本文原載于《現(xiàn)代艦船》
艦船動(dòng)力裝置主要有:蒸汽動(dòng)力裝置、柴油機(jī)動(dòng)力裝置、核動(dòng)力裝置、燃?xì)鈩?dòng)力裝置和聯(lián)合動(dòng)力裝置。前兩種裝置發(fā)展得比較早，廣泛應(yīng)用于各類艦船，后面三種，系近十多年來迅速發(fā)展起來的新型動(dòng)力裝置。艦船燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是指以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)的全燃化動(dòng)力裝置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以來，已得到了極其廣泛的應(yīng)用。功率總數(shù)日益增長，裝艦使用范圍日益擴(kuò)大，已由快艇發(fā)展到了護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和直升機(jī)航空母艦等，可謂是一統(tǒng)江湖。
艦載燃機(jī)基本工作原理：燃?xì)廨啓C(jī)是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃?xì)馔苿?dòng)渦輪機(jī)械連續(xù)做功的大功率、高性能動(dòng)力機(jī)械。它主要是由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進(jìn)氣、排氣、控制、傳動(dòng)和其他輔助系統(tǒng)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組起動(dòng)成功后，燃?xì)廨啓C(jī)就會(huì)開始進(jìn)入穩(wěn)定的熱力學(xué)循環(huán)過程。壓氣機(jī)連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，被壓氣機(jī)多級增壓后的空氣，一方面氧氣密度較高有利于組織燃料燃燒，另外一方面空氣受到壓氣機(jī)做功，這個(gè)過程可以認(rèn)為是壓氣機(jī)動(dòng)能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進(jìn)行更猛烈的化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機(jī)出來后即進(jìn)入燃燒室，首先會(huì)在燃燒室進(jìn)口被噴入燃料進(jìn)行摻混，然后就會(huì)點(diǎn)火燃燒。這個(gè)過程可以認(rèn)為是燃料化學(xué)能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會(huì)激增。高溫高壓的燃?xì)鈴娜紵页隹趪姵?，就開始膨脹，在膨脹的同時(shí)推動(dòng)渦輪葉片做功。這個(gè)過程就是燃?xì)鉄崮芎蛣菽芟騽?dòng)能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為動(dòng)能后，一方面用于壓氣機(jī)壓縮空氣持續(xù)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動(dòng)軍艦。整個(gè)熱力學(xué)循環(huán)完成使得燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了燃料化學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的最終目的。
艦載燃機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)：在軍艦動(dòng)力方案選擇上，燃機(jī)輪機(jī)的主要競爭對手是艦用柴油機(jī)和艦用蒸汽輪機(jī)，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)先天優(yōu)勢與軍艦動(dòng)力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃?xì)廨啓C(jī)成為了各國軍艦動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。
燃?xì)廨啓C(jī)第一個(gè)優(yōu)勢是功率密度極大。一般情況下，同等功率的燃機(jī)體積是柴油機(jī)的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機(jī)的五分之一到十分之一左右。這是由于燃?xì)廨啓C(jī)本身精巧的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)熱力學(xué)循環(huán)結(jié)構(gòu)造成的，而柴油機(jī)必須進(jìn)行復(fù)雜的往返活塞運(yùn)動(dòng)并且要使用多個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，蒸汽輪機(jī)雖然在輪機(jī)部分類似于燃機(jī)，但是其需要將燃料化學(xué)能首先在鍋爐里轉(zhuǎn)化為水蒸氣的機(jī)械能，這套龐大的鍋爐結(jié)構(gòu)使得蒸汽輪機(jī)在體積和重量方面基本被排除在高性能水面艦艇動(dòng)力系統(tǒng)選擇之外。這給空間本來就緊張的軍艦很大的空間裕度。燃?xì)廨啓C(jī)的第二個(gè)優(yōu)勢是啟動(dòng)速度快。雖然燃機(jī)的轉(zhuǎn)速是三種動(dòng)力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個(gè)轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動(dòng)機(jī)幫助下在1-2分鐘就可以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。而柴油機(jī)由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)源于活塞的往復(fù)，加速較慢，蒸汽輪機(jī)更是“反應(yīng)遲鈍”，由于整個(gè)能量轉(zhuǎn)化鏈很長，從點(diǎn)火到加熱水蒸氣再到推動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是個(gè)非常漫長的過程，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最高功率輸出可能需要長達(dá)一小時(shí)的時(shí)間。對于軍艦來講，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，時(shí)間就是戰(zhàn)斗力，啟動(dòng)速度和加速性能都是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。因而選擇燃機(jī)更符合任務(wù)特性的需要。燃?xì)廨啓C(jī)第三個(gè)優(yōu)勢是噪聲低頻分量很低。由于燃?xì)廨啓C(jī)本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。而柴油機(jī)的活塞往復(fù)產(chǎn)生了大量低頻機(jī)械振動(dòng)噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點(diǎn)，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。所以柴油機(jī)動(dòng)力尤為不適合給反潛軍艦作動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)然，燃?xì)廨啓C(jī)也絕對不是十全十美的。由于其自身轉(zhuǎn)速較高，非常不利于軍艦低速航行時(shí)的工作狀況，導(dǎo)致軍艦低速航行耗油高、易停車。為了解決這個(gè)問題，各國采用了各種動(dòng)力搭配方案。將各種動(dòng)力系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起。比如柴燃交替，就是低速使用柴油機(jī)，中高速使用燃機(jī)，柴燃聯(lián)合就是高速時(shí)柴油機(jī)和燃機(jī)一起輸出功率并且通過一個(gè)功率合成系統(tǒng)將功率分配到螺旋槳上。目前艦船動(dòng)力的熱點(diǎn)是全電動(dòng)力，不管是柴油機(jī)還是燃機(jī)，他們的功率都用于發(fā)電，然后使用一個(gè)全艦電力分配網(wǎng)絡(luò)為軍艦提供動(dòng)力和各種設(shè)備的電力。
工業(yè)王冠：根據(jù)前文艦載燃?xì)廨啓C(jī)基本原理介紹我們可以發(fā)現(xiàn)燃機(jī)輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)是相當(dāng)類似的，主要的區(qū)別在于燃?xì)廨啓C(jī)是將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出作為動(dòng)力，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)依靠的是向后高速噴出的燃?xì)?。不過航空發(fā)動(dòng)機(jī)里也有大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)就愈加相近了。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇已經(jīng)成為主要?jiǎng)恿碓矗細(xì)獗旧懋a(chǎn)生的推力只有百分之十左右，而渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)就已經(jīng)基本上都是由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩驅(qū)動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生推力了。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)研制經(jīng)驗(yàn)以及其內(nèi)在的技術(shù)相關(guān)性，現(xiàn)在的艦用燃?xì)廨啓C(jī)基本上都是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)過來的，就是俗稱的“航改燃”。因而，燃?xì)廨啓C(jī)研制的瓶頸和難點(diǎn)其實(shí)就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上說，燃?xì)廨啓C(jī)的研制難度主要集中在核心機(jī)上，它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的核心結(jié)構(gòu)，又稱燃?xì)獍l(fā)生器。
不管是航空發(fā)動(dòng)機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)，本質(zhì)上都是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮芎蛣菽?，再利用燃?xì)鉀_擊渦流和膨脹做功來最終將能量轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機(jī)或者軍艦的推力。所以如何組織燃料燃燒和進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)就是核心機(jī)的難點(diǎn)。首先核心機(jī)需要將空氣通過壓氣機(jī)壓縮進(jìn)燃燒室。為了高效迅速的將大量空氣進(jìn)行高強(qiáng)度壓縮，壓氣機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要復(fù)雜氣動(dòng)分析理論的突破、先進(jìn)理論指導(dǎo)下的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和能夠?qū)⑷S復(fù)雜氣動(dòng)設(shè)計(jì)加工成實(shí)際部件的先進(jìn)工藝。由于核心機(jī)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，每片壓氣機(jī)葉片都承受著數(shù)噸的離心力，這對于葉片本身的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。為了減輕重量提高效率，壓氣機(jī)葉片也經(jīng)常做成空心的，這進(jìn)一步提高了優(yōu)秀壓氣機(jī)設(shè)計(jì)難度。空氣通過壓氣機(jī)以后就會(huì)進(jìn)入燃燒室。在燃燒室短短幾十厘米的距離內(nèi)，壓縮空氣與燃油充分混合燃燒，溫度上升數(shù)百甚至上千度。燃燒室內(nèi)燃料與空氣如何摻混、摻混后油氣混合物質(zhì)的特殊氣動(dòng)特性、耐高溫特殊合金材料和燃燒室復(fù)雜冷卻技術(shù)都需要大量理論計(jì)算和工程實(shí)踐。
燃燒室噴出的高溫高壓高速的燃?xì)饬髦挥型ㄟ^沖擊渦輪做功才能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)化為燃?xì)廨啓C(jī)能夠利用的形式。與壓氣機(jī)相比，渦輪需要增加一條非常重要的性能，那就是耐高溫。壓氣機(jī)葉片在對空氣做功的時(shí)候，空氣也會(huì)升溫，但是一般只會(huì)升高不大的幅度，比如200K左右。但是從燃燒室噴出的燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)上千度，渦輪不僅僅能夠利用自身先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)高效率的轉(zhuǎn)化能量，還必須能夠在極端的工作環(huán)境中保證工作的可靠性。為了保證渦輪材料不被高溫燃?xì)馑诨?，渦輪通常都要采取復(fù)雜的冷卻手段，比如氣膜冷卻、沖擊冷卻和對流冷卻。這些冷卻手段都是通過空心渦輪內(nèi)部釋放出來的冷空氣實(shí)現(xiàn)的。需要鑄造出空心的復(fù)雜氣動(dòng)外形的渦輪葉片成為挑戰(zhàn)各國航空工業(yè)的大難題，這項(xiàng)技術(shù)至今被人稱作是工業(yè)王冠上的寶石。另外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域大行其道的單晶渦輪葉片也逐漸在艦用燃?xì)廨啓C(jī)逐漸普及使用。單晶葉片就是只有一個(gè)晶粒的鑄造葉片，整個(gè)葉片在內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)上沒有應(yīng)力集中和容易斷裂的薄弱點(diǎn)。美國從1976年開始生產(chǎn)單晶葉片，到了1986年十年間共生產(chǎn)400000片單晶葉片，而在1987-1988年一年間就上升到500000片單晶葉片，一年的生產(chǎn)總量超過前10年的總和還多，發(fā)晨速度極為迅速美國于1980年正式把單晶葉片用于燃?xì)廨啓C(jī)，到1985年總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間已達(dá)到百萬小時(shí)。美國Howmet公司生產(chǎn)的單晶葉片就具有復(fù)雜冷卻通道、前后緣由氣膜冷卻，冷卻效果可達(dá)300℃-400℃?，F(xiàn)在又在開發(fā)更高冷卻水平的單晶葉片，如對開葉片、擴(kuò)散連接的葉片及多孔層板葉片，預(yù)計(jì)冷卻效果可達(dá)400℃-500℃。高性能水平的葉片已是集先進(jìn)的材料、先進(jìn)的成型工藝和先進(jìn)的冷卻技術(shù)以及先進(jìn)的涂層于一體。研制的難度非常大，而現(xiàn)代艦船燃?xì)廨啓C(jī)葉片的應(yīng)用與發(fā)展正是朝著這個(gè)方向推進(jìn)。
總之，要想研制裝備一型先進(jìn)可靠的燃?xì)廨啓C(jī)必須具備研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。而具備這種能力的國家世界上屈指可數(shù)，主要有美國、英國和烏克蘭，我國最近逐漸具備了這種能力。其中美國和英國實(shí)力最強(qiáng)，俄羅斯由于蘇聯(lián)解體，主要燃機(jī)研制生產(chǎn)基地留在了烏克蘭。法國航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直萎靡，后來在美國授權(quán)部分F404發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)以后才有較大起色，不過其艦用燃機(jī)一直以進(jìn)口為主。
突破瓶頸迎接未來：我國艦用燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)的起步并不算晚。根據(jù)“中國艦用燃?xì)廨啓C(jī)總師訪談錄”的介紹，1958年我國開始著手研發(fā)計(jì)劃的具體組織實(shí)施，決定成立南、北方兩個(gè)聯(lián)合設(shè)計(jì)組，先開展大、中、小三型機(jī)組的可行性論證和方案設(shè)計(jì)。1959年底，前蘇聯(lián)向我國轉(zhuǎn)讓了M-1艦用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，我國對該機(jī)組進(jìn)行了以技術(shù)練兵為目的的仿制工作。僅用了11個(gè)月，上海輪機(jī)廠就完成了該型燃機(jī)的首臺樣機(jī)制造。不過由于各種原因，仿制樣機(jī)經(jīng)過3年才排除大量故障通過驗(yàn)收試驗(yàn)。后來該型燃機(jī)在一艘高速炮艇上進(jìn)行了試驗(yàn)并且裝備了部隊(duì)。1964年完成設(shè)計(jì)的6000馬力燃機(jī)組是我國第一次自行設(shè)計(jì)研制的艦用燃機(jī)，但是由于研制周期過長加之原裝配對象計(jì)劃調(diào)整未能裝備部隊(duì)。
與世界上其他國家主要依靠航空發(fā)動(dòng)機(jī)改燃機(jī)不同，我國由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)水平落后，采取的是改進(jìn)和專用研制并舉的道路。1967年我國決定將轟六轟炸機(jī)上的渦噴8發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為大功率艦載燃?xì)廨啓C(jī)，這是我國首次進(jìn)行“航改燃”實(shí)踐，但是最終因?yàn)榘l(fā)達(dá)國家同意進(jìn)口相應(yīng)型號受到?jīng)_擊無果而終。后來我國一直在艦用燃機(jī)方面不斷嘗試，但是一直沒能拿出一款成熟可靠性能優(yōu)良的艦載燃?xì)廨啓C(jī)。目前我國先進(jìn)作戰(zhàn)艦艇裝備的艦用燃機(jī)應(yīng)當(dāng)是進(jìn)口燃機(jī)以及仿制型號。
我國在艦載燃?xì)廨啓C(jī)方面一直沒能突破技術(shù)瓶頸的主要原因有很多，既有航空動(dòng)力方面的問題也有艦用燃機(jī)工業(yè)本身的體制問題。其中最主要的一個(gè)原因是我國航空動(dòng)力工業(yè)缺乏長期發(fā)展規(guī)劃。我國航空動(dòng)力工業(yè)像很多落后國家一樣是從仿制和修理開始的。在老大哥的幫助下，我國迅速建立起一個(gè)能夠和世界一流水平比肩的航空工業(yè)體系，但是我國并沒有為航空工業(yè)以及航空動(dòng)力工業(yè)制定一個(gè)從仿制到研制的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，而是將航空工業(yè)本身的任務(wù)局限于仿制、生產(chǎn)和修理，確定了以生產(chǎn)為主的“遍地批量廠”發(fā)展方針。我國航空工業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)就是，仿制生產(chǎn)再仿制再生產(chǎn)，長期處于這種發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，我國航空動(dòng)力工業(yè)對于現(xiàn)代航空動(dòng)力系統(tǒng)的研究發(fā)展客觀規(guī)律認(rèn)識極為不足。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制沒能突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相通的艦用燃機(jī)更是無從談起。航空強(qiáng)國的動(dòng)力發(fā)展經(jīng)驗(yàn)是進(jìn)行核心機(jī)預(yù)研，然后在同一個(gè)核心機(jī)上再衍生出航空發(fā)動(dòng)機(jī)和艦用燃?xì)廨啓C(jī)。世界著名的艦用燃機(jī)LM2500就是核心機(jī)預(yù)研工程的衍生產(chǎn)品。LM2500燃?xì)廨啓C(jī)衍生自美國GE公司的GE9核心機(jī)。GE9核心機(jī)衍生出F101大涵道比軍用加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)用于B1B超音速戰(zhàn)略轟炸機(jī)，將GE9的換算流量進(jìn)一步減小發(fā)展出了GE15核心機(jī)。GE15核心機(jī)衍生出的渦噴型號YJ101參與競爭F-15和輕型戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃（F-16研制計(jì)劃）但是輸給了普惠的F100發(fā)動(dòng)機(jī)。后來競爭YF-17也就是今天的F/A-18艦載機(jī)項(xiàng)目時(shí)，GE將YJ101的低壓壓氣機(jī)放大成為風(fēng)扇研制出了F404中推渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。而將F404的風(fēng)扇放大并于F101的小涵道比型號結(jié)合，就是F-15和F-16的著名動(dòng)力F110。在GE9核心機(jī)基礎(chǔ)上衍生的艦用燃?xì)廨啓C(jī)LM2500是世界上最成功的艦用燃?xì)廨啓C(jī)，裝備了美國阿里伯克級等多個(gè)國家的軍艦。而通用電氣與法國斯奈克瑪公司聯(lián)合研制的CMF56大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)也是以GE9核心機(jī)為基礎(chǔ)的，CMF56發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了空客A320等多種民航發(fā)動(dòng)機(jī)，也是第三帶民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的典型代表。這就是說，GE9一個(gè)核心機(jī)解決了F15，F(xiàn)16，F(xiàn)18這些世界知名戰(zhàn)斗機(jī)、以阿里伯克級驅(qū)逐艦為代表的各類艦艇乃至民航客機(jī)所有動(dòng)力問題，這不得不說是核心機(jī)預(yù)研的巨大效益。可以說，一型核心機(jī)的研制成功，意味著整個(gè)國家從天空到海洋的全面突破。美國從上世紀(jì)五十年代末就開始核心機(jī)預(yù)研計(jì)劃，而我國晚了大概30年，由于起步晚，經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)基礎(chǔ)不足，至今未能拿出一款大規(guī)模實(shí)用的核心機(jī)型號。我國目前航改燃工程沒有合適的核心機(jī)選用。
航空航海都是動(dòng)力先行，在長期規(guī)劃指導(dǎo)下進(jìn)行不間斷的技術(shù)研制才是突破我國海空軍動(dòng)力系統(tǒng)的唯一途徑。我國的核心機(jī)預(yù)研計(jì)劃雖然起步較晚，但是已經(jīng)初步結(jié)出勝利的果實(shí)，航改燃工程也取得了一定成就。在我國新近研制的昆侖和太行發(fā)動(dòng)機(jī)上改裝的工業(yè)用燃機(jī)也取得成功。希望本國動(dòng)力工業(yè)能夠吸取發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，踏實(shí)發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的突破。
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