蒸汽机的发明可谓是人类的一大进步,它促进了工业革命的出现和发展,即使在科学技术如此发达的今天,人们也难以避开蒸汽机的本质——烧开水。
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蒸汽机结构
就连航母在启动之前都要烧开水,而且还需要48个小时,你可能很难想象一艘航母要动起来,究竟有多难!
先烧开水
从人力木船再到航母,人类的航行技术可谓是实现了质的跨越,但从本质上来讲,只不过是将木板换成了铁皮而已。
传统的木船动力来源是人力划动,但这样的方式效率低,成本高,后来蒸汽机出现之后,蒸汽动力替代了人力,成了轮船的基本动力。
那时候人们想要远航,通常会在船上配备一个烧锅炉的师傅,不断将煤炭等可燃物投放进燃料堆当中,投放的多少会影响燃烧的效率,这还是个技术活。
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轮船锅炉
后来,自动化之后,就不需要人们再烧锅炉了,全权由机械负责,人们仍旧改变不了蒸汽动力的基本结构,就算是航母来了,也得烧开水。
比如,我国的辽宁舰,前身就是苏联的瓦良格号,它的动力系统装载了4台TB-12蒸汽轮机,也是通烧少开水的蒸汽产生的动力。
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瓦良格号
仅凭4台TB-12蒸汽轮机想要驱动航母,“热身”时间就超过10个小时,驱动起来肯定是“力不从心”。
所以,后来我国又对TB-12蒸汽轮机进行了改良,蒸汽机本身的技术简单,不过想要拔高上限却非常困难。
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TB-12蒸汽轮机
经过我国科学家的努力,终于在辽宁号上装载了更加先进的4台蒸汽轮机、8台增压锅炉、4轴推进。
这是一个什么概念呢?原本一个TB-12蒸汽轮机的动力为4000马力,4台就是16万马力,如今的改良蒸汽机将上限提高到20万。
这个时候,可能有些小伙伴就会说了,想要提高航行的动力,很简单嘛,多加点蒸汽机不就行了?
其实,这是错误的想法,每艘航母只能够装载的蒸汽机是有限的,太多或者是太少,都会影响航行的效率。
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海上航母
而且,如果蒸汽机过多,也增加了航行的变数,就像之前所说的,烧开水效率影响航行速度,要是其中一个锅炉出现问题,整艘船只都会受到影响。
航母启动难
我们再来说说航母启动究竟有多难,辽宁号的蒸汽机总功率20万马力,实际上的启动动力大约只有18万。
而美国的大型航母启动动力就更大了,比如福特级航母所需动力在28万到32万之间。
这类航母的动力并不完全采用蒸汽,而是电力系统驱动,比如内部的A1B反应堆一共有两处,13500伏输配电系统,能够产生20万千瓦的动力。
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电力系统驱动
电力系统装置相比烧开水的蒸汽驱动,它的动力来源更加稳定,唯一的缺点就是比较吃技术。
回到话题,这样说大家可能无法直观感受到航母驱动究竟有多强,我们具体来讲。
1马力相当于1秒内完成75千克每米的功,也就是说我们的辽宁号在启动的时候,每秒每米大约有1350万千克的力在驱使着它前进。
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辽宁号
当然,这并不是辽宁舰的极限,在全速前进下,这个数值可能还会增长20%左右。
所以,想要驱动一艘航母,普通的锅炉还不行,必须要有大功率的设备和高燃烧率的原料。
普通的煤炭、柴火几乎无法驱动一艘航母,如今只有石油等昂贵的能源才有实现的可能。
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石油钻井平台结构
这也是为什么航母如此“烧钱”的原因,它每分钟消耗的燃料,都足够一家小型工厂生产一整天。
随着石油等不可再生能源的减少,传统能源的动力航母逐渐衰落,这个时候核动力航母便应运而生了。
核动力烧锅炉
核动力航母采用的是核反应堆为能源的航母,本质上,就是用核裂变产生的热能进行加热,大量的水蒸气便由此产生。
与传统能源不同的是,核裂变产生的能量巨大,假如1千克铀-235全部且充分进行了核裂变,那么它产生的能量相当于燃烧2000吨煤。
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核裂变与核聚变
不过,核裂变并不是可控的,它在裂变的过程当中具有概率性,按照物理学的角度来讲,只有当粒子的重核越过势垒高度才能够发生裂变反应,而量子世界具有不确定性,这也导致了人类即使有技术,也无法有效利用起来。
举个最简单的例子,当初爆炸在日本的“小男孩”,当中大约装载了20千克的铀-235,有关专家对爆炸情况进行了评估,发现实际转化效率不足1%。
可就是这1%的裂变,足以将一个城市摧毁。
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铀-235
法国的戴高乐号核动力航母就是最经典的例子,它的内部装载了两台 K-15 型压水堆和两台汽轮机。
将该航母的核燃料填充满之后,能够以25节航行速度,在海面上持续“跑”5年。
核动力航母的出现,无疑是减少了燃料的补给需求,在战时,可以持续在海面进行作战。
但人类目前的技术并不是很完善,核动力航母存在诸多弊端。
比如,在航母启动的时候,裂变的不确定性使得启动时间可能很长,戴高乐就曾出现过在航行之前,“暖机”10个小时的情况。
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戴高乐号航母
同时,核裂变具有不稳定性,如果它的裂变反应波动过大,导致核辐射外泄或者是反应堆爆炸,航母摇身一变,成了移动的棺材盒子。
船员们每天过着提心吊胆的生活,比起传统能源的航母,人们的心理负担更大。
如果是在战时,敌人专门针对航母的燃料舱进行攻击,很容易导致内部的核反应堆失衡,从而不攻自破。
当然,核反应之后的废料处理也是令人头疼的。
总之,别看人家美国看着核动力航母,整天在海上巡逻有多么气派,一旦出现问题不仅会对海洋环境造成污染,整个航母也会受到核辐射的影响,无法回收利用。
最快启动的航母
目前世界上启动最快的航母是英国的伊丽莎白女王号,只需要2个小时的时间,便能够在海中航行。
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伊丽莎白女王号
虽然它是一艘常规动力航母,但是内部的动力系统采用了电力和蒸汽动力混合的方式,极大促进了“暖机”的效率。
在燃气机的功率上,这艘航母也有可圈可点之处,它采用了MT30燃气轮机,单机功率36兆瓦一共两台。
再加上两台16V38B柴油机组,该航母最大输出功率在108兆瓦以上,由于内部的供能足够,伊丽莎白女王号的平均速度也达到了27节。
MT30燃气轮机还采用了模块化结构,将动力系统进行明确划分,在有问题时能够及时发现,并且进行更换。
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MT30燃气轮机
反观我国航母虽算不上最顶尖,却也绝对不是二流的存在,随着技术的发展,相信在未来一定会做出更大的成就。
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