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軍艦的巡航速度及最大航速,功率需求差距很大,如何尋找解決之道?

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軍艦的巡航速度及最大航速,功率需求差距很大,如何尋找解決之道?
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軍艦的巡航速度及最大航速,功率需求差距很大,如何尋找解決之道?

2021年10月15日 14:51 最後更新:14:55

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   目前,各國的驅護艦,噸位大部分在四千噸至八千噸之間,其巡航速度大多數為18節,最大航速為27節至30節。

   以六千排水噸的軍艦為例,船長150米左右,18節時所需功率約7000馬力,30節航速時需要大約33000馬力。艦艇設計者就安排艦上以中速柴油機擔負巡航時動力,作戰時則啟動大功率的燃氣輪機,短時間可加速至30節。這種"柴燃混合動力"系統,可滿足艦艇省油巡航及作戰時需要的高航速和機動。

   航速由18節增加至30節,增幅只是67%,但動力要增加3.66倍!這是艦艇設計者面對的難題,幸有柴油機及燃氣輪機兩種各有特色的動力機械(柴油機省油耐用,燃氣輪機輕巧力大,啟動及加速快),滿足了需求。

    更先進的動力裝置,是綜合電力推進系統。即艦艇上設置發電機組發電,電力通過導線到達艦尾的電動機,再驅動螺旋槳。由此,發動機以最合適(省油及小磨損)的負荷發電,省去複雜昂貴噪音大的減速箱,及又長又粗佔地方的傳動軸。目前,綜合電力推進是艦艇發展的一個趨勢。中國有馬偉明團隊主導這方面的研究,並不落後。

   上面提到的驅護艦巡航速度18節,最大航速30節,是有"道理`的。這涉及其"傅汝德系數(F=∨/√gL,Ⅴ是航速米/秒,g為重力加速度,L是艦船的水線長,米)。巡航時是0.24,傅汝德系數超過此值,功率需求便猛增。所以,講究經濟性能的巡航速度,便選這數值了。而最大航速,視乎所選用的燃氣輪機的功率。美國有LM2500,英國有MT30,中國有引進的烏克蘭UGT25000,國產化後為QC280。中國在這方面亦不落後。




郭倩

** 博客文章文責自負,不代表本公司立場 **

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   艦船航行時,阻力大約為摩擦阻力、興波阻力及空氣阻力三種。空氣密度大約只有水的1/800,所以空氣阻力一般忽畧不計。

   海水並非"理想流體",船殼亦非絕對光滑,航行時總會帶動附面海水,因而產生阻力。船殼光滑,摩擦阻力就小。

   船首衝破水面,產生向左右後方延伸的波浪,消耗功率,由此而產生的阻力,是"興波(造浪)阻力"。航速越高,阻力越大,而且"非線性",在某一速度,再提高時這阻力便急劇增大。到某一數值,再加大發動機功率,航速也只能上升少許。

    這個規律,在十九世紀末各強國大造鐵甲艦時被發現。人們發現,艦船功率與其排水量2/3次方成正比(也就是艦船濕面積),與航速的三次方成正比。這就是著名的"海軍上將公式"。所以,提高航速代價十分大,不是"不想“,而是"很難做到"。

   舉例而言,一艘一千噸排水量的護衛艦,主機功率4000馬力,航速可達20節(浬/時)左右,但要達到40節,主機功率要加大至3.2萬馬力,即原來的8倍,在排水量僅一千噸的小艦,這極難做到。在崇尚提高航速的上世紀二、三十年代,各國海軍你追我趕,不斷提高巡洋艦驅逐艦的最大航速,幾無例外,止步於36至38節左右。四千排水噸的意大利輕巡"羅馬統帥"號,用上十萬馬力以上的輪機,航速僅畧超40節。在極速狀態下,全艦猛烈振動,只能"趕路",不能作戰(炮打不準)。

   二戰後,大量精密的電子設備上艦,要求艦艇平穩以發揮其功能,加上導彈武器對佔位要求不高,航速便不用大力追求了。再加上兼顧航程,最大航速便止於30節左右。