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                  防凍除冰:艦艇設(shè)計(jì)的“冷”課題

                  2022-02-18 09:44:00

                  來(lái)源:解放軍報(bào)

                  曾在北極海域破冰而出的俄羅斯北風(fēng)之神級(jí)戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇

                  俄羅斯德爾塔Ⅳ級(jí)戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇。

                  韓國(guó)崔瑩號(hào)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。資料圖片

                  隨著科技發(fā)展,現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)性能和續(xù)航能力得到大幅提升。與此同時(shí),艦艇抗寒防凍招數(shù)也在不斷增加。隨著極地成為各國(guó)關(guān)注的軍事熱點(diǎn)地區(qū),艦艇前往高緯度冰雪海域的頻次增多,防凍成為更多國(guó)家海軍艦艇必須面對(duì)的問(wèn)題。

                  去年3月,俄羅斯3艘核動(dòng)力潛艇在北極某海域半徑300米的范圍內(nèi)同時(shí)破冰而出,在彰顯其水下軍事實(shí)力的同時(shí),也體現(xiàn)出該國(guó)在艦艇防凍方面的成果。那么,艦艇在冬季或者極寒海域如何防凍?艦艇在設(shè)計(jì)中如何應(yīng)對(duì)“冷”課題?請(qǐng)看相關(guān)解讀。

                  冰天雪地間,低溫對(duì)艦艇性能的影響幾乎無(wú)處不在

                  對(duì)一艘艦艇來(lái)說(shuō),當(dāng)所在海區(qū)溫度降到冰點(diǎn)以下時(shí),甲板平臺(tái)等區(qū)域就可能出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象。

                  2014年年底,前往符拉迪沃斯托克訪問(wèn)的韓國(guó)海軍崔瑩號(hào)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦,就因遭遇低溫艦體出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)冰現(xiàn)象。艦體表面披上了厚厚的“冰衣”,尤其是艦艏的127毫米口徑主炮被凍成了“冰棍”。推測(cè)其原因,或者是向來(lái)活動(dòng)在較低緯度海域的韓國(guó)海軍艦艇缺乏應(yīng)對(duì)這種極寒天氣的經(jīng)驗(yàn),或者是艦艇設(shè)計(jì)上未太突出這方面的要求。

                  艦艇在極寒天氣或環(huán)境中結(jié)冰、結(jié)霜原因是多方面的:艦艇由鋼鐵打造而成,導(dǎo)熱性強(qiáng),在寒冷天氣下其溫度很容易達(dá)到冰點(diǎn)以下,遇水即成冰;艦艇甲板管路系統(tǒng)較為復(fù)雜,一旦管路漏水,在冰點(diǎn)以下就會(huì)結(jié)冰;最常見的來(lái)自海浪撲濺,積水結(jié)冰;突遇降雪天氣,積雪不能及時(shí)清除時(shí),艦艇也會(huì)結(jié)冰。

                  可以說(shuō),極寒天氣或低溫環(huán)境帶給艦艇的影響是全方位的,包括人員安全、設(shè)備運(yùn)行、艦載武器使用以及艦艇行駛的穩(wěn)定性等。其對(duì)艦載裝備的影響,主要體現(xiàn)在機(jī)件應(yīng)力收縮、蓄電池性能降低等方面;對(duì)人員的影響則集中體現(xiàn)為凍傷及在冰面上操作存在安全隱患等。

                  極寒天氣帶來(lái)的低溫對(duì)艦艇所用油、水的影響首當(dāng)其沖。燃油在溫度驟降時(shí)密度會(huì)發(fā)生變化,最終凝固或體積變小;滑油由于凝點(diǎn)低,一般不會(huì)出現(xiàn)凝固現(xiàn)象,但也會(huì)和燃油一樣因低溫體積變小,影響使用效果;海水、淡水在低溫條件下會(huì)結(jié)冰膨脹,易導(dǎo)致管路等破裂。

                  對(duì)低溫帶來(lái)的這些影響,如果不采取措施消除,就可能使艦艇在“冰刀霜?jiǎng)Α钡穆?lián)手攻擊中陷入困境甚至是危局。

                  多措并舉,艦體和設(shè)備穿上“保暖衣”

                  低溫對(duì)艦艇性能的多方面影響,決定了艦艇必須在防寒、除冰方面下大功夫。這些功夫既要下在一些“面子”工程上,也要下在一些“里子”工程上。出于在冰水中航行的需要,艦艇還要在破冰能力與處理險(xiǎn)情方面未雨綢繆。

                  艦體長(zhǎng)期浸泡在海水中,受極寒天氣或者低溫環(huán)境的影響最直接。為減少熱脹冷縮帶來(lái)的破壞,船體一般都會(huì)選用低溫韌性材料。

                  不少國(guó)家在艦艇設(shè)計(jì)建造過(guò)程中,都會(huì)采取措施提高船體材料的低溫韌性。一是在鋼鐵原料內(nèi)增加不同比例的金屬形成合金,這些金屬元素的“聯(lián)手”可以在一定程度上提高鋼鐵的低溫韌性;二是改變鋼鐵本身碳、氮、氧的含量,從而提高材料的低溫韌性。

                  “面子”工程所包含的內(nèi)容很多。比如,為避免因駕駛室內(nèi)外溫差過(guò)大玻璃窗結(jié)霜、結(jié)冰,窗戶通常會(huì)采用帶電熱絲的玻璃;為保證艦面裝備正常運(yùn)行,它們一般會(huì)被罩上既能保溫又易于“穿”“脫”的“衛(wèi)衣”,一方面蔽體保溫,另一方面也便于防冰除雪;艙面及一些低溫部位所配電箱和電控裝置,帶有電加熱裝置,以保證用電安全;位于甲板上的管道系統(tǒng),通常會(huì)用保溫絕緣層包裹,并配備防凍閥門,以保證在極寒環(huán)境中正常排放海水、淡水,等等。

                  “里子”工程的內(nèi)容更加龐雜。一些重要艙室及油、水柜通常采用雙層底設(shè)置,這種設(shè)置使其既可以作為壓載水艙來(lái)增加船舶抗沉性,對(duì)在極寒環(huán)境中航行的船舶來(lái)說(shuō),它就如同寒冷地區(qū)房屋窗戶所用的雙層玻璃,能減少與外界的熱量交換,起到隔冷防寒作用。

                  在極寒環(huán)境中航行,水艙一般會(huì)預(yù)留10%左右的體積以應(yīng)對(duì)海水、淡水遇冷膨脹帶來(lái)的影響。如果艙室體積較大,則存水時(shí)預(yù)留的空間比例會(huì)更大。

                  舵機(jī)、錨機(jī)及相關(guān)操縱裝置是防寒重點(diǎn)“關(guān)照”對(duì)象。一般來(lái)說(shuō),這些關(guān)鍵部位的有關(guān)艙室都有相應(yīng)加熱裝置。在一些關(guān)鍵部位,如錨機(jī)的液壓管路,由于它貼近甲板位置,還要用保暖材料對(duì)管路進(jìn)行包扎防凍,從而確保錨機(jī)任何時(shí)候都能正常使用。

                  主、副發(fā)動(dòng)機(jī)及輔助機(jī)械冷卻系統(tǒng)的海底門閥箱是防凍重點(diǎn)之一。一般會(huì)在閥箱內(nèi)設(shè)置加熱盤管,用以除冰,并保證所吸入的是低溫海水,而不是碎冰。

                  對(duì)在厚冰封凍水域中航行的艦艇來(lái)說(shuō),僅保持體溫還不夠,還要有針對(duì)性地“外練筋骨皮”。艦艏及球鼻部位通常會(huì)采取防冰加固措施,以適應(yīng)破冰的需要。艦艏外殼至少要采用5厘米厚的鋼板,和球鼻部位內(nèi)部一樣,會(huì)用密集的鋼構(gòu)件來(lái)對(duì)其支撐。水線部位則常用合金鋼來(lái)建造,以確保能應(yīng)對(duì)堅(jiān)冰的撞擊。

                  應(yīng)急消防系統(tǒng)是“保底”工程,所以其管路的位置,通常在艦艇上溫度正常的地方,且消防系統(tǒng)的數(shù)量會(huì)確保在2套以上。對(duì)大多數(shù)艦艇配備的泡沫滅火系統(tǒng),包括室外泡沫原液罐、泡沫原液管線及泵體等,也會(huì)采取一定保溫措施,以確保用時(shí)安全、順利和高效。

                  持續(xù)發(fā)展,向科技要防凍除冰能力

                  艦艇防凍技術(shù)及措施在不斷提高和完善,但是面對(duì)艦艇所結(jié)的冰,大部分國(guó)家的海軍如今依然在使用古老而有效的木槌碎冰法。2018年10月,美國(guó)杜魯門號(hào)航母戰(zhàn)斗群巡航北極圈,自以為風(fēng)光無(wú)限的航程最后成了航母上的“勞動(dòng)日”,水手們只好奮力揮動(dòng)棒球棍和鐵鏟進(jìn)行除冰作業(yè)。

                  如今,船舶防凍除冰技術(shù)的發(fā)展主要包括兩個(gè)方面:一方面是運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù),主要由機(jī)械、電熱能或者人力除冰。機(jī)械除冰是指通過(guò)機(jī)械使冰的內(nèi)部產(chǎn)生破壞應(yīng)力,進(jìn)而使冰從船體表面脫落;電熱能除冰則是通過(guò)熱力進(jìn)行融冰除霜。目前,在艦艇上甲板等區(qū)域的除冰主要以機(jī)械除冰為主。這是因?yàn)榧装逦恢幂^低,如果將冰用熱力融化成水,流經(jīng)寒冷的排水口和疏水管道時(shí)容易再次結(jié)冰發(fā)生堵塞;對(duì)于重要設(shè)備的除冰,則大多是通過(guò)電能和熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩者相比,機(jī)械除冰法比熱力融冰法能耗低得多,但這種方法需要安裝相應(yīng)機(jī)械部件。人力除冰方法相當(dāng)危險(xiǎn),目前各國(guó)已基本不再使用。

                  另一方面是應(yīng)用新技術(shù)。一是納米技術(shù),即將納米材料與樹脂結(jié)合,應(yīng)用到船舶涂層中,使其表面呈現(xiàn)出很強(qiáng)的防水特性,從而防止艦艇結(jié)冰。二是記憶合金技術(shù),此項(xiàng)技術(shù)在航空航天方面應(yīng)用較多。其最大優(yōu)勢(shì)是能利用合金的記憶特性,使船舶表面發(fā)生應(yīng)力變化后很快恢復(fù)原狀,在合金形變過(guò)程中達(dá)到除冰效果,但其工藝相對(duì)復(fù)雜,具體應(yīng)用到船舶防凍方面還有一段路要走。三是微波加熱除冰技術(shù),即在船體上敷設(shè)一層特殊材料涂層,利用微波使材料中的特定分子高頻快速振動(dòng)產(chǎn)生熱能,進(jìn)而融化這一部位的冰層。這些技術(shù)再加上機(jī)械除冰,有望達(dá)到理想的除冰效果。

                  由此可見,向科技要防凍除冰能力正成為一種趨勢(shì)。雖然一些技術(shù)距離成熟運(yùn)用還有一段距離,但可以預(yù)計(jì),隨著科技持續(xù)發(fā)展及其與實(shí)踐的進(jìn)一步融合,艦艇將在不遠(yuǎn)的未來(lái)更好地解決受極寒天氣和低溫環(huán)境影響的問(wèn)題。(馬玉彬、姜卓 、何文海)

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