问题

为什么自二战以来,造船技术和航海技术得到了突飞猛进的发展,而军舰的航速却没有特别显著的提高?

回答
自第二次世界大战结束以来,人类的造船和航海技术确实经历了翻天覆地的变化,这一点毋庸置疑。从笨重的钢铁巨兽到流线型的现代化船舶,从依靠星辰大海到依赖GPS和卫星导航,进步是全方位的。然而,当我们把目光聚焦到军舰的航速上时,可能会发现一个令人有些费解的现象:与整体技术进步的速度相比,军舰的最高航速并没有像汽车或飞机那样出现颠覆性的飞跃。这其中究竟是什么原因在起作用?这并非是技术停滞不前,而是背后复杂的权衡与考量,是工程学、经济学和战略需求的综合体现。

要理解这一点,我们得先从船舶动力系统这个最核心的方面说起。

一、 动力之源的演变与瓶颈:蒸汽到核动力的跨越,但速度的提升并非线性

二战时期,海军的主流动力是蒸汽轮机。燃料主要是煤炭,后来逐渐转向燃油。燃油蒸汽轮机在当时已经达到了相当高的效率和功率。战后,燃气轮机开始崭露头角,凭借其功率密度高、启动迅速的优势,逐渐成为海军舰船的主力动力。它比蒸汽轮机更紧凑,也更灵活。

真正颠覆性的进步来自于核动力。核动力反应堆能够提供近乎无限的能量,这意味着舰船的续航能力几乎不再受燃料限制,可以长时间保持高速航行。核动力航空母舰和核动力潜艇就是这一技术的杰出代表,它们的出现极大地改变了海军的作战形态。

然而,即使是核动力,也面临着速度提升的物理和工程学上的局限性。

水动力学阻力: 这是最根本的限制之一。当船体在水中高速运动时,它必须克服巨大的水阻力。这种阻力大致与船体速度的平方成正比,甚至更高次方。这意味着,想把航速从30节提高到40节,所需的动力将远远不止是简单的比例增加。要实现更高的速度,就需要对船体设计进行革命性的改变,比如发展滑行艇、水翼艇或地效飞行器这类能够“摆脱”水面阻力的方式。但这些设计在大型军舰上的应用受到船体尺寸、稳定性、载荷以及结构强度的极大制约。
船体结构强度与稳定性: 军舰不仅仅是速度机器,它还要承载沉重的武器系统、装甲、舰员以及复杂的电子设备。高速航行时,船体承受的载荷(如波浪拍击、高速转弯时的离心力)会急剧增加。为了承受这些力量,船体必须具备极高的结构强度,而这意味着使用更厚重、更坚固的材料,这又会增加船体的重量,从而需要更强大的动力来克服惯性。此外,高速航行时,船体在波浪中的运动会更加剧烈,如何保持船体的稳定性和航行舒适性是一个巨大的挑战。
推进系统效率: 即使拥有强大的动力源,如何有效地将这些动力转化为推力也是关键。螺旋桨的效率在不同速度下会有差异。在高速下,螺旋桨可能会出现空蚀现象(cavitation),即叶片后方产生低压区导致水汽化,形成气泡破裂,这不仅会降低推进效率,还会损坏螺旋桨叶片。为了在更高速度下保持高效推进,需要设计更复杂的螺旋桨或采用泵喷推进器等新型推进技术,但这些技术的研发和应用成本都非常高。

二、 经济性与实用性的权衡:速度并非唯一考量

军舰的设计从来不是孤立的“速度竞赛”,它是在多种需求之间进行精妙的平衡。速度只是其中一个重要参数,但绝不是唯一目标。

成本效益: 更高的航速通常意味着需要更庞大、更复杂、更昂贵的动力系统。例如,核动力虽然提供了续航优势,但其初始建造和维护成本是天文数字。燃气轮机虽然先进,但高功率的燃气轮机同样价格不菲。此外,为了应对高速带来的载荷,船体结构也需要更强的材料和更复杂的制造工艺,进一步推高了成本。海军预算是有限的,需要在舰艇的数量、火力、侦察能力、防护能力以及速度之间做出取舍。一艘能够以40节航速航行的驱逐舰,其造价可能是同等排水量、但只能达到30节的驱逐舰的两到三倍,甚至更多。从经济效益和整体战斗力分配的角度来看,许多国家会选择牺牲一部分最高航速,来换取更多的舰艇数量或更强大的武器系统。
航程与续航能力: 虽然核动力解决了续航的理论上限,但大多数海军舰艇仍依赖常规动力(燃油或燃气轮机)。对于这些舰艇而言,燃料消耗与航速是直接挂钩的。舰艇以高速航行意味着燃料消耗的急剧增加,这将大大缩短其作战半径和续航时间。因此,在设计时,往往会设定一个“经济航速”(通常是1520节左右),以平衡航程、燃油消耗和维持舰艇基本运行需求。高航速往往被保留作为战术机动、快速部署或追击时的特殊状态,而非常态。
隐身性与作战需求: 现代军舰越来越重视隐身性,即减少雷达反射面积、红外信号和声学信号。高速航行会显著增加舰艇的水下噪声和船体与空气的摩擦噪声,这对于潜艇侦测和反潜作战来说是明显的弱点。此外,高航速的船体形状和设计往往与隐身设计的需求存在冲突。在某些情况下,为了更好地满足隐身和作战需求,可能会牺牲一定的最高航速。
舰载武器的有效性: 军舰的真正价值在于其搭载的武器系统和传感器。例如,导弹发射、火炮射击、声纳探测等活动,对平台本身的平稳性要求很高。过高的航速可能会干扰这些设备的正常运作。虽然先进的稳定系统能够一定程度上弥补,但并非所有作战环节都适合高速进行。

三、 航速定义的“突飞猛进”:相对与绝对的概念

我们说军舰航速没有“特别显著”的提高,是相对于某些领域而言。但如果以历史的眼光看,二战时期的主力战列舰航速普遍在2530节左右,而现代海军的驱逐舰、巡洋舰等水面舰艇,其最高航速大多集中在3035节的区间,航空母舰则通常在30节上下。对于潜艇而言,水下最高航速从二战末期的20节出头,到现代核动力潜艇的3040节,这已经是一个非常显著的进步了,这得益于核动力的强大,也得益于更先进的船体设计和推进系统(如泵喷推进)。

此外,“最高航速”这个指标本身有时也是一种相对模糊的概念。舰艇通常会有一个持续航速(可以长时间保持的平均速度)和一个短时间内的极限冲刺速度。公开的官方数据往往指的是后者,而实际作战中,能长时间维持的平均速度更为重要。

总结一下:

自二战以来,造船和航海技术在材料科学、电子导航、自动化控制、动力系统(尤其是核动力和先进燃气轮机)等方面取得了巨大的成就。然而,军舰的最高航速之所以没有像陆地或空中交通工具那样出现颠覆性的提升,是因为:

1. 物理极限: 水动力学阻力是速度提升的根本瓶颈,高速意味着巨大的能量消耗和对结构强度的严峻考验。
2. 工程挑战: 船体设计、推进系统效率、结构强度和稳定性等都需要在速度、载荷、尺寸和经济性之间找到平衡。
3. 成本效益: 追求极致速度的代价极其高昂,海军需要在舰艇数量、武器装备、侦察能力、防护能力和速度之间进行战略取舍。
4. 作战需求: 航速只是众多作战性能指标之一,有时需要为了隐身性、续航能力或武器系统的有效性而牺牲部分最高速度。
5. 相对进步: 虽然绝对数值增幅不大,但从舰艇类型(潜艇)和动力源(核动力)来看,航速的进步是存在的,只是与一些非军事领域相比,表现得不那么“抢眼”。

因此,现代军舰的航速提升,更多是技术进步在有限的物理和经济约束下,为满足多样化作战需求而进行的精细调整和优化,而非单纯的追求速度的极限突破。这是一种成熟的工程智慧,也是战略选择的体现。

网友意见

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二战时大型的航母和战列舰一般在30节左右,不是20多节,高速驱逐舰一般在35节以上!现代的驱护舰也就30节出头,多数还达不到...


二战舰艇主要任务:反舰、反潜。而当时的技术水平只能以舰炮、直航鱼雷、深水炸弹为主要攻击防御武器,这些都要求作为武器平台的舰艇需要高速机动占领发射阵位取得有利态势;

现代水面舰艇的主要任务:防空、反潜、反舰、对陆火力投送,因为电子通讯、雷达探测、导弹技术的巨大进步使依靠的武器主要是制导鱼雷和各类导弹,对航速的要求不再放在最重要的位置。在舰船动力技术没有出现革命性进步之前,单纯提高航速的代价较大,必然会影响舰船的其他主要性能指标。

水面舰船为进一步提高航速需要付的代价:[1]

先来看看水面舰艇阻力构成:

水阻力Rt=摩擦阻力Rf+粘压阻力Rpv+附体阻力Rap+兴波阻力Rw
摩擦阻力Rf与航速V的1.83次方成正比,
粘压阻力Rpv与航速V的平方成正比,约在10~12%左右。
附体阻力Rap变化率较小,与湿面积有关,可以近似的认为是一个定值,(对潜艇来说)水下状态一般略大于水面状态,水面舰艇一般在8%左右。
兴波阻力Rw一般与航速的2~4次方成正比,当舰船航速接近/超过行波传播速度时,兴波阻力与速度的4~6次方成正比。

空气阻力一般小于总阻力的1%。


如民航飞机的最大飞行速度受到音障的限制一样,常规排水型船舶的最大航速受到行波消散速度的制约,也存在一个理论极限,可类比音障,称为 “波障”。

行波传播速度即波障速度经验公式:

行波传播速度(节)=2.43*水线长的平方根(米)

即波障速度仅与舰艇水线长1/2次方成正比相关。

驱护舰阻力构成,低速航行时,行波传播速度远大于航速,能量迅速消散,波高很低,船舶总阻力由以摩擦阻力为主导,随着航速提高,兴波阻力逐步增大,中等航速时与摩擦阻力平飞秋色。15~18节巡航速度时兴波阻力开始超过摩擦阻力,此时,阻力约与航速的 2 次方成正比,推进功率因此与航速的 3 次方成正比。

高速航行,船速接近行波传播速度,即波障时,船首波 (兴波阻力的主要制造者) 无法及时消散,能量不断叠加,波高迅速增大,兴波阻力主宰阻力构成,并成航速的 4-5 次方增长,推进功率于是以航速的 5-6 次方提升。[1]

一般现代驱护舰水线长在120-150米左右,这样波障速度约为26-30 节,以30节为例,航速若要再增加 10%,达到 33 节则需要 61-77% 的额外功率。什么概念呢,若是该舰船设计航速30节,用两台发动机,那么要达到33节的航速,则需要额外增加两台发动机!带来的舰艇动力舱空间设计,进排气系统,燃油等等一系列问题必然会影响到总吨位、续航里程、武器载弹量等性能指标。

054A 型导弹护卫舰满载排水量4350吨-4500吨,水线长120米,波障速度27节,最高航速约27节,推进功率为22.8 兆瓦,续航4000海里(18节) 。


FFG-4 “佩里” 级护卫舰满载排水量4100吨,水线长124米,波障速度27节,最大航速 29 节,推进功率却要31兆瓦,续航4500海里(20节)。


二战德国典型的Z级驱逐舰(1934年A型),满载排水量3,155吨,水线长114米,波障速度26节,最高航速36节,推进功率达到51.45兆瓦!续航力就比较悲剧了,19节时为1900海里。


延续二战高航速设计的051旅大级驱逐舰(参照苏联56型驱逐舰设计),满载排水量3670吨,水线长约130米,波障速度28节 ,最大航速36节,推进功率达52.9兆瓦!


可以看出,二战时驱护舰(包括旅大级)依靠超强的动力及专为高速优化的大长宽比的舰型设计,实现了40节左右的高航速,但高速时燃料消耗异常惊人,且稳定性远不如现代驱护舰。

上面的波障速度经验公式可以看出,波障速度仅与舰艇水线长1/2次方成正比相关,波障的存在使得长度较短的排水型舰只必须消耗巨大的推进功率才能达到航空母舰等大型战舰的航速水平。水线长 317 米的 CVN-68“尼米兹”级航母的波障速度约为 43 节,以 31.5 节设计航速移动时,仍处于中等航速区间,194兆瓦的推进功率绰绰有余 (实际上 130 兆瓦就够了)。相比之下,水线长 142 米的 DDG-51“伯克”级的波障速度大约是 29 节,31.5 节航速需要的推进功率比 29 节时高出 51-64%!故而尽管 “伯克” 的排水量仅为“尼米兹” 的 1/10,推进功率却高达 75+ 兆瓦,功率密度是后者的4倍。水线长161.2 米的 CG-47 ‘提康德罗加” 级导弹巡洋舰波障速度为 30.9 节,32.5 节全速航行时需要 29-35 % 的额外推进功率,排水量比“伯克" 级略高,但推进功率只有 63 兆瓦。[1]

尼米兹级 CVN-72

提康德罗加级 CG-47

伯克级 DDG-52


看到这里是不是就是说水线越长,即船的吨位越大越好呢?

当然不是,航速与长度的 1/2 次方成正比,吨位与长度的 3 次方成正比,也就是说航速与吨位的 1/6 次方成正比,靠加大吨位提高航速的方向显然是低效的。

实际上,除了最大航速,舰艇的另一个航速指标即经济航速同样重要。现代军舰的动力设计主要在长距离适航性和经济性方面下工夫,从二战期间的往复式蒸汽机、蒸汽轮机到柴油机再到现在的燃气轮机。

燃气轮机相比蒸汽轮机及柴油机的主要优势体现在:[2]

1、热效率从百分之十几到现在的百分之四五十

2、同时功率密度也大幅提高,同等情况下,同等功率的燃气轮机体积是柴油机的1/3到1/5,是蒸汽轮机的1/5到1/10(计算锅炉等)。

3、现代燃气轮机启动速度快,在1~2分钟就可以从静止达到满功率。而柴油机由于活塞的往复运动,受热应力和机械应力的限制,加速比燃气轮机慢;蒸汽动力系统锅炉从启动达到满功率输出,则需要长达一小时的时间。而启动速度,对于军舰的战时应急加速性能影响巨大。还有燃气轮机噪声低频分量很低。

4、由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频噪声,传播不远。而柴油机的往复运动产生了大量低频噪声,在水中传播就离远,容易被敌方声纳探测,对于现代反潜很不利,不过现在有了浮阀减震等各种降噪技术,柴油机噪声水平得到改善。

不过燃气轮机也存在一定的缺点,首先其燃料经济性与柴油机存在明显差距,在低速轻负荷下的经济性不好,油耗较高,所以有不少舰艇采用柴/燃联合动力。

既然突破波障速度代价大,那现代驱护舰要提高航速,该从那些方面着手呢?

大型的巡洋舰、驱逐舰可以在设计许可和其他性能尽可能平衡的情况下增大水线长度,即增加吨位、用大长宽比的细长型船型,及船型减阻优化。还有就是使用强劲但燃料消耗高的动力系统把舰艇硬推上波障速度,如使用大功率燃气轮机,核动力等。

小型护卫舰及其他舰艇除上述部分方法外,可以使用排水型外的全新的船型,如半滑行体、滑行体、多体船、表面效应船(气垫船)、水翼船、地效翼船等。

半滑行体的LCS-1自由级 ,航速47节。


三船体的LCS-2独立级 ,航速43节。

双体穿浪的022,航速可达50节。

野牛级气垫登陆艇,航速63节。


注:

数据主要来自维基百科

【1】波障 剪水鹱

波障 - puffinus的日志

【2】船用柴油机百年发展简史 王华堂

船用柴油机百年发展简史

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