曲線創新——新概念9.999萬噸全電推進航母的思考_風聞
扇歌-军事撰稿人-1小时前
前言
網絡一直流傳着航母不能超過10萬噸的説法，這原本是花旗國基礎設施的問題，但很多人卻認為這個技術聖經，不可以違背，哪怕是10.001萬噸都不行，多1噸就是超載，技術冒進，但9.999萬噸就可以，若問緣由，答案是簡單粗暴的 “花旗國航母都沒超過 10 萬噸，這就是鐵律”！精神核動力反應堆功率極為強大，既然如此，作者也順着這股奇特的 “潮流”，搞一個 9.999 萬噸的新概念全電推進常規動力航母，來一個曲線創新！
常規動力航母的冷啓動問題：是指動力系統從完全熄火的狀態下啓動系統。
噸位超過8萬噸航母無論是常規動力還是核動力，都是燒開水產生蒸汽，推動汽輪機帶動螺旋槳的方式，但就存在一個冷啓動問題，這個和家裏燒開水原理沒有區別，老式灶頭使用的是燒柴，先要在鍋里加水，加柴火，還需要易燃物體引燃，中間還要不斷加柴火，所以一鍋水沒有20分鐘燒不開的，要是遇到颳風時間更長，這個就叫作冷啓動（題外話這種燒草鍋做的米飯是非常好吃）。當然現在用電水壺燒水就快很多了，開關一按幾分鐘就能好；
常規蒸汽動力系統冷啓動流程
重油預處理：重油需加熱至130℃以上以提高流動性，並通過分油機淨化雜質。
鍋爐加熱：需逐步將鍋爐水加熱至200℃以上（防止設備熱應力損壞），生成350℃以上的高温高壓蒸汽。
系統檢查：包括盤車（手動旋轉渦輪）、衝車（蒸汽初步通入渦輪）和管線預熱，確保蒸汽充滿全艦管線。
常規動力航母的鍋爐容量較大，例如某艦的鍋爐內可容納大量鍋爐水。如此大的水量需要更長的時間來加熱和蒸發，這個和柴火灶頭燒水一樣，鍋越大水燒得越慢。
而艦用高壓鍋爐在加熱過程中，如果受熱不均勻，可能會導致設備熱應力過大，從而影響鍋爐的使用壽命和安全性。因此，鍋爐啓動時需要逐步升温，避免過快加熱。蒸汽輪機本身具有較大的熱慣性，需要較長時間才能達到最大功率輸出。
所以常規動力航母的鍋爐在停泊時會保持低功耗運轉，以維持温度，避免冷啓動時需要重新加熱。相比之下，核動力航母由於核反應堆的持續運轉，可以隨時提供蒸汽，無需額外的預熱過程，從而實現快速啓動。
而核動力航母由於核反應堆的持續運行，其蒸汽供應幾乎不受限制，因此在第一次啓動後，不要停堆，可以迅速達到滿功率運行狀態。此外，核動力航母的燃料（核燃料）具有極高的能量密度，壽命長達數十年，減少了燃料補給的需求。
核動力航母的鍋爐雖然本質上也是“燒開水”，但其使用的“原子鍋爐”能夠更高效地利用能量，從而縮短啓動時間並提高整體效率。而常規動力航母的鍋爐則依賴於燃油燃燒，效率相對較低。
熱啓動
常規動力航母的鍋爐在停泊時保持低速運轉的具體目的是保持鍋爐內的水温，以便在需要時能夠迅速啓動並達到全功率運行。常規動力航母使用的蒸汽輪機，其鍋爐需要維持一定的温度才能快速啓動。如果鍋爐完全熄火，水温會迅速下降，導致啓動時間延長。因此，在停泊時，鍋爐通常會以低速運轉，保持水温，這樣可以在短時間內（通常為2到3小時）從低速運轉狀態切換到正常航行戰鬥狀態，實現熱啓動。
熱啓動與冷啓動的區別
對比不同航母的情況，如花旗國老“肯尼迪”航母號需要提前一週啓動部分鍋爐，大熊家的“庫茲涅佐夫”號需要5～6小時燒鍋爐，總啓動時間10小時以上。某同級艦，流程類似，冷啓動約10小時。核動力航母從核動力反應堆臨界開始冷啓動也需要十幾個小時以上（根據堆型不同，時間不一致），所以常規蒸汽輪機的冷啓動時間是這類動力系統的固有特點，極端情況如大修後可能需要48小時。
常規動力航母蒸汽輪機冷/熱啓動對維護成本和作戰部署的影響
作戰準備時間延長：冷啓動時間較長，可能導致航母在緊急情況下無法迅速進入戰鬥狀態。這個事情在二戰時期並不是太嚴重的事情，因為雙方都主力艦都是蒸汽輪機，對雙方影響都是同樣的，但現在情況發生了很大變化，現在驅護艦普遍使用的是燃氣輪機和柴油機，啓動加速很快，那麼很多時候就出現不同步的問題；
蒸汽輪機動力系統使用重油作為燃料，雖然重油價格較低，但其高粘度和高熱值特性使得啓動過程更加複雜，雖然重油價格較低，但每次冷啓動需要消耗大量燃料（如150噸柴油），這增加每次啓動的成本。
而在停泊狀態為了保持鍋爐温度，也同樣在消耗燃料，所以為了節約燃油費，燃油鍋爐通常使用的價格便宜的重油，其長期經濟性不如燃氣輪機和核動力航母。燃氣輪機啓動更快，且燃料效率更高。
新概念的全電推進航母：
從理論上來説，燃氣輪機也非常適合航母使用，主要是燃氣輪機冷啓動速度快，某4台燃氣輪機大型驅逐艦，冷啓動僅需2分鐘（全系統準備約20分鐘），但由於單機功率和進排氣的問題，在航母上應用存在很大的問題；由於燃氣輪機進排氣量大，最好能夠做到直接進出，但這正好和航母要求的大甲板要求產生了直接矛盾，燃油過了近排氣量小，機爐艙可以在艦體中間的水下以下部分，但燃氣輪機如此部署，將會導致近排氣管道轉彎過多，效率下降，但這個也不是不能用，而是用起來非常不方便，而且進排氣尺寸太大，艦島尺寸體積大。
某國“某”級別的兩棲攻擊艦採用燃氣輪機+柴油機發電+推進電機的動力模式，圖片上可以看到巨大艦島和傾斜排氣口；該艦採用小功率電推巡航機燃機加速模式；經濟性比較好；
而“女王”級別航母就是全電推進方式，在無敵航母就使用了燃氣輪機，但艦底中置的燃氣輪機問題非常多，所以但為解決進排氣的問題，把兩台36MW的MT30燃機+發電機放在右船舷艦島下面，解決進排氣問題，但加重了右側重量，而且這個位置生存能力較差，也給艦體平衡帶來問題，所以看到了女王的左船舷大外飄結構（如此大外飄不使用斜角甲板，也是有些浪費。）而這兩台燃電系統也是用來加速使用，平時是柴油發電推進，加速時候發揮燃氣輪機冷啓動快的特點；但採用柴電續航+燃電加速的模式也存在尷尬的地方，就是花了最大代價的地方，卻又是使用率最低的。
如果是9.999萬噸航母採用這種模式，那麼需要4台40MW（單機約5萬馬力，共計20萬馬力）+發電機，8台6MW（單機約8000馬力，共計6.5萬馬力），總功率可達208MW左右，使用電機推動，而福特航母也是這個功率，也就是這個模式推動9.999萬噸完全沒有問題；
但是後面問題來了，就是艦島上的進排氣裝置面積和體積還要至少擴大一倍，雖然9.999萬噸航母尺寸要比8萬噸航母長出來30多米，完全滿足佈置需要，但這種做法有點不划算，弄不好還要雙艦島，甲板面積進一步縮減；本身電傳動的優勢就是艦島佈置方便，這種模式就是把事情搞複雜了；
新的動力模式-燃氣輪機和蒸汽輪機的聯合循環
如果要發揮燃氣輪機+發動機的優勢，那麼可以採用燃+蒸汽動力系統，也就是燃氣輪機和蒸汽輪機的聯合循環系統，簡單一點説就是在燃氣輪機排氣口增加一套餘熱鍋爐、蒸汽輪機+發電機，燃氣輪機的高温排氣（約560℃）進入熱回收蒸汽發生器（HRSG），產生的超熱蒸汽（約30巴壓力）驅動蒸汽輪機帶動電機發電。
這種聯合循環設計使系統熱效率提升至50%，總功率較單獨燃氣輪機增加30%～50%。如果40MW燃氣輪機採用了燃-蒸汽循環系統，那麼整個輸出功率可以達到52MW(7萬馬力），那麼單機就可以滿足續航需求，耗油量和中速柴油機相當，4台主機交替運行，還可以提高燃氣輪機使用壽命，而且排氣温度能夠降低到100-150度，整個艦島排氣尺寸和燃油鍋爐差別較小（進氣系統還是比較複雜），燃電系統也可以佈置在水線以下，提高了安全性，甚至優化一下做到艦體排氣，艦島可以和核動一樣佈置不受限制；
存在的問題：
燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機的集成大幅增加機械複雜度。以GE方案為例，25MW（3.4萬馬力）燃氣輪機+7.8MW（1萬餘馬力）餘熱鍋爐總重達300噸，較同等功率柴油機（75噸/8MW）更重。如果採用4台這樣的餘熱鍋爐整體重量達到1200多噸，但對於9.999萬噸來説不是啥問題，有問題也不是出在噸位上；反正不超過10萬噸，輿論上就沒有任何問題。
蒸汽輪機冷熱啓動問題：因為是使用餘熱鍋爐，也就同樣存在冷/熱啓動問題，根據有限資料燃-蒸動力系統的冷啓動時間4個小時（遠小於10個小時），熱啓動時間因具體條件而異。一般情況下，時間約為2小時；若採用快速啓動或極熱態啓動方式，則可能縮短至45分鐘。
在航母巡航狀態主機開1台滿足動力需求，而其餘主機和餘熱鍋爐就處於冷機狀態，節約燃料，燃氣輪機雖然可以快速啓動，蒸汽機進入全功率需要時間比較長，那麼比較好的辦法就是巡航燃機也至少為另外1台燃機進行暖機，這樣就能夠最快速度進入全功率運行；
同時柴油發電機組可以減少為6台6MW（單機約8000馬力，共計4.8萬馬力）作為補差額和為電磁彈射器提供電能；因為進入4台燃氣輪機全速狀態，也是航母的作戰狀態，也是全艦電能需求最大的時候，這個時候省電倒不是主要問題；
另外就是40兆瓦間冷巡航燃氣輪機和餘熱鍋爐的匹配度問題，也需要大量模擬和測試才能進入工程階段；
結束語：
電磁彈射、高能武器等結合，COGES（燃氣－電力-蒸汽聯合）可能是9.999萬噸常規動力航母最優解；雖然這種動力模式從技術上來説是比較激進，但遠比核動力簡單很多，也更加現實，但用户還是有可能會選擇更加可靠的燃油鍋爐的蒸汽輪機，但這是另外一個事情，本文在就是做一個燃-蒸動力模式在航母上使用的理論性探討，所以那些喊着北方船廠核動力航母開工的也要反思一下了，核沒有那容易！
“曲線創新”的感悟：在航母技術發展的道路上，不盲目追從所謂的 “標準”，而是結合自身的技術儲備、戰略需求，探索出一條路，或許能帶來意想不到的突破 ！