曲线创新——新概念9.999万吨全电推进航母的思考_风闻
扇歌-军事撰稿人-1小时前
前言
网络一直流传着航母不能超过10万吨的说法，这原本是花旗国基础设施的问题，但很多人却认为这个技术圣经，不可以违背，哪怕是10.001万吨都不行，多1吨就是超载，技术冒进，但9.999万吨就可以，若问缘由，答案是简单粗暴的 “花旗国航母都没超过 10 万吨，这就是铁律”！精神核动力反应堆功率极为强大，既然如此，作者也顺着这股奇特的 “潮流”，搞一个 9.999 万吨的新概念全电推进常规动力航母，来一个曲线创新！
常规动力航母的冷启动问题：是指动力系统从完全熄火的状态下启动系统。
吨位超过8万吨航母无论是常规动力还是核动力，都是烧开水产生蒸汽，推动汽轮机带动螺旋桨的方式，但就存在一个冷启动问题，这个和家里烧开水原理没有区别，老式灶头使用的是烧柴，先要在锅里加水，加柴火，还需要易燃物体引燃，中间还要不断加柴火，所以一锅水没有20分钟烧不开的，要是遇到刮风时间更长，这个就叫作冷启动（题外话这种烧草锅做的米饭是非常好吃）。当然现在用电水壶烧水就快很多了，开关一按几分钟就能好；
常规蒸汽动力系统冷启动流程
重油预处理：重油需加热至130℃以上以提高流动性，并通过分油机净化杂质。
锅炉加热：需逐步将锅炉水加热至200℃以上（防止设备热应力损坏），生成350℃以上的高温高压蒸汽。
系统检查：包括盘车（手动旋转涡轮）、冲车（蒸汽初步通入涡轮）和管线预热，确保蒸汽充满全舰管线。
常规动力航母的锅炉容量较大，例如某舰的锅炉内可容纳大量锅炉水。如此大的水量需要更长的时间来加热和蒸发，这个和柴火灶头烧水一样，锅越大水烧得越慢。
而舰用高压锅炉在加热过程中，如果受热不均匀，可能会导致设备热应力过大，从而影响锅炉的使用寿命和安全性。因此，锅炉启动时需要逐步升温，避免过快加热。蒸汽轮机本身具有较大的热惯性，需要较长时间才能达到最大功率输出。
所以常规动力航母的锅炉在停泊时会保持低功耗运转，以维持温度，避免冷启动时需要重新加热。相比之下，核动力航母由于核反应堆的持续运转，可以随时提供蒸汽，无需额外的预热过程，从而实现快速启动。
而核动力航母由于核反应堆的持续运行，其蒸汽供应几乎不受限制，因此在第一次启动后，不要停堆，可以迅速达到满功率运行状态。此外，核动力航母的燃料（核燃料）具有极高的能量密度，寿命长达数十年，减少了燃料补给的需求。
核动力航母的锅炉虽然本质上也是“烧开水”，但其使用的“原子锅炉”能够更高效地利用能量，从而缩短启动时间并提高整体效率。而常规动力航母的锅炉则依赖于燃油燃烧，效率相对较低。
热启动
常规动力航母的锅炉在停泊时保持低速运转的具体目的是保持锅炉内的水温，以便在需要时能够迅速启动并达到全功率运行。常规动力航母使用的蒸汽轮机，其锅炉需要维持一定的温度才能快速启动。如果锅炉完全熄火，水温会迅速下降，导致启动时间延长。因此，在停泊时，锅炉通常会以低速运转，保持水温，这样可以在短时间内（通常为2到3小时）从低速运转状态切换到正常航行战斗状态，实现热启动。
热启动与冷启动的区别
对比不同航母的情况，如花旗国老“肯尼迪”航母号需要提前一周启动部分锅炉，大熊家的“库兹涅佐夫”号需要5～6小时烧锅炉，总启动时间10小时以上。某同级舰，流程类似，冷启动约10小时。核动力航母从核动力反应堆临界开始冷启动也需要十几个小时以上（根据堆型不同，时间不一致），所以常规蒸汽轮机的冷启动时间是这类动力系统的固有特点，极端情况如大修后可能需要48小时。
常规动力航母蒸汽轮机冷/热启动对维护成本和作战部署的影响
作战准备时间延长：冷启动时间较长，可能导致航母在紧急情况下无法迅速进入战斗状态。这个事情在二战时期并不是太严重的事情，因为双方都主力舰都是蒸汽轮机，对双方影响都是同样的，但现在情况发生了很大变化，现在驱护舰普遍使用的是燃气轮机和柴油机，启动加速很快，那么很多时候就出现不同步的问题；
蒸汽轮机动力系统使用重油作为燃料，虽然重油价格较低，但其高粘度和高热值特性使得启动过程更加复杂，虽然重油价格较低，但每次冷启动需要消耗大量燃料（如150吨柴油），这增加每次启动的成本。
而在停泊状态为了保持锅炉温度，也同样在消耗燃料，所以为了节约燃油费，燃油锅炉通常使用的价格便宜的重油，其长期经济性不如燃气轮机和核动力航母。燃气轮机启动更快，且燃料效率更高。
新概念的全电推进航母：
从理论上来说，燃气轮机也非常适合航母使用，主要是燃气轮机冷启动速度快，某4台燃气轮机大型驱逐舰，冷启动仅需2分钟（全系统准备约20分钟），但由于单机功率和进排气的问题，在航母上应用存在很大的问题；由于燃气轮机进排气量大，最好能够做到直接进出，但这正好和航母要求的大甲板要求产生了直接矛盾，燃油过了近排气量小，机炉舱可以在舰体中间的水下以下部分，但燃气轮机如此部署，将会导致近排气管道转弯过多，效率下降，但这个也不是不能用，而是用起来非常不方便，而且进排气尺寸太大，舰岛尺寸体积大。
某国“某”级别的两栖攻击舰采用燃气轮机+柴油机发电+推进电机的动力模式，图片上可以看到巨大舰岛和倾斜排气口；该舰采用小功率电推巡航机燃机加速模式；经济性比较好；
而“女王”级别航母就是全电推进方式，在无敌航母就使用了燃气轮机，但舰底中置的燃气轮机问题非常多，所以但为解决进排气的问题，把两台36MW的MT30燃机+发电机放在右船舷舰岛下面，解决进排气问题，但加重了右侧重量，而且这个位置生存能力较差，也给舰体平衡带来问题，所以看到了女王的左船舷大外飘结构（如此大外飘不使用斜角甲板，也是有些浪费。）而这两台燃电系统也是用来加速使用，平时是柴油发电推进，加速时候发挥燃气轮机冷启动快的特点；但采用柴电续航+燃电加速的模式也存在尴尬的地方，就是花了最大代价的地方，却又是使用率最低的。
如果是9.999万吨航母采用这种模式，那么需要4台40MW（单机约5万马力，共计20万马力）+发电机，8台6MW（单机约8000马力，共计6.5万马力），总功率可达208MW左右，使用电机推动，而福特航母也是这个功率，也就是这个模式推动9.999万吨完全没有问题；
但是后面问题来了，就是舰岛上的进排气装置面积和体积还要至少扩大一倍，虽然9.999万吨航母尺寸要比8万吨航母长出来30多米，完全满足布置需要，但这种做法有点不划算，弄不好还要双舰岛，甲板面积进一步缩减；本身电传动的优势就是舰岛布置方便，这种模式就是把事情搞复杂了；
新的动力模式-燃气轮机和蒸汽轮机的联合循环
如果要发挥燃气轮机+发动机的优势，那么可以采用燃+蒸汽动力系统，也就是燃气轮机和蒸汽轮机的联合循环系统，简单一点说就是在燃气轮机排气口增加一套余热锅炉、蒸汽轮机+发电机，燃气轮机的高温排气（约560℃）进入热回收蒸汽发生器（HRSG），产生的超热蒸汽（约30巴压力）驱动蒸汽轮机带动电机发电。
这种联合循环设计使系统热效率提升至50%，总功率较单独燃气轮机增加30%～50%。如果40MW燃气轮机采用了燃-蒸汽循环系统，那么整个输出功率可以达到52MW(7万马力），那么单机就可以满足续航需求，耗油量和中速柴油机相当，4台主机交替运行，还可以提高燃气轮机使用寿命，而且排气温度能够降低到100-150度，整个舰岛排气尺寸和燃油锅炉差别较小（进气系统还是比较复杂），燃电系统也可以布置在水线以下，提高了安全性，甚至优化一下做到舰体排气，舰岛可以和核动一样布置不受限制；
存在的问题：
燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的集成大幅增加机械复杂度。以GE方案为例，25MW（3.4万马力）燃气轮机+7.8MW（1万余马力）余热锅炉总重达300吨，较同等功率柴油机（75吨/8MW）更重。如果采用4台这样的余热锅炉整体重量达到1200多吨，但对于9.999万吨来说不是啥问题，有问题也不是出在吨位上；反正不超过10万吨，舆论上就没有任何问题。
蒸汽轮机冷热启动问题：因为是使用余热锅炉，也就同样存在冷/热启动问题，根据有限资料燃-蒸动力系统的冷启动时间4个小时（远小于10个小时），热启动时间因具体条件而异。一般情况下，时间约为2小时；若采用快速启动或极热态启动方式，则可能缩短至45分钟。
在航母巡航状态主机开1台满足动力需求，而其余主机和余热锅炉就处于冷机状态，节约燃料，燃气轮机虽然可以快速启动，蒸汽机进入全功率需要时间比较长，那么比较好的办法就是巡航燃机也至少为另外1台燃机进行暖机，这样就能够最快速度进入全功率运行；
同时柴油发电机组可以减少为6台6MW（单机约8000马力，共计4.8万马力）作为补差额和为电磁弹射器提供电能；因为进入4台燃气轮机全速状态，也是航母的作战状态，也是全舰电能需求最大的时候，这个时候省电倒不是主要问题；
另外就是40兆瓦间冷巡航燃气轮机和余热锅炉的匹配度问题，也需要大量模拟和测试才能进入工程阶段；
结束语：
电磁弹射、高能武器等结合，COGES（燃气－电力-蒸汽联合）可能是9.999万吨常规动力航母最优解；虽然这种动力模式从技术上来说是比较激进，但远比核动力简单很多，也更加现实，但用户还是有可能会选择更加可靠的燃油锅炉的蒸汽轮机，但这是另外一个事情，本文在就是做一个燃-蒸动力模式在航母上使用的理论性探讨，所以那些喊着北方船厂核动力航母开工的也要反思一下了，核没有那容易！
“曲线创新”的感悟：在航母技术发展的道路上，不盲目追从所谓的 “标准”，而是结合自身的技术储备、战略需求，探索出一条路，或许能带来意想不到的突破 ！