暢想中國第一艘核動力航母的動力系統：採用096核反應堆

【文/觀察者網專欄作者 晨楓】

「遼寧」號的戰鬥訓練遠航已成例行行動，完全中國獨立建造的第一艘航母已經下水，海試在即。完全中國獨立設計、建造的第一艘航母也時有所聞。為方便討論起見，姑且稱其為三號艦，「遼寧」號為一號艦，已經下水的為二號艦。就像所有還在保密階段的重大軍工項目一樣，不到已經成形而無法保密，外界對三號艦的設計、建造狀態甚至是否存在都只能猜測，更不用說噸位、特點和關鍵技術了。但這不妨礙外界的合理推測。

噸位與動力

「遼寧」號是由前蘇聯「瓦良格」號深度改裝而來的，滿載排水量約6萬噸，採用滑躍起飛。二號艦是完全重新設計的，但無疑深受「遼寧」號的影響，噸位相似，也採用滑躍起飛。對滑躍起飛和彈射起飛的優缺點，以及蒸汽彈射和電磁彈射的優缺點，坊間已有很多論述，本文不再重複。一般認為，三號艦將採用彈射起飛，而且是電磁彈射。

蒸汽彈射的技術成熟，但這是對已經製造和使用蒸汽彈射幾十年的美國而言。對於中國而言，蒸汽彈射與電磁彈射一樣，都是全新的技術，各有各的難關，而電磁彈射的發展潛力無疑更大。一般認為，馬偉明院士的驚喜之一就是電磁彈射。

電磁彈射技術不光包括電磁彈射系統本身，還牽涉到艦船綜合電氣系統。電磁彈射需要大量電力，但並不見得需要特大的持續功率，而是需要很高的峰值功率。這就要求能快速充放電的儲能系統。快速充放電的儲能系統還能從攔阻索助降中回收一部分能量，補充艦上的發電能力。但不管是採用超級電容，還是飛輪，特大功率快速充放電是世界級的難題，不知道馬偉明能不能也一同驚喜一把。如果做不到快速充放電，就只有用特大的發電能力了，比較浪費。

在噸位上，「遼寧」號和二號艦都在6萬噸左右，三號艦可能達到8萬噸級。航母越大，可搭載的艦載飛機越多，艦上攜帶的艦載飛機燃油和武器彈藥越多，戰鬥力越強大。更重要的是，大型航母可攜帶的艦載飛機種類齊全，尤其是對艦隊防空制空和信息化作戰至關重要的預警機。大型航母也有更好的條件搭載專用或者兼用的加油機。

較大的甲板不僅便於出擊和回收飛機的調度，也增加出動率，增加維修設施，提高等效載機數量。因此，航母的戰鬥力不隨噸位線性上升。換句話說，一艘10萬噸級的航母的實際戰鬥力比兩艘5萬噸級的航母更大，兩艘5萬噸級的航母的實際戰鬥力比4艘2.5萬噸級的航母更大，以此類推。

各國載機戰艦尺寸比較

但航母的噸位也不宜無限增大。甲板面積增加到一定程度後，運作效益的提高有遞減趨勢，而建造和運作成本繼續提高，造成航母數量減少，帶來目標過分擊中、調動部署不便等問題。噸位太大的話，連可停靠的碼頭數量都有限。

據認為，10萬噸是美國海軍綜合考慮下來的最優噸位，「企業」級（只有一艘「企業」號）、「尼米茲」級（已建成10艘）、「福特」級（已建成1艘，在建2艘，確認訂購2艘，計劃總數10艘）都定位於10萬噸，不是偶然的。但對於經驗尚且缺乏而且不以全球爭霸為目標的中國來說，一步到位建造10萬噸的航母或許技術風險太大，戰術上也無必要，就三號艦而言，8萬噸級是較好的折衷。

按照蘭德公司的分析，8萬噸級航母在艦載飛機搭載數量和搭配方面與10萬噸級航母相近，除了峰值出動率、攜帶武器彈藥數量和抗打擊力有所降低外，依然具有可觀的戰鬥力，但建造成本和技術風險顯著降低。在「企業」級之前，「福雷斯特」級、「小鷹」級、「肯尼迪」級都是8萬噸級。

噸位定下來了，動力依然是一個問題。航母動力通常採用蒸汽動力、核動力和燃氣輪機動力。柴油機動力在理論上可行，但重量太大，單位功率不夠，至今未見採用。

蒸汽動力和核動力的差別在於熱能的產生方式，前者用重油鍋爐，後者用核反應堆。燃氣輪機過去只用於小型航母，如英國的「無敵」級，現在也用於大型航母，如英國的「伊麗莎白女王」級。

「伊麗莎白女王」號航母

在電推進時代，蒸汽動力、核動力、燃氣輪機動力都可以與電推進相整合。蒸汽動力與熱電廠相對應，核動力與核電站相對應，基本技術是成熟的，艦用當然不是簡單搬家，有具體問題。燃氣輪機也用於發電，不僅燃氣輪機直接驅動發電機，高溫廢氣可以通過廢熱鍋爐產生蒸汽然後驅動汽輪機發電，原則上還可直接驅動煙氣輪機。燃氣輪機也可以通過中冷和回熱循環提高熱效率，這樣的先進循環燃氣輪機的熱效率已經接近柴油機的水平。

就動力要求而言，以美國「肯尼迪」級為參照，8.2萬噸級，採用蒸汽動力，總功率28萬馬力，最高航速34節。在這個速度範圍，功率與航速大體成立方關係。適當降低最高航速要求，可顯著降低功率要求。比如說，最高航速降低到30節，功率要求可降低到19.2萬馬力，可簡化取整為20萬馬力。三次方關係可以用「遼寧」號與「伊麗莎白女王」號進行核算。「遼寧」號的噸位為6萬噸級，總功率20萬馬力，最高航速為32節。噸位相近的「伊麗莎白女王」級的最高航速下降到26節，按照三次方關係功率可降低到10.7萬馬力，「伊麗莎白女王」級實際裝機功率9.6萬馬力。作為初步估算，這樣的精確度足夠了。

20萬馬力依然是很大的功率。「尼米茲」級的兩台西屋A4W反應堆的單台額定熱功率為550兆瓦，可提供摺合100兆瓦的高壓蒸汽（用於發電和蒸汽彈射）加上104兆瓦（14萬馬力）的推進功率，共28萬馬力。

「尼米茲」級航母首艦「尼米茲」號

與潛艇共用反應堆——合適嗎？

「尼米茲」級的A4W反應堆是專用的。相比之下，法國「戴高樂」級航母的阿里瓦K15型反應堆與「凱旋」級核潛艇共用，差別是「凱旋」級用一個反應堆，「戴高樂」級用兩個。為核潛艇設計的反應堆有構型折衷的問題。潛艇用的反應堆常要「橫過來」設計，反應堆直徑以艇體直徑為限，長度倒是可以稍長，但這樣在熱力學設計上有點吃虧。為航母設計專用反應堆的話，動力艙的空間尺度遠比核潛艇寬鬆，較高的反應堆有利於熱力學設計，反應堆的性能更好。

這就是在成本、風險和性能之間綜合權衡的問題了。像美國那樣大批建造同系列航母的話，航母專用反應堆是最好的選擇；航母數量較少則與核潛艇共用更加合理。中國航母需要多少，會建造多少，維持多大的航母艦隊，是否會過渡到10萬噸級，是否會過渡到全核，這些都是另外的話題。但即使在遠期會設計、運作專用的航母反應堆，在開始時，與核潛艇共用反應堆依然是技術上比較穩妥的做法。

與核潛艇共用的另一個壞處是反應堆出力較小。 「凱旋」級是戰略導彈核潛艇，約14000噸級（潛航狀態）。戰略導彈核潛艇的靜音要求非常高，但速度要求不高，最高航速有25節就夠用了。因此K15反應堆的熱功率只有150兆瓦。用於「戴高樂」級時，兩台反應堆提供的推進功率只有8.2萬馬力，因此「戴高樂」級的最高航速只有27節。這還是設計航速，實際上在機械狀態或者海況不理想時經常達不到。這對航母是比較低的。

「戴高樂」號航空母艦

航母的最高航速越大，艦載飛機的離艦速度越高，起飛重量越大，戰鬥力越強。假定在航母靜止狀態下彈射可使得30噸重的典型艦載戰鬥機達到270公里/小時的離艦速度，那航母速度從25節增加到30節可使機翼升力增加3%，也就是說，飛機可額外攜帶1.8噸燃油或者武器，這是可觀的。

但巨大的航母要提高速度，動力代價必然巨大。增加彈射的力度是相對簡易的方法。蒸汽彈射裝置相當於一個很長的汽缸，隨著活塞向前運動，汽缸壓力直線下降，高壓蒸汽在缸內的冷卻進一步加速壓力下降。要維持活塞在接近終端時的壓力，需要極大地提高蒸汽的壓力和過熱度，殊非易事。在戰鬥機發動機推力不足的時代，就只有靠航母的航速了。「福雷斯特」級、「小鷹」級和「肯尼迪」級的最大航速都是34節，不是偶然的。

現代戰鬥機的發動機推力大大提高，更重要的是推重比顯著提高，這使得「尼米茲」級和「福特」級的最大航速可以降低到30節。進一步放寬戰鬥機起飛重量的要求的話，航母最大航速還可以降低，英國「伊麗莎白女王」級為26節，法國「戴高樂」級為27節，蘭德公司為美國海軍規劃的8萬噸核動力航母的最高航速為28節，都低於30節。

我跑得慢是因為艦載機進步了，才不是因為動力不足！

但電磁彈射不同。只要快速放電系統能夠維持，電磁彈射的彈射力不隨行程增加而降低，這使得艦載飛機在彈射起飛中加速更均勻，離艦速度更高，有利於提高起飛重量。「伊麗莎白女王」級的最大航速只有26級，或許就有電磁彈射可以補足航母速度不足的考慮。「伊麗莎白女王」級最初是按照電磁彈射設計的，滑躍起飛只是退而求其次的後備選項。最後建成時果然退而求其次，但這是題外話了。蘭德8萬噸航母方案也採用電磁彈射。

蘭德8萬噸航母的最大航速為28節，因此動力只需要單一的A1B反應堆，這是與「福特」級共用的，從兩個反應堆降低到一個是相對於「福特」級成本顯著降低的一大原因。A1B的額定功率是保密的，一般認為比「尼米茲」級的A4W要高25%，熱功率可能達到700兆瓦，主要用於更大的發電量，推進功率也有所增加。蘭德8萬噸級航母的推進功率要求不明，但按照三次方規律估算，應該在15.6萬馬力左右。這高於單一的A4W能提供的推進功率，但與增加功率的A1B是一致的。

假定中國航母三號艦與核潛艇共用反應堆，正在研製的096的反應堆是最合理的選擇。094的潛航噸位為11000噸，096的噸位更大，據說可攜帶24枚「巨浪2」潛射洲際導彈。參照相同載彈量的「俄亥俄」級，096很難小於18000噸，需要6萬馬力（約45兆瓦）的推進功率才能維持25節左右的航速。「俄亥俄」級的通用電氣S8G反應堆可提供220兆瓦的熱功率。在沒有進一步消息的情況下，假定096的反應堆具有相同的熱功率和推進功率。一般來說，由於系統效率的緣故，反應堆的熱功率與推進功率的比率在5：1上下。「尼米茲」級的A4W除了提供推進功率，還需要提供大量彈射和發電用的蒸汽，所以達到5.5：1；「俄亥俄」級核潛艇沒有蒸汽彈射需求，發電量的要求也較低，為4.9：1。

「俄亥俄」級戰略核潛艇

這樣看來，三號艦即使把最大航速降低到28節，兩個096的反應堆也只能提供12萬馬力，也難以像「尼米茲」級或者「福特」級那樣，由兩個反應堆提供足夠的主要動力。3-4個反應堆當然能達到功率要求，「企業」號就用了8個反應堆。但反應堆不僅製造和運作成本高，還體積大、重量大。S8G的直徑為13米，長度為17米，重達2750噸。4個這樣的反應堆就達到1.1萬噸，這顯然太重了。除非萬不得已，簡單地增加反應堆數量顯然不是個辦法。另一方面，兩個反應堆還是需要的，萬一一個反應堆故障或者受到戰損，艦船還能保持動力。在蘭德報告中，8萬噸級方案的單一A1B反應堆萬一故障或者受到戰損就會喪失動力是一大弱點。

聯合動力的考慮

但除了全核動力外，還有核蒸聯合動力，現在只有俄羅斯的「基洛夫」級戰列巡洋艦使用這樣的方式。這是在常規的核動力基礎上，另外增加常規的重油鍋爐，像噴氣發動機的加力燃燒一樣，對核動力產生的高溫高壓蒸汽進一步加溫加壓，提高出力。在反應堆故障的情況下，鍋爐也提供備用動力；在港內機動時，則提供輔助動力。這樣既能得到核動力無限航程的好處，又不至於過度增加製造和運作成本。

「基洛夫」級巡洋艦

但鍋爐畢竟升火慢，使用複雜，體積和重量較大。用燃氣輪機補充核動力更加合理。燃氣輪機啟動快，功率大，體積小，重量輕，運轉平穩、安靜，尤其適合用於峰值載荷。在電推進的情況下，核動力與燃氣輪機的整合更加容易。

假定三號艦為8萬噸。兩台096的220兆瓦熱功率級的反應堆能提供90兆瓦（12萬馬力）的推進功率，足夠實現25節持續航速。另外增加兩台052D和055級上已經成熟使用的QC280燃氣輪機，每台可提供28兆瓦（75000馬力）的推進功率。這樣，總功率達到20萬馬力，可以滿足30節最高航速的動力需求。核電與燃氣輪機發電都是成熟技術。在馬偉明的艦船綜合電氣系統的架構下，兩者形成合理互補。

核燃聯合動力或許沒有全核動力高大上，但未必不是更符合實際需要的選擇。全核動力在理論上可以無限期保持30節的最高航速，美國海軍甚至在1964年用「企業」號航母、「長灘」號巡洋艦、「班布里奇」號驅逐艦組成的全核動力艦隊進行「海上軌道」行動，在65天里繞地球一圈，航程26560海里。但在實際上，核動力的巡洋艦、驅逐艦被證明成本過高，現以全部淘汰。常規動力的護航艦隊不可能保持30節的持續高速，驅護艦的經濟巡航速度通常只有18節。採用核燃聯合動力後，航母需要另外攜帶動力燃油，增加海上補給問題。但航母總是需要海上補給艦載飛機的燃油和彈藥的。由於燃氣輪機主要用於加速和短時間的最高航速，正常的持續巡航依然以核動力為主，實際消耗並不多，所以海上補給的問題不會太大。另外，常規動力的護航艦隊也需要海上加油，而航母是不可能遠離護航艦隊而單獨行動的。但降低核動力的功率要求和與096共用的優越性是顯著的。

最要緊的是，096的反應堆是本來就需要研發的，QC280則已經成熟，三號艦的核燃系統是整合問題，而不需要全新特意研製關鍵組成單元。這將大大降低系統的成本和風險，有關技術也完全在中國掌握範圍之內。這會成為現實嗎？如前所述，有關三號艦的一切，都還處在知情人不會說、會說的人不知情的階段，外界在現在只可能作合理猜測。但這也是樂趣所在，不是嗎？

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