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【003航母分析】船体分舱抗沉性探讨(防雷能力篇)

2023-02-28 13:19 浏览:0 来源:锅炉之家   
核心摘要:终于来到003水线以下的分舱结构和防雷能力讨论篇。任何国家现役军舰的防雷能力都属于机密,所以这篇仅仅是进行分析,讲解003的分舱理念。也顺带讲欧美俄各国对于分舱历史发展。从这些资料我们就能看到003的思路更偏向哪种理念。也能看到各国军舰设计师的应用思路。我们知道,从古希腊时代船舶就有了框架的概念。而中国很早

终于来到003水线以下的分舱结构和防雷能力讨论篇。任何国家现役军舰的防雷能力都属于机密,所以这篇仅仅是进行分析,讲解003的分舱理念。也顺带讲欧美俄各国对于分舱历史发展。从这些资料我们就能看到003的思路更偏向哪种理念。也能看到各国军舰设计师的应用思路。

我们知道,从古希腊时代船舶就有了框架的概念。而中国很早期则把这种框架演变成水密隔断(虽然和现代的水密舱还有不同)。在泉州出土的宋代海船船底残骸就能看到这种水密隔断。

去泉州海事博物馆拍的,距今700多年的古船残骸

造船的模型场景就很清楚显示中国的船基本都是用这种隔断,好处这种隔断实际就是船体承力结构,船身木板可以做到很薄。但是隔断多空间的利用率就不高,装货少是这种分舱方式的缺点。

而同期西方大航海时代的帆船,则是用很密的肋骨配合很厚的船板,不使用防水分隔。好处就是舱身内部体积最大化,很适合远洋装货。大航海时代主流帆船,包括卡拉克,盖伦,到很后期的飞剪帆船都是这种构造。

直到铁甲船时代,西方才大规模使用水密舱概念,终于把底舱进行了分隔。各国船舶设计师也需要开始考虑机舱不同的分隔方式,需要合理的安排机器,货物等舱室。

最简单的分舱就是这种横向防水壁,舱室分得很大。空间的利用率最高,布置机器也是最方便的。

衣阿华就是这种分舱,和南达,埃塞克斯相同

题外话:
泰坦尼克号就是这种水密舱分法,要求相连4个舱室进水不沉。但是泰坦尼克号水密舱顶部没密闭有走廊相连,水从顶部走廊渗透到后面舱室导致沉没。真正的水密舱是全封闭,所有通道必须有水密门隔断的。

只有横向防水壁的分舱方式每个舱室都很大,一个舱室破损就会进水很多,不利于储备浮力增加。这样设计师又想了办法,在中间增加一道纵向的防水壁的分舱方式,理论上对比相同横向分隔的方式,这种方式可以减少50%进水量。适合左右对称布置机器。

英王乔治五世战列舰就是这种分仓,一道纵向防水壁

早期的船锅炉数量很多,很多时候还是奇数的,于是也有2道纵向防水壁的方式分舱设计。理论上这种方式可以对比原来只有横向防水壁的方式,减少到约33%的以下的进水量。但是每个空间都很小。

大和,俾斯麦就是这种分舱方式。

而实际上并不是所有的舱段,都是加纵向防水壁的,这个可以不连贯的。设计师可以根据不同舱段的动力设备,防护,抗沉性要求来进行设计。

至于哪种分舱方式好,100多年前西方列强有过争论。在多次前无畏舰和日德兰海战的经验。英国人认为不设置纵向防水壁的大分舱方式好。因为防水璧上实际还有很多管路联通,海水容易沿着管道慢慢渗透到相邻的舱室,更难进行损管。

而当时另外一个海军强国德国则认为,设置一道或者两道纵向防水壁,能明显增加军舰的储备浮力,增加军舰的抗沉性能。日德兰海战赛德利茨号进水5300吨还没沉就是强大浮力储备优势的最好证明。

日德兰海战厚回港的赛德利茨号,前部中弹导致大量进水,船头几乎沉到海面下

然而军舰设置纵向防水壁还会带来一个严重问题,当一侧舱室进水后船只很容易失稳,造成向大量进水那一侧翻沉。这在日德兰之前就有先例。各国海军在设计军舰时候都会考虑这个问题。平贺让很担心这个情况发生。

日本海军认为高效率的反向注水可以避免倾覆的危险。所以日本新设计的重巡洋舰,航母,战列舰,机舱都有布置纵向防水壁来提高抗沉性。

这种争论至今并没有什么决定性结论!

我们看看各国军舰对分舱的应用。英国人嘴说上小分舱可能不好,但是英国二战航母,包括战后建设的航母鹰级,一直到女王,并不排斥使用纵向防水壁的小分舱布局。

二战的光辉级,9台锅炉,3台蒸汽轮机。设置了2道纵向防水壁。最大问题是锅炉和涡轮轮机都在一个区域,没有前后2组间隔布局。条约型航母如约克城这些都有这样的问题。为了节省吨位缩短动力段,冗余性能都很差。

黄色锅炉,紫色涡轮机,都是2道纵向防水璧分舱,走小舱路线

再看看现在的女王,女王的底舱是有巡航发电用的柴油机(下图蓝色部分),分成了前后2组舱段。每个柴油机舱也是走2道纵向防水璧隔开。英国人嘴上说一套,实际又另一回事了。

注意核心区机舱是有2道纵向防水璧,但是军械舱则是无纵向防水璧结构。

而美国海军在1920年到1945年对大型军舰分舱理念摇摆不定。有使用2道防水璧的列克星顿。也有完全使用大分舱的布局南达,埃塞克斯,衣阿华。而到了二战后期设计的军舰如中途岛,蒙大拿这些,回头又继续在机舱使用纵向防水璧。

列克星顿的机舱,2道纵向防水璧,将16台锅炉全部放在外侧,中间舱室则是4台巨大的涡轮发电机。船尾连接螺旋桨的是电动机。列克星顿是电力推进的航母。珊瑚海海战中2雷后没沉,没倾覆。只是引发了航空燃油蒸汽泄露最后引发大火。

约克城级9台锅炉全部堆在一个区域,锅炉舱是否有纵向防水璧还存疑。虽然中雷后没有立即沉没,但是往往一条鱼雷就造成动力全失,是这一级航母最大的命门。


南达则是很标准的大分舱,不使用纵向防水璧布局,之后的衣阿华也是相同的分舱布局。

而二战之后美国海军所有的大型航母,包括常规动力和核动力,以及那些两攻和船坞登陆舰如LPD17等,都使用的南达这种大分舱不使用纵向防水璧理念。区别在于设备的布置差异,我们重点看看美国这条线。

福莱斯特 、小鹰、企业的动力舱段,实际都很雷同。企业只是将中央的8台锅炉换成8台反应堆(无防护箱)。

我们可以看到,这种机舱布局得益于空间大,1个机舱足够容纳有2台锅炉,1台蒸汽轮机,几台涡轮发电机和柴油发电机。4个机舱中任何一个机舱进水,将损失1/4的推力和电力。

再看尼米兹和福特的分舱,实际有建造视频和大量的建造过程图片,依然没有使用纵向防水璧的。具体看我以前写的文章。B站其实是有建造视频的,直到封舱那刻,福特机舱2台推进蒸汽轮机之间都是没有纵向防水璧隔开。

leeone:谁说品字型结构就是核动力的,美国核动力航母第一个反对

尼米兹级因为被国会要求仅使用2个反应堆,这种大出力的反应堆连同保护箱,1个堆就几乎占满1个机舱。推进用的蒸汽轮机只能放堆舱之后,2台主机只能共用一个机舱。

我们可以看到尼米兹和福特4个主机舱段,2个装反应堆和发电的涡轮发电机,2个用来装蒸汽轮机。4个机舱中任何一个机舱进水,将会损失1/2的动力,甚至同时失去1/2的电力。

正因为尼米兹和福特系统冗余不足,这两型航母需要在推进轴上额外增加4台8MW推进用的柴油机组(船尾排气)作为动力备份。这是尼米兹和福特独有的。小鹰,企业这些冗余够的都没有额外安装推进用备份柴油机。(上图橙色蓝边的图标就是4台8MW的柴油机位置)

尼米兹和福特级都是用大分舱理念,但是因为设备数量、体积造成布局缺陷,导致系统冗余性只有小鹰,企业这些航母的一半。本来按原计划,尼米兹应该是4个堆的,冗余性和小鹰企业这些相同,奈何国会不同意非要用2堆。

再看看黄蜂级这些两攻,除最后一条外其他都是用锅炉的。2锅炉2轴,无纵向防水璧的机舱结构。二战后的美国船都一个分舱理念,差别在于各舱内设备的布局上。

不用纵向防水璧使得机舱空间大,一个机舱就能布置锅炉,主机,发电机。蓝岭这些指挥舰其实也是相同的分舱布局。

我们又看看苏联的情况,苏联二战没太多大型军舰设计经验,二战前苏联和德国关系密切从德国买了重巡洋舰。因此苏联继承德国理念走小分舱来提高军舰抗沉性并不奇怪。

题外话:
二战前苏德签订互不侵犯条约,短暂蜜月期苏联购买了德国希佩尔级5号舰(甚至想把欧跟亲王也买下),改名彼罗巴甫洛夫斯克号。并且战后打捞了齐柏林号航母进行研究。

苏联冷战时期从潜艇到水面军舰,对抗沉性都很重视。美国潜艇分5舱,储备浮力20%不到。苏联通常是分7舱,储备浮力通常接近30%。看看毛子1143级基辅的分舱图(下图)。

无论苏联的资料,还是我们海军进入基辅勘探画的结构图,我们都可以看到基辅的主机舱是用一道纵向防水璧隔开的。而前面的品字型的口,则用于安装涡轮发电机组,是发电舱。设置独立的发电舱是苏联大型军舰的一个特点。很多人说美国航母是品字型结构,实际这是苏联航母的结构,美国反而没有用这种分舱结构。

到了11435裤子和我们的001辽宁舰,实际都是1143基辅的机舱布局思路。具体看我之前写的这篇文章。

leeone:【分析】读懂002航母机舱结构再论003是核动力还是常规动力 了解小分舱布局航母结构


我们来分析下这种结构的冗余性。如果29和24这种发电舱中弹,会损失1/2的涡轮发电机电力。但是苏联航母在船头和船尾还有2个独立的发电舱,安装多台大功率的柴油机发电机,任何一个电力舱进水会损失总电力约1/4

如果28或者22这种主机舱一侧中雷进水,因为有纵向防水璧阻隔,动力也会损失1/4。(动力舱段纵向防水璧分隔后,一边2台锅炉和1台蒸汽轮机)。甚至有可能不影响前面29或者24号发电舱的发电能力。(一侧剩余的2台锅炉推3台涡轮发电机发电,当然实际是否有二次伤害就另说了)。

理论上苏联这种分舱布局,对动力,电力系统冗余性提高是有帮助的,不弱于小鹰,企业这种布局。比尼米兹,福特的系统冗余性更有优势。但是带来的最大问题就是主机舱体积过小。一个主机舱只能容纳2台锅炉和一台蒸汽轮机,没有多余空间容纳发电机组(这就是苏联需要单独发电舱原因)。所以苏联的锅炉一直是走增压路线,缩小锅炉体积,航母和驱逐舰的锅炉都是同款尺寸,甚至可以通用。重量只有美国航母常压锅炉的1/3到1/2间(美国的常压锅炉,航母,巡洋舰,驱逐舰的大小不同,不能通用)

裤子的机舱布局

这种小分舱还有什么缺点?前面说过,容易一边进水造成倾覆。看看哈工程的一篇论文。

论证的是现代鱼雷命中机舱段,越大当量的鱼雷命中超过3次以上的话,什么分舱方式其实区别都不大了,沉没概率都都接近70%。不过小当量的鱼雷命中,理论上使用纵向防水璧小分舱理念的倾覆概率会高20%。

如果把命中次数减少到1-2次,那么把小分舱布局倾覆的几率考虑上,反而会高于大分舱布局5%到25%左右。只是几率都不超过30%。所以当年的平贺让对使用带纵向防水璧的设计有顾虑就是这个原因。

军舰水线下船侧底舱还有众多的功能舱室。这些舱室平时作为备用空舱,提供一定储备浮力,或者存储额外的燃油,淡水。当需要调节舰艇平衡时候则可以快速加注海水。如果这些小舱室灌满了都还不能恢复平衡,那么只能向反向那一侧的主机舱进行灌水。(机舱工作的官兵其实风险挺高的)

至于能否及时反向灌注海水调节平衡防止倾覆,这又是另外一个话题了。

当然大型军舰核心舱段设置有防雷璧,就是尽可能的降低鱼雷对船侧破坏能力(对底部龙骨起爆的鱼雷只能靠双层底或三层底意思下了)。

海军同样也有相应的论文,只是这些数据当然只是论证,不代表实际。可以论证的就是当代航母常用的防雷舱,三舱制的情况。

所以为什么常规动力航母的重油是纳入防雷体系一部分就是这个原因了。事实上核动力航母核心段也是装载舰用油或者海水来满足防雷舱夜舱要求。具体看这篇文章。

leeone:【了解航母细节4】003航母能装多少油?核常油舱及载油量分析

目前003和尼米兹这些类似,都是使用三舱 (空-液-空)防雷结构,当然具体设计和尺寸肯定有很大差异,实际效能如何外界是无法知道的,大家也不用去猜。


通过这篇文章我们应该大致了解:003的分舱布局继续沿用了002的小分舱理念。强调了系统冗余和储备浮力,但是也有可能会带来一些倾覆风险的增加。

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以后我们的航母会不会出现大分舱的理念,类似美国航母的分舱设计,也是可能的。只是这两种分舱没有绝对的好坏之分,只有看以后航母动力系统配置需要用到哪种分舱方式更适合而已。分舱布局并不能用来判断使用何种动力依据。要看核动力唯一的标志就是看作为结构件的大型反应堆保护箱是否在船上出现即可。

大型军舰尤其是航母舱室非常多,设计难度大。而且英美二战沉了大量的船,很多退役航母也会拿去进行破坏测试,埃塞克斯甚至小鹰这些都测试过(CV66就是拿来炸了25天,测试抗沉性)。

而且每一型新船建造后还要进行抗冲击试验,验证是否符合设计预期。这方面美国的经验更多。

虽然美国海军很心痛。但是这种冲击试验,是每款航母都需要进行的测试。

我自己倒是希望海军把现在停在江苏的那条废弃的明斯克买下,拿来做次破坏性测试,炸沉验证下苏联分舱的抗沉性,为以后航母设计也获取更多的实验数据。


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leeone:【003航母分析】船身防护能力的探讨(防弹防火篇)

(责任编辑:小编)
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