航空母舰动力装置选型研究及应用可行性分析

伍赛特

摘要：概要介绍了柴油机、汽轮机、燃气轮机、联合动力装置及核动力装置的技术特点及发展概况，并分析了主推进发动机（亦称“主机”）对水面舰船技术性能的影响。随后，重点对以上几类主机在航空母舰上的应用可行性进行了分析。尽管经济性较好，但由于输出功率较为有限，柴油机很难在航空母舰等大型水面舰船上得到推广。核动力装置能显著提升全舰的动力性、续航力及隐蔽性，并且不会对全舰舱室及甲板的布置造成显著影响，是未来大、中型航空母舰重要的发展方向。而轻型航空母舰则更倾向于使用燃气轮机等常规动力装置。汽轮机有着较高的输出功率，且运转平稳，可靠性高，适用于各种类型的航空母舰，并且作为核动力装置的主机，有着广阔的发展前景。截至目前，虽然我国现阶段所拥有的3艘航空母舰——“辽宁舰”、“山东舰”及“福建舰”均采用常规动力，但随着技术的发展，新型核动力航空母舰也有望在将来加入海军编队，为我国的领海安全及边防事业作出不可或缺的贡献。

关键词：航空母舰；核动力；汽轮机；燃气轮机；联合动力装置；柴油机；内燃机

0 引言

19世纪初期，往复蒸汽机即已成功应用于“克莱蒙特”号内河船舶，用作于全船的主推进动力，标志着船舶”动力装置”概念的形成。动力装置的原意是指代替人力或风力，为各类船舶提供推进动力的一整套机械、设备及系统。多年来，随着船舶技术的不断发展与优化，相关动力装置的性能也在逐步提升。

1 水面舰船主推进发动机及其技术特点

1.1 总体概述

舰船动力装置的推进动力来自于主推进发动机（又称“主机”）。主机将多种来源的热能转换为机械功，从而为舰船提供航行所需的能量。动力装置按具体类型来分，主要包括柴油机、汽轮机、燃气轮机、联合动力装置，以及核动力装置等几类。通过研究水面舰船动力装置，有利于快速掌握其类型、结构、技术特点、使用及管理方法，从而加深其在作战过程中的运用，提升水面舰船攻防实战的能力。

1.2舰用柴油机的技术特点及发展概况

1.2.1舰用柴油机的主要技术特点

在柴油机气缸中，高温燃气推动活塞下行，活塞驱动曲轴旋转，从而将热能转换为机械功。总体而言，柴油机的技术优势主要有以下几方面。

（1）经济性较好。柴油机在其整个工况区域内都具有较高的经济性。同时，低速柴油机也能燃用重质燃油，显著降低了燃油费用。

（2）具有良好的机动性。柴油机的启动及加速性能较好，并能实现反转。主机的机动性是一项重要技术性能指标，对水面舰船尤其重要，会直接影响到全舰的综合反应能力及技术性能的发挥。在当今时代，以导弹为代表的高性能武器已得到充分发展，对水面舰船具有重大威胁。因此，缩短备战时间，迅速投入战斗，及时脱离危险区域，对水面舰船有着重要意义。

（3）空气消耗量小，进、排气道所占用的空间较小，更便于布置，并且独立工作能力和抗冲击性能较好。

（4）低速柴油机可直接驱动螺旋桨，同时通过采用较低的转速，可避免螺旋桨出现空泡现象，由此提高螺旋桨的推进效率。这一特点不仅提高了能量转换的总效率，并且无需配备减速装置，简化了传动设备，节约了造船时的建设投资和维修费用。

（5）环境适应性强。柴油机能够在持续波动的高背压，以及较大的真空度影响下持续工作，且功率衰减情况并不显著。此外，柴油机还能被制成低磁性机组，满足扫雷舰等水面舰船的特殊要求。

就目前而言，柴油机的技术弊端主要有以下几方面：

（1）中、高速柴油机单机功率较小。

（2）低速柴油机虽然功率相对较大，但随着整机功率的提升，该类机组的体积和重量会按一定比例迅速增大。因此，在设计、制造功率更高的低速柴油机时会遇到一定困难，相应也对零部件的加工、装配及运输过程提出了更高要求。在降低机组材料的机械负荷和热负荷过程中，也会遇到一定困难。

（3）与汽轮机及燃气轮机等旋转机械不同，柴油机的活塞等部件持续作往复运动，而非单纯的旋转运动，因此会产生周期性的扰动力。因此，柴油机不但振动和噪声较大，机件的摩擦及磨耗同样也较为严重，并且具有较强的低频线谱振动噪声，对水面舰船的隐身与反隐身大为不利。

（4）柴油机的最低稳定转速较高，致使机组稳定工作区域相对较小。

1.2.2 舰用柴油机的技术发展概况

近年来，舰用柴油机技术发展较快，主要体现在以下几个方面：

（1）大功率柴油机普遍采用高增压技术，并逐步改善了低工况下的机组性能；

（2）采用高可靠性模块化设计制造技术；

（3）中、低速柴油机采用相关技术，可充分燃用重油；

（4）采用“智能型”电控技术和高压共轨燃油系统技术，以及低排放等相关技术。

1.3舰用汽轮机的技术特点及发展概况

1.3.1 舰用汽轮机的主要技术特点

汽轮机是一类可将蒸汽热能转换为机械功的热力涡轮机械，此类动力装置主要由锅炉、汽轮机本体、凝汽器、给水泵、给水预热器、减速齿轮箱、传动轴系及推进器等设备组成。其中，为对外输出机械功，锅炉、汽轮机本体、凝汽器和给水泵是较为重要的设备。通常而言，汽轮机具有如下技术优势。

（1）作为单机功率最高的热力发动机，能有效满足大型水面舰船的功率需求；

（2）具有较高的可靠性和较长的使用寿命，其有效使用期可达100 000 h以上，并且操纵、维修、保养过程较为简便；

（3）机组振动、摩擦及噪声较小，可为随舰人员提供较为安静、舒适的环境；

（4）燃料适应性较强，可使用劣质燃油，相应提高了经济性能。

但与此同时，汽轮机也存在下列缺点：

（1）能量转换过程复杂，经济性较差。在能量传递过程中，热能在锅炉、管路、阀件、泵等设备中都会发生损失，尤其在凝汽器中损失最大，所以机组热效率相对较低。对采用简单循环的汽轮机而言，其经济性较差，既不如柴油机，也不如燃气轮机。主要原因在于其工质初温较低，而大量热能又被凝汽器的冷却水带走，因而循环效率低于另两类主机。

（2）系统组成复杂。汽轮机以蒸汽作为工质，必须配备锅炉、凝汽器、泵，以及其他辅助装置，或配备核反应堆及相关系统以得到高温蒸汽。因此，汽轮机的重量指标均大于中速柴油机、高速柴油机及燃气轮机。并且受蒸汽制备过程的影响，汽轮机的机动性同样不如上述机组。

（3）由于转速较高，因此汽轮机需要配置一套既能承受高负荷，又有较大减速比，体积、重量又尽量小的减速装置，从而进一步增大了机组的重量，并使系统组成更为复杂，增大了设计及制造的成本，降低了系统可靠性。

1.3.2 舰用汽轮机的技术发展概况

长期以来，由于输出功率方面的优势，汽轮机在各类大型船舶中的应用均占据一定优势，尤其是在大型水面舰船领域。但由于我国的汽轮机制造工业起步较晚，以汽轮机作为主机的水面舰船占比并不高。随着我国海军体系的完善，其仍有望得到充分发展。

就目前而言，现阶段舰用汽轮机的发展主要有两种趋势：一种是提升系统的热效率，通过提高蒸汽的初参数，并采用复杂循环，从而提高主机及辅机的效率；另一种则是采用较低的蒸汽参数，并增大蒸汽流量，从而使汽轮机本体和锅炉能采用更为简单的结构体系，以此简化管理过程，并增强装置的可靠性。

1.4 舰用燃气轮机的技术特点及及发展概况

1.4.1 舰用燃气轮机的主要技术特点

汽轮机和柴油机这两类热力发动机自问世以来，就得到了广泛应用。如1.1及1.2中所述，柴油机是一类内燃机，燃料在气缸内部燃烧，具有机动性好的优势；而汽轮机是一类热力涡轮机械，其主要优势是单机功率较大。燃气轮机则集两者的优点于一体，是继二者之后，于20世纪中期正式发展起来的一种热力发动机。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三部分组成。其中，涡轮主要包括增压涡轮和动力涡轮，增压涡轮与压气机同轴，动力涡轮通过轴系驱动推进器，通常也被称为双轴燃气轮机。压气机、燃烧室和增压涡轮共同组成燃气发生器。

在发展过程中，燃气轮机首先在航空推进领域得到了广泛应用，并充分取代了活塞式发动机。从1947年开始，燃气轮机在水面舰船领域也得到了应用，并在后续的几十年间得到了长足发展，逐渐成为水面舰船的主要动力装置之一，备受世界各国海军的重视，其技术优势主要如下所示：

（1）机动性好，启动及加速性能优越。燃气轮机从冷机状态下启动，只需要2～3 min即可达到全负荷工况。一且发现敌情，舰船即可作出快速响应，迅速投入战斗，提高作战的机动能力，有效缩短备战时间，以上优势对水面舰船有着重要意义。

（2）燃气轮机重量轻、体积小，可制成箱装体，且单机功率较高。

（3）附件少，且绝大部分配装在机箱体上，机组生命力较强。

（4）自动化程度较高，所需配备的工作人员较少。

（5）机组振动幅度较小，能有效改善随舰人员的工作环境。

（6）检修方便，管理简单，维护工作量较小，易于实现自动化控制。

燃气轮机虽然具有突出的技术优势，但也存在如下不足之处：

（1）燃气轮机的经济性不如柴油机，特别是在偏离额定工况时，燃气轮机的燃油消耗率会迅速增大。以WR-21型燃气轮机为例，其在额定工况时的燃油消耗率与高速柴油机相近，但在低负荷工况下运行时，该型燃气轮机的燃油消耗率会迅速增大。正由于上述问题的存在，限制了燃气轮机在民用船舶中的应用。

（2）燃气轮机通常无法直接反转，需要配置专门的倒车传动装置或调距桨，从而使动力装置结构更为复杂，并增加了系统成本。

（3）燃气轮机的进、排气道截面积较大，从而影响了水面舰船舱内及甲板的总体布置。

（4）排气温度较高，热辐射较强，因此其热信号特征也较强，影响了全舰的隐蔽性。

（5）对温度等环境条件较为敏感，容易影响机组的热效率。

（6）机组寿命较短。由于燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片均在高温、高压条件下持续工作。同时燃气轮机吸入的海面空气含有一定盐分，在钠、钒等物质的作用下，涡轮叶片和喷嘴在短时间内即有可能被腐蚀。尽管通常会选用优质合金材料，但舰用燃气轮机的工作寿命依然较短。

1.4.2 舰用燃气轮机的技术发展概况

目前，燃气轮机按结构型式的不同，主要可分为轻型燃气轮机与重型燃气轮机。其中，轻型燃气轮机是一类以航空燃气轮机为母型，并进一步改制成能适应舰船航行条件的新型机组。重型燃气轮机则是以工业燃气轮机为基础而发展起来的，目前多适用于大型民用船舶，如集装箱船、滚装船和渡船等。

目前，舰用燃气轮机始终围绕着增大功率，提高效率，降低尺寸及重量而不断发展。舰用燃气轮机今后的发展方向如下所示。

（1）继续发展具有较高初参数的简单循环，不断提高燃气初温，并相应提高压比，同时采用更高效的冷却技术。通过采用先进的冷却技术，平均每年可使燃气初温提高约25 ℃。近年来，也在持续研制耐热的高强度材料，通过采用高温材料，平均每年可使燃气初温提高约10 ℃。

（2）继续发展复杂循环，充分利用燃气轮机的排气热量，以提高机组总效率。为此，可采用回热循环和燃气-蒸汽联合循环。

（3）进一步完善燃气轮机各主要部件的性能，提高机组总效率。

1.5 舰用主机的技术特点总结及归纳

输出功率是大型水面舰船在选择主机时需要重点考虑的因素。通常而言，决定热力发动机实际输出功率的主要有两项指标：工质的流量及单位流量工质的比焓降。

在机组尺寸相近的前提下，燃气轮机在输出功率方面明显优于柴油机。出现以上现象的原因主要在于燃气轮机自身工质流动的连续性。燃气轮机内部的燃烧过程处于持续进行状态，而柴油机内部的燃烧过程则是间歇性开展。为避免高温失效等现象的出现，燃气轮机内部工质的峰值温度通常低于柴油机。不仅如此，燃气轮机所采用的的轴流式压气机的压缩效果，通常也不如柴油机的活塞机构。因此，就单位流量工质的比焓降而言，燃气轮机并不占优势。但如上文所述，由于燃气轮机内部的工质处于持续流动状态，并且不存在往复吞吐的现象，因此工质在流量方面具有明显优势。综合而言，在结构尺寸及重量相近的前提下，燃气轮机的输出功率通常高于柴油机。

燃气轮机与同为热力涡轮机械的汽轮机相比，二者内部的工质同样处于持续流动状态，燃气轮机内部工质的温度虽然更高，但是其压力明显更低，燃气轮机工质的压力通常仅为数兆帕，但目前超超临界汽轮机的蒸汽压力可达30 MPa，致使燃气轮机的可用比焓降约为汽轮机的1/5～1/3。综合而言，燃气轮机在输出功率方面通常不如汽轮机，但考虑到燃气轮机较高的机动性及自动化管理程度，其在大型水面舰船领域仍有一定的应用前景。综合上文所述，各类舰用主机的技术特点总体如表1所示。

表1 舰用主机的相关技术参数

2 舰用联合动力装置技术特点及发展概述

2.1 舰用联合动力装置的由来

根据相关统计（如表2所示），在航行过程中，水面舰船绝大多数时间均处于巡航（低速）工况下。此时，动力装置输出的功率通常不超过总功率的25%，因此可以选用一台功率较小、使用寿命较长、燃油消耗率较低的机组来投入运作。在出现战况或进行实战演习时（水面舰船在此类工况下的航行时间仅占总航行时间的3%左右），可使用另一台功率更大、燃油消耗率相应也更高的加速机组。同时，也可将巡航机组和加速机组一起投入运作，以便输出更高功率，满足高航速要求。此类装置通常被称为联合动力装置，可用于平衡水面舰船巡航工况下的经济性要求与作战时的高机动性要求。

表2  水面舰船机组输出功率及航行时间的总体关系

2.2 联合动力装置的发展概述及组合型式

2.2.1 联合动力装置的发展概述

迄今为止，水面舰船联合动力装置已经过了较长时间的发展。相关经验表明，凡有一种新型热力发动机问世，往往会出现该类机组与其他既有主机所组成的新型联合动力装置。而在实际使用过程中，随着新型热力发动机技术性能的提升，单一型式的动力装置往往会逐渐占据优势，并取代之前所采用的联合动力装置。直到更先进的热力发动机出现，会再次与既有主机进行组合，出现更新颖的联合动力装置。此类现象周而复始，循环不息。

具体而言，蒸汽机是一类诞生于工业革命时期的热力发动机，曾在人类历史上扮演过重要角色，而到19世纪末期，汽轮机得以问世，其为一类新型蒸汽动力装置。历史上最早的联合动力装置则由蒸汽机与汽轮机组成。该类联合动力装置的设计理念如下：由于蒸汽机受余隙容积和汽缸行程的限制，高温蒸汽无法在汽缸内得以充分膨胀，由此在蒸汽机后方布设了汽轮机。在蒸汽机内做功后的蒸汽进入汽轮机再次膨胀，由此回收了一部分蒸汽的能量。通过该方式，实现了能量的梯级利用，有效提高了机组的功率和热效率。

但随着技术的发展，蒸汽机逐渐退出历史舞台，各类大型船舶更倾向于采用汽轮机这类单一类型的主机。为了发扬汽轮机的技术优势，克服其弊端，除了不断改进汽轮机本体的技术性能外，还可与其他类型的热力发动机组成联合动力装置。二战时期以后，随着燃气轮机技术的逐步完善，其出色的动力性能也广受关注，由其作为加速机组的一系列联合动力装置也逐渐诞生。

2.2.2 联合动力装置的主要组合型式

考虑到燃气轮机自身突出的技术优势，由其所组成的联合动力装置如下文所示，并归纳在表3中。

（1）汽轮机-燃气轮机联合动力装置（COSAG）。在该类联合动力装置中，由汽轮机作巡航机组，燃气轮机作加速机组。汽轮机与燃气轮机的热力循环互不关联，只是共用一个减速齿轮装置，倒车功率通常由倒车汽轮机提供。

（2）燃气轮机-汽轮机联合动力装置（COGAS）。在该类联合动力装置中，由燃气轮机作巡航机组，汽轮机作加速机组。巡航工况下由燃气轮机提供动力，战时由两类机组共同提供动力。与COSAG型联合动力装置不同，在COGAS型联合动力装置中，燃气轮机与汽轮机构成联合循环，燃气轮机的排气可用于加热汽轮机的蒸汽，从而实现能量的梯级利用。

（3）交替使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODOG）。在该类联合动力装置中，由柴油机作巡航机组，燃气轮机作加速机组。巡航工况下由柴油机提供动力，战时由燃气轮机提供动力。当燃气轮机开始运作后，柴油机即停止对外输出动力。

（4）共同使用式柴油机-燃气轮机联合动力装置（CODAG）。在该类联合动力装置中，由柴油机作巡航机组，燃气轮机作加速机组。巡航工况下由柴油机提供动力，战时由两类机组共同提供动力。

（5）交替使用式全燃联合动力装置（COGOG）。该类联合动力装置由巡航燃气轮机与加速燃气轮机组成。由燃油经济性较好的小型燃气轮机作为巡航机组，并长期在额定工况下运行，确保机组的运行效率。当加速燃气轮机开始运作后，巡航燃气轮机即停止对外输出动力。

（6）共同使用式全燃联合动力装置（COGAG）。该类联合动力装置由巡航燃气轮机和加速燃气轮机组成。平时由巡航燃气轮机提供动力，战时由两类机组共同提供动力。

表3 由燃气轮机组成的联合动力装置及相关组合型式归纳

2.2.3 联合动力装置的主要技术特点

总体而言，联合动力装置有具有以下技术特点。

（1）由于采用了重量较轻、机动性较强的的燃气轮机作为加速机组，并由此提供高负荷工况下大部分（甚至全部）的功率，可相应减少全舰动力装置的总重量。

（2）由于采用了效率较高、经济性较好的巡航机组，可以大幅提升水面舰船的续航力。

（3）由于采用了两类彼此相互独立的机组，提高了全舰动力装置的可靠性。如果其中一类主机发生故障，不会使舰船完全失去动力性能，提升了水面舰船的生命力。

（4）为实现水面舰船的倒航过程，联合动力装置更适于与调距桨、减速器、电传动等相关系统进行匹配，此时任何一台主机均可独立驱动螺旋桨。但需注意，如果采用可实现倒转的主机（如低速柴油机，以及2.2.2中提到的倒车汽轮机）往往会导致传动功率的不匹配现象，或产生其他更复杂的技术问题，从而降低了系统的可靠性。

2.2.4 联合动力装置的总体发展趋势

正如上文所述，由于几类热力发动机的性能特点及适用性均有所不同，因此并非将相关主机仅通过简单的两两组合，就能使其成为理想化的联合动力装置。

就现阶段的联合动力装置而言，多采用燃气轮机作为加速机组。以COGOG型联合动力装置为例，巡航机组通常会采用单位重量较大、功率较小、燃油消耗率较低且寿命较长的重型燃气轮机，而加速机组通常会采用功率较大、燃油消耗率较高、且寿命较短的轻型燃气轮机。

再如上文所述的COSAG型联合动力装置，其将汽轮机作为巡航机组，由于巡航功率较小，汽轮机的尺寸及重量可大幅减小。在高负荷工况下，燃气轮机投入运转，与巡航汽轮机共同输出功率。但近年来，随着柴油机功率的增大和燃气轮机效率的提高，汽轮机作为巡航机组的优越性正在逐步消失。同时，考虑到在机组联合状态下，倒车汽轮机的实际使用效果及可靠性有待改善。因此，COSAG型联合动力装置逐渐被CODOG型联合动力装置及CODAG型联合动力装置所取代。

3舰用核动力装置技术特点及具体型式

3.1 舰用核动力装置的技术特点

核反应堆的大规模应用为舰船动力装置的发展开辟了广阔的前景，其技术优势主要如下所示：

（1）消耗微量的核燃料即可获得巨大能量，采用核动力装置的舰船能以较高的航速航行极远的距离。以一座功率约为11 040 kW（15 000 PS）的核动力装置为例，其运转一昼夜仅消耗核燃料15～18 g。美国第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号可在不补充燃料的情况下，可在水下环球航行一周。原苏联核动力破冰船“列宁””号可持续航行一年，且不补充核燃料。水面舰船在使用核动力装置后，续航力大幅提升，并且节省下的空间可用于携带更多的武器设备，提升全舰的作战能力。

（2）不消耗空气。核反应过程不需要空气的参与，这一特点是其他任何型式的动力装置都无法比拟的，尤其对潜艇具有重大意义。通过采用核动力装置，可显著提升潜艇的战斗力，并能使其长期隐蔽在深海中，不易被敌方发现。核动力装置不消耗空气的特点对水面舰船也有一定优势，因为无需设置进、排气道，也不会产生高温烟气，相应提升了隐蔽性。在核战争中，也减少了从进气口中吸入放射性烟尘的危险，易于开展核防护。

但与此同时，核动力装置也具备一定的劣势，主要如下所示：

（1）重量尺寸较大。由于核反应过程会释放大量放射性物质，对人体产生严重危害，对远洋、近海水域及码头也会产生一定污染，为此需要设置重达数百吨甚至上千吨的屏障，以阻止放射性物质的外逸，从而使得整个动力装置的尺寸及重量较大。

（2）核动力装置造价昂贵，操纵管理技术复杂，一定程度上制约了其大规模推广。

出于以上原因，核动力装置主要用于大型水面舰船及潜艇，在民用船舶领域的发展则相对迟缓。

3.2舰用核反应堆的具体类型

为确保随舰人员的安全，核动力舰船对放射性的防护要求通常比陆用核电站更严格。水面舰船在航行时可能会遇到碰撞、触礁、着火及爆炸等现象，或遭到鱼雷、导弹等武器的意外攻击而沉没。在相关事故存在发生可能性的前提下，为了减少核污染的蔓延，舰船核动力装置应具备永久关闭的功能，并需要配备有坚固的反应堆屏障。

根据舰船对核动力装置的特殊要求，多年来曾对几类核反应堆进行了研究。实践证明，由于压水堆结构简单、紧凑、体积小、操作灵活，更适用于水面舰船，目前所使用的压水堆主要有以下三种型式。

3.2.1高浓铀板状燃料元件反应堆

该类反应堆采用浓缩度为20%以上的235U的板状燃料元件。板状元件的散热面积较大、堆芯布置紧凑、体积小，且单位体积输出功率较高。由此可减小反应堆外壳尺寸，使设备布置更为紧凑。但其技术弊端主要在于所需核燃料浓度较高，设计、建造及运行成本高昂。

3.2.2低浓铀分散型压水堆

该类压水堆的结构与陆用核电站压水堆大致相同，由蒸汽发生器、反应堆、一回路冷却剂水泵和稳压器等设备组成，相关部件通过管道进行连接，构成高温、高压的密闭回路。二回路系统和设备与舰用常规蒸汽动力装置相似。

3.2.3一体化压水堆

以德国的“奥托·哈恩”号船用压水堆为例，其采用了一体化结构。堆芯设在压力容器内的下部，上部设置蒸汽发生器，主循环泵布置在侧面。一体化结构的优点是一回路系统简单，设备紧凑，反应堆安全壳尺寸较小，适用于水面舰船。另外，堆芯内充满了冷却水，具有良好的自然循环性能。当一回路发生冷却泵停转事故时，仍能依靠冷却剂的自然循环维持堆芯的冷却过程。一体化压水堆的弊端在于反应堆、蒸发器及主泵连成一体，从而使得堆内结构复杂，提升了设计、制造及维修的难度。

4 基于水面舰船动力装置的技术性能要求

为确保水面舰船的作战能力，在选择舰用主机时，需要充分满足以下技术性能，同样可作为主机选型的重要参照依据。

4.1可靠性

在投入运行达一段时间后，机电设备将不可避免地发生故障。对于水面舰船动力装置而言，可靠性是极为重要的。可靠性包含了两方面的意义：一是指动力装置的生命力，主要是指动力装置受到外在因素影响后，仍能维持运转的能力，能承受的条件越恶劣，生命力就越强。二是指动力装置处于正常运行状态的时间，正常运行时间越长，可靠性越高，反之则越低。

对于水面舰船动力装置而言，常采用多机多桨或多机并车的推进方式，其可靠性及生命力显著高于单机单桨的推进方式。以双机双桨这一推进方式为例，当其中一台主机或与其相匹配螺旋桨发生严重故障时，另一台主机和螺旋桨仍然可以正常运转，舰船的推进力并未完全丧失。因此，从总体推进效果上看，双机双桨推进的方式具有更强的生命力。因此，水面舰船多采用双机双桨或多机双桨的传动方式。

4.2 机动性

机动性是指水面舰船动力装置从一种工况过渡到另一种工况的能力，如启动、加速、制动、反转及并车等过程。动力装置工况转换的性能，直接影响到舰船自身离靠码头、冰区航行、雾天航行，以及回避紧急事故的能力。

4.2.1 启动性

启动性的优劣与主机的类型有较大关系。就柴油机的启动时间而言，主要取决于燃油、滑油、冷却水、启动空气等辅助系统中运转历时最长的系统。为了提升柴油机的机动性，通常会采用暖缸等措施。

将柴油机与汽轮机相比，由于汽轮机的启动过程需要一定流量的高温蒸汽，因此主要取决于锅炉点火后，蒸汽参数达到规定状态的这一过程。尽管部分锅炉能够较快地供应蒸汽，但汽轮机的平均启动时间依然长于柴油机。

而将柴油机同燃气轮机相比，燃气轮机的启动时间相对更短，但总体而言，两者并无显著差异。

4.2.2 加速性

加速性同样与主机的类型有关。缩短加速时间的首要条件是需要主机在短时间内将功率提高到最大值。其次是螺旋桨在加速过程中能否充分吸收主机输出的功率，并将其转换为对外的推进动力。

对主机而言，影响加速时间的主要因素是部件的重量和热惯性，较轻的重量和较低的热惯性都有利于实现加速。通常而言，燃气轮机的受热部件较为轻小，因此有着较好的加速性能。

对螺旋桨而言，由于定距桨的转速受到一定限制，会随舰船航速的提升而相应增加。因此，随定距桨转速的提高，主机的功率也需要逐步增加，以实现合理匹配。而调距桨在吸收功率时不受自身转速的限制，并且能在短时间内产生较大推力，因此其加速性优于定距桨。

4.2.3 制动与倒航性能

水面舰船在制动与倒航方面的性能主要取决于推进器及相应的传动方式。对于可反转的低速柴油机+定距桨的组合而言，低速柴油机必须先停止喷油，并将转速降至某一范围内，方可开始反转启动，因此倒车时间总体较长。

对于不可反转的主机+离合器+定距桨这类组合而言，主要取决于离合器的性能。如果系统采用摩擦式离合器，水面舰船的倒车时间主要取决于离合器反转时的摩擦件温度升高情况。离合器在反转时所能承受的机械负荷与热负荷越高，越有利于提高紧急制动及倒车能力。

对于不可反转的主机+调距桨这类组合而言，因为舰船在制动时无需使主机停止运行，仅通过调整桨叶螺距即可产生反向推力，因此其制动与倒航性能相对较好。

5 航空母舰动力装置选型及应用可行性研究

5.1 航空母舰及其技术特点

航空母舰是一类大型水面舰船。自1941年12月，日本偷袭珍珠港成功后，航空母舰在世界范围内得以迅速发展。航空母舰与其他水面舰船的主要区别在于其装备的武器及舰体结构。航空母舰的主要武器为舰载机，其舰体上有一块覆盖在整个舰体上面的飞行甲板，供舰载机起降。航空母舰的舰桥较小，且结构集中，形如大海中的小岛，俗称岛形建筑，是全舰的指挥中心。按战斗性能和用途，航空母舰可分为重型攻击航空母舰、轻型护航航空母舰及反潜航空母舰。

航空母舰可用于执行以下任务：对敌方舰艇基地进行突袭，掩护和支援两栖登陆，在作战区及海上交通线上夺取制海权。

航空母舰在海战中起着重要作用，但其也具备诸多劣势，例如舰体大，易受攻击，舰载机自身的机动性受限，编队航行时需配备有一定的反潜兵力及防空兵力等。

5.2 基于主机技术特点的航空母舰动力装置选型及应用可行性研究

5.2.1 各类主机应用于航空母舰的技术可行性分析

综合上文所述，以下对柴油机、汽轮机、燃气轮机及核动力装置在航空母舰领域的应用可行性开展重点研究。

依转速的不同，船用柴油机可分为低速柴油机（转速为200 r/min以下）、中速柴油机（转速为200～1000 r/min）及高速柴油机（转速为1 000 r/min以上）共三类。其中，单台低速柴油机即可提供至少约50 000 kW的功率，如由芬兰瓦锡兰（Wartsila）公司生产的RTA96-C型14缸低速柴油机，拥有约81 700 kW的输出功率，但其长约27.4 m、高约13.4 m，重逾2 300 t，过大的尺寸严重影响了舰体的布置，并且其转速等参数与航空母舰的匹配性也不高，因此在选择主机时通常不作重点考虑。而高速柴油机则存在着功率过小的问题，无法满足大型水面舰船的动力需求，也不作重点考虑。相对而言，只有中速柴油机拥有相对合适的尺寸，总体前景优于低速柴油机及高速柴油机。相较于其他类型的主机，柴油机的最大优势是在全负荷工况下均有着较低的燃油消耗率，且能燃用低品质燃油，操作与维护人员的需求也低于汽轮机及核动力装置。但柴油机产生的污染排放较为严重，必须通过优化排气系统来降低排放。此外，柴油机排出的高温烟气也有可能会影响到舰载机的起飞与降落，并造成舰体外部的腐蚀。考虑到柴油机对舰体空间与重量的需求较高，为了降低动力系统所占空间，由柴油机构成的推进系统通常需要采用多轴推进方案，以及结构更紧凑的机型。但考虑到上述几类柴油机自身的功率状况，其在大、中型水面舰船领域的应用前景较为有限，多用于小型水面舰船中。此外，与汽轮机及燃气轮机等热力涡轮机械不同，由于柴油机自身结构及工作特点的缘故，不可能实现真正意义上的闭式循环，或多或少会与外界存在一定数量的工质交换，从而无法与各种型式的核反应堆结合成新型核动力装置。因此，在航空母舰动力装置选型过程中，以上几类柴油机均不被纳入备选行列之中。

与柴油机不同，汽轮机能为航空母舰等大型水面舰船提供足够的推进功率，并且运转平稳，可靠性较高。但由于其辅助设备繁多，系统组成复杂，相应需要配备大量的操作人员，并且经济性也有待改善，仍有一定的技术提升空间。

与汽轮机相比，燃气轮机则有着重量轻、机动性强的优势，其在高负荷工况下的燃油经济性较好，操作与维护的人员需求也少于汽轮机与核动力装置。但燃气轮机庞大的进、排气道会占用航空母舰较多的上甲板空间，影响了全舰的结构布置。同时，燃气轮机排气所产生的红外线信号也更强烈，并且还存在低负荷工况下燃油经济性较低的问题。但总体而言，燃气轮机卓越的动力性能确保了其在航空母舰等大、中型水面舰船领域的应用前景。

目前，在常规动力航空母舰中，燃气轮机可与汽轮机构成重要竞争关系，亦如上文所述，几类柴油机均已被排除在主机备选行列之外，因此在表1 的基础上，仅对燃气轮机与汽轮机这两类主机进行更为详细的定性对比分析，具体如表4所示。总体而言，两类热力涡轮机械各具优势，均无法完全取代对方。

表4 燃气轮机与汽轮机的详细定性对比

就核动力装置而言，通常采用压水堆+汽轮机的组合，但目前也有高温气冷堆+氦气轮机（以氦气为工质的闭式循环燃气轮机）的组合。如3.1中所示，核动力装置主要具备如下优势：（1）较强的续航能力；（2）可以大幅减少燃料携带量，相应可携带更多的武器设备；（3）减少了高温燃气的排放量，提升了全舰的隐蔽性。

将常规动力航空母舰（以燃气轮机为主机）与核动力航空母舰进行简要对比。由于核动力航空母舰无需携带过多的常规燃料，可有效降低全舰排水量，但其设计及制造成本较高，目前仍亟待优化。虽然仅采用常规动力系统，也能满足航空母舰在作战时的高功率需求。但就目前而言，常规动力航空母舰尚不具备核动力航空母舰的综合作战能力，尤其是在高负荷工况下的续航力与战术机动性明显不如后者。当面对突发的作战部署需求时，核动力航空母舰更具优势，并且能为整个舰队提供更充分的保障，因此总体发展前景更好。

5.2.2 基于航空母舰技术特点的主机选型要求

上文对各类主机在航空母舰领域应用的可行性进行了分析。考虑到航空母舰的实际航行特点，通常要求主机有着较高功率，并且能够与舰载机起降作业相适配，主机的选型原则总体概括如下。

为满足舰载机的飞行需求，航空母舰的最高持续航速需要维持在27 kn以上，以便在回收舰载机时能有流速约25 kn的甲板风，从而对主机的输出功率提出了一定要求。以法国“戴高乐”号核动力航空母舰为例，其采用了核潜艇的反应堆，只能提供约57 000 kW的推进功率，致使全舰最高航速仅有27 kn。为确保舰载机的作战效能，需要为其选用弹射起飞的方式。航空母舰弹射方式主要可分为蒸汽弹射及电磁弹射。航空母舰如需采用蒸汽弹射方式，则必须采用汽轮机这类主机（含核动力装置），从而可为蒸汽弹射器提供必需的汽源。由此可知，弹射起飞的方式一定程度上会对航空母舰主机选型及其功率下限产生影响。

而美国方面自“福莱斯特”级航空母舰起，就要求全舰具有30 kn以上的航速。因此，通常要求航空母舰的总功率在210 000 kW以上。以上技术要求对主机类型进行了进一步制约。亦如5.2.1中所述，中速柴油机即便在外型尺寸方面能与航空母舰相匹配，其功率也很难满足全舰的推进及舰载机起降作业需求，目前所能选用的动力装置仅限于汽轮机、燃气轮机及核动力装置这几类。

从全舰的生命力和机动性上考虑，航空母舰必须采用两轴以上的推进方式。除了确保足够的航速之外，也必须考虑到其中一轴在受到战损影响后，而不至于使全舰失去机动能力。此外，机舱布置多单元化，也是确保全舰生命力的一项基本原则。

此外，电能是航空母舰上的一类重要能源，不但要确保航空母舰作战系统和日用系统的电力需求，同样也要满足航空系统及舰载机的电力需求。美国最新的“福特”级核动力航空母舰，很大程度上解决了未来航空母舰对电力的需求。

由此可知，采用核动力装置将是各国航空母舰未来最重要的发展方向之一。由于目前多以压水堆作为动力来源，因此同样也需要依存于汽轮机来进行能量转换。而以氦气作为工作的闭式循环燃气轮机也可与高温气冷堆搭配，并作为核动力舰船的动力来源，目前仍在持续研究过程中。

6 航空母舰动力装置发展前景展望

第二次世界大战以后，以航空母舰为代表的水面舰船不断地沿着大型化、高速化和专业化的方向发展，其排水量和航速等参数在持续增长，这就要求采用大功率的主机与其适应。多年来，在提升舰用主机的动力性方面取得了较为显著的成就，出现了适用于不同舰型和航速的多种主机。

低速柴油机是一类得到广泛应用的船舶主机。其优势在于燃油消耗率低、寿命长、工作可靠、易于维修保养、造价低且经济性好，但其体积和重量较大，并且该两项指标会随机组功率的提升而迅速增大。尤其是机组高度较大的问题，限制了其在航空母舰等大型水面舰船上的应用。同时，即便是大型低速柴油机，其功率依然有限，较难满足航空母舰的动力需求。

与船用低速柴油机相比，船用中速柴油机体积小、重量轻，且燃油经济性同样较好。因此，随着性能指标的逐渐提升，其在航速较高的小型水面舰船领域的应用也逐年增多。举例而言，扫雷舰、登陆艇等舰型已广泛采用了中速柴油机。但如要应用于航空母舰等大型水面舰船，中速柴油机同样存在功率不足的情况。高速柴油机的功率尚不如中、低速柴油机，因此在最开始便不作考虑。

汽轮机具有功率大、寿命长、工作平稳、使用可靠和易于维修保养的优点。与其他类型的主机相比，汽轮机燃料适应性较好，能燃用煤、重油及液化天然气。因此，汽轮机被广泛应用在排水量高于100 000 t的大型船舶上，以及对振动水平有严格要求的特种船舶上（如大型科学考察船等）。作为现阶段排水量最大的水面舰船，航空母舰领域采用汽轮机作为推进主机有着较好应用前景。

虽然发展年限短于以上几类主机，但燃气轮机已彰显出强大的生命力及广阔的前景。与汽轮机相比，燃气轮机的结构更简单，重量更轻。就目前而言，轻型燃气轮机是水面舰船较为理想的动力装置，其不仅适用于高速快艇，也适用于护卫舰、驱逐舰等中型水面舰船。但由于轻型燃气轮机的燃油消耗率较大、对燃油品质要求较高，所以其经济性目前依然有待提升。同时，单台燃气轮机如要应用于航空母舰等大型水面舰船，则略显功率不足，需要采用多机并车的方式，例如采用COGAG型联合动力装置的方式。

由于具有功率高、续航能力强、排放少、隐蔽性好、便于机舱甲板布置等显著优势，核动力航空母舰目前是各国竞相研究及开发的对象，以“福特”级为代表的核动力航空母舰将是未来的重点发展方向。截至目前，我国所拥有的3艘航空母舰均采用常规动力，但随着技术的发展，新型核动力航空母舰也有望加入我国海防武备体系之中。

7 结论

综合全文所述，现阶段在航空母舰领域得到应用的动力装置主要包括汽轮机、燃气轮机及核动力装置这几类。具体而言，大、中型航空母舰更趋向采用于核动力装置，而轻型航空母舰则倾向于采用燃气轮机等常规动力装置（为减少燃料消耗，同样可采用COGAG型联合动力装置）。汽轮机作为一类工作可靠、运作平稳且功率覆盖面较广的主机，可适用于各种排水量的常规动力航空母舰，并且作为核动力装置的主机，有着较为广阔的应用前景。

参考文献

[1] 伍赛特.船用动力装置前景展望[J].科技创新与应用,2024,14(28):106-118.

[2] 伍赛特.航空母舰动力装置选型及应用可行性研究[J].上海节能,2024,(03):447-451.

作者简介：伍赛特，信息系统项目管理师、系统集成项目管理工程师、知识产权师、工程师、经济师（工商管理）、人力资源管理师，中国造船工程学会高级会员、中国航海学会资深会员、中国内燃机学会高级会员、中国机械工程学会高级会员、中国电机工程学会高级会员、中国电工技术学会高级会员、中国电源学会高级会员。