山東艦的甲板鋼:高強、耐腐還防彈!性能指標追平美國福特號用鋼

2020-12-18 谷火平觀察

2019年12月17日,中國首艘自建航母"山東"艦在海南正式交付海軍。山東艦的交付,標誌著中國海軍正式有了第一艘純國產的航空母艦。和遼寧艦相比,山東艦服役的最大的意義在於,它標誌著中國已經完全掌握了現代大型航母的建造技術,而且是100%純國產建造,完全不依賴於任何國外的技術和工業協助,這標誌著中國成為全球僅次於美國的,第二個擁有完全航母研發和建造技術的國家,目前在聯合國五大常任理事國中,即使法國、英國和俄羅斯也不具備完全自建航母的技術和工業實力,而是或多或少需要藉助於其他國家的幫助。現在我們能夠獨立完成航母的研製和建造,這無疑是中國軍工的又一大進步。

現代航母有多強大?由於當今世界主要強國都已經裝備了足以毀滅世界的戰略核武器,所以大國之間爆發戰爭的可能性已經極低,所以從二戰結束至今,所有的世界衝突都是地區性局部衝突,而大多數情況是中小國家之間(例如中東戰爭、印巴戰爭等),或者強權國家欺凌弱小國家(例如美國入侵伊拉克、阿富汗等),所以弱小國家根本沒有能力對大國的航母構成威脅。而換句話說,想要擊沉當今航母也絕非易事。

(小鷹級航母"美國"號進行抗打擊試驗)

2005年時美國海軍使用退役的"小鷹"級"美國"號航母作為實體,進行航母抗毀傷能力測試。"美國"號航母是一艘常規動力航母,但是其滿載排水量約8萬噸,是典型的大型航空母艦,美軍在測試中使用"魚叉"反艦飛彈、機載雷射制導炸彈、127毫米艦炮甚至是533毫米魚雷等多種武器對其進行全方位飽和式打擊。在整整25天中,該艦被命中數十枚反艦飛彈、上百發炮彈和數枚533毫米重型魚雷,但它依然堅持漂浮在海面上而沒有沉沒。

("比基尼"環礁核爆試驗)

1946年,美國進行了著名的"比基尼"環礁測試,在核武器的攻擊下,只要航母距離核爆中心5000米以上,都能大概率生存下來,而航母本身又是鋼鐵等金屬製成,所以,天然具備一定的防核輻射的能力,所以即使在飛彈核武器的時代,航母也絕對不是"漂浮在海上的鐵棺材",而是真真正正的海上鋼鐵堡壘。

極高標準的航母用鋼

不過如今能夠建造這種"海上鋼鐵堡壘"的國家並不多,因為第一條要求大多數國家就無法滿足——航母所需特種鋼,這一點,目前全球絕大多數國家就做不出來。

航母作為海上浮動的機場,其使用的鋼材種類繁多,但是主要有兩種:一種是製造艦體使用的高強度耐腐蝕低磁鋼,這種鋼主要用於製造航母的艦體,因為航母在海上航行,而且是鋼鐵製作,鋼鐵作為金屬必然有磁感應,所以通過探測地球磁場的變化就可以在沒有雷達的情況下,準確定位航母。為了有效隱蔽自身,航母必須使用低磁鋼建造。同時由於航母長期泡在海水裡,而海水具有一定的腐蝕性,所以航母艦體用鋼還必須具備耐腐蝕的特點。最後,航母噸位大、艦體內部裝備有戰鬥機、大型發動機以及數千名水手船員,所以艦體用鋼的強度自然也是一個重要指標。所以,高強度、低磁性、耐腐蝕,是航母艦體用鋼的基本要求。

(造船用球扁鋼)

除了艦體外,飛行甲板是航母的招牌。按照科普文章的描述,美國的"尼米茲"級航母的甲板面積相當於3個標準足球場大小,我國的遼寧號和山東號,雖然噸位只相當於尼米茲級的一半左右,但是其甲板面積也大致相當於2個足球場大小(滑躍甲板不算),如此大面積的平面甲板,自然不可能是一塊鋼板軋制而成,必然是多塊鋼板焊接而成,而作為航母的甲板用鋼,除了要具備高強度和耐腐蝕兩個特點,還必須在焊接條件下不易變形。這一點甚至比艦體用鋼的要求更高!可以說,能夠生產出合格的航母用鋼,才是建造航母的基本保證。

航母艦體用鋼

中國建造山東號航母的同時,世界上還有3個國家同時在建造航母,他們分別是美國、英國和印度,其中美國自不待言,因為美國的巴斯鋼鐵在冶煉特種鋼材方面依然是世界翹楚,美國10萬噸級尼米茲級和11萬噸級的福特級兩型航母所用鋼板,大多為巴斯鋼鐵公司提供,在航母用鋼領域,美國確實首屈一指。但是除了美國以外,在2010年之前,全球能生產出合格的航母用鋼的國家屈指可數。

航母的艦體用鋼在使用上和民船有諸多不同,航母除了艦體用鋼和甲板用鋼以外,還需要一種專門的艦用裝甲,這是一種特殊的鋼材。因為航母不同於普通的民船,它並非是簡單的排水量夠大、安裝有平直甲板,再搭上飛機那麼簡單。航母內部儲備有大量的燃料、彈藥等等易燃易爆的危險品,而且航母自二戰以來,就是各國海軍的編隊核心,也是敵方打擊的關鍵,所以航母也是當今世界海軍中唯一必須使用裝甲的艦船。而航母的裝甲有多厚?這個是軍事機密,不會有人透露,但是可公開的數值是330~1000毫米,這個數字是換算成勻質鋼以後的數值,因為航母裝甲和坦克裝甲也一樣,也採用了複合裝甲的設計,所以真實的厚度始終是軍事機密,只有各國的設計和建造人員才能知道。

(1969年遭遇火箭意外發射導致大火的企業號,可以看出,甲板表面雖然狼狽,但是基本沒有大礙)

這樣的特種鋼板自然不可能使用一般的冶煉和軋制辦法進行鑄造和加工。根據公開的消息可知,航母用鋼,通常採用了所謂的"爐外精煉"的方式進行冶煉。也就是將已經冶煉的鋼水通過鋼水包轉移到正在冶煉的轉爐內,重新冶煉,同時使用高壓氧氣槍對爐內吹氧,以此充分除去鋼水內的雜質、氣泡等,在進一步合金化的同時充分去除鋼鐵中所含的硫單質。這樣冶煉出來的鋼,質地更將純淨,因此也擁有更高的強度、韌性和耐腐蝕性,是製造航母艦體的首選材料。但是,要進行這種爐外精煉法進行二次冶煉,需要150~200噸的超大型煉鋼爐,目前全球範圍內僅有約10個國家擁有這種超大型煉鋼爐,我們中國恰好是其中之一。所以我國能夠獨立建造航空母艦,基礎工業的配套必不可少。

航母的甲板用鋼

(山東艦滑躍甲板)

對於整個航母而言,實際上研製難度最大的,是航母的甲板用鋼。因為航母甲板用鋼除了要滿足艦體用鋼類似的要求外,還要求其膨脹係數小,性質穩定,不易翻邊翹起等特殊要求。而對於我國而言,甲板用鋼的難度甚至超過了美國海軍——因為我國航母使用的是滑躍起飛方式,因此航母甲板用鋼在航母艦身後半段必須確保平整,但是在前半段卻要保證有一個平滑的翹起,以配合航母艦首滑躍式甲板的設計,這種加工難度實際上遠大於單純的平甲板。

(福特級二號艦甘迺迪號航母首塊鋼板切割儀式)

航母甲板用鋼有多厚?這一直也是一個軍事機密,但是由於我國早已購買過澳大利亞退役航母墨爾本號,以及蘇聯退役航母基輔號和明斯克號,再加上美國的中途島級和小鷹級航母在退役後都有作為博物館保留的船隻,遊人可以直接登艦查看。通過觀察這些退役航母可知,航母甲板用鋼的平均厚度大約在30~40毫米,而媒體報導最新的美國福特級航母的甲板鋼厚度大約是50毫米。

(正在噴刷防滑塗層的航母甲板)

實際上甲板鋼厚度越薄,越能顯示出一個國家工業製造水平的強大。以殲-15為例,該機最大起飛重量可達33噸,最大降落重量大約在25~28噸之間,而這麼大一個傢伙,其在航母甲板上僅靠三個點支撐機體(前起落架和後起落架,一共三個點),平均每個點要承擔最大11噸的載荷,而航母甲板不能因此而出現扭曲變形。

(二三十噸的飛機就這樣靠起落架的3隻腳"杵"在航母甲板上,那個衝擊力一般鋼板根本就扛不住)

想一想在飛機降落時,一個28噸,以每秒3~5米速度下降的飛行物,用三隻腳(三個起落架支腳)"杵"在甲板上,而且即使這樣,航母的甲板不能變形、不能有凹凸、不能影響後續飛機著艦……這個難度真不是一般人能夠想像的。所以,其實在航母的飛行甲板以下,通常有一層鋼梁作為承重機構,並遍布了用於加強甲板強度的工字鋼。但是甲板本身不許變形這一點絕對已經難倒了全球大約98%的國家。

(山東艦的甲板)

除了高強度以外,航母甲板面積寬大,不可能是一塊鋼板軋制而成,因此只能通過多塊鋼板進行焊接作業。而焊接的焊縫越多,甲板的強度顯然越低,所以能夠使用更寬幅的軋鋼機軋制鋼板,就可以減少焊縫數量,從而有效增加甲板強度。目前全球通用的航母甲板軋鋼機,通常寬幅在5米左右。我國目前在鞍山的鞍鋼、上海的寶鋼都成功裝備了"世界軋機之王"——國產5.5米超寬幅大型軋鋼機,這種軋鋼機屬於國際禁運的戰略物資,因此只能獨立開發裝備。我國在經過多年獨立攻關後,成功攻克超寬幅大型軋鋼機技術,而現在山東號航母的成功建造,也跟這一技術被突破有重要的關係。

進步中的國產特種鋼

航母甲板的鑄造和焊接是航母建造中最為關鍵的一環,根據統計航母建造工程量的大約三分之一都是焊接工作,因此鋼材的好壞和焊接水平的高低,直接決定了航母的性能。航母甲板鋼的板材力學性能要求極其嚴格,這種超大型鋼板兩端的強度偏差不允許超過10MPa,且零下84℃衝擊韌性要求在250焦耳以上。因此加工難度極大!這也是航母極難建造,且成本高昂的重要原因。

根據公開的報導,這種高強度、高韌性的甲板鋼材,全球只有美、俄、英、法等少數幾個國家有能力製造。美國是航母大戶,其最新的福特級航母使用的是HSLA115型鋼,其屈服強度大約在690MPa左右。而山東艦所使用的甲板鋼,在各方面的性能已經基本追平福特號用鋼,不僅是屈服強度達到了690MPa,還具有高韌性、耐腐蝕、防彈等特點,即使在零下60度的極低溫度下也絲毫不受影響,可抗15級狂風。

另外,中國不僅克服了高強度甲板鋼的製造難題,鞍鋼還更進一步,研製出了超高強度的貝氏體耐磨鋼。這種貝氏體耐磨鋼的屈服強度高達2000MPa,超過美俄航母用鋼屈服度的1倍以上。由此不難判斷,我國山東艦相對同等噸位的西方航母,其艦體強度更大,抗風浪能力更強,在真實的海戰中,其抗毀性自然也更加優越。

(鞍鋼的5.5米寬軋機之王的支撐輥)

總體來說,中國國產航母的順利建造和下水,和我國鋼鐵企業,特別是鞍山鋼鐵有著密不可分的重要聯繫。鞍鋼作為我國極為重要的國家鋼鐵企業,曾經研製過多種特殊鋼材,並專門用於各種特殊行業、特殊領域,對國家的發展起到了重要的作用。當初遼寧艦在大連進行翻修改裝時,由於其建造量僅完工了大約68%,所以同樣還需要600多噸專用的對稱球扁鋼用於完成建造。鞍鋼上下花費一年半左右,經過反覆摸索調試,才最終研製出符合要求的對稱球扁鋼,並順利確保了遼寧艦的建造完工。如今,鞍鋼裝備的國產5.5米超寬幅巨型軋鋼線也是世界僅有的幾套超過5米的巨型軋鋼線之一。

重工業是現代國家立國的根本

早在1949年建國時,我國就確定了要優先發展重工業,一句著名的"落後就要挨打",道出了百年來中國因為缺乏強大的工業體系,特別是重工業基礎薄弱,而導致的艱辛與磨難。所以,在中國建國之初,我們就專心發展自己的重工業體系,蘇聯援建的156個工業目標,成為新中國崛起的最初根基。而當時的鞍山鋼鐵、大連造船廠等等,都可以算作是一五計劃的組成部分。如今這些企業同樣是中國製造最強大的技術和生產保證。

像鞍鋼、寶鋼、瓦軸、哈動等等重工企業,雖然不會像航母那樣惹人注目,但是航母的發展卻一天也離不開這些企業的技術和產品保障。如今山東號已經順利交付海軍服役,我國海軍也已經正式進入了雙航母時代,但是可以預見的是,山東號航母只是中國航母規劃的起點。在不遠的將來,隨著海軍實力的增長以及軍工技術的發展,大型核動力航母早晚有一天會出現在中國海軍的作戰序列之中。

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