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防冻除冰:舰艇设计的“冷”课题

来源:解放军报
2022-02-18 11:18:03

  原标题:

  防冻除冰:舰艇设计的“冷”课题

  ■马玉彬 姜 卓 何文海

  随着科技发展,现代舰艇作战性能和续航能力得到大幅提升。与此同时,舰艇抗寒防冻招数也在不断增加。随着极地成为各国关注的军事热点地区,舰艇前往高纬度冰雪海域的频次增多,防冻成为更多国家海军舰艇必须面对的问题。

  去年3月,俄罗斯3艘核动力潜艇在北极某海域半径300米的范围内同时破冰而出,在彰显其水下军事实力的同时,也体现出该国在舰艇防冻方面的成果。那么,舰艇在冬季或者极寒海域如何防冻?舰艇在设计中如何应对“冷”课题?请看相关解读。

  冰天雪地间,低温对舰艇性能的影响几乎无处不在

  对一艘舰艇来说,当所在海区温度降到冰点以下时,甲板平台等区域就可能出现结霜、结冰现象。

  2014年年底,前往符拉迪沃斯托克访问的韩国海军崔莹号导弹驱逐舰,就因遭遇低温舰体出现严重结冰现象。舰体表面披上了厚厚的“冰衣”,尤其是舰艏的127毫米口径主炮被冻成了“冰棍”。推测其原因,或者是向来活动在较低纬度海域的韩国海军舰艇缺乏应对这种极寒天气的经验,或者是舰艇设计上未太突出这方面的要求。

  舰艇在极寒天气或环境中结冰、结霜原因是多方面的:舰艇由钢铁打造而成,导热性强,在冰冷天气下其温度很容易达到冰点以下,遇水即成冰;舰艇甲板管路系统较为复杂,一旦管路漏水,在冰点以下就会结冰;最常见的来自海浪扑溅,积水结冰;突遇降雪天气,积雪不能及时清除时,舰艇也会结冰。

  可以说,极寒天气或低温环境带给舰艇的影响是全方位的,包括人员安全、设备运行、舰载武器使用以及舰艇行驶的稳定性等。其对舰载装备的影响,主要体现在机件应力收缩、蓄电池性能降低等方面;对人员的影响则集中体现为冻伤及在冰面上操作存在安全隐患等。

  极寒天气带来的低温对舰艇所用油、水的影响首当其冲。燃油在温度骤降时密度会发生变化,最终凝固或体积变小;滑油由于凝点低,一般不会出现凝固现象,但也会和燃油一样因低温体积变小,影响使用效果;海水、淡水在低温条件下会结冰膨胀,易导致管路等破裂。

  对低温带来的这些影响,如果不采取措施消除,就可能使舰艇在“冰刀霜剑”的联手攻击中陷入困境甚至是危局。

  多措并举,舰体和设备穿上“保暖衣”

  低温对舰艇性能的多方面影响,决定了舰艇必须在防寒、除冰方面下大功夫。这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。出于在冰水中飞行的需要,舰艇还要在破冰能力与处理险情方面未雨绸缪。

  舰体长期浸泡在海水中,受极寒天气或者低温环境的影响最直接。为减少热胀冷缩带来的破坏,船体一般都会选用低温韧性材料。

  不少国家在舰艇设计建造过程中,都会采取措施提高船体材料的低温韧性。一是在钢铁原料内增加不同比例的金属形成合金,这些金属元素的“联手”可以在一定程度上提高钢铁的低温韧性;二是改变钢铁本身碳、氮、氧的含量,从而提高材料的低温韧性。

  “面子”工程所包含的内容很多。比如,为避免因驾驶室内外温差过大玻璃窗结霜、结冰,窗户通常会采用带电热丝的玻璃;为保证舰面装备正常运行,它们一般会被罩上既能保温又易于“穿”“脱”的“卫衣”,一方面蔽体保温,另一方面也便于防冰除雪;舱面及一些低温部位所配电箱和电控装置,带有电加热装置,以保证用电安全;位于甲板上的管道系统,通常会用保温绝缘层包裹,并配备防冻阀门,以保证在极寒环境中正常排放海水、淡水,等等。

  “里子”工程的内容更加庞杂。一些重要舱室及油、水柜通常采用双层底设置,这种设置使其既可以作为压载水舱来增加船舶抗沉性,对在极寒环境中飞行的船舶来说,它就如同冰冷地区房屋窗户所用的双层玻璃,能减少与外界的热量交换,起到隔冷防寒作用。

  在极寒环境中飞行,水舱一般会预留10%左右的体积以应对海水、淡水遇冷膨胀带来的影响。如果舱室体积较大,则存水时预留的空间比例会更大。

  舵机、锚机及相关操纵装置是防寒重点“关照”对象。一般来说,这些关键部位的有关舱室都有相应加热装置。在一些关键部位,如锚机的液压管路,由于它贴近甲板位置,还要用保暖材料对管路进行包扎防冻,从而确保锚机任何时候都能正常使用。

  主、副发动机及辅助机械冷却系统的海底门阀箱是防冻重点之一。一般会在阀箱内设置加热盘管,用以除冰,并保证所吸入的是低温海水,而不是碎冰。

  对在厚冰封冻水域中飞行的舰艇来说,仅保持体温还不够,还要有针对性地“外练筋骨皮”。舰艏及球鼻部位通常会采取防冰加固措施,以适应破冰的需要。舰艏外壳至少要采用5厘米厚的钢板,和球鼻部位内部一样,会用密集的钢构件来对其支撑。水线部位则常用合金钢来建造,以确保能应对坚冰的撞击。

  应急消防系统是“保底”工程,所以其管路的位置,通常在舰艇上温度正常的地方,且消防系统的数量会确保在2套以上。对大多数舰艇配备的泡沫灭火系统,包括室外泡沫原液罐、泡沫原液管线及泵体等,也会采取一定保温措施,以确保用时安全、顺利和高效。

  持续发展,向科技要防冻除冰能力

  舰艇防冻技术及措施在不断提高和完善,但是面对舰艇所结的冰,大部分国家的海军如今依然在使用古老而有效的木槌碎冰法。2018年10月,美国杜鲁门号航母战斗群巡航北极圈,自以为风光无限的航程最后成了航母上的“劳动日”,水手们只好奋力挥动棒球棍和铁铲进行除冰作业。

  如今,船舶防冻除冰技术的发展主要包括两个方面:一方面是运用传统技术,主要由机械、电热能或者人力除冰。机械除冰是指通过机械使冰的内部产生破坏应力,进而使冰从船体表面脱落;电热能除冰则是通过热力进行融冰除霜。目前,在舰艇上甲板等区域的除冰主要以机械除冰为主。这是因为甲板位置较低,如果将冰用热力融化成水,流经冰冷的排水口和疏水管道时容易再次结冰发生堵塞;对于重要设备的除冰,则大多是通过电能和热能来实现。两者相比,机械除冰法比热力融冰法能耗低得多,但这种方法需要安装相应机械部件。人力除冰方法相当危险,目前各国已基本不再使用。

  另一方面是应用新技术。一是纳米技术,即将纳米材料与树脂结合,应用到船舶涂层中,使其表面呈现出很强的防水特性,从而防止舰艇结冰。二是记忆合金技术,此项技术在航空航天方面应用较多。其最大优势是能利用合金的记忆特性,使船舶表面发生应力变化后很快恢复原状,在合金形变过程中达到除冰效果,但其工艺相对复杂,具体应用到船舶防冻方面还有一段路要走。三是微波加热除冰技术,即在船体上敷设一层特殊材料涂层,利用微波使材料中的特定分子高频快速振动产生热能,进而融化这一部位的冰层。这些技术再加上机械除冰,有望达到理想的除冰效果。

  由此可见,向科技要防冻除冰能力正成为一种趋势。虽然一些技术距离成熟运用还有一段距离,但可以预计,随着科技持续发展及其与实践的进一步融合,舰艇将在不远的未来更好地解决受极寒天气和低温环境影响的问题。

责任编辑:迟语洋

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