建造航空母舰并不像建造油轮那么简单。先不说舰载机、弹射器等,第一个就是,你有没有造船的基础材料——航母用钢!由于航母的特殊性,它的钢材也有很多特殊的要求日本用特种钢造发动机,比如必须能够抵抗海水腐蚀;它必须是防磁的;必须耐高温,强度高,韧性好,焊接性能好。
几年前,前苏联未完工的航母“瓦良格”号被我国作为垃圾从乌克兰买回来。这艘航母来中国之前,已经多年没有防锈了。运到中国后,在大连扔了三年,一直没有上漆,但“瓦良格”表面基本完好,没有腐蚀。
经过测试发现,“瓦良格”所用的钢材可以自然抵抗海水腐蚀,而且基本无磁性。这么多年过去了,磁力还是零!当时,一位与“瓦良格”有过接触的专家曾感叹:“苏联依然强大,主要人民有良好的基础,还有苏联留下的财富,即使中国已经赶上20年,很难完全超越,尤其是基础工业水平,严重制约了军事装备的发展。”
“辽宁”号航母已经改建和喷漆
我们来说说航母所用钢材的特点:
1.耐海水腐蚀
海水对船底的腐蚀性特别强,严重影响船舶的航速和保护。因此,一般民用和军用船舶用钢要求具有较强的抗海水腐蚀能力。由于航母的作战环境较为恶劣,维修时间也较长,因此要求使用的钢板更耐海水腐蚀。由于我国钢铁生产技术的限制,我们用来制造船舶的钢材对海水的耐蚀性较差,所以我们的军舰都要涂上一层特殊的防锈漆,而且每隔三四年就要涂上一层防锈漆。必须在码头进行大修才能拆除船只。底部附着,并重新涂防锈漆。
2.防磁
一般钢材都有一定的磁力。因为地球本身就有磁场,所以一般用低磁钢制造的船舶,在长期使用后会被地球磁场磁化,产生磁力。磁力对军舰非常不利。因为它很容易被敌方磁探测器探测到,或者被敌方磁地雷和其他武器攻击。因此,在军舰用钢中,磁力越小越好。由于我们制造军舰的钢材抗磁性能较差,所以我们的军舰一般需要在三四年后开回码头进行反向消磁。但是,这种维护处理对于航母这样的庞然大物来说太麻烦了。
3.耐高温、耐冲击
一架飞机要在陆地上起飞,一般需要三公里以上,至少有一条一、两公里的跑道用于助跑和起飞。在航空母舰上,飞机必须在一两百米内完成滑跑、起飞和从静止状态腾空的过程。除了弹射装置的助推外,这还需要飞机本身具有强大的推力。当飞机启动到足以飞行时,发动机喷出的火焰可以达到上千度,足以将普通钢材制成的甲板熔化!一般来说,每架舰载机重约30吨。登陆舰艇时,对甲板的冲击力极大。因此,对板面的抗冲击和抗变形的要求是非常高的。如果甲板不是钢制的,着陆飞机很可能通过阻拦索将飞行甲板抬起。此外,航母甲板还必须具备强大的抵御敌方穿甲弹攻击的能力。因此,航母甲板所用的钢材非常讲究。
4.高强度、高韧性
建造航母所用的特种钢所需的强度远高于普通军用舰船。使用高强度钢板可以减轻船体重量,增加防弹能力。特别是飞行甲板的钢材需要不断改进,因为它要承受舰载机起飞过程中的高温和高摩擦。因此,航母的船体必须采用高强度合金钢。
船用特种钢的屈服强度一般用MPa(兆帕)表示。油轮、散货船、集装箱船等民用船舶用钢在250MPa左右,普通军用船舶用钢在300MPa以下。
航母和潜艇用钢,特别是航母飞行甲板用钢,一般要求850MPa以上。换算成我们熟悉的单位,大概一厘米应该可以承受5000到8000公斤的冲击力。看看这种钢在压力下的强度。
大型航空母舰需要各种各样的钢板。建造一艘7.5万吨级的大型航母,需要4万多吨各种特殊型号的厚钢板,一般可分为船体板和装甲板。以及三种结构板。
我们来看看航母不同部位所需的钢材
1.船体钢板
要求比较低,基本上是潜艇用的压力板,屈服强度通常为450兆帕和550兆帕,钢板厚度为22-28毫米。为了防止鱼雷和潜艇导弹在船体水下部分的轰炸,使用了150-203毫米厚度的钢板。
还有双层或三层船体。当外层钢板被击穿时,还有一层保护层,增强了航母的抗打击能力。以前的航空母舰还在易损部位使用了额外的装甲板来抵御各种意外攻击。航空母舰需要的另一种钢材是装甲钢。
2.装甲钢
一般用在最关键的核心部位。航母上有两个最重要的地方。一是指挥中心。指挥中心是航母钢板最厚的部分,厚度可达330毫米,有点类似于坦克使用的装甲钢板;另一个地方是航母的电力系统。
如果航母的机舱损坏了,那么航母就成了被打的活靶子,所以机舱也应该受到保护。保护的关键方法是使用装甲钢板。此外,炮塔等地方也应有防弹装甲板保护。航母用钢最重要的部分是结构用钢板。
3.结构板
主要用于简易机场、舱室和船体结构,尤其是要求极高的简易机场。首先,要求飞行甲板能够承载20-30吨级舰载机起降时的重冲击。其次,它必须能够承受高达数千度的喷射火焰的烘烤。因此,飞行甲板的屈服强度一般达到800 MPa。
另外,飞行甲板的厚度不宜过厚,一般为40-50mm,不平整度要求小于5mm/m,否则会影响飞机的升力质量。更重要的是,飞行甲板越大越好,焊缝越少越好。总而言之,航空用结构钢板要求强度高、厚度小、面积大,可以在恶劣的环境中使用。
世界航母用钢概况:
目前,世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯等少数几个国家能够为航母和潜艇制造钢材。其中,质量最好的是美国。
美国用来制造航母飞行甲板的钢材的屈服强度一般在850兆帕左右。他们现已开发出两个系列的特殊钢。
一种是HY系列特殊钢
HY-80是一种镍铬钛合金钢,屈服强度约为800兆帕。它是制造航空母舰或核潜艇的最佳钢材。
用这种钢制成的潜艇可以下潜2000米,然后美国在HY-80钢的基础上研制出屈服强度不低于686MPa的HY-100钢。 80提高钢材的耐蚀性和强度,提高焊接性、成型性和切削加工性等,也是目前美国海军航母重要部件的主要材料。
另一种是HSLA钢
HSLA-80钢是美国在1980年代研制成功的一种新型高强高韧结构钢。该型钢已部分或完全替代HY-80钢用于建造大型水面舰艇,如驱逐舰、巡洋舰和航空母舰,其中尼米兹级核动力航母的某些结构使用该钢。
HSLA-100钢是美国研制的用于新建航母船体和先进攻击核潜艇(非承压船体)的钢材。 HSLA-100是一种低碳、铜析出强化钢,合金元素含量高于HSLA-80,屈服强度约为690MPa,性能达到HY-100钢水平,板厚可达100mm。
HSLA-100 钢的第一个订单是用于核动力航空母舰 USS Stennis (CVN-74)。由于使用了尖端的低合金技术,这种钢的硬度极高. 重量很轻,所以结构元件很轻,成本也很低。
使用特殊钢 HSLA-100 建造的福特级航母降低了整体重量和建造成本。如果将这种特殊钢用于航母的船体,它可以提供相同或更长的使用寿命,同时比传统高强度钢建造的船体更薄更轻。
美国海军最初计划使用 HSLA-100 钢作为航空母舰 CVN-78 的飞行甲板钢。为了减轻重量,在解决关键问题后日本用特种钢造发动机,开发了HSLA-115钢。其屈服强度达到800 MPa,不仅可以降低航母的重心,还可以显着降低飞行甲板的厚度,从而减轻航母的重量。
此外,美国海军建筑冶金专家和日本海洋专家正在合作开发一种新的高强度合金钢焊接技术,这将大大降低使用高强度钢建造航母的成本增加。可想而知,用这些新技术建造的美国航母会更加刚硬。
俄罗斯的AK系列镍铬钛合金钢是世界上屈服强度最高的材料,最高可达1000MPa。除了制造航空母舰,还用于制造需要深潜的核潜艇。
法国生产的“低碳钢”的屈服强度约为550MPa。英国无敌级航母采用法国软钢,但基于此类材料的成品率相对较低,一般只用于制造小型垂直起降或直升机航母,讽刺的是,法国自己的“查尔斯德”高乐号航母采用美国HY-80钢。
日制特殊合金钢的屈服强度基本在450MPa左右。日本的潜艇和二硒攻击舰都使用日本产的特种钢。
我国特殊钢生产现状:
中国这几年没有重建瓦良格,特钢是一大原因。直到从俄罗斯进口特殊钢,改造计划才得以实施。
我国工业经过近几年的发展,进口特钢的种类和总量逐年减少,国内特钢的研发和生产水平也在不断提高。但是,附加值低的普通钢产能严重。过剩,钢铁行业面临着痛苦的转型期。
虽然中国钢铁产量位居世界前列,但具有附加值的特钢产量却很少,效率也不尽如人意。笔者认为主要原因是
一:中国工业基础薄弱。与欧洲和美国不同,俄罗斯是一个成熟的工业强国。
二:特殊钢的研发属于国家机密,欧美等西方大国的技术保密,几乎垄断了这个行业。
三:中国民营企业在钢铁行业资金少、规模小,没有能力实现如此高附加值的钢铁研究。近年来,国有企业通过体制改革和资本重组,在特钢方面取得了新的进展。