解密工业怪兽——航空母舰的建造过程

工业怪兽航母的建造是怎样完成的?蒸汽动力为什么成最佳的选择。其单机功率大、技术成熟、寿命长、安全可靠、对燃料要求低。另一个原因,蒸汽动力和核动力的“后半段”——蒸汽涡轮系统是有技术延续性的,“换代”的时候可以直接传承。

原题目:工业怪兽、大国重器:海上霸主航空母舰建造过程全解密!

 

一、设计与准备

 

一艘航母的建造是怎样完成的?如果中国建造航母,其建造流程会是怎样?本系列文章结合航母的建造原则,简要介绍一艘航母从设计到交付的流程。

概述

航母的建造是一项庞大的系统工程。在航母上船台之前,研制机构和船厂要做的工作包括:设计准备、计划准备、技术准备、工艺准备、人员材料和设备准备、工厂场地和设施准备等。

各阶段的图纸准备计划

设计准备(主要是指生产设计准备)和计划准备的主要工作是完成审核设计图纸,按照合同要求的工期制定出详细的建造周期计划,人员、材料、设备、安全文明施工等专项计划。船体、涂装、内装、机、管、电等各专业的设计交底,读图讲图等。

技术准备主要有船舶建造技术、船舶舾装技术、船舶涂装技术、船舶焊接技术、船舶建造精度管理技术等等。

供应材料的厂家也是很重要的

工艺准备。其中最重要的是新技术新材料的应用,有的船厂为了新产品的制造,特意建造模拟分段和模拟舱,以熟悉工艺。

材料和设备准备。由于航母建造对比民船需要的材料种类十分复杂,而且数量庞大,所以设备厂商应根据原材料(钢板)大型铸锻件和主要机电设备纳期表,对到厂的材料和设备按照技术要求和造船规范进行验收和入库保管。

工厂场地和设施准备。根据承建船舶的需要,对专用工装和工夹模具提前进行设计、制造和订货。对船厂原有的场地设施,如平台、船台、滑道、船坞、码头、起吊设施、下水设施和各种设备进行动力供应等,应根据承建船舶的要求特点进行必要的准备,甚至改造。此外还对涉及军工产品区域的安全保卫工作做好准备。

钢材预处理流水线、船体放样与号料

钢材备料是一个造船业的专有名词,指的是将造船所用的钢材送入预处理线,进行矫平、喷砂除锈、底漆等处理工作。

航母船体结构使用的板材和型材常因轧制时压延不均,轧制后冷却收缩不匀或运输、堆放过程中其他因素的影响而存在各种变形和锈蚀。为保证质量,航母使用的板材和型材从钢料堆场取出后,先分别用多辊钢板矫平机和型钢矫直机矫正,以保证号料、边缘和成型加工的正常进行。在切割前需要进行除锈,喷涂车间底漆和矫正,这个过程叫做钢材预处理。

船厂干净整洁的车间场地

目前,常用的除锈和涂漆是由钢材预处理流水线完成的。钢材预处理流水线是由钢材的除锈、喷漆、烘干等工序形成的自动作业流水线。利用传送滚道与钢料堆场的钢料吊运、号料、边缘加工等后续工序的运输线相衔接,以实现船体零件备料和加工的综合机械化及自动化。

钢材预处理流水线详解:首先是下料车间。船舶制造的第一阶段工序,按照工程师放样(图纸上的位置设计放到实地位置)结果,确定制造船舶所需钢材的形状、数量和质量,接下来再进行钢板的加工操作。钢板到厂后,首先要进行校平,成为平整的钢板才能使用。先用电磁吊将钢材吊放到输送辊道上。辊道以3-4/分的速度送入加热炉,使钢材温度达4060℃,目的是去除钢板表面的水分,使氧化皮、锈斑疏松,便于除去,同时可增加漆膜的附着性。

航母建造流程表(推测)

接着去除锈,常用的除锈方法有抛丸除锈(使用离心式抛丸机的旋转叶轮将铁丸或其他的磨料高速喷射到钢板的表面,使氧化皮和锈斑剥离)和化学除锈(使用某些酸液将氧化皮和锈斑反应掉)。航母一般使用的是抛丸除锈,钢板进入机器后,抛丸装置自动地向钢板两面抛射丸粒(丸粒可回收再使用),并用热风除去钢板表面的灰尘。

一般要求除锈等级要达到Sa2.5级,即钢板表面应不可见油腻、污垢、氧化皮、锈皮、油漆、氧化物、腐蚀物和其它外来物质(不包括疵点),但疵点限定为不超过每平方米表面的5%,可包括:轻微暗影,少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色,氧化皮及油漆疵点。

在钢材除锈并清洁后,进入喷涂室喷涂车间底漆(一般为无机硅酸锌底漆、环氧富锌底漆、环氧铁红底漆)。车间底漆的漆膜厚度通常为10-15um,并具有良好的机械性能,耐磨、抗冲击,保养期可达10个月到一年,干燥要快,不影响切割焊接质量,无毒,能耐强溶剂,与船用漆有良好的配套性,对化学保护无影响。喷涂作业是在半封闭的喷涂室内进行的。为了适应不同宽度的钢板,喷枪往返的行程可以调节。为了使涂层连续并保证一定的漆膜厚度,辊道的输送速度应与喷枪喷涂速度相配合,这可通过电气控制进行调整。

船厂的下料车间、钢板校平机,到厂的钢板首先在这里校平。(注:配图为大型民船建造现场及所用材料)

钢板离开喷涂室后,进入干燥室进行烘干。使漆膜烘干的方法有红外线、远红外和电加热等。无论用哪种方法,一定要有通风装置,以利于喷漆溶剂的挥发,加快干燥过程。钢板烘干后从干燥室出来,经质量检验合格(检查钢板表面有无麻点缺陷等)并进行标记。这样经过预处理的航母钢板才能送入加工车间进行切割。

号料就是将航母设计的型线图、结构图按比例进行放样展开,以得到船体构件的真实形状和实际尺寸,然后再将这些已经展开的零件,通过构件样板、图纸、数控等不同的号料方法,在平直的钢板或型材(球扁钢、角钢)上划(割)出构件的切割线及加工线等。同时还要在材料上合理的排列各构件图样,以求省料省工,这一工作称为套料。一艘航母需要放样的图纸是一个天文数字,可以用“汗牛充栋”来形容——当然现在没有牛车了,装航母图纸得用卡车。

航母的船体放样和号料均由计算机完成(样板制作依然需手工完成,不过依据的图纸也是由计算机完成的)制作,主要是利用相关生产设计或专门放样的软件进行展开,给出零件套料图(一般以分段为单位,方便后续零件的堆放和转运)、数控切割程序(切割机下料使用)以及零件加工数据。一般分为结构线生成、零件生成和套料。

 

二、航母的构件加工

 

航母船体构件加工

航母用的钢板经过预处理和号料之后,就可以开始用来制造航母构件了。航母船体构件的加工可分为船体构件的边缘加工和成型加工两个部分。

边缘加工共分为两个大步骤,第一是按照号料后在钢材上划出的船体零件实际形状,利用剪床或氧乙炔气割、等离子切割进行剪割分离。第二是切割完的部分零件的边缘还需要用气割机或刨边机进行焊缝坡口的加工。

航母钢板的切割,在边缘加工步骤的切割方法主要有机械切割法(剪切、冲孔、刨边、铣边),化学切割方法(气割)和物理切割法(等离子切割和激光切割等)。由于各种切割方法都各有优点,所以在航母建造过程中,以上切割方法都有可能用到。

成型加工车间

经过切割步骤后的航母钢板将进行焊接坡口的加工。部分焊接方式要求零件板边进行坡口加工。造航母分段的时候,为了让板头板尾对齐、两个或者更多的材料,运用焊接前预制焊口的处理,卷筒后避免发生金属材料发生角差,针对于金属材料边缘进行处理的一种方式,它是机械设备制造行业为保证设备高精度高品质不可或缺的操作方式。

航母舰体构件的成型加工主要是对舰体的弯曲构件在边缘加工之后进行弯曲成型。可分为板材成型加工和型材成型加工。

板材成型的主要方法有机械冷弯法和水火弯板法。对于具有曲度、折角或折边等空间形状的船体板材,在钢板剪割后还需要成形加工,主要是应用辊式弯板机和滚压机进行冷弯,或采用水火成形的加工方法,即在板材上按预定的加热线用氧-乙炔烘炬进行局部加热,并用水跟踪冷却,使板材产生局部变形,弯成所要求的曲面形状。复杂曲度板要先加工出一个方向的曲度,然后再用水火弯板法加工出其他方向的曲度。对于用作肋骨等的型材,则大多应用肋骨冷弯机弯制成形。一般单向曲度板都采用机械冷弯法加工。

大型三辊卷板机

机械冷弯法加工常用的方法为(三星辊)辊弯、(液压机)压弯、数控弯板。

压机包括悬臂式和柱式液压机,采用各种不同的压模压制出板件形状。航母上需要用到它的地方包括:配件加工定型、冲边、校正、模具、轴类、轴套类零件的压装、压印成型、板材零件的弯曲、压印、套形拉伸等工艺,大型的船锚还可能需要用到配套厂的大型水压机。

航母舰首的外飘较大,尤其是滑跃起飞方式的航母,舰首的高度、外飘度都十分可观。因此,钢质外板需要精准的曲面成形加工。

航母的部件拼装

在完成以上这些步骤之后,我们的工人才算有了“基本零件”,可以开始航母的部件拼装了。航母的船体部件拼装,指的是两个或者两个以上的零件拼装成组件(小组立),两个或者两个以上的组件拼装成部件(中组立)的生产过程。常见的部件拼装包括甲板和舱壁板组件的拼接、T型材装配、肋骨框架的拼装等等。

部件装配焊接又称小合拢。将加工后的钢板或型钢组合成板列、T型材、肋骨框架或船首尾柱等部件的过程,均在车间内装焊平台上进行。部件拼装作业可以使用埋弧焊、自动角焊等高效率焊接方式,比较容易实现流水线作业。还有采用FCB(焊剂铜衬垫单面焊双面成型埋弧自动焊)焊接、焊接机器人等先进方法,有效提高工作效率。

弯管车间,可以看出是处理小管道。

()段装配焊接又称中合拢。将零部件组合成平面分段、曲面分段或立体分段,如舱壁、船底、舷侧和上层建筑等分段;或组合成在船长方向横截主船体而成的环形立体分段,称为总段,如船首总段、船尾总段等。分段的装配和焊接均在装焊平台或胎架上进行。

平面分段流水线用于平面分段的生产,主要内容包括拼板、纵骨安装、纵桁肋板安装。对于一般的船舶而言,列为平面分段的船体重量往往有50%-70%,因此很多大型船厂都有类似的生产线。我们的航母就是在这种类似的生产线里生产的。

 

三、装配与下水

 

航母的装配

装配就是将加工合格的船体零件组合成部件、分段、总段,直至船体的工艺过程。

分段划分的原则是:

1)分段重量和尺寸的选择。首先分段的总重量(包括分段舾装重量和临时加强重量)不超过船厂的起重运输能力(船台船坞起重能力、装焊场地起重能力、分段翻身和转运能力);其次防止分段的尺寸太大导致的结构刚性不足(主要是指平面分段、曲面分段、半立体分段)。

2)生产负荷的均衡性。要使分段容积、形状等方面近似,以达到各加工和装配层次中均衡地分配作业;例如采用岛式建造法时,上建分段要与主船体分段长度一致,以便开展舾装作业。

3)结构强度的合理性。分段的对接缝位置不应设在应力集中区域。分段要有足够的刚性和稳定的形状,从而尽量减少临时支撑和加强,使其不至于因为焊接、火工矫正和翻身吊运产生较大的变形。

一般船体的装配流程图,航母虽然复杂很多,但基本流程一样。

4)施工工艺的合理性。要尽可能考虑舾装和涂装作业的需要;扩大分段焊接机械化、自动化的范围,使困难的焊接转成容易的焊接;分段接缝要布置合理。

5)降低材料消耗。分段划分时要充分利用钢材,以钢板规格作为依据。合理选择胎架形式,减少临时支撑和加强布置,减小辅助材料消耗。船体分段划分的最终成果是分段划分图。

航母的船体装配

分为船体结构预装焊和船台装焊,其中船体结构预装焊又分为部件装焊、分段装焊和总组装装焊三道工序。船体结构预装焊所使用的主要设备有起重、电焊、气割和压缩空气设备,以及管道、平台和胎架。其中胎架是制造船体曲面分段和曲形立体分段的形状胎模和工作台,它应具有足够的结构刚性和强度,主要作用是支承分段,保证分段曲面形状和控制其装焊变形。胎架分专用胎架和通用胎架,航母分段的建造广泛使用专用胎架和通用胎架的套管支柱式胎架。

“伊丽莎白”号的船尾(04号底座)重11300吨,搬运工作耗时3小时,动用了450个遥控搬运器。

专用胎架是专用某种分段使用的,比如航母的底部、舷侧、甲板分段和首、尾柱分段。从一块钢板到可以称为分段的时候,大概需要两至三个月,三个月后分段数量开始增加,在“室内船台”分段流水线上加工好的航母分段越来越多。由于航母的坞期较长,所以在航母入坞前,分段一定要有足够多的数量,这样才能减少在坞时间。分段是否能按时生产,对整个施工计划的安排有决定性的作用。所以航母坞期期间,其余民船应该是停止了分段建造或在其他地方建造。

各国航母(两栖攻击舰)的建造方式

船舶的建造方式一般分为六种:(a)总段建造法。把总段作为船体总装单元的建造方法。由于总段较大、刚性好,并有较完整的空间,可以减小船台工作量和焊接变形,同时总段的预舾装程度较高,并可提前进行密性试验,不过对船厂的起重运输能力要求较高。首先将船的基准总段(一般为船体中部或靠近中部的总段)运输到船台(船坞)固定,然后依次吊装前后的相邻总段,当两个总段的对接缝结束后,即可进行该处的舾装工作。

b)塔式建造法。建造时以中部偏后的某一底部分段为基准分段(对于中机型船舶,也可取机舱分段),由此向前、向后扩展,自下而上,依次吊装分段。在建造过程中所形成的已安装区始终保持下宽上窄的宝塔形状,故称塔式建造法。塔式建造法安装方法简便,有利于扩大施工面和缩短船台周期。但焊接变形不容易控制,完工后首尾上翘较大,可以通过加放反变形来缓解。

苏联航母一般使用船台建造,下滑入水的方式。

c)两段建造法。也称为两段建造水上合拢法或坞内合拢法。它是将船体分为两段,在船台或者船坞内分别建成,在水下或坞内(也可以是浮船坞、大型驳船)合拢成整个船体的建造方法。该方法可利用小的船台建造更大的船,当两段分别作业时,可缩短船台周期,但在水上合拢需要建造庞大的隔水装置。

此外还有串联建造法、水平建造法和岛式建造法,一般用于民船建造,这里就不一一阐述了。

美苏航母建造的船台(坞)和下水方式对比

美苏(当时)建造航母关键的差别在于美国是船坞造船法,而前苏联是船台造船法。前者相当于海边或者河边,使用钢筋混凝土加固,来挖一个大坑,把水抽干关上闸门,就可以造船,建造完毕再把水放进来将船移出。而船台造船法则是在海边建一个斜坡,船建完了,顺着轨道就可以滑入海中。

1934年英国建造3.7万吨的“玛丽女王”号豪华邮轮船台下水后,出现了船体板架变形的重大问题,美英等国普遍认为船台造船法已经不适用于建造超大吨位舰艇。因此美国10万吨的核动力航母都选择船坞造船。但苏联由于历史和地理上的原因,继续挖掘船台造船技术。为了建造58900吨的“库兹涅佐夫”舰,苏联特别改造了下水滑道和水下支架和船头加固装置来保证下水安全。

 

四、动力系统

 

动力系统的选择与安装

船舶动力系统通常有两种类型,一是原动机与推进器机械联接构成独立的推进装置,舰上辅助机械及生活系统所需的电能则由独立的船载电站负责供应。二是原动机产生的机械能全部用于发电,这些电能分别配送给电动推进装置、辅助机械及生活系统等。现有的舰船80%以上采用第一类动力系统。

在原动机选择上,在没获得满足航母要求的核动力之前,常规动力是必然的选择。航母由于吨位大,需要大马力的主机,因而要么走大功率蒸汽动力方案,要么走燃气轮机路线。在舰用燃气轮机方面,最近几年才出现了MT-30LM2500+G4这样的单台功率接近5万马力的型号,在此前很长一段时间内,世界各国(包括英美俄)的舰用燃气轮机单台功率均在23万马力的水平徘徊。

由图对比可见,对于航母而言柴油机由于功率小、寿命短是不适合的,其余三种方式都是有实际应用的。

单发动力不足也是为何美俄(苏)设计的航空母舰都没有采用燃气轮机动力的基本原因。英国设计的“伊丽莎白女王”级航母上使用了2MT-30燃气轮机,该机是目前可用的功率最大的舰用燃气轮机,但它的最高航速仅为25节,仍然较慢。

因此,综合各种指标考量,蒸汽动力就成为了最佳的选择。而且蒸汽动力航母还可以较方便地使用蒸汽弹射器,全燃动力则和蒸汽弹射器不兼容,只能使用更先进的电磁弹射器,技术跨度更大。蒸汽动力虽然具有系统复杂、配置自动化系统较难、占用的舱容大、施工周期长、维护工作量多以及经济性较差等缺陷,但是其单机功率大、技术成熟、寿命长、安全可靠、对燃料要求低的优点,十分符合航母这种大吨位水面舰艇。

选择蒸汽动力作为航母动力的另一个原因,是因为蒸汽动力和核动力的“后半段”——蒸汽涡轮系统是有技术延续性的,“换代”的时候可以直接传承。

“库兹涅佐夫”级航母使用的蒸汽轮机系统是5万马力的燃油锅炉和汽轮机,和美国最后一型常规动力航母“小鹰”级(满载排水量84千吨)相比有一定的差距。“小鹰”级最高航速34节,动力系统为4轴,28万马力,单轴达7万马力。当然,由于“库兹涅佐夫”级的吨位比“小鹰”级要小,因此前者的最高航速仍然可以接受。

 

“戴高乐”航母的核动力推进系统

换句话说,如果要研制满载排水量超过8万吨的航母,其动力系统的最大功率不能比“小鹰”级的数据差太多。如果建造一艘比“库兹涅佐夫”级更大(78万吨)的航母,在动力系统不变的情况下,航速可能只能维持在2730节之间(法国的“戴高乐”号是26节,英国的“伊丽莎白女王”号是25节)。

近代舰船锅炉的结构形式基本可以分为两大类:一类是美、日和西欧常用的D型炉膛锅炉。二是俄罗斯(苏)和中国常用的圆形炉膛锅炉。D型炉墙规整,水冷壁易于布置,辐射受面多、传热量大。过热器相对工作温度较低,工作安全可靠。圆形的优点是炉内砌体动力条件好,炉膛容积热负荷高,锅炉结构紧凑,重量和尺寸小,比较难布置水冷壁,通常采用双面燃烧,燃烧器的数量多。两种锅炉各有优势。

“库兹涅佐夫”级采用的КВГ-3锅炉是一种圆型炉膛锅炉。在实践中,中国已对“现代”级导弹驱逐舰所用的锅炉(与“库兹涅佐夫”级采用的КВГ-3同一系列)进行过许多测绘与改进,取得过不小成绩,已掌握成熟的设计手段。

汽轮机

需要说明的是,其实蒸汽轮机并不能算一个分支,核动力其实也是蒸汽轮机,只不过是用反应堆烧开水,而常规动力是用重油等烧开水,原理上都是蒸汽轮机。由于蒸汽轮机具有功率大、维护费用低廉的优点,工作可靠性高、效率高,造价也不高,因此航空母舰的动力装置依然热衷于使用蒸汽轮机。特别是采用核动力的话,也必须要用蒸汽轮机。

高压缸内缸承受蒸汽的温差小、压差大,而外缸承受的温差大、压差小。因此内缸壁中温度梯度不大,引起的热应力较小;外缸承受大温差,但由于缸壁承压小,在工况变化过程中,能承受较大的热应力。低压缸工作特点:保证足够的刚度和良好的流动特性,尽量减小排汽损失;采用钢板焊接结构,并用加强筋加固;排汽室采用径向扩压结构,以充分利用排汽余速动能;低压缸进、出汽温差大,为使外壳温度分布均匀。

当前安装汽轮机组的航母,一般配置为4台齿轮转动式涡轮主机,都是双壳体结构,由高压涡轮和低压涡轮组成,倒车涡轮分布在低压涡轮个体中。在航行时,高压缸的蒸汽通过容器室到低压缸,最后到达冷凝器。涡轮主机有一个可以把功率分成两部分的双级减速齿轮,齿轮可以把来自涡轮的扭力矩传递给轴线。

吊装主机,注意是直接吊装进总段

舰船传动装置用于发动机与推进轴系之间,是舰船主动力系统中不可缺少的关键设备,一般由齿轮箱、离合器、联轴器等传动部件按动力装置不同配置组合而成,是船、机、桨匹配的纽带。通过配置适当的传动装置,可以将有限的几型发动机组合成适合各种舰船需要的动力装置,极大地扩展了主机的使用范围。

联合动力装置可弥补单机功率不足,实现一机多用:既可提高舰船巡航工况的经济性,又可满足加速工况的总功率要求,通过传动装置保证动力装置各个舰船主动力机独立或联合工作,实现螺旋桨轴速度的转换及把舰船主机的功率传递到另一根轴系等。船用齿轮传动装置的功能主要有:减速用于匹配主机与螺旋桨的扭矩-转速;传递主机的功率至轴系;承受螺旋桨的推力(主推力轴承置于齿轮箱内);

匹配主机与螺旋桨的转向;主机交替运行工况切换;设置离合器,避免主机带负荷启动;实现正倒车或双速传动。辅助功能包括:低速盘动齿轮箱及推进轴系;静态锁住螺旋桨轴;动力分支驱动(PTO)驱动轴带滑油泵、海水泵系统的液压泵、调距桨液压泵等。特殊功能包括:发动机码头(单独)试车脱开轴系;挂装调距桨配油器等。

单轴功率50000马力以上的传动装置已是国外大型舰艇不可缺少的关键设备。由于大档功率动力装置覆盖面大,应用范围广,各国非常重视大功率舰船传动装置的研究,无论是燃气轮机动力还是蒸汽动力,都有多种规格的大档功率传动装置已装舰使用。

 

五、航母安全之机库和甲板

 

航空母舰的机库

航空母舰是以舰载机为主要作战武器的大型水面舰艇。航空母舰的设计首先要让其能搭载足够数量的舰载机,还要为舰载机提供安全、稳定和高效的平台,具有较好的舰机适配性。

航母机库是舰载机的运维舱室,是一个大型的航空维修和保障设备。航母机库主尺度的设计最基本的一条,是要满足舰机适配性的基本要求。此外,航母机库还要满足较高的消防要求。根据舰载机紧凑布列和便于调运的原则,航母机库由防火帘(门)隔成34个部分,这几个部分的总长就是整个机库的总长。

各国对机库的防火帘(门)的设计略有差别。美国航母机库设计一般是两道防火门,采用两边往中间推的方式。苏联设计的1143.5型和1143.6型航母采用的是三道从上往下放的防火帘。防火帘的展放速度较快,且可以设计为在断电情况下依重力作用自动掉落,但防火和抗暴能力相对防火门弱一些。

航母升降机是在机库和飞行甲板之间进行舰载机调运的唯一途径。从结构上来说,升降机是设在航母舷侧的大型开口,对航母的结构强度设计也有重要的影响,因此,升降机的尺寸、位置是航母结构设计中的重要内容。按照目前航空母舰的主流设计,航母至少有2部升降机分别布置在艏部和艉部。升降机在机库分段的纵向位置会影响机库内飞机的布列,从而在一定范围内影响可布列飞机的数量。

由于升降机需要在舰体舷侧结构大开口,故2部升降机之间的间距应该受到结构设计的约束控制。此外,由于舰体在高海况下的碰击和上浪较为严重,故会对艏部升降机进行正常的飞机调运造成影响。艏部升降机距离舰艏部的距离也受到上浪对调运安全的约束限制。“库兹涅佐夫”号航母由于之前的升降机有1SA-N-9垂直发射防空导弹(6个发射单元,每个单元备弹8枚)和起重机,此外,受限于机库大小和航空弹药库内部升降机的相互影响,更是向舰岛方向退却一定的距离。

航母机库的宽度主要由舰宽和机库甲板舷侧舱室的总体布局来决定,两者往往在船体主尺度论证阶段能够确定。美国的航母机库,因设计上采用的是较薄单层舱壁,通过机库入口和防火门位置等局部加固的方式,并利用机库到舰外壳现有舱室结构的结合,既保证机库整体结构的牢靠,又有极大的内部空间。例如“尼米兹”的舰宽是40.8米,机库宽度是33米,机库宽占舰宽的比例是81%。除了可以放进去近60架重型战机、数架预警机和其他作战飞机、直升机等,还可以在机库周边放大量的维护设备。

格子结构是机库中两道防火门的位置

俄罗斯设计的“库兹涅佐夫”级航母舰宽37米,但从公布的照片可见,机库的外舱壁采用了安全性较高的加厚舱壁。此外,在机库侧壁到舰体外舷侧之间还有其他舱室,兼作机库的间隙装甲防护结构。这些舱室并不像美国航母那样和机库有机结合,而是采用小的舱门连接,这就导致了机库宽度的下降。

“库兹涅佐夫”级的机库宽度只有26.5米,机库宽占舰宽的比例是71%,供航空设备使用的面积大大减小。由此可见,美苏两国的设计师对侧舷舱室的防护功能有不同的理解。相比之下,美国航母可以携带更多的战机,而前苏联设计的航母更具备安全性,当然这是以牺牲携带战机数量来获得的,这种思路到1143.7型“乌里扬诺夫斯克”号才有所改观,可惜那时候离苏联解体只有三年。

航母机库的高度主要是根据舰载机的最大高度并加上维修所需高度决定的。早期美国的航空母舰高度是6米,后部才达到7米多,维修只能在后面进行,而目前美国的航空母舰机库高度为7.6米,可以在机库任意一个地方进行维修。在这方面,美国的实际使用经验值得学习和借鉴。金属加工,值得关注!

 

六、比对先进航母机库和飞行甲板

 

机库大小的影响

上面讨论了制约航母机库的一些要素,那么我们先对比一下各国目前最先进航母机库的尺度与总面积。航母最重要的武器就是其携带的舰载机。航母机库的尺寸、总面积与舰载机搭载数有着密切的联系,如何在吨位有限的航母舰体上设置尽可能大的机库,以搭载更多的舰载机,是航母在设计阶段的一项重要工作。

航母机库的总长度与航母总长的比例,是衡量该航母设计水平的重要标准。目前现役的航母中,“库兹涅佐夫”号的机库长和总长的比例是50.3%,其他国家航母的比例在62.5%~67%左右。

“库兹涅佐夫”号的机库

苏联在设计“库兹涅佐夫”级航母机库的时候,受到了一些客观条件的制约。从“库兹涅佐夫”号的结构图来看,在“库兹涅佐夫”级航母机库的前方有很多舱室空间,但是由于某个特种舱室空间(航空弹药库的内部升降机,下部就是航空武器库)的制约,使得机库和升降机平齐,相当于五分之一的机库空间给了占地很小的航空弹药库的内部升降机。

航空弹药库的内部升降机舱室位置又受到几个方面的影响:一是受到设计定位的影响,为了保证弹药安全,苏联航母倾向于完全将航空弹药库、升降机和机库分离;其次,航空弹药库升降机也受到前部舰首的飞行甲板下方共装有12SS-N-19垂直发射反舰导弹装置的影响,不能太靠前;三是方便飞行甲板上的作战飞机快速装填的影响,但这个影响是可以通过水平转输系统解决的。在这多种综合因素下导致了“库兹涅佐夫”级航母机库长度略短。但是由于航空弹药库完全和机库分离,弹药的装配就在舰体内部完成,所用的弹药相比之下较为单一,仅能满足几型防空导弹、几型对地攻击导弹。

美国航母的航空弹药库也在类似的位置,但是美国人宁可通过机库中转这样不安全的方式也要选择大机库。(这与美国出于核战需要全封闭舰体的思路也有一定的关系)。例如“尼米兹”级,其中部弹药装配区本身是由舰员食堂兼任的,在训练和战时转换,不仅在使用时影响员工用餐,而且在有限的空间内要摆放45个装配工作台,运输通道只能临时设置。作业人员要将主弹体和弹药组件从下层弹药升降机平台运出,再分发给各装配台。装配完成后,作业人员则要将弹药装车,运至上层弹药升降机等待区。

涉及到多个装配台的作业,弹药运输要并行,不同的运输环节也会有交叉,这就引起了装配区的作业冲突。临时通道会堆积部分待装配或装配好的弹药,不仅降低了效率,同时带来了极大的安全隐患。由此也看出美苏两国的设计人员对作战思路、方式和空间与安全的取舍是有差异的。而这种差异,由于目前美国一极独大掩盖了其自身设计上的缺陷,也导致一些人忽略前苏联的设计思路,盲目贬低苏联时期设计航母的结构方式。

升降机上的歼-15舰载机

显然美国也意识到这种弹药贮运是航母上的劳动密集型作业,人力需求较大。以“尼米兹”级航母来说,武器部门负责弹药贮运作业的舰员共有350人,弹药贮运作业的舰员规模与作战部门的人员相当。人力需求大,最主要的原因还是弹药贮运作业环节步骤较多,需要跨越舰上多层甲板,在多个工作区域联合作业,动用各类型起重、运输设备上千件。

因此,舰上武器部门要设置上百个战位协同配合,才能完成保障作业任务。当然这也和美国的弹药种类多、任务的多样性有关系。所以,未来的美国航母在弹药贮运过程中大量应用自动化设备,可以减少人力需求,同时进一步提高作业能力和输送速率,提升弹药在搬运过程中的安全性,以达到减员增效的目的。金属加工,值得关注!

机库的宽度与舰宽的关系和航母吨位大小、舰的总体布局对机库宽度的限制性要求等因素有关。考察现役航母的尺寸,美国航母无论吨位还是机库大小,都在世界前列。其中在机库的宽度上,前苏联设计的宽度是远低于其他国家水平的。

通常大型航母机库宽度都不延伸到两舷,在机库侧壁与舰舷之间留出一定的空间,供布置舰船纵向通道。笔者在上文也讨论了美国和前苏联对于机库侧舷防护思路是不同的。在舰宽和机库宽度比上,如果向美国设计航母机库的思路靠拢,简化机库侧壁的结构,通过工艺和设计上的改进,使之符合航母强度结构。如果在“库兹涅佐夫”级的基础上进行改进,舰宽略微增长,达到39米左右,在此基础上,机库向两侧各延伸2.5米的空间(改成美国航母的单层侧舷壁),机库的宽度设计是可以达到3132米的。

飞行甲板的影响

对于滑跃起飞,甲板形状的主要特征参数是:平甲板段长度与上翘段甲板长度、出口角及末端形状。设计斜板跑道时,应在飞机结构强度(尤其是起落架载荷限制)允许范围内,较大程度的提高起飞性能。舰载飞机滑离斜板末端的最初阶段的航迹特性关系到起飞安全性,安全性最基本的要求就是航迹下沉量。斜板末端出射角越大,则航迹下沉量越小,航迹最低点越高。出口角是10°、14°时,飞机离舰后最大俯仰角达到28°;出口角是12°的飞机,离舰后最大俯仰角只有17°,但此时飞机较容易控制。

“戴高乐”号上的停机情况,注意舰尾的E-2C,收起机翼仍然占据了很大空间。

滑跃起飞时,对起飞有影响的主要参数是:1、舰载机不同的起飞重量;2、航空母舰的航速;3、滑跑的距离。起飞重量越低,飞机离舰后下沉量越小。苏-3324吨起飞质量时几乎没有下沉。

斜角甲板角度的确定对飞行甲板的长度设计、宽度设计、功能区域划分、特种装备布置等规划问题影响很大,并能够在一定程度上决定一艘航母的飞行甲板特点。斜角甲板的长度决定了飞机的降落重量,比飞行甲板总长度更为重要。“戴高乐”号就是由于斜角甲板的长度不够,无法支持E-2C,费了九牛二虎之力重新加长甲板后才马马虎虎能用。无奈E-2D重量又增加了,估计法国人要二次改装了。

 

七、推进装置

 

推进装置

推进装置的功能是将主机的扭矩传给中间轴,再把中间轴上螺旋桨的推力传给船体。由于航母的推进轴系、螺旋桨体积巨大,如美国“企业”号航空母舰上有4部螺旋桨,每个螺旋桨直径达6米以上,重量近30吨。因此航空母舰轴系的数量并不多一般为24套,航空母舰所有的推进功率只能分摊在少量的轴系上,使每根轴系的功率变得很大。

轴系的组成结构图

航母动力舱室的布局一般是在前后主机舱内(各)安置四台汽轮机,每台汽轮机的前部有两座锅炉为航母提供动力,汽轮机后部是水平异心传动齿轮箱。由齿轮箱带动轴系,如需多个汽轮机共同驱动一个主轴,则采用中间轴相连,主轴连接螺旋桨。123号动力舱分别由两台两用柴油机和2台涡轮发电机组成一个供电系统,4号动力舱由3台涡轮机组成一个供电系统(注意这3台涡轮机是在轴系的上部甲板上)。

推力环:在滑油的动力作用下,推力环旋转,推力块绕支持刃偏转一个小角度,使推力块与推力环之间形成楔形空间,滑油被推力环带入楔形空间,产生了动力油压。推力环的推力通过动力油压传递到推力块上,并经调节圈传递给机座,同时通过地脚螺栓传给船体,从而推动船舶前进。正常情况下,推力轴承是在液体动力润滑下工作的。

推力轴和推力轴承结构图

机架、机座的作用:内部安装运动部件的导板和支承(如缸套、导板和主轴承)构成运动部件(如活塞、十字头、连杆和曲轴)和传动部件(传动齿轮、链轮和凸轮轴)的运动空间。

辅机设备

辅机是航母上除主机以外的动力机械。按用途辅机分为五类:1.船舶推进装置服务:燃油输送泵、滑油泵、海水泵、淡水泵、空气压缩机、分油机等。2.航母航行与安全服务:舵机、系泊设备、吊艇机、消防泵、舱底水泵、压载泵等。3.装载补给服务的:起货机、通风机、制冷装置、货油泵、洗舱泵等。4.士兵生活条件服务:制冷及空调装置、海水淡化装置、饮水泵、卫生水泵、热水循环水泵、通风机、减摇装置、船用锅炉等。5.防污染服务:油水分离器、生活污水处理装置、焚烧炉、污油泵、污水泵等。

“库兹涅佐夫”级航母上有9台ТГ-1500型涡轮发电机,每台1500千瓦;6台ДГР-1500型柴油发电机,每台1500千瓦。这些发动机可以提供总功率高达22500千瓦的电力,有的航母还配备了有源相控阵雷达。为了保证航母的电力系统、全舰系统、装置、日常生活所需要的能量以及汽轮机装置组成里的辅助动力装置能够正常运转。随着新型航母电子设备、机电设备用电功率不断增大,航母应该配备更加强的电力系统,总发电功率应达到30000千瓦以上。

航母上一般需要安装海水淡化装置,而当前的海水淡化装置也同样需要电力驱动。为了保证航母上的空气调节系统正常运转,还应该安装大功率的涡轮压缩机式制冷剂,每台的制冷效率应有200万千卡/小时以上。

福特级航空母舰的螺旋桨

机械安装步骤

采用塔式建造法的航母,分段的预舾装比总段制造法的少。当主要分段合拢后,就开始了主要设备的舾装,为了保证安装的进度和质量,这个过程估计要3个月左右,这就是说在开工912个月之间,船厂中的航母的外观都不会有太大的变化。主要都集中在主机,发电站,辅机设备,船舶自动化设备的安装,分段的安装也是在底部。

八、从下水到交船

 

航母的下水

航母的下水一般采用的是船舶漂浮式下水,即将水注入船舶建造坞,使船舶依靠自身浮力自然浮起的下水方法。

惯性平衡试验

常见的漂浮式下水方法有干船坞下水和浮船坞下水。干船坞就是陆地上建造的利用漂浮原理进行船舶下水和入坞的水工建筑物,一般由坞室(坞底和坞墙)、坞门和水泵站组成。通过坞门把坞室和水域隔开,坞门本身具有压载水舱和进排水系统,坞门水舱进水,坞门就会下沉,在坞外海水的压力下能够紧紧的压在坞口,排除坞门内的压载水,坞门就会起浮并脱开坞口。把坞门关上将坞内的水抽干,就可以在坞内造船或者修船。船舶下水时首先将水注入坞室,船舶依靠水的浮力浮起,当坞内水面与坞外平齐时,打开坞门,将船舶拖曳出坞。为了保证船舶下水时有足够的吃水量,一般干坞下水都会选择大潮位时。

高速转向试验

浮船坞是一种用于修造船的工程船舶,有一个巨大的凹型船舱,两侧有墙,前后端敞开,是一种构造特殊的槽型平底船。两侧的坞墙和坞底均为箱型结构,沿纵向和横向设有舱室,有的舱室为压载水舱,用来注水和排水使船坞沉浮。

利用浮船坞做下水作业,首先使浮船坞就位,坞底板上的轨道和岸上水平船台的轨道对准,将用船台小车承载的船舶移入浮坞,然后浮坞脱离与岸壁的连接,如果坞下水深不足则带到专门建造的沉坞坑下沉,船舶自浮后拖离出坞。根据船舶入坞的方式可以分为纵移式和横移式。纵移式船舶入坞按船长方向移动,使用双墙式浮船坞;横移式船舶入坞按船宽方向移动,往往使用单墙式浮坞,或者一侧坞墙可以拆卸。浮船坞下水作业平稳安全,不占用陆地面积,下水作业更灵活,但下水作业复杂,浮船坞的价格较贵。

舰岛安装完成后,新航母合拢阶段的工作就基本完成了,在新航母开工大约24个月后,完成初次涂装的航母将踏入一个新的旅程。放水,打开船坞,伴随着彩球花衣和浓烈的鞭炮声,航空母舰将缓慢的离开船坞,迎接她的将是这个星球的海洋。在船舶下水之前,船体建造、船坞舾装涂装工作基本完成,此时会进行船舶主尺度、船底基线等的测量工作,以备参考。

倒车惯性试验

舾装

接下来的工作依然艰巨,还将经历一年半到两年左右的舾装工作。完成舾装、试机等,才能进入海试阶段。船舶舾装是指船体结构之外的船舶的所有设备、装置和设施的安装工作,也可以定义为是对船舶进行系统处理和安装的生产活动。目前习惯上对船舶舾装按船机电三个专业分为船装、机装、电装三大类。船装就是指除了机舱设备和全船电气以外所有的安装和处理工作,可以分为甲板舾装(外舾装)和住舱舾装(内舾装)。

船舶试验

随着船舶舾装工作接近尾声,各种设备与系统的试验工作接踵而来。船舶试验就是检查主要设备与系统的安装质量和工作状况,尤其是工作的可靠性,将直接关系到船舶的安全性。船舶试验是船级社、船东和船厂三方监控的,规定的试验项目必须请验船师和船东代表到场验收,以便签发有关证书作为交船文件。

船舶试验通常包括系泊试验、倾斜试验、航行试验(试航)等内容。其中系泊试验是船舶在停靠在码头的静止状态下进行的试验。系泊试验中最重要的是“四机一炉”,即主机码头试车、发电机组试验、舵机的检查与试验、起锚设备试验、锅炉点火。其他试验内容有居住设备的检查与试验;救生设备的检查与试验;起货设备的检查与试验;系泊和拖曳设备的检查与试验、通道装置的检查与试验;关闭装置的检查与试验;声、光信号设备的检查与试验;其他设备的检查和试验,例如各种武备系统的检查和试验。

完成海试任务归航中的辽宁舰

船舶航行试验(试航)

船舶试航的目的是根据合同要求和设计要求,对建造好的船舶技术性能实行全面考核。船舶航行试验的试验项目、内容、方法、程序和试航计划应该会同船东和船级社等有关方面预先商定,并由船厂、船东和船检机构三方代表组成领导小组,负责实施。首制船通常还请设计单位参加试航。在试航前,对主要机械设备再做一次检查,并带足燃料、滑油、淡水、生活给养和救生器具,掌握气象预报情况。试验期间,风速尽可能小,海面尽可能平静,水下部分的船体和螺旋桨尽可能清洁,准备好测试仪器和专用工具,测速前应交验计程仪。船厂对试航全过程作详细记录,为编写产品说明书提供实际数据。试航一般在指定航区内进行,应该具有必要的水深和可供各种船用设备进行专门检查的技术保障。

航行试验项目有:

1)主机航行试验,包括平衡试验、负荷试验和性能试验,主机性能试验主要包括操纵性能、使用性能和可靠性能三个内容。

2)测速试验,目的是为了确知船舶处于不同载况(轻载、重载)和不同螺旋桨转数下的航速及其相应的主机功率、螺旋桨推力,从而求得转数、航速、功率和推力间的关系。船舶测速试验通常是使主机处于25%50%75%100%110%的工况下进行。

3)操纵性试验包括回转试验和惯性试验。回转试验的目的是通过对纵距、横距、战术直径和回转直径的测定来了解船舶的回转操纵性能。惯性试验的目的是为了测知行进中船舶在主机停车或回转为倒车后,因惯性而滑行的距离及滑行时间。操舵试验目的是为了鉴定舵操纵的轻便性、灵活性和工作的可靠性,包括主用操舵装置和备用操舵装置的操舵试验。

4)抛锚试验、刹车效能试验、导航设备试验和声光信号设备试验,特殊的有船舶扩大航行试验:用于检测螺旋桨在低中高几种常用转速下的航速和尾轴功率,船舶在风浪中的适航性,船体振动,轴系扭振等;对于航母还有专用设备工作性能考核,例如设备作业能力、与飞机和其他舰船的配合能力、风浪对作业的影响程度及在各种环境下维护、修理、设备应急更换的方便程度。

交船

船厂的交船是船舶建造完工的最终阶段。交船是一项程序性工作,即通过一些移交手续,船厂把航母交给海军使用。交船主要有几个内容:不完善项目、备件清单、交船日期、交船文件、交船仪式、保证期等。当然,交船并不意味着新航母马上加入海军的服役序列,但它意味着,这艘航空母舰的所有权从造船厂手中转到了海军手中。

(来源|信德海事,IDxinde_marine转自|扑克投资家)

发布日期:2017-04-26
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