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其实只要是舰艇，哪个没有动力呢？而航母的动力，其实与一般舰艇一样，必须具备动力，才能施展它的打击灵活性。而作为航母，它的动力与一般舰艇相比，还有一定的特殊性。我们知道战机起飞和降落时，航母要迎风高速行驶，也就是逆风行驶，不管是滑跃起飞的还是弹射起飞的航母都是如此。为什么要如此做呢？因为这么做在战机起飞时可以增加初速度，而降落时又可以降低相对速度，从而可以达到更有效的起飞战机及更安全的降落战机的目的。还是以数据说话吧。 我们假设一下，当航母迎风30节行驶的时候，航母的速度为30节，风速为10节，那么甲板风即为40节，也就是说，即便是战机在甲板上一动不动，也具有了40节的初速度，不要不相信，这是事实。那么通过公式换算一下，1节等于1.852公里/小时，那么40节也就是74.08公里/小时，或者说是20.57米/秒的速度。也就是说，战机一动不动实际上也具有了20.57米/秒的速度。我们再假设战机达到起飞速度需要100米/秒（这个不一定，需要根据不同战机及不同挂载和载油量才能定）。那么只需要在甲板上把静止的战机加速到80米/秒的速度就行了，因为再加上甲板风的话，两者加起飞不就等于100米/秒了吗？假设弹射器的加速度为4个G，那么2秒钟就可以达到80米/秒的速度了。那么做功的冲程为：1/2G*T*T=0.5*40*2*2=80米,而实际上美国尼米兹级的蒸汽弹射器冲程长度也只有80多米，因为驱动活塞长度及末端的水刹器长度需要扣除的，它们不能算在作功冲程距离内的。而如果航母是静止的，或者说航母甲板风为0的话，利用弹射器直接加速到100米/秒的话呢？同样以4个G来算，那么需要2.5秒的时间，那么做功的冲程为：1/2G*T*T=0.5*40*2.5*2.5=125米,如果加上驱动活塞长度及末端的水刹器长度的话,蒸汽弹射器的总长度估计不低于145米以上了。显然这个长度太长了，与之配套的航母长度要增加，排水量要增大，蒸汽弹射器功率会更大。否则只有提高加速度，而如果加速度过高，飞行员也受不了，战机也会受到一定损伤的。可见，在这些利弊中，必须要找到一个均可接受的平衡点，而这些就是今天的尼米兹级航母。对于降落也一样，有兴趣的朋友也可以计算一下。 可见拥有较高的航速对于航母来说，是多么的重要，而作为一艘超大的军舰，如此大的排水量还要求如此高的航速，会对动力系统有着多么严峻考验啊。值得一提的是，与航母配套的军舰如宙斯盾，也必须要有与航母同样的速度，否则，一旦起降战机，就被抛得远远的，如何保护航母安全呢？与军舰一样，航母的动力也是多样化，主要可以分为核动和和非核动力，或者说是常规动力，而常规动力又可以分为蒸汽轮机、燃气轮机等，下面就这些问题一一介绍。 一、 核动力 核动力是所有航母的向往，因为核动力代表无限续航能力，象尼米兹为例，可以十几年不换燃料（而实际上美国更换燃烧棒的时间几乎都超过了二十年），对后勤保障要求可以低一些。而且核动力没有烟囱，不会熏黑雷达及设备。上部舰岛显得更简洁。内部只需航空燃料库，大大节省空间。采取核动力的好处可见一斑，因此需要全球作战的航母采取核动力是首选。 但是核动力也有缺点，首先是它的造价高，一艘相同排水量的航母，核动力的比常规的要高三分之一，而且采取的无一例外都是压水堆，体积大，重量重，功率密度低，象美国佬的航母，只能采取单体而非双体或三体的，因为只有单体的空间能满足要求。事实上，整个水下以下的部分，几乎都被反应堆、蒸汽发生器、蒸汽轮机及冷凝器及推进装置占完了。陆上的核电站占在面积庞大，而舰上空间有限，因此在航母上为了辐射而采取了夹铅钢板等材料以代替陆地上的庞大体积混凝土。但是即便如此，仍是所有动力中最占体积的。而且还有致命的辐射，美国尼米兹级上的航母人员一年换三回，也就是说每个人一年只能呆四个月（当然也有特殊的），为的就是怕核辐射对人体会产生健康的影响。而常规动力的，如果你愿意，呆上一年也没问题。还有就是核动力在更换燃料棒时，不仅要花大钱，还要开膛破肚，还得一年半载的才能完成，你想想，这能不影响航母作战能力吗？ 核动力的原理很简单，其实与陆地上的核电站差不多，下面是核电站原理图：  都是利用反应堆来加热，只不过，航母上的汽轮机直接推动螺旋桨（当然也有汽轮发电机，但是功率要小多了），而且直接利用海水做为冷却剂。总体在原理上都是差不多的，但是事实上在外观上相差很大。在陆地上，不管你的核电站做的有多大，基本上都可容忍，但是军舰上就不行了，你的体积和重量必须要有限制，否则整条航母什么都不做了，就拉一个电站就得做得庞然大物了。因此在核电站上用超级大型的混凝土在航母上只得用夹铅钢板来代替了。为什么用压水堆呢？首先，高温气冷效率确实很高，但是整个体积过于庞大，显然是不合宜的。那么压水堆为什么有如此高的功率密度呢（当然跟燃气轮机相比就低多了）？原因就是它冷凝效率高。我们知道水在一个大气压时，100度就沸腾了，但是压力如果增加到近20MPa，那么即便是温度上升到350度也不会沸腾，而航母的压水堆事实上就是如此的压力，在如此压力的水进入蒸汽发生室时，因为压力骤减立即汽化，并推到蒸汽轮机做功，蒸汽轮机带到螺旋桨及发电机。这些做过功的蒸汽仍然还有100多度以上，它们会进入冷凝器，庞大的冷凝器有数以万计的散热管及散热片，海水及时带走了这些蒸汽的热量，并最终在一定的压力下变成液体，而这些液体又重新进入到加热室并重复以上的工作流程。事补，正时由于压水堆才可以让做过功的蒸汽温度提的够高，而温度够高散热效率也会更高。从而使其整体功率密度大副提升。前苏联的核反应堆由于没有采用压水堆，因此尽管体积和重量很大，但功率密度仍不高。就是如此原因。 二、燃气轮机 应该说，燃气轮机是现代舰艇动力的理想选择。有的舰艇甚至宁愿放弃核动力也要搞燃气轮机。美国的黄蜂级，英国佬的CVF，都采用了燃气轮机，可见其优点之突出。燃气轮机最有代表的是美国通用动力公司于上世纪六十年代以TF39涡轮风扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机。最为主要的用途是作为军用舰艇的动力装置。由于该型燃气轮机性能优秀，所以美国与其他海军均采购LM2500燃气轮机作为作战舰艇的动力装置。从上世纪70年代初正式投入使用以来，LM2500系列燃气轮机已经销售了2000多台(包括工业和舰船)，占据了世界舰船燃气轮机的绝大部分份额。目前，用于舰船推进的LM2500和LM2500+燃气轮机的总运行时数已经超过惊人的5千万小时，这是其他任何一种舰船燃气轮机都难以企及的高度。  这一切都得益于LM2500的高性能、高可靠性和高利用率，也得益于其不断的升级改进。从最初的25500马力(18755千瓦)到G4的 47370马力(34841千瓦)，LM2500连续跨越了两个功率等级的台阶，从而充分满足了客户的需求。可以说，LM2500是最优秀、最成功的燃气轮机。从目前世界燃气轮机发展的趋势来看，很再难出现一种可以挑战甚至超越这座丰碑的新型燃气轮机了。而且燃气轮机属于高技术产品，研发必须具备雄厚的工业基础和长期不断的投入，目前世界上真正能设计、制造船用大功率燃气轮机的厂商数量也很少。 优点：燃气轮机单位功率重量尺寸小、机组功率较大，功率密度是所有已知中最高的；良好的机动性能；能连续输出功率，是汽油发动机与柴油发动机所没有的，能满足舰艇动力装置要求；快速启动性能好，它不象蒸气轮机那样不断的烘炉、煮炉等工作，也不象柴油机那样启动需要强大的畜电池组，在战时能立即启动，并很快加速到最高功率单位体积输出功率大，载荷分布均匀，设计工况点运行平稳，可以做出较大功率，输出转矩稳定，转速高，轴系运行噪音小；噪声低，由于柴油机是冲程式做功，蒸汽轮机也有一套笨重的叶轮，都无法与燃气轮机相比，对于日益先进的潜艇来说，自身噪音很大的舰艇可能会成为潜艇的猎物，也不利于自身反潜。 缺点：主机本身不能自转，进排气口噪音大、耗油率高；叶片需耐高温造价高；对燃料要求高，简单循环时热效率低下，特别是尾气仍有相当的高温，变工况能力差，启动条件要求较高，气动部件的材料要求较高，简单循环的燃烧率不高，制造工艺要求高。 针对燃气轮机效率低下的特点，近年来推出了燃气－蒸汽轮机联合循环，是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置，有时也简称为联合循环。由于蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述要求。为了提高热机的效率，应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热温度。但如把它们结合起来，以燃气轮机的尾气来加热蒸汽（燃气轮机的尾气也有好几百度呢），就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。 联合循环的理论基础早已建立。热力学奠基人之一卡诺就提出过联合循环的概念。但是直到20世纪中叶，才开始有实用的联合循环动力装置。发展联合循环的关键是要研制出高温、高性能、大功率的燃气轮机。为了适应石油短缺的形势，在燃气轮机中有效烧煤也是一项关键技术。目前，世界各先进工业国家均已有定型联合循环机组产品。其中功率最大的已超过60万千瓦，最高热效率已高达47%以上。它作为热电并供机组使用，燃料利用率可高达80%左右，单机组最长运行时间已超过10万小时。热机的热效率要提高1%都是非常困难的，而联合循环却只要把燃气轮机和蒸汽轮机结合起来就可以大幅度节约能源。 另外，由于舰艇本身也需要热量供应，这些加热过的尾气其实仍具有一定的热量，而舰艇上的烘干房、新风机系统或热交换器通常也需要一定热量供应的，象毛子在北极，气温较低，利用这些热量同时可以供热，改善舰上人员的工作环境。因为，排放的高温尾气不仅浪费能源，也会增加红外辐射特征，对舰艇隐身不利的。 三、蒸汽轮机 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，因此在许多国家的大型军舰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，也必须要蒸汽轮机。 
不过，也应该看到，蒸汽轮机体积大，重量重，特别是冷凝器更是庞然大物，占据了太多的舰长宝贵空间，而且锅炉在启动前还必须要引风、烘炉、预热管道等一系列工作，没有个把小时不能进入正常工作状态，而且如果短时靠港还不能熄炉。锅炉在不使用时腐蚀更大，长期不用还必须要充氮气保护，使用的水必须是去离子水，一整套下来，把人累个半死，让人几乎忍无可忍。因此除非核动力外，已经渐渐被淘汰，燃气轮机一统江湖的趋势不可逆转。 四、柴油机 柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每 个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要是，柴油发动机气缸中的混合气是压燃的，而不是点燃的。柴油发动机工作时进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点时，温度可达500-700℃，压力可达40—50个大气压。活塞接近上止点时，发动机上的高压泵以高压向气缸中喷射柴油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，柴油混合气自行燃烧，猛烈膨胀，产生爆发力，推动活塞下行做功，此时的温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的功率很大， 传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此，柴油发动机无需点火系。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于舰艇螺旋大扭矩的使用。  但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重。但随着近年来柴油机技术的进步，特别是电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，因此，柴油机对于现代舰艇仍不失为一个良好的选择。对于小型的、排水量较低的航母，柴油机仍是可选之一，其中英国的未来航母CVF的动力里不仅有燃汽轮机，也有柴油机。主要原因就是柴油机的经济性，同时还有它的负荷可调性强。库舰上也有柴油机，它是用来发电的，即便是尼米兹级核动力航母，也配有柴油机，不过，它只是提供应急的备用电源的。 五、综合全电力系统 首先得强调一下，综合全电系统仍需要外部机械提供电源，当然来源方式可以多样化，可以是柴油机发电，如法国的西北风，也可以是燃汽轮机，如美国的DDG-1000。也可以是柴燃联合的，如英国佬的CVF，还有就是福特级的直接利用核动力发电的。解决了电源问题之后，才能谈综合全电系统。冷战结束之后，拥有大型舰船的各国海军对舰船的建造费用和生命周期运行成本提出了更高的要求，他们要求大型舰船在满足完成传统使命的前提下，大幅度减低防务费用。因此，减少平台及其推进设备费用，进而提高战舰使命效率成为考虑的主要目标。虽然船舶电力推进技术的应用始于20世纪之初，由于受到当时的技术和制造业总体水平的限制，电力系统的优越性不能得到充分体现，推进方式主要体现为DC发电机/电动机，变速交流发电机/电动机，以及稍后出现的恒速交流发电机-整流器-直流电动机等。实际上，此时的电力推进除了满足潜艇和破冰船等特殊的工程船舶力推进一些特殊的应用环境外，设备的制造与运行一点也不经济。因此，它在整个船舶推进领域内所占份额非常小。 上世纪80年代前后，大功率（十兆瓦级以上）交流电动机调速技术因电力电子器件和各种调速变速器技术获得了极大的进步，在商船的应用中积累了一定的设计与运行经验。例如，上世纪最后20年中，阿尔斯通就建造了110艘电力推进船，ABB公司的交流电力推进系统的装机总功率也高达2318MW。商船电力推进的应用为其在军船上的安装奠定了坚实的基础，极大地促进了海军水面舰艇推进系统电力化的发展趋势。 舰船平台系统全电力化进程体现了海军对未来航母多功能化的迫切需要。新概念武器系统，如直接能量武器，探测设备和电子装置都要求舰船平台提供更大功率的电力保障。高能激光武器在工作时耗电390 kW；大功率微波武器大约需要电力5000 kW；电磁弹射器平均需要电力10 MW，以及其他对空作战武器都需要大量的电力。这些武器将在未来10-20年间装备在航母上。因此，高能武器上舰将极大地改变平台的能量供需结构，航母的平台设计应首先考虑武器系统的需求来统筹全舰的能源系统。 作为船舶电力推进系统的关键技术和设备，高功率密度永磁电动机及其系统技术倍受军方关注，随着海军对电力推进给其带来的种种好处的日益认识以及相关型号项目的相继出台，高功率密度船用推进型永磁电动机研发取得了令人鼓舞的进步。一些在几年前还认为难以达到的技术，目前几乎已经进入实用状态。欧美目前开发项目的目的是通过采用可得到的成熟技术将商船业引向军舰环境。商船技术上舰，又使电力推进、电力变换、成套设备、船舶物理场特征和控制等很多领域的技术实现了跳跃式地发展，如船用直流区域配电和大功率（20MW以上）脉宽调制（PWM）的电动机驱动装置都取得了令人瞩目的成绩。近20年间，电力推进技术在商业运营之中积累了丰富的运行经验。舰船电力推进综合考虑了效率、灵活性和生命力等因素，使原动机使用的台数减少，系统实行了集成化，设备灵活布置，从而降低了船主的建造和运行费用。对于大部分时间运行于50%的全功率下的军船而言，电力推进系统可以使原动机最好地高效工作；根据反潜战要求，电力推进系统可以设计成安静运行。新型综合电力推进将完全采用模块化设计，由此缩短了建造周期，降低了建造费用，而更重要的是它充分体现了优越的平台系统重构功能。 
有的人认为，综合全电系统先用机械发电，然后再用电动机驱动螺旋桨，存在着能量转化间的损耗，因此效率不可能比直接推进的高，但是综合全电系统能节能的根源就是在于它在一个能量分配管理系统。根据经验，对推进和船舶日用电两者采用一个公共电力系统，其效益是能使运行费用节省高达25%。虽然电力战船不能像商船一样一味地强调燃料的经济性而进行全面地优化，但是所节省的生命循环周期费用（燃料、人员和维护等）还是非常可观的。根据英国国防部风险评估测算，和机械平台相比，采用全电力推进的战舰所节约建造的费用可以在建造了30艘舰船之后，就可以再免费获得一艘同级别的舰船（约节约3.3%）。与之相比，目前的军船直接驱动存在着极大的不合理现象。如美国海军当前在役的DDG级护卫舰，它安装4台推进用燃气轮机（每轴2台），和3台小型燃气轮机发电机作为船上武器系统电力和日用电力。根据配置，DDG的推进动力是独立的，大约90%的安装功率只能用做推进，而不能分配和传输给诸如武器系统或作为日用。DD（X）/CVN航母将安装2/4大型燃气轮机发电机组，其电能输往电网，船上所有用户-推进、武器系统或日用等-都将成为电网的平行用户。综合全电力系统一体化是先进的电力分配系统。它在节约成本的同时，使舰上推进、拖动、设备、生活、照明、武器等用户所用能源实现了统一配电，综合控制，不但全面改善航母的隐身性、机动性、生存能力、可靠性、经济性，更重要的是它极大地满足了新概念高能武器和电磁飞机弹射装置所需的高质量、高电耗的要求。它使航母群的战斗力和舰员生活质量两方面都得到提高,被誉为水面舰艇的一种革命性变化。新型航母综合电力推进系统将采用模块化、标准化设计，提升了电力系统的抗损能力和整个系统重构能力，亦降低了整船的采购费用。 为了降低舰船采购费用和生命周期运行费用，以及提升武器装备的最大有效性，目前综合全电力推进（IFEP）已发展为电力船（ES）概念。电力船不但包含了综合全电力推进的概念，而且胜过传统IFEP船，其特点如下：最少的发电机运行：ES在最少发电机运行的状态下工作。由此带来巨大的好处部分体现在燃料耗上，但主要体现在由于最短的发动机远行时间而消耗的最少的维护费用。辅机电气化：其它维护和人力的减少可以通过尽可能使用电力辅机来实现。如航母电磁飞机弹射系统/飞机着舰阻拦装置、机库升降装备等采用统一可靠的电网供电，将直接从这一策略中获益。与传统设备相比，这些设备所占空间和重量还不到传统设备50%，且减少了维护和人力配备。 可见，如果燃汽轮机代替蒸汽轮是必然趋势，那么综合全电系统也是未来舰艇的必然趋势。 |
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