跳動的脈搏——淺談現代航母動力系統

自從英國建造了世界第一艘航空母艦百眼巨人號以後，航空母艦迅速的取代了戰列艦的統治地位，成為了世界海軍力量的最頂峰和統治者，同時航空母艦的性能也快速的攀升，從最初的二十架雙翼低速飛機，到現在的近百架超音速作戰飛機，飛機性能攀升的同時，也不可避免的，需要更大的機庫，長的跑道，和更快速的甲板風。在這種情況下，航母動力系統也就必然的成為了航空母艦設計建造的一個難點。

世界上最早的航空母艦百眼巨人號，這艘由義大利商船「庫帝羅索」號改進而來的直通甲板航空母艦代表著海上新勢力的誕生。

從庫茲涅佐夫號上滑躍起飛的Su-27K型戰鬥機。從航母上起飛，無論是彈射還是滑越，最重要的就是甲板風。甲板風通常指由艦艇行駛產生的迎面風與自然風綜合形成的對甲板外露設備吹拂的空氣流動現象。根據公開論文計算顯示，某重型艦載機在30節甲板風、斜角甲板長105米時，最大起飛重量不能超過34噸。

目前的航空母艦，大致可以分為兩個大類，三個小類，一類是使用固定翼飛機的航空母艦，一類是使用垂直著陸短距起飛（V/STOL）飛機的航空母艦，而使用固定翼飛機的則又可以細分為而使用固定翼飛機的則又可以細分為彈射起飛，攔阻著艦航空母艦和滑躍起飛，攔阻著陸航空母艦兩類。

在目前來說，常用的航空母艦動力，大致有三個分類，第一類是常規蒸汽動力，也是最傳統的一種方式；第二類是核動力，這一類在性能上有巨大優勢，但是自身也有很大的局限性，所以目前只出現在美國和法國的航空母艦上（巴西的聖保羅號航空母艦來自法國，阿根廷的五月二十五號來自英國，不過英國已經廢棄了此類航母）；第三類是以燃氣輪機為核心的動力方式，這一類目前多用在輕型的小甲板航空母艦上。不過在可以預期的未來，燃氣輪機將與先進的電力推進技術結合以後出現在新一代的大甲板航空母艦上。

AV-8B在LHA-4拿騷號上降落。該級艦是塔拉瓦級兩棲攻擊艦的第四艘，使用兩台威斯汀豪斯公司的蒸汽輪機。這種型號的兩棲攻擊艦，無論從性能還是武器配備來看，都比一般的輕型航母要強很多。儘管該艦的最大航速僅24節，但由於自然界90%的時候都會有10-15節的自然風，因此用於AV-8B滿載短距滑躍起飛的甲板風並不難獲得。

航空母艦自從二十年代以來，一直是海軍力量裡面最有攻擊性，最有機動力的艦艇，航空母艦作戰的靈魂，就是快速機動的打擊方式，當戰列艦還徘徊在21節到23節航速的時候，美國的列剋星敦號就已經有個34節的航速，二戰中，美國和日本的航母特混艦隊，在大洋上以20節左右的巡航速度賓士，以30節左右的速度狂奔作戰，遠遠地甩開了老式戰列艦。航空母艦的高速性，帶來了對於動力系統的巨大要求。

二戰期間的的航空母艦就已經擁有很強的動力系統，儘管動力系統水平大抵相近，但由於沒有裝備大量沉重的炮塔和裝甲，因此航母能夠獲得更好的航速來給起飛的艦載機提供甲板風。

朝鮮戰爭期間的F-4U機群，他們正等待著護航航母Boxer號上的下一波戰機起飛。注意航母上空有一架直升機。從這張圖可以發現，航母要迎風起飛艦載機時，會脫離編隊獨自逆風加速。如果護航艦艇想要跟上航母，是有一定難度的。

航空母艦的靈魂和幾乎所有的作戰威力，在於他的艦載機，所以整個航母的初始設計，都必須圍繞著艦載機來設計，根據規劃的載機種類，數量，得出需要的甲板面積，艦體的長度和寬度，需要的航速，而根據這些需求，就必須要設計出能適應這些要求的動力系統來滿足需要。

一，航空母艦動力系統需求分析

對於固定翼飛機來說，在航空母艦上起降時最大的難點，就是速度。眾所周知，固定翼飛機起降，是一個空氣動力綜合作用的過程，有一點是必須的，那就是飛機保持速度，利用速度產生的升力來抵消重力。而在陸地機場的常規起降，往往是使用長達千米的跑道，在航空母艦上卻是不可能有這樣的待遇的，也只有儘可能的使用各種方法來幫助飛機起降，而動力系統的設計，第一核心問題也是針對的這一點。

美國內利斯空軍基地的衛星圖，可以看到地面機場的跑道通常都有上千米。但普通的航母甲板卻沒有這麼長，因此選擇合適的動力系統來在短時間內加速到獲得足夠的甲板風，對於航母作戰來說是非常重要的。

就使用固定翼飛機的航空母艦來說，噸位一般都非常巨大，目前來說最小的福熙級航母，噸位也超過了三萬噸，而且，按照美國海軍的選擇標準來說，這樣的航空母艦還根本就是不合格的。根據美國航空母艦設計的準則，從現役起降性能最差的艦載機的極限起降性能來看，如果要做到起飛著陸同時進行而相互不產生干擾，在利用斜角甲板回收飛機時至少有一台彈射器能夠使用，那航空母艦的長度就相當於著陸區加上彈射區的長度，這個長度不小於300米，這樣才能比較方便的運作艦載機，也只有這樣才能使用比較現代化的戰鬥機，福熙號航母這樣的小型彈射起飛攔阻著陸航空母艦，現在來說只能使用A-4天鷹這樣小巧玲瓏（空重只有4899千克，只有美國海軍使用的F14D型戰鬥機的四分之一），設備簡單（只能進行簡單的白晝攻擊任務和強度很低的自衛作戰，無法執行比較複雜的攻擊，同時無制空作戰和防空作戰能力）的中古飛機，性能甚至還不如小得多的無敵級V/STOL型航空母艦。

航母前甲板停滿了系留的飛機，甲板作業是影響航母作戰效率的一個關鍵因素。如果甲板上的規劃和工作效率較低，那麼對於動力系統就要提出更高的要求。

這樣來說，選擇動力的難度非常巨大，就目前的幾種常見動力方式來看，高速柴油機的單機功率只有8000KW左右，要使用在這個級別的航空母艦上，需要十幾台發動機並車，效率低下，而且過分複雜，低速柴油機則是幾千噸的龐然大物，而且也不適合高速航行；在過去燃氣輪機的經濟性也是無法滿足這個需求的，所以有足夠功率又有合適油耗的，只有蒸汽輪機。同時，目前大部分使用固定翼飛機的航空母艦，主要是使用的蒸汽彈射器方式起飛，這樣也就等於是必須要採用蒸汽動力了。

目前的航空母艦彈射器雖然已經相當強勁，但是作戰飛機重載狀態下還是只能加速到120節左右的速度，這個速度還遠遠不夠起飛的需要，所以這種狀況下，需要航空母艦提供一個初始的甲板風，來降低起飛的難度，在這種情況下，使用固定翼飛機的航空母艦需要的是27節至33節航速，比如說美國的F-14A戰鬥機，在31噸重載起飛的情況下，從企業級航空母艦上起飛，需要航空母艦為他提供40節以上的甲板風。這樣不光需要全力彈射，還需要全力加速，同時還要航空母艦脫離編隊選取逆風方向航行。同時，彈射起飛時候需要消耗大量的高壓蒸汽，這等於是同蒸汽輪機爭奪動力了。快速彈射時，甚至會消耗掉動力系統產生的20%以上的蒸汽，所以在連續彈射情況會極大地降低航空母艦的速度，比如美國的小鷹級超級航空母艦短時間內連續彈射四架重載F-14型戰鬥機，但這會讓航速從33節降低到27節，而這還是在特意優化設計，加強了動力系統裕度的情況下。

彈射起飛的VF-41中隊的F-14A戰鬥機，該型戰鬥機目前並不處於重載狀態，一旦處於重載則對甲板風有很高的要求。這對蒸汽的需求也增大了不少。

起飛需要速度，降落也一樣需要。航空母艦在保持較高的航速，能使飛機在保持較高的速度的情況下，和航空母艦的相對速度儘可能的減小，這樣可以降低著陸難度，大大的提高復飛安全性。航空母艦和陸地機場不同，陸地機場起降，飛機的發動機是關閉的，著陸不成功還可以迫降；而航空母艦上，著艦時發動機必須打開，著陸不成功必須馬上推油門復飛，不然就是機毀人亡甚至還會對航空母艦的安全造成巨大的威脅。所以，必須儘可能的為飛機著艦創造有利條件。

放下尾鉤的F-14A。如果航母能夠獲得更大的速度，那麼對於降落的飛機來說，艦機相對速度就更小，對飛行員控制下滑角有很大的幫助。因此，航母的加速性能並非只關乎彈射能力。

核反應堆結構圖

這不光是對最高航速的要求很高，而且對於加速性和巡航性能要求也很高，在高速狀態下的航渡，可以極大的提高航空母艦戰鬥群的機動性，同時也能相當好的規避各種水下攻擊。同時，很多時候航空母艦需要離開編隊，進行加速釋放飛機和回收飛機的作業，加速性能越好，航空母艦暴露在編隊外的時間就越短，自身就越安全。

另外，需要注意的關鍵點還有一個，那就是彈射器的效能，這與蒸汽系統的壓強直接相關，以墨爾本號航空母艦為例，他的蒸汽壓強只有2.8Mpa，導致他的彈射器只能操作A-4天鷹攻擊機，同時起降操作時候提供航速和連續提供高壓蒸汽給彈射器的能力也嚴重不足，這樣嚴重的影響了彈射出動速率。

在澳大利亞海軍中服役時的墨爾本號航母，從本圖中可以清晰的看到艦艏的彈射器。儘管墨爾本號航母擁有一個彈射器，但是由於動力系統的性能不足，造成彈射器的使用受到很大的限制，戰鬥力反倒不如斜板型的無敵級輕型航母。

法國的戴高樂級航空母艦，就是一個經典的反例，既想要求核動力的無限航程，又想使用彈射方式使用中型艦載機，還不想專門設計高性能專用反應堆，用核潛艇的堆湊合使用，其結果就是航速低，彈射器蒸汽壓力低，導致彈射能力嚴重下降。同時，因為這兩個反應堆的限制，導致噸位上不去，甲板面積嚴重受限，彈射器不得不深入到了降落區，無法實現同時完成起飛和著艦。

綜上而言，彈射起飛，攔阻回收的航空母艦，對於動力系統，有著和其他軍艦不同的動力需求，需要有更強的蒸汽儲存能力，更好的加速性能，並不是功率合適就可以合用的，在後文中，將會對這個話題進行重點的分析。

戴高樂號三視圖。從圖上很明顯的可以看到，彈射區的擋焰板（艦島上邊粉紅色小方框）已經位於降落區內，幾乎擋住了三分之一的降落跑道。這將大大影響戴高樂號航母同時收放飛機的能力。不過由於陣風M型艦載機的尺寸重量適中、性能上乘，且法軍在海外面臨的威脅程度較低，戴高樂號航母所展現出來的作戰能力還是值得肯定的。

而對於採用了滑躍起飛方式的航空母艦來說，雖然付出了一些出動速率上的劣勢，但是它也就沒有彈射器這個蒸汽消耗大戶，同時可以利用比較長的起飛點來放飛重型艦載機，比如庫茲涅佐夫號，他的Su-33艦載機，在長起飛點，利用110米跑道，可以在0節甲板風，25攝氏度氣溫的情況下，起飛重量可以達到27.2噸，而在後起飛點，185米跑道，0節甲板風，35攝氏度氣溫下起飛重量可以達到32噸，對於只有20多架作戰飛機的庫茲涅佐夫號來說，這個起飛需求已經比較足夠了。所以它的動力系統，只需要簡單的保證20節巡航速度，29節持續最大航速就足夠了，比彈射式航空母艦降低了很多需求。如果在設計大中型航母時，動力系統存在一定的困難，可以考慮採用滑越起飛的方式來降低設計上的難度。

對於無敵級這一類的V/STOL型航空母艦來說，動力設計的難度還有更近一步的降低，因為就V/STOL型航空母艦來說，因為飛機著陸性能的提高，所以使用很小的甲板就可以進行操作，比如說無敵號航母，雖然只有20600噸，飛行甲板寬度只有13.5米，長度只有區區167.8米，但是它擁有六個垂直著陸回收點，回收作業能力甚至強於尼米茲級航空母艦。這樣在螺螄殼裡就能做出水陸道場，艦體的大小要求就低了很多。同時，V/STOL型航母不需要加速釋放回收戰鬥機，對於航速和加速性的要求都可以降低到最低，所以現階段V/STOL型艦艇使用的動力非常寬泛，柴油機，燃氣輪機都可以選用，而且還可以輕鬆選擇跟自己艦隊內驅逐艦護衛艦相似的動力包，比如無敵級使用的就是和42級驅逐艦相同的奧林巴斯燃氣輪機，這樣極大地提高了後勤效率，降低了整體費用。

阿根廷海軍的「五月二十五日」號航空母艦，注意艦艏正在冒著蒸汽的彈射器。在馬島戰爭中，這艘裝備著彈射器的航母由於蒸汽鍋爐出現故障而未能表現出滿意的戰鬥力，彈射器更是沒有使用的記錄。反倒是一直被人詬病的V/STOL型的無敵級航母反倒表現出很強的戰鬥力。當然，這與英國皇家海軍過人的素質和長期的經驗積累有密切關係。阿根廷的「五月二十五日」號是一艘裝備了12架超軍旗攻擊機、6架S-2E反潛機和4架SH-3D海王反潛直升機的航母，但在「貝爾格拉諾」號巡洋艦被潛艇擊沉後，這艘既能用於進攻又能擔負相當反潛能力的航母卻在戰爭中失蹤，不得不令人感慨。從中我們需求了幾個教訓，第一，國防裝備必須成體系的裝備，盲目購買先進裝備並不能換來相應的戰鬥力；第二。再先進的裝備也需要合適的人來使用，阿根廷軍隊雖然在馬島戰爭中已經超水平發揮，但還是缺乏足夠的人才；第三，國防的強大是離不開經濟的強大，阿根廷根本無力擔負一艘航母與其護航艦艇編隊的正常開銷，只能勉強維持，戰時自然無法體現戰鬥力。

二，當代大型艦艇動力系統發展概述

目前來說，可以滿足航空母艦動力系統需求的，無非是常規鍋爐—蒸汽動力，核反應堆—蒸汽輪機動力，燃氣輪機動力，而在可預見的未來，燃氣輪機—全電力驅動會帶來巨大的改變。

在戰後，蒸汽動力獲得了巨大的發展，美國海軍的蒸汽動力系統在戰時傲視群雄，蒸汽參數達到了非常高的水準，壓強4.22Mpa，蒸汽初溫達到了454℃，在戰後，他的蒸汽動力技術繼續高速發展，在50年代建造的薩拉托加號航空母艦上，蒸汽參數達到了壓強8.45Mpa，蒸汽初溫510~524℃。與此對應的，蘇聯海軍在50年代建造的科特林（56型，也就是中國01型旅大級驅逐艦的原型）上，使用的TB—8型鍋爐，蒸汽參數達到了壓強6.4Mpa。蒸汽初溫450~470℃，至於其他國家，蒸汽參數選擇則非常的保守，一般採用4.5MPa，450℃。也有用6MPa，480℃的。日本護衛艦較低，只3.6MPa(36atm)，435℃。

1945年時的企業號航母，當時這級航母的蒸汽鍋爐的性能就相當的強，在鍋爐領域，全世界一度和美國的差距有10年以上。

蒸汽輪機的單軸功率也獲得了巨大的提高，小鷹級航母使用的蒸汽輪機單機功率達到了51450KW（70000hp），四軸配置達到了205800KW（280000hp），才實現了小鷹級的33節航速同時有較大裕度的需求。俄羅斯航空母艦不需要彈射，對高速性能要求也較低，所以在TB—8的基礎上發展了TB—12動力組，單軸功率達到了33075KW（45000hp）。

美國航空母艦的強大彈射效率，是來源於他的大甲板，高航速，高蒸汽參數共同作用的結果，其他國家礙於技術實力，很難達到類似效果。在分析彈射型航母效率的時候，需要對此有清醒的認識，具體問題具體分析。美國在設計航母方面擁有著非常豐富的經驗，因此在甲板面積、高航速和蒸汽參數之間可以做到最優的選擇。如果盲目的追求甲板面積，以求獲得足夠的甲板運作空間，那麼必須付出噸位上的增加。而這又會進一步增加動力系統的負擔，降低了在彈射時動力系統的裕度和航速。如果要靠增強動力系統的能力來提升航母整體性能，那麼會使得航母的整體規劃受限於蒸汽動力系統的開發，這種毫無替代方案的做法是軍工科研中最忌諱的做法。

夕陽西下中的庫茲涅佐夫號航母正在經過挪威的一個海上油井，注意航母后部正在降落的蘇-27K型艦載機。該型航母由於缺乏經驗，甲板設計不盡合理，導致同時出動的艦載機數量不多，並導致戰鬥力長期不足。

以俄羅斯的蒸汽輪機的水平，建造一款擁有彈射器的航母並不難。但是前蘇聯在設計庫茲涅佐夫級航母時，就在是否要使用彈射器的問題上進行了廣泛的辯論，並在最終沒有選擇彈射器，而是選擇了類似艦隊型航空母艦的斜角甲板和滑越甲板。這種模式可以節省彈射器所帶來的蒸汽開銷，可以將動力系統完全用於加速。以庫茲涅佐夫級航母搭載的作戰飛機數量和種類來看，完全可以在保障基本作戰需求的前提下同時起飛和降落作業。

與俄羅斯航母形成對比的是，美國的航空母艦已經開始普遍裝備核反應堆—蒸汽輪機動力。與常規鍋爐—蒸汽輪機動力，有很多的相同點，同樣也對蒸汽參數要求很高，如美國現役的A4W/A1G反應堆，蒸汽壓強也達到了跟常規動力相同的8.45Mpa，這樣保證了尼米茲級航母的高效率。而企業號的蒸汽壓強只有6.4Mpa，彈射重載的F14A戰鬥機時就需要40節的甲板風，這樣不但需要全速前進，還必須尋找逆風，這樣的情況下F14A起飛重量也只能達到31噸，同樣的機型，在尼米茲級上，只需要30節甲板風就可以32噸重量起飛，戰鬥力獲得超過40%的增強。同時，核反應堆的單堆輸出功率也有了巨大的進步，企業號航空母艦，必須使用八台反應堆，付出了巨大的屏蔽和維護代價後，才能維持205800KW(280000hp)的輸出能力,而尼米茲級使用的A4W/A1G反應堆，只需要兩台就可以了。

儘管A4W/A1G反應堆的真容難以窺得，但是尼米茲級航母卻因這個反應堆而獲得了強大的彈射能力。正在彈射的E-2C預警機正是航母編隊戰鬥力最為核心的部分。

但是這種高效率的水面艦艇用堆，投資成本非常巨大，也無法轉給核潛艇使用，一般的國家都無法負擔這樣巨額的開支。所以法國選取了核潛艇使用的K15反應堆給航空母艦使用，結果是徹底失敗的。因為核潛艇的第一要務就是安全性，所以在蒸汽參數選擇上愈發的保守，不使用高溫高壓的過熱蒸汽，而是使用溫度低很多的飽和蒸汽，壓強一般在3Mpa以下，蒸汽初溫低於300攝氏度；同時單堆功率遠比A4W這樣的專用航空母艦反應堆低，目前最大的核潛艇用反應堆，美國的S8G反應堆，輸出的動力功率也只有44.1MW（60000hp），遠比A4W/A1G低。

與此同時，燃氣輪機獲得了蓬勃發展，在不需要彈射的航空母艦上發揮了巨大作用，燃氣輪機不需要冷卻，加速快，不需要熱機，壽命長，體積小，重量輕，特別是現階段燃氣輪機的油耗已經低於蒸汽輪機，經濟性非常好。同時艦用燃氣輪機可以大量使用航空噴氣發動機的部件，又有大量同型號的工業燃氣輪機廣泛使用，這進一步降低了採購和維護成本。

現階段航空母艦上運用最廣泛的美國通用電氣（GeneralElectric）公司的LM2500發動機，和英國羅爾斯羅伊斯（Rolls-Royce）的奧林巴斯TM3B發動機，都是基於非常成熟的航空發動機開發，在工業領域的裝機量都數以千計，大批量生產下，成本非常低單軸功率也達到了18500KW（25000hp）以上級別，油耗已經降低到235g/kw.h級，與之對應的，則是代表了蒸汽輪機最高水平的小鷹級，油耗達到了381g/kw.h。蒸汽輪機現階段對於燃氣輪機，最大的優勢還是在於可用於彈射，技術門檻低，可以使用低質量的重油，不像燃氣輪機必須採用餾分輕質燃油。

羅爾斯-羅伊斯公司（Rolls-RoyceLtd）的logo。這個1906年由汽車設計師羅伊斯和汽車銷售商羅爾斯共同創辦的私人企業，是英國航空工業國家資本壟斷企業。在航空和船舶發動機領域均有世界一流的研發和製造能力。

通用動力公司是美國最大的軍火商，也是國防承包商之一。它的產業分為四大領域，一是航海設備，主要是製造軍艦和核潛艇；二是航空領域，包括商用飛機和戰鬥機；三是信息系統和技術部門；四是攻擊性武器的製造。其製造的LM2500系列船用燃氣輪機是該領域的巔峰之作。

奧林巴斯的TM3B發動機結構框圖

而未來的羅爾斯羅伊斯（Rolls-Royce）公司的WR21和MT30發動機，具有驚人的經濟型，WR21油耗比現階段發動機降低20%以上，巡航狀態甚至降低了40%。燃氣輪機一統未來除大甲板航空母艦以外水面作戰艦艇的趨勢已經不可逆轉。

三，當代航空母艦常規動力系統巡禮

當代而言，全世界服役的航空母艦，大致有彈射起飛攔阻著艦航空母艦十五艘，其中包括美國尼米茲級核動力航空母艦十艘，企業級核動力航空母艦一艘，小鷹級常規動力航空母艦兩艘，法國戴高樂級核動力航空母艦一艘，巴西的法制福熙級常規動力航空母艦一艘，阿根廷的英制常規動力航空母艦一艘。巴西和阿根廷的航空母艦過於老邁，介紹的價值不大。滑躍起飛，攔阻著艦的航空母艦則只有一艘，即俄羅斯的庫茲涅佐夫號，當然，印度的藍天衛士號正在建造中，它的動力搭配方式頗為新穎，會做一下介紹。s/vtol型航空母艦則較為雜亂，有多個國家建造使用，甚至連泰國這種窮國都可以擁有，不過他們的動力包來源則相對簡化，可以集中進行一些介紹。

<一>美國薩拉托加號航空母艦的蒸汽動力裝置

薩拉托加號(CVA-60)航空母艦是第二次世界大戰後美海軍第一批建造的攻擊型航空母艦，是總數為4艘的「福萊斯特」級航空母艦的第二艘，福萊斯特級也是第一代從最初設計開始就針對噴氣式飛機設計的航空母艦，是美國戰後常規動力航空母艦的鼻祖，他自身使用的很多參數，也成為了以後美國航空母艦設計的標杆，直到現在。

薩拉托加（CVA-60）號航母俯拍圖。儘管這艘航母已經退出了美國海軍的現役，但依然是最為強大的常規動力航空母艦，其設計中的一些地方值得後來者充分學習。

CVA-60薩拉托加號航空母艦於1955年服役。之後除建成「福萊斯特」級另兩艘航空母艦外，還建造了「小鷹」級的4艘常規動力航空母艦。小鷹級的單機功率較福萊斯特級為大，儘管如此，福萊斯特級的動力系統，代表了50年代美國蒸汽動力裝置的最高水準，直到今日也是其他國家難以模仿的。

動力系統組成和主要性能

主要由蒸汽鍋爐、過熱器、蒸汽輪機、冷凝器和減速齒輪裝置等組成。蒸汽動力系統是以蒸汽鍋爐產生的蒸汽為工質，使主機運轉，將熱能轉變成機械能的艦艇動力裝置。按主機工作原理，分為蒸汽機動力裝置和蒸汽輪機動力裝置。蒸汽機動力裝置，是早期的蒸汽動力裝置，其主機為往複式蒸汽機，利用蒸汽在汽缸內膨脹，推動活塞作往複運動，藉助連桿機構和曲柄使曲軸迴轉輸出功率；單機功率小，熱效率低，自20世紀50年代起已被淘汰。蒸汽輪機動力裝置的主機為蒸汽輪機，利用蒸汽的高速流動推動葉片，使軸旋轉輸出功率；單機功率大，振動和雜訊小，壽命長，工作可靠，可使用劣質燃油，但機動性差，機械、設備和管路系統複雜。蒸汽輪機動力裝置由蒸汽鍋爐、主蒸汽輪機、主冷凝器、傳動裝置、軸系、推進器以及有關的輔助機械、設備和管路系統等構成。蒸汽鍋爐，絕大多數為單煙道管壁式水管鍋爐，附設有燃油泵、鼓風機、給水泵、增壓泵等輔助機械和設備。它吸收重油或柴油燃燒發出的熱量，將水加熱成高壓高溫的蒸汽供主蒸汽輪機等使用。一般來說其工作壓力為6～8.45兆帕，產生的過熱蒸汽溫度為450～510℃，蒸汽產生量可達130噸／時。主蒸汽輪機，單機功率達51450千瓦(7萬馬力)。一般包括高壓和低壓汽輪機，在高壓汽輪機內安裝有全速級和低速級，後者在艦艇巡航及低速航行時使用，也有將低速級單獨設置為一台巡航汽輪機的；在低壓汽輪機內除配置正車級外，還設置有倒車級供艦艇倒航時使用。主冷凝器，能將已作功的蒸汽冷凝為冷凝水，以便重新送入鍋爐產生蒸汽，完成密閉汽水循環。傳動裝置，一般均為雙級齒輪減速器，可將很高的主機轉速降至推進器所需的工作轉速。主蒸汽輪機機組配有冷凝水泵、循環水泵、蒸汽噴射器(或真空泵)、滑油泵等輔助機械和設備。軸系、推進器等與其他動力裝置基本相同。

薩拉托加號航母的鍋爐為帶蒸汽空氣預熱器的單爐膛D型鍋爐。該蒸汽鍋爐性能參數如下：蒸汽蒸發量118.2t/h；蒸汽壓力8.45(84.5)MPa(atm)；過熱蒸汽溫度540℃；鍋爐受熱面積575㎡；蒸汽過熱器受熱面積155㎡；上水預熱器受熱面積682㎡；總受熱面積1412㎡；爐膛容積25.8m3；鍋爐尺寸(長×寬×高，min)：4875×6300×6850；爐膛熱強度16.74×106(4×106)kJ/m3(kcal/m3)；蒸汽鍋爐效率：0.89。都達到了非常驚人的水平。

薩拉托加號航母的蒸汽輪機為無巡航汽輪機有中壓汽輪機的串聯-並聯式，美國海軍是各國最早廢棄巡航汽輪機改采串聯—並聯方式了，極大地降低了油耗。高壓汽輪機有一個雙速度級和5級衝動式壓力級；中壓汽輪機有7級衝動式葉片。第1級不是雙速度級，但輪盤直徑較大(故實現焓降大)；低壓汽輪機為分流式，各有5級衝動式葉片。還有倒車汽輪機，當低功率運行時，只打開高壓汽輪機的噴嘴控制閥，蒸汽通過高壓汽輪機的雙速度級和5級壓力級，並經蒸汽輸送管進入中壓汽輪機。蒸汽經高、中壓汽輪機作功後，進入分流式低壓汽輪機(串聯運行)；當需要大功率時，進入高壓汽輪機和中壓汽輪機的噴嘴閥同時打開，蒸汽各自分別流入高壓汽輪機和低工況時的中壓汽輪機(此時的中壓汽輪機實際上也是高壓汽輪機)，然後兩者共同將作完功的蒸汽經蒸汽輸送管送入低壓汽輪機(並聯運行)。薩拉托加號航空母艦的蒸汽輪機也有抽汽開口，可將蒸汽抽至除氧器用作給水預熱。該蒸汽輪機的特性如下：單機最大功率45937.5(62500)kW(hp)；蒸汽初壓8.45(84.5)MPa(bar)；蒸汽初溫510℃：；油耗363.3g/kW.h(267g/hp.h)。

薩拉托加號航母上的減速裝置為雙級減速齒輪裝置，有上、下兩個箱體。下箱體支撐大齒輪。下箱體用螺栓連接到齒輪箱的底座上。底座又與艦體相連。上箱體支撐套筒軸，上箱體的上面還裝有箱蓋，諸如盤車裝置、轉速表的傳動軸、滑油泵的傳動軸等輔助設備也裝在齒輪箱上。-下箱體下的齒輪箱座內還有滑油系統的油槽，汽輪機和減速齒輪裝置所用的滑油都流至此滑油槽中。齒輪箱蓋上還裝設有滑油流量表和軸承溫度表的附件。此外，在齒輪箱上還裝有幾塊鉸鏈檢查板，用於定期檢查齒輪滑油噴嘴的噴油量。這些檢查板平時用掛鎖鎖住。CVA-60航空母艦的蒸汽動力裝置，共有蒸汽鍋爐8台，蒸汽輪機4台，整個蒸汽動力裝置的比重量為19.2kg/kW(14.1kg/hP)。

<二>法國戴高樂號航空母艦核動力裝置

戴高樂號是法國第一艘核動力航空母艦，也很有可能是最後一艘。80年代計劃建造時，法國政府和海軍雄心勃勃，準備設計全新的艦用核反應堆，實現類似於尼米茲級的性能。但整個項目千頭萬緒，再加上1992年歐洲金融危機和法郎急劇貶值的壓力，工作處於停擺狀態。沒有動力系統的軍艦，就如同沒有心臟，《費加羅報》在頭版頭條以通欄標題報道：「戴高樂號處於危機中！」此時的法國人顯示出了高度的工程組織能力和變通精神，正在「戴高樂」號舉步維艱的時候，法國海軍的另一寵兒，國家核戰略的中心—新型導彈核潛艇「凱旋」號於1993年7月13日在瑟堡船廠下水，艇上採用模塊化設計的K－I5壓水式核反應堆，結構緊湊，噪音低，維護簡單，安全可靠，廣受好評。航母計劃負責人立即讓生產商「照葫蘆畫瓢」，將K一15核反應堆做細節修改使其達到適應航母需要的水平，結果折騰了2年多，終於在1995年讓兩台K-15D壓水式核反應堆在航母上「安家」。它們的總功率達到83000馬力，通過2個螺旋槳驅動，航母的最高航速達到了27.9節，裝滿燃料後可以不間斷航行13年，具備長期巡航而不需要外界補給的能力，這樣」戴高樂」號勉強才算服役了。

法國為了保證彈道導彈核潛艇的後續力量，於1981年決定建造6艘第三代「凱旋」級彈道導彈核潛艇，後改為4艘。為此研製了K-15反應堆。K-15一體化壓水堆裝置是在紅寶石級核潛艇使用的CAS48一體化壓水堆裝置基礎上發展的。

K-15反應堆裝置的發展目標是：增大單堆熱功率至150MW、採用浮筏等措施降低雜訊和提高安全可靠性。CAS48一體化壓水堆裝置於70年代初期開始發展，1983年2月首次裝備「紅寶石」號攻擊型核潛艇並服役。

K-15核反應堆的外部保護罩

K-15核反應堆的結構圖

反應堆原理圖

法國海軍於1982年開始發展計劃用於」凱旋」級核潛艇和「戴高樂」號核動力航空母艦的K15一體化壓水堆，投資1億法郎改建了CAP陸上模式堆，裝有K-15堆芯，進行試驗研究。K15反應堆在設計中採用了較大的壓力容器，增加了堆芯中冷卻劑的流通截面，減小流動阻力，提高自然循環能力，同時採用浮筏減振來降低噪音。K15一體化壓水堆裝置的研製由法國原子能委員會核推進部領導，設計研究工作由薩克萊核研究中心負責，試驗研究由卡達拉希核研究中心負責，建造工作由法國原子技術公司承擔。該堆於1994年在「凱旋」號彈道導彈核潛艇上開始投入運行。

1986年6月凱旋號核潛艇開工建造。1987年11月戴高樂號核航母開工建造。1993年7月「凱旋」號核潛艇下水。1994年5月戴高樂號核航母下水。1995年裝有K-15堆芯的陸上模式堆支承結構發生嚴重裂紋。反覆改進解決以後，1997年3月凱旋號核潛艇服役。戴高樂號航空母艦則於2000年9月服役。

戴高樂級核航母採用的K15一體化壓水堆裝置為雙堆配置。實際上是兩套核動力裝置，雙軸推進，軸功率61MW(83000hp)，航速27h。「凱旋」級核潛艇採用一台K-15一體化壓水堆裝置，相當於戴高樂號核動力航母的一套核動力裝置，軸功率30．5MW(41500hP)，水下航速25h。

1999年服役的凱旋級核潛艇的「魯莽」號。該級艇和戴高樂號航母使用的是同一種反應堆。

K-15反應堆熱功率150MW，採用U02板狀燃料組件，包殼材料為鋯合金，U235富集度約為7~20％。冷卻劑流程經過堆芯，可載走更多熱量。一台蒸汽發生器坐在反應堆頂蓋上，成一體化布置。反應堆在不開動主泵時，可達額定功率49％，靠冷卻劑自然循環工作。一迴路系統有兩台主循環泵，直接和壓力容器相連，還有兩台穩壓器。每套K15壓水堆裝置的二迴路系統有兩台主汽輪齒輪機組推動一根軸。在推進軸上還裝有主電動機，它由汽輪發電機、蓄電池組或應急柴油發電機組供電。為降低雜訊，二迴路設備採用整體浮筏機座。

K-15一體化自然循環壓水堆裝置，是沿著法國獨特的技術路線發展的第三代標準化核動力裝置，技術特點非常鮮明。首先功率大，K-15反應堆熱功率150MW，可提供軸功率30．5MW(41500hp)，可推進排水量14335t的核潛艇，航速達25h，其功率與美國S6G壓水堆接近。其次堆芯壽命長，K15反應堆是CAS48反應堆的擴展型，堆芯具有25年壽期，可以和艇同壽命，不用換料。K-15採用一體化布置的方案，該型堆採用一體化布置，體積小，重量輕，減化系統和設備，自然循環能力高達49％，對降噪和安全性有利。雜訊低是K-15型反應堆的另一大特點，該型動力裝置在中、低速航行時可不用開動主循環泵，低雜訊航行採用電力推進、泵噴射推進，浮筏減振，因而雜訊低，據稱比美海軍「俄亥俄」級核潛艇雜訊還低。

K-15是現階段最先進的核潛艇用反應堆之一，但是他用到航空母艦上，這個就是典型的削足適履了，成了純粹的蹩腳貨。當年美國的里科弗海軍上將領導核潛艇設計工作的時候，就專門提出了，核潛艇的設計需求，安全性是最重要的，這個準則也被各國海軍所接受沿用至今，所以大家都放棄了高性能，但是高風險的過熱蒸汽結構，而採用落伍的飽和蒸汽結構，K15也不例外，蒸汽壓強只有2.4Mpa，這個壓強對於航空母艦彈射飛機，遠遠地不夠用了，所以法國人只有給該艦配備了過熱鍋爐，付出巨大代價給蒸汽增壓，但是還是遠不如美國航母彈射器的壓強，拚命地加強陣風戰鬥機的性能，才勉強保證了適用性，但是連續彈射能力還是嚴重不足，為了保障E-2C的使用，還不得不專門加長了飛行甲板。

對於燃料棒的控制是核反應堆控制的關鍵技術，因此如何更換燃料棒是一個非常有難度的事情。這實際是在考驗反應堆設計者對於諸方面問題的妥協能力。

不過K-15最大的優點在於將核反應堆與蒸汽發生器組合在一起，內部只有管路和主循環泵而沒有主動力裝置一次迴路，結構緊湊。反應堆的高度和直徑只有10米和4米，總功率達18270千瓦，而且噪音奇低、輻射很小，能夠自動控制。據法國專家聲稱，K-15的可靠性和安全性甚至超過了民用反應堆。不過，K-15與美英核潛艇反應堆的最大區別在於：前者採用7%～20％的低濃度鈾作為核燃料，而後者採用濃度高達95％的高濃縮鈾。這也造成K-15的活性區換料周期只有5年左右，比美國「俄亥俄」級核潛艇上反應堆換料周期要縮短一半以上。但法國目前所面臨的防務壓力不大，這樣的問題倒並不能算很致命，唯一的問題是會增加全壽命成本，畢竟更換核燃料並非一件簡單的事。

<三>西班牙「阿斯圖里亞斯親王」級航空母艦動力裝置

西班牙是傳統半島海洋國家，位於大西洋和地中海之間，扼守直布羅陀海峽，同時他一直需要一隻能對摩洛哥局勢做出快速反應並且擁有足夠反潛能力的海上航空兵力。1967年，西海軍向美國租借了二戰老航母迷宮號，後於1973年正式買入，但迷宮號已經是老態龍鍾了，戰鬥能力嚴重不足，所以建造新型航母的問題就提上了議事日程。

西班牙是小國，自身無力維持彈射起飛—攔阻著陸的大中型航空母艦，所以他們選擇了美國海軍的「制海艦」項目，同時吸收了英國「無敵」級航母使用海鷂戰鬥機的成功經驗，發展出了阿斯圖里亞斯親王級航空母艦。「阿」號全長195.5米，寬24.3米，吃水9.4米，滿載排水量16900噸，全通式飛行甲板長175.3米，寬29米。

短距起飛—垂直著艦航空母艦，對於甲板風和加速性的要求降低了很多，所以動力系統的需求主要是在於經濟性，所以西班牙選擇了美國海軍驅護艦艇的標準動力組件，極大地降低了成本。「阿斯圖里亞斯親王」號的動力系統，是兩台美國LM2500燃氣輪機，雙軸驅動，總功率只有46400馬力，最大航速27節，這個動力配置價廉物美，很適合西班牙的國情。LM2500發動機，是現階段全世界裝機量最大的船用燃氣輪機系統，最早被美國海軍的「斯普魯恩斯」級大型驅逐艦選用，沿用在了「基德」級，「伯克」級驅逐艦，「提康德羅加」級巡洋艦，「佩里」級護衛艦，千錘百鍊，久經考驗，也是現階段其他國家建造類似艦艇的第一選擇。

LM2500的整體構架示意圖

艦用LM2500發動機的方箱剖視圖

正在拆卸中的LM2500

LM2500壓氣機細節

TF39是美國通用電氣公司為滿足遠程重型運輸機C-5的要求而研製的一種高涵道比渦輪風扇發動機。1964年5月，美國空軍招標。1965年4月，通用電氣公司投標。1965年8月，美國空軍宣布通用電氣公司獲勝，同年10月15日簽訂正式研製和生產合同。1965年12月，TF39發動機首次試車；1967年6月，裝在專門改裝的B-52E空中試車台的左內側進行飛行試驗。1968年10月，完成150h持久試車並開始生產型交貨。1969年10月正式定型。60年代中期，通用電氣公司又針對下一代大型寬體客機DC10，在TF39的基礎上開發了CF—6發動機，歷經改進，使用在了DC10，MD11，波音747,波音777，A300，A330等飛機的發動機上，推力也從最初的17,842千克，發展到了現階段的30,980千克，同時油耗和壽命等也有長足進步。

LM2500就是基於這樣先進的發動機而發展出來的，取用了CF-6的核心機部分作為燃氣發生器，包括了16級壓氣機，兩級高壓渦輪設計，搭配上6級的動力渦輪和蝸殼式排氣道。還設計了非常合理的箱式結構，管線都直接通過箱體的結構與發動機連接，把發動機自身跟機艙隔絕，使得以往油污滿地的機艙可以變得一塵不染，而且還極大地降低了噪音，極大地改善了工作人員的工作環境。以外的輪機兵，是滿身油污的工作服，臉上手上全是黑的，耳朵也被震耳欲聾的發動機震得半聾，嗓音因為在機艙里大聲喊話而嘶啞，現在使用現金燃氣輪機的軍艦上，輪機兵的形象已經跟白領很接近了，坐在中央集控里按著電鈕工作。

LM2500的動力，涵蓋了從18000馬力到36000馬力的區間，可以自由組合的使用到各種軍艦上，油耗達到了235g/kw.h。不過，LM2500雖然久經考驗，還是掩蓋不了它是單轉子，簡單循環發動機的事實，現階段，羅爾斯羅伊斯公司推出的WR-21雙轉子複雜循環發動機和MT30雙轉子簡單循環發動機，有著更加優異的燃油經濟性表現，在未來的艦船市場有著廣闊的舞台。

經典的LM2500系列燃氣輪機代表著來自GE的技術結晶。這款發動機在經歷了數十年的改進和發展後，已經形成了一個龐大的家族，能夠適應更多需求。

<四>未來的世界標準——全電驅動動力系統

英國一向是走在世界艦船動力，航空動力與航空母艦研究最前列的國度，在50年代他們研製出了現代航空母艦的三大利器：蒸汽彈射器，斜角甲板，菲涅爾透鏡，確立了繁複現代航母標準；在70年代他們又化繁為簡，研製出了滑躍甲板技術，同時把燃氣輪機這種廉價，方便的動力方式引入了航空母艦。

英國人的想像力和創造性思維能力，舉世無雙，把豐富的想像力跟精密的工程實踐結合在一起的能力更是舉世無雙，在現代，他們又把電力驅動引入了大型水面艦艇中，在最新的美國DDG1000驅逐艦里，便使用了先進的全電推進系統，使用BAE公司的先進永磁交流多相電機和RR公司先進的MT30燃氣輪機組，構成了高效，低油耗，高可靠性，高性能的動力組，而這套系統，也將會應用到英國最新型的CVF航空母艦上。可以這樣說，隨著電推技術的出現，航母很有可能在未來放棄核動力而轉向燃氣輪機，尤其是在中小型V/STOL型航母。

羅羅公司的燃氣輪機家族框圖

MT30的輪機艙3D圖

正在生產中的MT30葉片

MT30的整體分解圖

電推系統的原動機，是羅羅公司的MT30。這型燃氣輪機由航空發動機「遄達」（Trent）800派生，稱為MT30艦船用燃氣輪機。此機在環境溫度26℃時的最大持續功率為36兆瓦，從2000年開始研製，2003年被皇家海軍選定為CVF的動力。

MT30艦船燃氣輪機滿足美國航運局合格證書認證要求的1500小時耐久試驗於2004年2月開始，於2004年7月完成。試驗包括對試製樣機進行198次耐久試驗，其中一半為機械驅動方式，另一半採用發電機驅動方式。每次約8小時，包括進行最大功率試驗和循環試驗。對進氣溫度38℃的試驗也採用了將進氣加熱到38℃的方法。

用于波音777上的遄達800發動機，MT30就由該發動機派生而來。

美國海軍已基本決定要在其未來的DD（X）多用途驅逐艦上和LCS瀕海戰鬥艦上使用MT30艦船燃氣輪機，羅爾斯·羅伊斯公司的另1台試製樣機預計在2005年初交付美國海軍海上系統司令部費城海軍陸上試驗站進行水面艦艇綜合電力系統工程研製模型樣機試驗。除此之外，MT30在2004年初還被選為由洛克希德·馬丁公司建造的2艘2800噸LCS-O型瀕海戰鬥艦試驗艦的動力裝置。LCS-0型每艦2台，第1台在2005年8月交付。MT30也是對英海軍未來航空母艦作基本設計的燃氣輪機，還有可能被選作法、意的新型多用途護衛艦的主燃氣輪機。將是未來西方國家的標準燃氣輪機。

MT30燃氣輪機能受到英、美海軍青睞和人們的關注，是因為它有下列特點：首先這個燃氣輪機的功率比較高而適中。MT30燃氣輪機在環境溫度為26℃時的最大持續功率為36兆瓦，在32℃時的最大持續功率為30兆瓦。比現在決定用於英海軍45型驅逐艦和以前美海軍決定用於32艘DD-21級驅逐艦的、額定功率達到25兆瓦的WR21中間冷卻回熱燃氣輪機，以及2001年已開始在「黃蜂」級兩棲攻擊艦上使用的功率為29兆瓦的LM2500+燃氣輪機大得多。功率較大而適中極有利於滿足英海軍準備在2015年左右開始服役的2艘新造航空母艦和美海軍DD（X）多用途驅逐艦和瀕海戰鬥艦的功率要求，以及在這些艦上的布置。美海軍在未來的水面艦上還要裝電磁炮、電化學炮、激光武器等大用電武器系統，這也要求增加艦上的電功率。MT30燃氣輪機發電機組有較大的功率正好迎合了這一點。其次是，油耗低、效率高。MT30燃氣輪機在最大持續功率時的油耗為207克/千瓦·時，熱效率為40％，既優於功率相近的簡單循環LM2500+燃氣輪機（油耗約235克／千瓦·時，熱效率89％），又可與中間冷卻回熱循環的WR21燃氣輪機相比（油耗約200克／千瓦·時）。油耗還可與全功率的中高速柴油機相比（約210克／千瓦·時）。

DDX對地攻擊的想像圖

第三是可靠性和維護性好。MT30燃氣輪機與「遄達」800航空發動機有80％的通用件。「遄達」800航空發動機用于波音757飛機和波音777飛機，裝機總台數為250台，從1996年使用以來已累計飛行500多萬小時，使用可靠性99.9％。MT30艦船燃氣輪機預計熱部件大修時間12500小時，整機大修時間24000小時。在艦上可修理的平均無故障時間2000小時，平均修理時間除冷機時間外為4小時。可靠性好的另一表現是與其他派生的艦船用燃氣輪機相比，MT30的零、部件少50％～60％。MT30燃氣輪機採用模塊結構，因此維修容易。模塊能經常拆卸和取換，不必對整機進行大修。還有一個特殊之處，就是各個模塊已預作平衡，燃氣輪機更換模塊後，可以不對燃氣輪機整機作現場就地平衡。這就極大地減少了維修量。MT30燃氣輪機還裝有內部狀態感測器，能視情維修。平時工作僅限於檢查液位和作一些目視檢查。

第四是功率重量比大、結構緊湊並且能使用蒸餾燃油，有害排放物低。36兆瓦功率的MT30燃氣輪機帶底座時的功率重量比為1.33千瓦/千克，比其他25兆瓦級的按工業標準製造的燃氣輪機提高了25％。由於採用類似母型機的環形燃燒室，能滿足目前和未來的氮化物、硫化物和二氧化碳排放的立法要求。有害排放物還不及普通柴油機的一半。在整個功率範圍內無可見煙。

DDG-1000在2005年底時的三視圖。

朱姆沃爾特級驅逐艦的系統構架。該型艦到底會得到什麼樣的評價還很難說，但光這樣怪異的外形就足以令人感到吃驚。

朱姆沃爾特級驅逐艦上的指揮系統示意圖。

有了這樣充沛的原動機，也只成功了一半，電力系統才是最具有顛覆性的創造。在過去，一半來說，大型艦艇都有多根傳動軸，驅逐艦巡洋艦兩根，航空母艦四根，每一根軸都配有自己的一套獨立的動力組件，在航行時候，由於輸出功率不同會導致拖槳，形成巨大的消耗，所以必須保證每個軸的輸出功率相同，所以每個軸的發動機都必須開動。

而燃氣輪機的特性，則是在最大功率狀態，單位油耗最低，輸出功率越小，單位油耗越高。LM2500最大功率輸出的時候，單位油耗低到了約235克／千瓦·時，但是在以5000KW功率運行時，則高達約450克／千瓦·時左右。而就算是8700噸的伯克級驅逐艦，它安裝了四台LM2500燃氣輪機，每軸兩台，巡航時候每軸各關閉一台，剩餘發動機以5000KW輸出功率工作，這樣就處於非常高的油耗狀態。如果能夠只開一台發動機，那將節約超過40%的燃料。但是機械式傳動的固有缺陷導致了這個措施的無法採取。

在電傳統下，一切都變成了現實，DDG1000甚至可以關閉主機，只用兩台輔機，就能維持18節的航速巡航，在CVF上，裝有兩台MT30，可以達到26節航速，只開一台則可以輕鬆的以20節航速巡航。20節航速下，滿載排水量7萬噸的CVF，每小時油耗小於7噸，相對應的，阿利伯克級驅逐艦，巡航狀態每小時耗油超過4噸。節省了大量燃油，就相應的大大減小了艦內載油空間和重量，可以騰出更多的空間給航空燃油和武器，以及給艦員提供更舒適的空間。

另外，以外的動力組必須裝在最下層甲板，用很長的煙道和進氣道輸入空氣和排出廢氣，佔據了很大空間，也嚴重的影響了設計的靈活性，進行發動機維修更換甚至要把軍艦大卸八塊。在CVF上，MT30機組被布置在了水線以上，靠近船舷，維修非常簡便，煙道進氣道長度縮短一半以上，也不需要布置曲折的管系，極大的方便了設計。

儘管MT30得到了英美海軍的青睞，但由諾思羅普格魯曼（NorthropGrumman）公司、羅·羅公司、AlliedSignal和CEA聯合組成的一個國際工業集團所研製的WR-21型船用燃氣輪機也很有實力，這個燃氣輪機是目前唯一的一型中冷－回熱式複雜循環船用燃氣輪機，它是根據美海軍合同並得到英國、法國財務支持，迄今耗資約4.8億美元，歷時超過8年所開發的新一代機型，羅·羅公司稱WR-21是目前「世界最先進的船用燃氣輪機」。這個燃氣輪機在輕型航母的動力選擇方面和LM2500和MT30形成了一定的競爭關係。

使用WR-21燃氣輪機的英國45型驅逐艦。與WR-21類似的LM2500系列和MT30都能作為航母的動力選擇，那麼WR-21顯然也有資格參與角逐。

WR-21這種帶中間冷卻－加熱（ICR－IntercooledRecuperatedCycle）的複雜循環燃氣輪機比目前普遍採用的簡單循環船用燃氣輪機多了一個中間冷卻器和一個回熱器，這種類型的燃氣輪機被稱為中冷－回熱循環燃氣輪機。研究表明：中、高壓比的中間冷卻－回熱循環燃氣輪機，具有提高壓比、提高熱效率、增加輸出功率的特點。WR-21的傑出性能得益於其三項獨有的特點：第一，位於低壓壓氣機和高壓壓氣機之間的中間冷卻器，對進入高壓壓氣機的空氣進行冷卻，減少了高壓壓氣機所需的功率，改進高壓軸的效率並增加約25%的發動機輸出功率；第二，回熱器將排氣餘熱予以回收利用，對進入燃燒室的燃氣進行預熱，明顯地降低了燃油消耗率。實際運行表明：尺寸相同的高壓透平進口處的燃氣溫度如果相同，採用回熱器的WR-21燃氣輪機的燃油消耗率明顯小於常規的船用燃氣輪機；第三，第一級高壓透平採用可變幾何導葉（VAN）葉輪，隨著負荷的減少，通過透平的質量流量減少，可變幾何導葉逐漸關小，保持了恆定的透平入口處燃氣溫度，從而提高了部分負荷工況時回熱器的效率，其結果是在整個運行範圍里提高了發動機的效率，特別是在低負荷時取得令人注目的效果。實船運行表明：WR-21的回熱器加可變幾何導葉的節油效果可達30～40%。

WR-21機艙剖視圖

在ISO條件（15℃，無損失）下，WR-21輸出功率為25.2兆瓦，足以滿足護衛艦、驅逐艦和輕型航母以及大型高速民船的功率需求。該燃氣輪機是目前效率最高的船用燃氣輪機，具有柴油機的燃油耗油率指標。根據資料顯示，WR-21最大功率（ISO條件下，25.2兆瓦）時的燃油耗油率僅為184克/千瓦·小時（135克/馬力·時）。作為迄今效率最高的船用燃氣輪機，這樣的經濟指標足以與大功率低速船用柴油機相媲美。這對於一些想建造輕型航母的國家來說，更省油並且加速能力出色的燃氣輪機的動力系統會得到更多的關注。

在未來，隨著燃氣輪機技術的不斷進步，和艦艇電力消耗的不斷增加，全電驅動方式必然會成為事實上的標準。如果航空發動機的進一步發展，使得艦載機廣泛的採用滑躍方式起飛的話，那麼燃氣輪機會被航母設計師們青睞。但是在這個領域，我國的發展還不盡如人意，在原動機，配電系統，電動機技術上都比較落後，不過現階段也有不少蓬勃發展的趨勢。展望未來，必將有更先進的動力技術進入艦艇領域。

四、美國CVN21型航母選擇核動力的原因

20世紀90年代，美國海軍開始設計下一代航空母艦，但對於新一代航母的噸位和動力選型，在美國國內有很多爭議，特別是CVN21到底是選擇常規動力還是核動力，美國海軍爭論了很久。美國國內一直存在兩派觀點，分別支持核動力和常規動力。美國國防部顯然支持核動力航母，而以審計署為首的反對聲音也同樣很響亮。

1961年，美國建造了第一艘核動力航空母艦企業號，並在隨後建造了長灘號核動力巡洋艦和核動力驅逐艦邦布里奇號。這樣的組合意味著，美國海軍當時需要自持力更長的水面護航艦艇來保障高強度下的航母戰鬥群的運作。通常常規動力艦艇進行補給時，編隊航速會降低到13節左右，這樣會大大影響航母戰鬥群的反應速度和作戰彈性。1994年，華盛頓號核動力航空母艦花了7天時間從亞德里亞海全速駛往海灣地區，但護航的艦艇卻被其遠遠甩在了後面，只有兩艘常規動力護航艦艇能勉強跟上華盛頓號的速度，在其餘艦艇跟上來之前，華盛頓號僅能依靠這兩艘艦提供警戒，並大量將作戰飛機用於構建完善的截擊圈。因此，美國海軍在當時擔憂常規動力的艦艇一旦無法跟上核動力航母，那麼在海上編隊集結過程中，在最初的一段時間內，航母無法發揮威懾能力，需要等待護航艦艇基本就位後，才能發揮航母戰鬥群的全部威力。儘管全核動力的航母戰鬥群擁有著諸多好處，但很快因為建造費用的問題而終結，不過核動力航母的優勢就體現出來了。以肯尼迪號航母為例，如果採用常規動力的話，航空燃油的裝載量為5919噸，航空武器的儲存量為1800噸；如果採用核動力的話，航空燃油裝載量為7930噸，航空武器儲存量為2960噸。當時，美國國防部一些官員認為，使用核動力作為航母的動力系統，可以使航母的持續作戰能力提高一倍左右。從近年的實踐來看，航母的攻擊能力主要取決於單波次攻擊群的投彈量，除非在高強度作戰環境下，否則如此高的載彈量並無優勢。不過，核動力動力裝置體積較小，有利於航母底層結構的設計，這個優勢是無法忽略。

使用核動力的大小三艘軍艦，從上到下一次是邦布里奇號核動力驅逐艦、長灘號核動力巡洋艦和企業號核動力航母。

不過，以美國審計署為首的核動力航母反對派提出，在現代反艦導彈作戰系統如此完善的今天，航母戰鬥群的低空攔截能力是否能夠保障航母的安全。核動力航母戰鬥群的強大攻擊力，一旦遭到對方反艦導彈的飽和攻擊，很容易陷入被動，因此審計署建議建造較多的中小型常規動力航母，搭配較多數量的防空艦艇來完成戰略威懾。當時，擁有八座壓水堆的企業號核動力航母造價約為4.51億美元（不含艦載機和武器系統），而常規動力的小鷹號航母卻只有2.65億美元的造價，常規動力的航母有著很大的價格優勢。但是審計署的報告很快遭到事實的反擊，美國在1964年捲入越南戰爭。在戰爭中美國的大型核動力航空母艦搭載的艦載機群擁有更加豐富的任務能力，這對於美國軍方高層的吸引力是巨大的。美軍始終對作戰平台的任務彈性有較高的要求，需要它們經常在一些非正常的任務環境下完成任務。時任美國國防部長的麥克納馬拉很快被海軍的效率打動，從常規動力的堅定支持者變為大型核動力航母的擁躉，於是尼米茲級核動力航空母艦就此誕生了。

超音速反艦彈的廣泛出現，使得航母的生存受到了威脅。

大規模集中使用超音速反艦彈是對航母編隊形成打擊的最有效手段。但這樣的飽和攻擊並不容易組織。

隨著尼米茲級航母的出現和CVN21航母的設計開始，常規動力航母和核動力航母的效費比之爭又一次開始。1998年，美國審計署再次向美國國會提交報告，對核動力航母和常規動力航母的效費比進行評估。根據美國審計署的報告，尼米茲級航母比小鷹級航母的全壽命成本高58%。但這不意味著尼米茲級比小鷹級貴這麼多，因為小鷹級的噸位不如尼米茲級，艦載機等設備方面也有一定差距。但是根據美國國防部和海軍提交的報告顯示，核動力航母的全壽命成本僅高出常規動力航母7～10%。美國海軍的報告還附帶了對油價波動對航母使用的影響，認為當油價穩定在55美元左右時，常規動力航母和核動力航母的全壽命費用將大抵相當。

表1美國審計署提交的全壽命費用表（壽命50年，單位億美元，97年美元牌價）

表2美國海軍提交的全壽命費用表（壽命50年，單位億美元，97年美元牌價）

美國國會面臨這樣的局面，不得不選擇中立方進行評估，因此國防部委託著名智庫蘭德公司對航母動力選型進行評估。蘭德公司跳出了常規的思路，對航母動力選型與美國工業基礎之間的關聯進行了分析，認為無論是常規動力還是核動力都具有足夠成熟的工業基礎。考慮到不同選型對於工業基礎的不同影響，蘭德公司得出了以下的結論：

第一，CVN21採用常規動力對於柴油機和燃氣輪機工業並無明顯促進作用，因為即便是CVN21採用了常規動力，也只對相關廠商的產能影響很小。

第二，CVN21如果採用常規動力，將影響核工業基礎和其他核項目。CVX採用常規動力，那麼唯一能建造核動力水面艦艇的紐波特紐斯船廠將受到較大的負面影響，並且提高海軍其他核項目的開支。

第三，CVN21採用核動力對於常規動力產業的影響可以忽略不計，但對核工業有明顯的幫助。

在紐波特船廠下水時的SSN774弗吉尼亞號，該艇是弗吉尼亞級的首艇。紐波特船廠是美國第六大船廠，目前是諾斯羅普格魯曼公司旗下的重要子機構，對於美國海軍的裝備採購決策能夠形成巨大的影響力。

基於這樣的結論，美國國會批准了海軍在下一代航母CVX的動力選型上使用核動力，這主要是考慮核動力航母在高強度作戰下有更強的適應能力和保持核工業的發展。儘管現在高強度戰爭的可能性已經越來越小，但是美國海軍依然保持著隨時應對高強度戰爭的能力。但從實際的國會運作來看，紐波特船廠的公關能力應該起到了很關鍵的作用，畢竟無論是常規動力航母還是核動力航母，都無法改變美國海軍在海上的霸權地位。