柴-柴联合动力装置。从航行经济性上来看,柴-燃联合动力装置在三者中最为突出,它以柴油机为巡航基本动力,燃气轮机为加速或高速航行时的动力,既能体现舰艇巡航工况下低油耗的优点,又能突出燃气轮机单机功率高、全速航行油耗低的特点,兼顾了续航和加速性能,特别是在此基础上发展而来的柴电燃联合动力装置,电机的加入使整套动力系统的运转效率更高,航行经济性上表现更为优异。而燃-燃联合动力装置和柴-柴联合动力装置的应用比较局限,前者主要侧重于提高舰艇加速性能,后者则主要用于护卫舰及小型驱逐舰。综合来看,柴-燃联合动力装置是未来水面舰艇常规动力装置的主要选择。

新的能源:从源头改良 为了保证水面舰艇在任务海域“待得更久”,世界各国都在不遗余力地研究提高主机运转效率的技术,然而有限的燃料携带量决定了即使拥有100%的能量转化效率,水面舰艇的续航能力仍然受限于舰体本身的容量,要使有限的燃料具有无限的能量输出,必须采用新的动力供应原理,于是就出现了以核动力为代表的舰用新能源动力装置。

核动力装置是以核反应堆为能源的动力装置,其工作原理与蒸汽轮机类似,只是用原子裂变所产生的热能代替了高压锅炉制造高温高压蒸汽。由于核反应堆寿命长、自然循环能力高,相较于上文提到的常规动力装置,核动力装置最突出的特点就是续航能力强,常规动力补给一次燃料,一般能够运行几个月,而核动力补给一次燃料则能够连续运行几十年。美国海军现役的“尼米兹”级航母上装备的A4W反应堆,可以连续工作25年,而即将服役的“福特”级航母上装备的A1B反应堆据称寿命高达50年,基本上保证了舰艇服役期间不用更换堆芯,理论上具备了无限续航能力,能够支撑舰艇在海上长期作战。单纯从动力的角度分析,限制核动力水面舰艇续航力的因素主要是相关机械设备的持续工作时间。

另外,由于核动力装置技术难度大、危险性高,提高核反应堆及相关设施的安全性和可靠性也是保证舰艇续航能力的重要措施。据统计,截止到2012年,世界各国海军核动力舰艇发生严重事故136起,其中沉没事故13起。显然,如果不能保证动力装置的稳定运行,核动力装置甚至就是一颗定时核弹。

除了成熟的核动力外,世界各国还在探索更加经济并比传统燃料更加高效的舰用动力能源。例如美国海军打造的“大绿舰队”,采用回收加工的地沟油、海藻油等废弃的生物燃料作为主要能源,在近期进行的相关试验中,不仅试验舰艇跑出了高航速,而且续航能力较传统燃料提升了25%,是未来常规动力水面舰艇能源的发展趋势。

推进方式:决定效率的第二因素 提升水面舰艇的续航能力是一个系统工程,这里面不仅包括持续的能源供应和高效的能量转换,还有能量传递效率,毕竟直接推动舰艇前进的不是高温高压的气体,而是螺旋桨。因此,如何将发动机所产生的动能尽量完整无损地传递给推进器,也是水面舰艇“待得久”的基础之一。

目前,大多数水面舰艇均采用机械传动系统,即发动机直接通过减速齿轮箱与螺旋桨推进器连结,通过齿轮箱的变速实现对螺旋桨推进器的控制。这种方式结构原理简单、成本低,但机械结构的先天不足决定了这种传动系统在控制精度上存在一定缺陷,并且能量传输损耗大,维护频次也高。针对这种情况,英国率先在其45型驱逐舰上应用了电推进系统,这种推进系统取消了机械传动系统复杂的传动轴和相关零部件,通过电机带动螺旋桨推进器。

从提升舰艇续航能力的角度来看,与机械传动系统相比,电推进系统优势明显。一方面,能量传递损耗较低。由于采用电能的方式进行能量传递,在电缆上的损耗要远低于机械传动轴。另一方面,控制精度和效率更高。由于采用了电位控制螺旋桨的方式,使得能够在全速范围内实现无级调速,不仅操纵更精确,而且效率更高。另外,电推进系统能够根据动力需求控制推进电机功率,这样,发动机不必与螺旋桨同步同频运转,使得采用燃气轮机作为发动机的水面舰艇在低速航行时能够获得更好的燃油经济性,这对于拥有广阔应用前景的燃气轮机来说无疑是“重大利好”。据美国海军计算,9 000吨级的导弹驱逐舰若采用全电力推进,在30年的服役期内将比采用机械推进方式的同型舰艇节省16%以上的燃料,这也意味着续航里程会相应提升16%以上。显然,电推进系统将是水面舰艇推进系统的发展趋势,从目前的应用来看,这种趋势确定无疑。

◎水面舰艇动力系统基本结构图。不难发现,续航力不仅与主机能耗有关,而且与传动系统的能量损失率也有密切关系

◎双机并联动力装置结构图,可采用柴燃联动、柴柴联动和燃燃联动三种方式

◎单螺旋桨电力推进系统结构图。相较于传统机械传动系统,电推系统控制更精确,能量传递率更高(黄色部分为变速箱,蓝色部分为驱动电机,灰色部分为变压器)

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