福建舰

前一篇文章我们分析了003的动力需求和可能的动力系统配置。我们发现一个问题，那就是003的主机发电量太小，有点跟不上电力需求的增长速度。那么这是个别现象还是普遍现象呢？其实只要简单研究一下美弟航母动力系统的发展就会明白问题出在哪里了。我们就简单看一下小鹰级航母、尼米兹级航母、福特级航母就可以了。再早的航母都不用研究，因为之前的都是蒸汽动力，和小鹰级没有本质的区别。这三型航母就是航母动力发展史上最关键的几个型号。

世界各国航母的基本性能参数

我们先来看这三型航母的排水量，小鹰级的排水量在8万吨到最8万3千吨，尼米兹级是9万多吨，福特级是10.2万吨。然后再来看三型航母的主动力配置，上图中的参数比较笼统不够详细，基本上都在26到28万马力这个范围内。实际上小鹰级航母的推进功率是205.9兆瓦，我们通常四舍五入写成206兆瓦。这个功率其实是包括蒸汽弹射器的蒸汽功率。尼米兹级航母的推进功率是194兆瓦，这个不含蒸汽弹射器的蒸汽功率，福特级航母的推进功率是209兆瓦。大家会看到推进功率是和排水量以及速度相关的。基本上是随着排水量同步增长的，变化不是很大。

美国航母的电站配置情况

然后我们再看三型航母的发电量。小鹰级的总发电量是15兆瓦，其中12兆瓦来自8台1.5兆瓦的汽轮发电机机，汽轮机所需蒸汽来自主动力燃油锅炉，另外3兆瓦来自3台1兆瓦柴油机。尼米兹级是72兆瓦，8台8兆瓦汽轮发电机机，动力蒸汽来自反应堆，另外8兆瓦来自4台2兆瓦柴油机。福特级是210兆瓦，福特级首舰略低是192兆瓦。其中104兆瓦功率来自4台26兆瓦汽轮发电机，另有数量不详的柴油负责其余发电量。我们可以看到航母发电量的发展趋势就是增长速度非常快，而且远快于排水量的增长。

燃油锅炉想靠提高热效率来提高功率密度是不现实的

这就会带来一个非常严重的问题，那就是如果还坚持采用蒸汽动力的话，并且电力仍然主要依靠蒸汽动力提供的话，动力舱在船体容积中的占比必然越来越高。这会严重挤占其它舱室和机库的空间。因为我们上一篇文章分析过，蒸汽动力的发展已经非常成熟，热效率的提升空间非常有限。比如从超临界提高到超超临界，系统的整体热效率只提高了4%，而且还要付出设备体积和重量增加的代价。也就是说蒸汽动力的功率密度提高已经遇到瓶颈。如果电力总需求不高时还比较容易应对，比如小鹰级。但是像福特级那样电力需求和推进功率一样高时矛盾就很严重。

小鹰级航母的排水量基本上就是采用常规动力所能达到的上限

福特级的主机功率已经提高到313兆瓦，其中推进功率209兆瓦，主机发电功率104兆瓦。小鹰级航母的主机功率是218兆瓦。从218兆瓦提高到313兆瓦，如果采用蒸汽动力。那么动力舱体积至少需要提高50%左右，才能容得下加大功率的蒸汽动力系统。但是福特级的排水量相对小鹰级只提高了25%，那么剩下那25%的动力舱体积必然会挤占其它舱室甚至是机库的空间。这肯定会影响航母的总体性能，这样电力需求的快速增长和动力舱体积之间的矛盾就会越来越严重。

现代航母动力技术发展最重要的趋势就是电力需求呈现爆炸式增长

而未来航母的电力需求必然会继续快速提高。激光武器、电磁炮等能量武器未来会上舰。更重的六代机会上舰，飞机升降机的提升功率必然会跟着提高。飞机携弹量会提高，弹药升降机的功率也会提高。雷达、电子战、通信设备会越来越多，功率越来越大。所有这些需求必然要求提供更多的电力。电力需求的增长和动力舱体积的增加这两者之间的矛盾发展到一定阶段，就必须靠大幅提高动力系统的功率密度来解决问题。

原计划003航母的排水量为何可能被限制在8万吨以下 估计有电力方面的限制

也就是说航母电力需求的迅速增长要求航母的动力必然朝着更高功率密度的方向发展。这就是航母动力技术发展最核心的底层逻辑。这个底层逻辑也是现代航母发展到8万吨之后就不再适合采用常规动力的根本原因。我们这里之所以要加上现代这个定语，是因为我们要发展的航母必然是现代航母。这个现代就体现在舰上用电设备的爆炸式增长。也就是说如果放在上个世纪，这个话还不一定成立。但是到了新世纪，这个话就必然会成立。大家只要看看福建舰舰岛上那密密麻麻的32面相控阵天线就不难理解。

看到福建舰舰岛上这密密麻麻的天线就不难理解为什么电力需求会暴增

理解了这些问题，我们就会明白原计划的003航母排水量为何会可能被限制在8万吨以下。我们就会明白为什么原计划的003航母的主机发电量会捉襟见肘。我们才会真正理解为什么从蒸汽弹射器改为电磁弹射器之后，福建舰必然会走向核动力。我们才会明白那些看见福建舰舰岛上有烟囱，或者烟囱一冒烟就说福建舰是常规动力的人为什么无知。虽然电磁弹射器用的电无论是用常规动力来发还是用核动力来发都一样，只要功率够就行。

各种动力装置的热效率对比

我们再来看看航母动力技术的发展。目前航母上使用的动力主要是蒸汽动力、柴油机、燃气轮机以及核动力。在这些动力中蒸汽动力的热效率和功率密度是最低的，往后依次提高。其实这也很容易理解，蒸汽轮机的工作温度最高五六百度。而汽油机和柴油机可以达到一千多度。所以汽油机和柴油机的热效率和功率密度是超过蒸汽动力的。燃气轮机的热效率和功率密度更高，功率密度可以达到柴油机的三到五倍。因为燃气轮机是连续燃烧的，而且工作温度可以提高到接近2000度。而柴油机无论是两冲程的还是四冲程的，只有一个冲程是做功的。燃气轮机的工作温度基本上已经接近现有常规技术的极限了。所以要想功率密度再提高，就只有采取革命性手段了，那就是核动力。

燃油锅炉的发展瓶颈是功率密度很难再提高

在民用船舶中，蒸汽动力这种动力类型基本上已经被淘汰了。目前民用船舶中用的比较多的是柴油机，而且以低速柴油居多。因为低速柴油机可以烧重油，重油成本比较低。当然也有烧天然气的，天然气的资源比较丰度成本也低。或者是可以烧重油和天然气双燃料的。但是军用船舶没有烧天然气的，因为天然气的储存需要零下一百多度的低温，不适合军用。而且军用舰艇基本上没有使用低速柴油机的。因为低速柴油的转速低，导致其功率密度低反应缓慢。目前典型的民用船舶比如集装箱，其采用的低速柴油机功率能到30万马力，但体积也非常巨大，有四五层楼房那么高。这个样的动力显然不能用在对功率密度要求非常高的航母上。

低速柴油机体积非常巨大

但是现在很多航母仍然在使用效率低功率密度低的蒸汽动力，比如我国的辽宁舰和山东舰。这是因为蒸汽动力虽然功率密度低，但是有个优点就是单机功率容易做大，这一点军用柴油机就做不到。再加上军用动力发展比民用慢，所以蒸汽动力在海军舰艇上还能活到现在。适合军用的柴油机主要是中高速柴油机，这种类型的柴油机单机功率很难做大，普遍在几个兆瓦到十几个兆瓦。功率最大的中高速柴油机功率大概在20兆瓦左右。我国海军作战舰艇上使用的最大功率的柴油机就是075两栖攻击舰上用的16PC2-6B柴油机，功率是12兆瓦。054A护卫舰上用的是16PA6-280STC，功率只有5.184兆瓦。052D上用的柴油机功率更小，只有4.9兆瓦。

16PC2-6B柴油机的性能

如果航母以这些柴油机为动力，那柴油机的数量就太多了。所以柴油机做不了航母的主动力。柴油机在航母上主要用来发电或者作为应急动力。功率密度更高的燃气轮机在军用舰艇上的应用已经非常普遍了。驱逐舰普遍会采燃气轮机作为主动力，不是燃燃联合动力，就是柴燃联合动力，或者其他一些联合动力方式。这是因为燃气轮机的功率是比较容易做大的。民用燃气轮机很容易就可以做到300兆瓦、500兆瓦级别。而且燃气轮机的功率密度可以达到柴油机的三到五倍。

CGT-25燃气轮机的性能

军用燃气轮机的功率普遍能够达到20~40兆瓦。典型的像我国052D和055驱逐舰上使用的CGT-25M燃气轮机。其功率在26.2兆瓦的样子，可以烧柴油。不过其热效率还不太理想，只有36.5%。当然我们也有热效率更高的燃气轮机，比如新一代的QD400和CGT-40燃气轮机，热效率能达到40%左右，功率也可以达到40兆瓦左右。

CGT-40燃气轮机的性能

随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机在航母上已经开始应用，典型的如英国的尹丽莎白女王级，采用了两台36兆瓦的MT30燃气轮机作为主动力。我国的福建舰上可能就采用了两台燃气轮机作为辅助动力，使用舰岛上那个烟囱的可能就是燃气轮机。不过不清楚到底是两台CGT-25M燃气轮机，还是两台CGT-40燃气轮机。CGT-40燃气轮机的概率可能更大一些。其实我国很早就在研究使用燃气轮机作为航母的辅助动力了，此前就有论文研究使用燃气轮机给电磁弹射器的储能系统供电。也有论文显示动力系统中同时有燃油锅炉和燃气轮机存在，这可能就是在研究如何用燃气轮机解决发电量和动力舱体积间的矛盾问题。篇幅所限，我们下一篇接着聊福建舰的动力系统该如何修改。