《出鞘》2020-06-02：武器谣言终结者：电磁弹射真需要核动力或全电推进吗

源济

武器谣言终结者：电磁弹射真需要核动力或全电推进吗
新浪军事  2020年06月02日 17:46

长久以来，国内的军事自媒体一直在捏造一个观点，即电磁弹射的能耗比传统的蒸汽弹射高得多，航母如果想要用电磁弹射，必须要使用核动力或综合全电推进系统。这里我们不去揣测他们之所以要捏造这样一个谣言的原因，仅对谣言本身加以澄清。




事实上，上面这则谣言从一开始就错了，谣言称电磁弹射器的能耗比蒸汽弹射更高。但根据物理规律我们知道，不管是使用电磁弹射器还是使用蒸汽弹射器，将一架飞机加速到指定速度所需的能量都是一定的，因此，这两种弹射器在能耗上的差别，基本可以等同于其能量利用效率的差别。




对于使用蒸汽动力的大型航空母舰来说，电磁弹射的能量转化流程大致为：锅炉的热能——发电机的电能——弹射器的机械能。根据美国相关资料，福特级使用的电磁弹射器将电能转化为机械能的功率转换效率大致为90%（国内也有70%的说法），而涡轮发电机将锅炉的热功率转化为电能的效率则可以参照尼米兹级的动力系统，即单机550兆瓦热功率转化为32兆瓦电力和97兆瓦机械推进功率，发电和汽轮机的整体功率转化率为23%（这里不考虑发电效率及推进效率的差别，下同）。以此计算，使用电磁弹射器弹射飞机时，从反应堆的热功率最终转化到弹射器的机械功率的效率为16%~20%（分别以70%，90%两种口径计算）。




相比之下，蒸汽弹射器的能量转化流程比较简单，即反应堆输出的蒸汽直接引入储气罐，弹射器直接使用储气罐中的高压蒸汽对飞机做功。按照美方的口径，这一过程的能量利用效率仅为4%~6%。换句话说，电磁弹射器的能量利用率大致为蒸汽弹射器的2.7~5倍。弹射相同的飞机时消耗反应堆/锅炉的热能仅为蒸汽弹射器的20%~37%。能耗要远远小于蒸汽弹射器。




除了弹射器本身的能耗以外，这则谣言的始作俑者也没有切实把握到核动力与常规动力、综合全电推进与传统电网之间的区别。从动力系统上来说，海军舰艇最常用的4种发动机为蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机和电动机。这其中燃气轮机和柴油机为内燃机，可以自行燃烧燃料产生机械动力，而蒸汽轮机、电动机则需要有其他的动力来源，自身仅作为能量转换器使用。




而我们所说的常规动力、核动力的区别其实就是在为蒸汽轮机和电动机提供动力的“源动力”上。所谓核动力，是指通过核反应堆烧水产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机驱动舰艇；或是驱动汽轮机发电，再使用电力驱动电动机为舰艇提供动力；而所谓常规动力，则是指使用燃油锅炉烧水产生高温高压蒸汽，再通过与核动力相同的方式为舰艇提供动力，或是由燃气轮机、柴油机带动发电机发电，驱动电动机为舰艇提供动力。




与常规的燃煤、燃油锅炉相比，美军第二代、第三代航母用核反应堆的单机功率要大上很多，如上文提到的尼米兹级的A4W反应堆的热功率就差不多是小鹰级肯尼迪型使用的BW燃油锅炉的四倍以上。不过相比于传统的燃油锅炉，这些超大功率核反应堆及其附属设备的体积和重量也更大。




因此具体到航母上，使用核反应堆的航母的总输出功率未必能比常规动力多出多少。正如上文所说，尼米兹级两台反应堆的功率峰值为63.99兆瓦电力和194兆瓦轴功率；而肯尼迪号航母则为15兆瓦电力（当时航母用电量较少）和210兆瓦轴功率，两者相差仅为30兆瓦。如果考虑到两者用电量的差别导致的设计差异，可以说核动力与常规动力的峰值功率几乎没有什么差别。




既然装机功率没有什么差别，那么剩下的就只有动力输出的“持久性”了。毕竟，锅炉是要烧油的，而一艘航母能够携带的燃油是有限的。相比之下，核动力就没有那么多弯弯绕，只要在反应堆的寿命内，只要蒸汽管路受得了，你就可以一直维持高功率运转。不过，这种差别对于电磁弹射器所需要的舰艇电网来说，并不是什么大事。毕竟哪怕是尼米兹级这样的吞电巨兽，其主机发电功率占比也不到反应堆总输出功率的25%。就算换成常规动力，也完全足以长时间维持63.99兆瓦的发电量和大致相同数值的巡航推进功率（其实哪怕是核动力航母，也不会长时间带着自己的编队跑30节以上的高航速，毕竟护航舰艇都不是核动力的）。




说完了核动力与常规动力的问题，我们再来谈谈综合全电推进与传统电网对于电磁弹射的影响。所谓综合全电推进系统，是指舰艇主机输出的全部功率都用来发电，之后通过先进的配电系统为全舰各系统分配电力。这实际上相当于把上世纪一二十年代比较流行的电推进和舰艇的电网结合了起来。其优点主要在于功率的分配非常灵活，舰艇电网能够输出的瞬时功率非常大。




还是以尼米兹级为例，其全舰总输出功率为63.99兆瓦主机发电、8兆瓦柴油辅机发电以及194兆推进功率。在传统的推进系统与电网相分离的设计中，舰艇峰值供电量为72兆瓦。而如果使用综合全电系统，则可以输出266兆瓦电力，是前者的3.7倍之多。




然而这就意味着常规动力航母想要使用电磁弹射非全电不可吗？显然不是。因为电磁弹射器所消耗的电力压根就不是电网直接输出的。同样是根据美军的宣传，福特级使用的电磁弹射器每一次弹射所需的电量为121兆焦，耗时为2~3秒。即在极端条件下，4条弹射器同时弹射所需的瞬时功率为242兆瓦。而福特级涡轮机的峰值发电量大约为尼米兹级的3倍，即192兆瓦，这远远小于弹射器在极限条件下所需的瞬时功率。




其实，福特级航母使用的电磁弹射器在使用前有大约45秒的充电时间。换句话说，即使同时为4条弹射器充电，所需的功率也只有10.75兆瓦。这个数值相对于福特级的发电量而言简直九牛一毛，甚至一台QC28舰用燃气轮机的输出功率都是这个数的2倍以上。说句不好听的，就算是为一艘完全没有考虑过搭载弹射器的航母临时改装出4部电磁弹射器，顶多也就是额外增加一台燃气发电机的事，根本碍不着综合全电推进。




说到这里，笔者还要扯句题外话。国内互联网上经常可以看到“尼米兹级快速弹射8架飞机，航速就会从30节下降到22节”的谣言。该谣言在国内的流传很广，但是几乎不见于任何外文资料。这主要是因为其造逻辑上就不通：根据美国公开资料，尼米兹级使用的C-13型蒸汽弹射器弹射一架飞机平均需要1350磅（约610公斤）的蒸汽，即8架飞机共需要不到5吨蒸汽。而尼米兹级的A4W反应堆热功率为550兆瓦，按照国内约720千瓦=1吨/小时的算法换算，其两座反应堆的总蒸发量为1528吨，蒸发弹射8架舰载机所需的蒸汽只需要不到12秒，蒸发弹射一个17架攻击波所需要的蒸汽也不过需要24.4秒。这根本不可能对航母的航速造成多大的影响。




最后，既然电磁弹射既不需要核动力也不需要综合全电，那么我国正在建造的第三艘航空母舰是否会采用这两项技术呢？笔者认为暂时还不会。在舰用核反应堆方面，我国尚无拿得出手的大功率反应堆，也没有相关技术突破的论文或报道，虽然像戴高乐、企业一样强行艇堆上舰也不能说完全不行，但这并没有什么意义；至于综合全电推进系统，其可靠性在世界范围内都是一个难题，没有经过小型舰艇的长期试错，贸然用在航母上，难免会影响航母战斗力的形成，这也是得不偿失的。