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谁说英雄寂寞

新潮沉思录:“伊丽莎白女王”号航母断轴疑云

近日,英国皇家海军崭新的航空母舰“伊丽莎白女王”号,突然在中文互联网上被搞了个大新闻:“主轴断了”“需要开膛剖腹”“龙门吊还得留着、不能卖给印度了”之类的消息不胫而走,闹得沸沸扬扬。


笔者初闻之时,也颇感震惊:以笔者有限的人生经验和从业经历而论,汽车断轴时有耳闻(其中不少实际上是悬架、转向横拉杆等零件损坏,而非传动轴系断裂),舰船传动轴断裂则非常罕见——那可是几十甚至上百厘米粗的钢棍,想要弄断绝非易事。


回顾一点简单的材料力学。一段钢棍发生断裂,一般而言无外乎下面这5种常见形式:1是被弯矩折断,2是被拉力拉断,3是被压力压断(归根结底则是因为受压失稳产生弯矩而被折断,一截粗短的钢柱或者理想的均匀柱体受压只会被压扁而不会断裂),4是被扭矩扭断,5是被剪力剪断。


钢筋断裂的5种常见形式


对正常舰船的传动轴而言,正向航行时其载荷是3中受压与4中受扭的组合,倒车时则是2中受拉与4中受扭的组合。如果传动轴系输出的扭矩或推拉力过大,就会超出理论极限从而导致断轴事故;或者因为传动轴内部有缺陷(比如细小的裂纹),那么也可能会在扭矩和推拉力小于理论极限的情况下发生疲劳断裂。


而在传动轴、轴承或轴孔的加工装配误差较大的非正常情况下,则也可能出现1中受弯的情况。1、2、4的组合或者1、3、4的组合,对传动轴而言是非常危险的工况,载荷稍大就有可能崩裂、碎断,应当极力避免。


——且慢,上面分析了一通断轴原因,可人家“伊丽莎白女王”号真的断轴了吗?


笔者的一些朋友科学上网,以“H.M.S. Queen Elizabeth”“Royal Navy”“aircraft carrier”“shaft”“break/broke/broken”等关键词的各种组合进行搜索,均未发现“伊丽莎白女王”号断轴的新闻报道;笔者又向身在英国的朋友求证,亦被告知不知此事。笔者回过头来查找中文互联网中此消息的源头,发现配的英文网页截图说的是“伊丽莎白女王”号将在天气转好之后进行下一轮试航,压根没提断轴之类的事儿。


到此为止,基本就可以确认此事纯属子虚乌有了。进一步往前追溯,“伊丽莎白女王”号在今年8月初完成首轮试航时倒是传出了与传动轴系有关的消息:潜水员在传动轴周围发现了碎屑。


“伊丽莎白女王”号航行时,其附近流场非常不稳定,潜水员显然不可能下水送死。潜水员要安全作业,必然是在“伊丽莎白女王号”停泊之后。此时发现的碎屑,笔者不知是如何附着在传动轴周围的、也不知究竟从何而来;姑且就当这些碎屑真是从传动轴上脱落的吧。这里要指出的是,“伊丽莎白女王”级航空母舰采用的是燃气轮机—柴油机联合发电、电动机驱动传动轴系和螺旋桨的动力模式。相比于传统航母,“伊丽莎白女王”级传动轴系要短得多,类似于采用艉机舱布局的一些货运船舶。


“伊丽莎白女王”级航空母舰剖视图。最底层中两块红框区域内为燃气轮机所在的前主机舱和后主机舱,蓝框区域为柴油机等所在的各个辅机舱,黄框区域内为驱动左右两根传动轴系从而带动螺旋桨的电机舱。可以看到电机舱靠近艉部,其到螺旋桨的距离(可以近似认为是传动轴系长度)较短。


一条23万载重吨矿砂船的总布置图。该船长325米,采用艉机舱布局、单轴单桨。可以看到其传动轴系(红圈处)也很短。


传统航母机舱位于船体舯部,主机输出的动力经减速齿轮箱和传动轴系传递到螺旋桨。除了直接连接螺旋桨的艉轴,整个传动轴系还包括多根中间轴,彼此之间通过法兰连结,总长上百米。这样长的传动轴系占用了很大空间,但柔性较好、对加工误差和装配误差的容忍度较高。而“伊丽莎白女王”级航母和上述货运船舶的传动轴系则与之不同,传动轴系除了艉轴只有一或两根较短的中间轴,占用空间小,但刚度较大、对加工和装配精度要求较高,容易出现润滑不到位、传动轴系与轴孔“硬碰硬”磨损和过热的情况。一旦出现了这种情况,润滑油循环系统中就会发现碎屑。(新闻报道里没提润滑油系统是否异常,却说潜水员在传动轴周围发现了碎屑,这也颇令笔者感到费解。)


现代舰船都会自动监测传动轴系和润滑油的温度等参数,一旦监测到过热就意味着磨损较大、载荷过高、威胁传动轴系的安全。为保证安全,就需要降速甚至停车。对舰船而言,这就意味着达不到预定的航速指标。在当代航母中,“伊丽莎白女王”级航速的排位本来就比较靠后,如果还不能达到预定航速,无疑会对舰载机起降作业带来负面影响、削弱其整体战斗力。


而试航,就是为了发现包括传动轴系在内的系统性能是否达标。如果真的在试航阶段发现了这些问题,那对“伊丽莎白女王”号而言反而是件好事:早发现早治疗,总比带病上阵要好。而且,“伊丽莎白女王”级传动轴系较短,更换起来比较简单:解除限位把旧的轴拔出来,检查校正轴孔,再把新的轴塞进去封好,然后重新试航。


某船安装推进轴系。如你所见,这道工序手扶也可以。


更换推进轴的工程量说大不大、说小也不小,但必然是要为加钱而扯皮的,而在英国的财政体制中这是没法隐瞒的。“伊丽莎白女王”号在结束首次试航之后并未传出这方面的消息,笔者由此认为该舰传动轴系并未出现严重到需要更换的问题;即使真有所谓碎屑出现,那也应该是新船伊始的正常磨合现象。——同一型号的首制船如果不出点小问题,那才叫不正常。即使是如今垄断货运船舶制造的韩中日三国,某一型号首制船试航发现问题后反复折腾、重新试航两三次也不罕见。


与普通货运船舶理想情况下一次试航完成所有测验科目不同,军舰试航一般分为两次:首先是常规试航、主要测试航行性能,处理完毕暴露出来的问题之后再进行电子武备试航。如果“伊丽莎白女王”号接下来正常进行电子武备试航,那就意味着其航行性能已经没有什么问题。


英国毕竟是造船领域的老牌技术强国,在船舶规范和检验方面更是业界泰斗;英国皇家海军在航母运用方面又有着传承百年的丰富经验。人家可不是随随便便就能黑得到位的,与其动不动就拿英国航母搞大新闻,笔者建议还是要提高知识水平、尤其要深入学习领会多炮塔主义对平顶船的正确批判方法。


据10月30日消息,“伊丽莎白女王”号已正常开始第二次试航。另外,已历时十余年的印度首艘“国产”航母“维克兰特”号工程即将步入尾声,计划将在2019年前后开始试航。相信她会比“伊丽莎白女王”号带来多得多的、充满话题性的新闻。


第三次下水/出坞时的“维克兰特”号(2015年6月),舰体各主要结构均已成形,不出意外的话这也应该是其完工前的最后一次下水/出坞。


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