高速的代价──美国LCS滨海战斗船舰

onepiece

本帖聚焦在美国海军LCS滨海作战船舰追求高航速的后果，主要资料来源是前美国海军资深造舰工程师冯小川写的「战后美国军舰发展与设计」。



LCS诞生的背景是苏联解体的后冷战时期，由于来自苏联的正规海空威胁一夕消失，美国国防预算在1990年代大幅删减。2001左右，美国海军研究办公室（Office of Naval Research，ONR）开始认真考虑发展一种小型、快速、廉价的近海船舰。冷战结束后，经费消减使得美国海军没办法建造足够数量的大型主力船舰来满足所有的作业需求，因此想建造一种单价低廉、数量相对较多的小型快速船舰部署在前沿地区展现存在，吓阻地区性冲突的发生（地区性冲突的国家基本上都没有能力在公海上威胁美国海军船舰），这比起用传统大型主力作战船舰便宜得多。理论上，低强度任务（例如2000年代初期执行对伊拉克的海上封锁禁令等）只需部署这种小型便宜船，不需要动用一个航母打击群甚或任何一艘巡洋舰/驱逐舰这样的大型主战舰艇，如此将数量有限的主战舰队解放到正规的蓝水作战任务中。

当时，美国海军内部有几个人大力鼓吹这种理念，包括美国海军战争学院（Naval War College）院长亚瑟.赛布罗夫斯基中将（Vice Admiral Arthur Cebrowski），以及海军研究学院（Naval Postgraduate School，NPS）的伟恩.休斯上校（Captain Wayne P. Hughes）等。他们把这种概念称为「街头斗士」（Street Fighter），排水量仅500至600吨级，航速高达50至60节，续航力约4000海里，成本控制在9000万美元。要求如此极端高速除了希望快速抵达部署区域之外，也能在与敌方水面遭遇时获得机动优势，甚至把速度当作遭遇攻击时的保命手段（除了甩开鱼--雷之外，50节有可迅速跑出反舰导-弹的雷达寻标器范围而脱锁）。在战场上如果受损，就直接放弃报废（基本上就是美国海军小型船舰要求的Level 1，被打中之后能安全撤离战区就好，不要求恢复作业），降低生存设计可减少成本。

「战后美国军舰发展与设计」作者认为，「Street Fighter」的排水量与航速数字并没有经过严谨的工程分析，因为想超过50节航速就得使用至少两部LM-2500 plus燃气涡轮（推进功率与船速三次方成正比），排水量500至600吨级的小型船体根本没有空间安装两部大型燃气涡轮，还要能携带航行4000海里的燃料。

「黑街斗士」的支持者提出几种当时最新型商规高速渡轮的船型，提到的案例包括澳大利亚海军的杰维斯贝号穿浪双体渡轮 (HMAS Jervis Bay AKR-45)。杰维斯贝号由HH高速渡轮（International Catamarans Australia，INCAT）公司设计建造，是全世界第一艘由军方操作的高速穿浪双体渡轮，主机为四部功率各7080KW的柴油机，最大航速可达45节，以40节航速可持续航行1000海里以上（最高续航力可达1500海里）。

2000年上任的美国海军作战部长冯.克拉克上将（Admiral Vern Clark）大力支持这种「街头斗士」的概念；在他的鼓吹之下，美国海军以「街头斗士」为基础，正式启动了滨海战斗船舰（Littoral Combat Ship，LCS）。LCS除了高速之外，其他核心概念还包括快速转换任务模块等；考虑到美国海军的各种实际部署需求，LCS从最初「街头斗士」的五、六百吨小船，攀升到两、三千吨级相当于护卫舰的水平。

在LCS刚开始，有包括要求在平静海面（如3级以内海象）能到50节，但这显然并不现实。在2004年5月发布的LCS系统要求，航速指标调整到比较现实的40节。

onepiece

LCS竞标时，有许多厂商提交提案。这里集中在得标的洛马集团「海刃」滑行船体（自由级）以及通用的三体船型（独立级）：
自由级

外界都称自由级的船型是「先进半滑行船体」(Advanced Semi-Planing Seaframe)。不过，「战后美国军舰发展与设计」作者称，实际上这种船型船体使用双折角线（double-chine）滑行船體（雙折角線用以提高船隻适航性）。滑行船型在高速航行时，船体会向上扬起，吃水减少降低阻力；依照习惯，水产生的上扬力与船身重量的比值(称为Fround Number)在0.4以下称为排水船体，介于0.3~1.02者称为半滑行船体，至少在0.7以上称为滑行船体。

（自由级的滑行船体设计，舰底有两道折线）

「海刃」的船型最初是前美国海军大卫.泰勒船模实验中心（David Taylor Model Basin，现在的美国海军水面作战中心卡迪洛克分部，也是「战后美国军舰发展与设计」作者长年工作的单位）的工程师唐纳德.布隆特（Donald L. Blount）所设计，他是美国着名的滑行船体专家。唐纳德.布隆特后来离开美国海军自己开设了唐纳德.布隆特协会（Donald L. Blount Associates，DLBA），意大利Fincantieri船厂400ton级半滑行快艇战马号(Destriero)的船型就是DLBA的作品，该船创下横渡大西洋最高速纪录（平均53.09节）。尔后美国著名的海军船舰设计公司吉布斯.考克斯（Gibbs & Cox）买下了DLBA公司。吉布斯.考克斯参与洛马集团的LCS團隊，就以這種滑行船型为基础进行几何放大，成为「海刃」的船型。


自由级LCS的母船型「海刃」的船型原型，是先前DLBA设计的战马号(Destriero)的滑行船体。战马号是500吨级游艇，
「海刃」就是用一样的几何船型然后放大。









「海刃」拥有极其强大的推进系统，主机为複合燃气涡轮与柴油机（CODAG），包括两部Rolls-Royce的MT-30大型高速用燃气涡轮 （单机功率 36MW）以及两具Colt-Pielstick 16PA6B STC柴油机，驱动四个直径153公分的Rolls-Royce Kamewa大型水喷推进器。

几个数字就能说明这样的推进系统对于三千吨级船舰多不寻常：比起自由级要取代的佩里级护卫舰，佩里级排水量比自由级还大，但总功率大约只有自由级的一半。自由级最大功率输出是在燃气涡轮、柴油机并联输出（近年自由级齿轮箱缺陷，也就是在燃/柴并联输出发生的），此时最大功率近11000轴马力，相当于近一万吨的柏克级导-弹驱逐舰。而14000吨级的朱沃姆特级驱逐舰，也同样靠著两部MT-30燃气涡轮驱动并达到30节航速。换言之，为了达到40节以上航速，洛马在三千吨级的船体上使用了出力与近万吨驱逐舰相当的推进系统，足见其代价；洛马宣称自由级推进系统的工程挑战，在美国海军船舰里「仅次于核动力」。

然而，即便拥有这么强大的推力，自由级在值勤状态下还是跑不到40节，理想落空了。首先，因应美国海军LCS的需求，船体越来越大。一开始「海刃」全长354.7英尺（108.11米），宽13.1米，满载排水量2264吨。日后经多次修改，最终实际完成的首舰自由号（LCS-1）舰体长度378英尺（115.21米），宽度增加到17.5米，最大吃水3.7米，满载排水量提高到3200吨以上。跟原始设计相较，自由号排水量增幅高达46%，但船体长度却只增加6%；从浮力原理马上联想得到，这样船体的吃水一定增加不少，航行阻力肯定增大。自由级二号舰沃兹堡号（LCS-3）起，船体长度再增加3米来增加浮力，长度达到118米。

依照先前看过的叙述，自由级的设计变更包括把舰体从最初预定的铝合金改成钢制（上层结构还是铝合金），这是超重的来源之一（因此自由级原始设计跟独立级一样，都是全铝合金船体）。重量跟吃水都增加，导致自由级的推进器工作负载与流体状态跟原始设计不同，运转的空蚀现象增加了，提高了机械损耗。

依照先前的公开资料，自由号试航时，在三级海象下跑出47节的航速；但实际上，这是试航空船状态才跑得出来。「战后美国军舰发展与设计」作者透露，在正常装载时，自由级航速无法达到40节。

onepiece

自由级的滑行舰体用意是在高速时抬升减低吃水，然而这个船型却有个巨大的方尾，在高速航行时产生了巨大的阻力。方尾是为了容纳四部水喷推进器而不得不采用的设计，而这个方尾在中低速航行时会产生巨大阻力，并在舰尾产生一个巨大的鸡尾流（roaster tail），消耗了许多能量并製造了很大的航迹。





（自由级高速航行时，舰体产生巨大兴波，尤其是方尾产生一个巨大鸡尾波。自由级因为巨大的方尾，几乎所有航速区间的阻力比柏克级导-弹驱逐舰还大）

结果，自由级的滑行船体因为超重而无法达到预期效能，大型的方尾产生巨大的航行阻力，整体而言反而是个效率不佳的船型。滑行船体在航速达到将近40节时，才能产生升力效益减低吃水，但是军舰绝大多数时间都以低得多的航速运作；而在自由级运作的绝大部分航速区间里，这个3000吨级舰体的阻力竟然比柏克级导-弹驱逐舰还大。在低速时，自由级需要输出柏克级二至三倍的功率才能维持相同航速。在中等航速区间，自由级产生的兴波比柏克级更大，代表阻力更高；而在30节航速下，自由级还是需要比柏克更大的功率。必须强调的是，柏克已经是一种较为宽短、阻力较大的船型，而自由级的航行阻力还更大

作者认为，自由级一开始用滑行船体，或许就是个错误的决定；如果使用比较传统的圆舭半滑行（round-bilge semi-planing ）船型，中低航速的阻力较低，军舰整个服役週期的油耗表现比较有利。

自由级过大的兴波不仅意味著推进能量的浪费，还让船舰航迹更为显著、更容易在高空被发现。另外，过大的兴波也会对附近的船只或者岸边的人造成危险。美国海军的人透露，有一次一艘自由级以30节以上的速率在一个狭窄水域航行，有一艘四万吨级油轮以10节航速对向而来；虽然自由级降速准备通过油轮，但拖在自由级后面的尾波随即超过船头成为一个弧形波（soliton）扫到那艘油轮，这艘原本10节前进的油轮被反向推出海峡，差点失控搁浅。

首舰自由号在测试中为了增加浮力，在舰尾两侧各增设一段延伸结构，而从自由级二号舰沃兹堡号（USS Fort Worth LCS-3）开始，舰尾直接延长约11英尺（3米），全长增至118米。

追求极端高速的另一个工程代价是舰体结构承受巨大应力；尤其是LCS为了减轻重量大量使用铝合金，铝合金容易疲劳破裂的问题更加突显出来。总计首舰自由号在服役初期，已知发生过至少17个结构裂缝。

onepiece

独立级

独立级方面，主承包商通用动力集团领导的团队用民间高速三体渡轮的船型来发展，称为通用动力多用途舰艇（General Dynamics Multi-Mission Combatant，GDMMC）。GDMMC的母船型是通用团队里的奥斯特（澳大利亚船厂，独立级是在奥斯特北美分公司建造的）为Fred Olsenline Express公司建造的Benchijigua Express号三体高速渡轮（High Speed Craft，HSC）

（独立级的母船型：澳大利亚奥斯特船厂的Benchijigua Express号三体高速渡轮）



比照民用高速渡轮，GDMMC完全用铝合金制造（含舰体与上层船楼）。推进系统比自由级相对传统，是複合燃气涡轮与柴油机（CODAG），主机包括两具美国GE的LM-250+燃气涡轮，以及两具MTU 20V 8000柴油机，带动四具Wartsila 生产的水喷推进器. 四部水喷推进器都安装在中央船体，分别是两部LJ150E（直径1500mm）与两部LJ160E（直径1600mm），其中比较大的LJ160E是中间的两部，由两个LM-2500+燃气涡轮驱动，减速齿轮箱是Renk Aktiengesellschaft (AG) BOS156，传动轴是美国火山（Vulcan）生产的轻型多段碳纤维推进轴；而两部LJ150E在外侧，由两部MTU 20V 8000柴油主机直接驱动，变速箱是Renk Aktiengesellschaft(AG) ASL-95，钢质传动轴。独立级的四部燃气涡轮及柴油机都是各自直接驱动一部水喷推进器，传动系统比自由级可并联输出的形式简单。

独立级的主机总功率78000马力，大约只有自由级的70%。独立号试航时跑出44节，但这也是空船状态；跟自由号一样，独立级在正常装载也达不到40节。不过，独立级以自由级70%的功率达到相近的高速表现，而且比较省油，是比自由级更理想的高速船行。奥斯特船厂曾宣称，独立级寿期的总体油耗可望比自由级少1/3；然而之后国会预算办公室（CBO）的报告显示，燃料消耗只佔自由级全寿期成本的18%以下，而独立级使用更昂贵的全铝合金船体，建造以及维护成本较高，计算全寿期成本时并不会因为油耗而占到便宜。而凡是铝合金就会遇到疲乏、破裂等问题，独立级也不例外；更不用说铝质舰体不耐火灾与战损的问题。

美国海军测试两种LCS的加速性能，独立级由于阻力较低，加速比较顺畅，初期会领先自由级；但自由级仗著功率较大，最后还是会反超。





（独立级是种比自由级优良的低阻力船型，高速的兴波小很多）





独立级阻力与兴波比自由级低了不少，不过在面对敌方水面小艇时，反而少掉了一种利器；自由级可以单凭著加速产生的巨大兴波，直接让想要接近的小艇东倒西歪难以前进，可是独立级就造不出这种兴波。

=========

总体而言，为了LCS项目一开始的40节航速，自由级与独立级设计时都付出重大代价，要使用更高功率更昂贵的高功率推进系统、更大的油耗以及比较轻的铝合金，为此要承受铝合金的各种问题，包括强度与生存性等；但是高速的巨大应力偏偏就会让铝合金很快出现损坏。而即便如此，两种LCS在作战的排水量之下，都到不了40节。

海宝梦夏

这年头，没点垂发都不好出门晃悠

ginlin

就一句话，吧军舰当竞速快艇设计了.......
要满足这航速要求，那设计思路必然是更小的舰体里装尽量大的动力系统。
当然是非但贵，还没什么地方能装探测观瞄设备和武器啦！

狼牙小子

这玩意也就适合当个海警船，不过USCG估计养不起

YanYy?

好帖子，学习一个

rsc7224207

低烈度冲突的产物

antisoft

客户需求逼疯产品经理的实例

魔刀2

关键是付出了这么大的代价，原来说的很多功能根本就没实现。比如说反潜、反水鱼，现在也只是勉强有一定反小艇的能力。防空也是聊胜于无。我在超大上就和白云居士争论过，这玩意就是个废物。

Cryptograph

太拉了罢了
烧锅炉的现代版051能跑到38节
用什么燃气轮机
看tg给你炫个蒸汽轮机+IPES的抽象方案出来

渔鸥60

长知识了。

mazhenggg

铝合金舰体 美帝难得的后发优势 之前应该多跟022的部队取取经

onepiece

smzjh 发表于 2022-12-27 23:25
和牛牛表哥的关系，拿不到谢菲尔德被命中后的所有第一手资料；设计师连初中化学都忘到爪哇国，不知道铝合金 ...

因为重心跟上部重量的限制摆在那里，不得不用任何比较轻的材料制造船楼，就连柏克上层都还是有铝合金（烟囱跟桅杆）

ginlin

Cryptograph 发表于 2022-12-28 00:38
太拉了罢了
烧锅炉的现代版051能跑到38节
用什么燃气轮机

那时靠离谱的瘦长舰体设计！
长宽比大的吓人！
严重牺牲了水面航行的机动能力！和船舶的横向稳定性！
而且因为太窄，舱室可用空间小！
加上动力机组庞大。船舶能装的其他设备很捉襟见肘！
不是啥好设计！

ginlin

antisoft 发表于 2022-12-27 22:28
客户需求逼疯产品经理的实例

正解，还是个神经病的客户需求

onepiece

mazhenggg 发表于 2022-12-28 09:08
铝合金舰体 美帝难得的后发优势 之前应该多跟022的部队取取经

1950年代以后其实铝合金是各国船舰主要上层船楼材料，因为进入导-弹时代之后船舰必须在很高的桅杆上架设很大的雷达天线，船楼要扩充一大堆舱室放电子设备计算机等，而防空导-弹的弹舱通常是水平式放在主甲板以上（以前主炮弹舱都可以深入到下甲板），这一切都让船的上层比以前更大更重，所以必须设法用轻材料。一开始觉得铝合金好棒棒，重量轻、延展性好，久了问题就出来了，先疲乏断裂、跟钢舰体融合的部分先破裂，然后就是贝尔纳普号火灾事故就注意到铝合金易燃一融问题，又有1982年福克兰战争，导致之后设计的船舰上层又回到钢；不然之前清一色几乎都是铝合金。

022、LCS这波是把民间几种较新的非传统高速船型用到军舰上，这些通常都是全铝合金来减轻重量。022的船型是澳大利亚Incat的双体穿浪渡轮来的，跟美国独立级用澳大利亚奥斯特三体高速渡轮类似。

两种LCS的铝合金结构破裂问题没少过，用久了只会越来越多。022问题也没少过，但022毕竟只是两百吨级小艇，完全可消耗；LCS三千吨，你说他生存性只符合Level 1，Level 1中弹之后只要能撤到安全地带就好，不要求短暂整修后能恢复作业，甚至可以直接报废（护卫舰都要Level 2才像话）....