中国航母特种钢和焊接、阻拦索和舰体防护（图文版）
前言
福建舰航母是我国实现战略战役目标的核心武器装备，是国家重要的战略投资，也是集国防、科技和工业等领域大成的工业艺术品，几乎集中了所有先进的技术和材料。就建造材料而言，主要有船体结构材料、装甲材料、耐烧蚀材料和隔热保温材料、特种装置材料和涂料等。其中，围绕船体、装甲和结构的各种钢板无疑是航母建造最主要、最重要和最关键的结构材料。
福建舰航母是我国实现战略战役目标的核心武器装备，是国家重要的战略投资，也是集国防、科技和工业等领域大成的工业艺术品，几乎集中了所有先进的技术和材料。
我们知道，我国现代航母的建造历程是在707工程和891工程早期规划和论证的基础上，按照048计划稳步推进的。2004年8月，中央批准了海军、船舶重工集团等单位联合向总装备部、国防科工委提交的发展中国航空母舰的综合论证报告。同时，国家向瓦良格号采购方全额支付了费用，至此瓦良格号产权正式归为国家所有，并由中船集团在大连造船厂开始进行续建改造工作。048计划中明确了我国航母发展的三步走战略：第一步是在计划开始的第一个10年内，即2004-2014年间建造2艘中型航母；第二步是在第二个10年内，即2015-2024年间建造2艘大型航母；第三步视情在随后发展大型核动力航母。国产航母从设计开始到生产准备，建立了三大体系，即设计的准则体系，建造的管理体系和工艺的标准体系。同时它亦是一个军民融合的典范，军民融合率达到77.4%。
单就航母建造而言，绝对是一项庞大的、令人生畏的系统工程。如今，全球拥有完整6万吨级航母制造技术的国家只有中国和美国。造个几万吨排水量的大船不难，韩国也能造。或者像印度那样直接从甲板到舰载机全部进口。而要保证6万吨以上、30节以上航速、高屈服强度特种钢、有源相控阵雷达、综合一体化桅杆、弹射装置、助降系统，拦阻索，舰载战斗机、预警机、反潜直升机全部拥有自主可控技术，就只有中美能做到了。
就建造材料而言，航母所用的材料涵盖的种类繁多，主要有船体结构材料、装甲材料、耐烧蚀材料和隔热保温材料、特种装置材料和涂料等。其中，围绕船体、装甲和结构的各种钢板无疑是航母建造最主要、最重要和最关键的结构材料。建造一艘像福建舰这样的8万吨级大型航母，需用各种特殊品种的大宽厚钢板4.3万多吨，其中，飞行甲板就需钢板约8500多吨。
作为唯一一个持续拥有航空母舰的国家，美国在二战前和期间大量发展的是中型航母，比如6万吨的萨拉托加号航母。该航母主要选用HTS、A、B、D、E等高强度及一般强度级别的结构钢作为主船体选材。其中HTS钢的强度级别并不算高，合金元素少、碳当量低。故成本低、焊接性好，但其韧性较低、抗弹性差、耐蚀性一般，且钢板厚度较大，但在当时也基本满足了美国中型航母的使用要求。
彼时日本则希望通过巨型战列舰一定程度抵消美国航母舰队规模优势，从而极端强化单舰火力和防御。当年各国大型战舰的装甲钢一般为表面硬化渗碳钢，但往往会在厚度提升后出现韧性严重下降的问题，以至于可能在被炮弹击中后发生明显龟裂。日本先是引入了西方装甲生产设备和工艺，而后在最终建造大和级时开发了新的加工技术，即不再对材料表面进行渗碳处理，而是直接用煅烧和热处理方式对钢材进行硬化，进而研发出VH装甲钢。这种装甲保持高抗冲击效果的同时极大提升了韧性，进而让整体厚度增加的防护效果大幅提升。大和号战列主炮塔的正面装甲厚度达到了恐怖的600毫米以上，其主装甲带厚度也达到了400毫米以上。显然战列舰的装甲防护主要是舷侧外挂254~508毫米的“装甲防护带”，来防御大口径火炮平射的穿甲弹。水下防雷舱结构也很早就在大型战列舰上出现，以抵御鱼雷的攻击。为了强化防雷效果，还会增加一道水下外凸舱室，使防雷的进深加大，提高了水下防护能力。
二战后期穷途末路的日本，将50%建设进度的“大和级”信浓号战列舰赶工改建为航空母舰，甚至连“女子挺身队”也投入建造工程。这艘航母可以说是日本举全国之力建造，满载排水量71890吨，远超菲律宾海战中沉没的“翔鹤号”的32105吨，一跃成为当时世界上排水量最大的航母。而且其在建造设计上也是极为注重防护，飞行甲板铺满了厚装甲，装甲板厚达95毫米，能够承受500公斤炸弹的俯冲轰炸。不过，“信浓号”最重要的“生命线”水密门多数没有安装完毕，就算安装的也还有1厘米的缝隙。为了躲避美军轰炸机对横须贺造船厂的轰炸，信浓号不得不转移到漱户内海的吴港造船厂，以便在那完成最后的舾装和训练水兵。1944年11月29日凌晨3点13分，一艘美军潜艇“射水鱼号”发射了6枚鱼雷，其中4枚命中了“信浓号”右舷。和“信浓号”防御能力差不多的“武藏号”战列舰，总共被19枚鱼雷和17颗航空炸弹击中后才最终沉没。但是因为不合格的水密门，这艘短命的日本超级航母仅在完成17小时的处女航后，1435名船员和舰长阿部俊雄就跟随“信浓号”一起葬身大海。
虽然“信浓号”航母是被潜艇击沉的最大舰船，但显然舰载机和航空炸弹仍然对航母构成最主要威胁。强化飞行甲板这种绝对正确的防护理念，落实到航母舰体结构的具体设计上，会存在着平衡取舍的难题。提高飞行甲板的厚度虽然较于同时期战列舰的侧舷装甲都不值一提，但考虑到航母飞行甲板巨大的面积，最终换算出的装甲重量严重影响了航母的航行性能、操纵性和有效载荷。所以美国海军在二战时对航母的防护几乎是放弃的，甚至采用木质飞行甲板，将胜利的希望寄托于先发制人的“全甲板攻击”。
而同期的英国海军对航母的装甲防护有着与美国截然不同的理念，其提出了“装甲航空母舰”的概念。防护的“度”是使航母的飞行甲板能够经受住轻巡洋舰的152毫米炮弹、以及皇家空军当时使用的500磅炸弹的打击。英国海军的航母是直接以飞行甲板为强度甲板。由76毫米厚的飞行甲板和110毫米厚的侧舷装甲组成了封闭式的机库，加之舰体内部舱壁还有64~76毫米厚的分隔组成的“防火走廊”，整个机库装甲防护能力可以抵御1000磅炸弹的直接命中。
以最具代表性的标准排水量23000吨的英国装甲航母“光辉”级为例，其舰体重量在5000吨左右，但防御装甲的重量竟达到了1500吨，因此造成的排水量增加和干舷过低，仅能设置一层机库和容纳33架舰载机。但“光辉”级的实战表现在一定程度上肯定了装甲航母设计上的通过牺牲航空作战能力所换取的生存能力。1941年1月6日，以“光辉”号装甲航母为首的英国海军编队在为5艘给北非战场运送物资的商船护航时，遭到了德国空军43架Ju-87斯图卡俯冲轰炸机的攻击。在空前猛烈的轰炸中，“光辉”号的飞行甲板被500千克的重磅炸弹穿透了，升降机被命中塌陷，机库这个“装甲箱”也变得千疮百孔陷入一片火海之中。 不过，“光辉”号的装甲结构还是经受住了这次空前密集的空中火力打击，保证了损管消防作业的展开，特别是舰体内部的航空汽油舱没有破裂受损。最终“光辉”号靠自身动力驶入了马耳他瓦莱塔港，接着又被再度来袭的德军飞机命中了两枚炸弹。遍体鳞伤但生命顽强的“光辉”号借助夜色离开了马耳他前往美国，进入诺福克海军船厂大修，最后在1941年底居然重返战斗岗位。显然装甲航母“光辉”号展现出了比同期其它任何一型航母都要强的生存能力。但辩证来看，若“光辉”号奉行的是“全甲板攻击”，采用轻防护的机库也就能搭载更多的战斗机，以便将来犯的、机动笨拙的“斯图卡”击落或驱逐，而不是只有被动挨炸的招架之力。
二战后导弹技术快速兴起，在“导弹万能论”盛行时也在散播着“航母无用论”。虽然反舰导弹的半穿甲或是聚能装药破甲战斗部确实能够轻易击穿舰体，主要海军强国还是相继开发新型舰艇用钢。
50年代左右，美国海军舰艇用钢以屈服强度为340MPa的碳-锰钢为主。这种钢材强度较好，加工性优良，至今仍然在民用造船领域发挥作用。60年代以后，美国开始逐渐应用镍-铬-钼-钒合金化且碳含量较高的马氏体相变强化型热处理钢，也被称为HY系列钢。被广泛用于美国各类水面舰艇、航母和潜水艇的是屈服强度为550兆帕的HY-80钢，以及在此基础上改变合金含量及回火温度以提高强度的690兆帕级HY100钢。美国先进的攻击型核潜艇的非耐压壳体和世界上在役数量最多的“尼米兹”级航空母舰的前几艘的飞行甲板都采用了HY-80钢和HY-100钢。继HY-100之后研制的屈服强度不低于900兆帕并提高了可焊性的HY-130合金钢则多用于核潜艇的耐压壳。美国2004年服役的“弗吉尼亚”号核潜艇用的就是这种HY-130钢。HY系列钢的问题在于，为防止焊接时开裂，需要控制包括预热、层间温度、焊接材料储存和检验在内的许多因素，才能保证优良的综合性能，具有较高的焊接难度和制造成本。
因此随着超纯净冶炼、超低碳、微合金化和控轧控冷等制造技术的发展，美国又开发研制了不需要预热或者只需要较低温预热就能焊接的HSLA系列钢。HSLA-80是一种低碳铜沉淀强化钢，在1-32毫米厚度范围内，可不预热直接焊接。HSLA-100钢则较多应用在攻击型核潜艇的非耐压壳体和新航母壳体制造中，板厚达100毫米，可在较低温预热下焊接。这一系列钢“显著”降低了军舰生产成本，减轻了军舰重量，增加航母的机动性和有效载荷，同时提高了生产效率，构筑了美国军舰用钢的新体系。2008年开始建造的“福特”级航母首舰上，开始应用新型HSLA-65钢作为主壳体钢，完全代替HTS钢，而屈服强度785MPa级HSLA-115钢则应用于舰桥、飞行甲板、舰舷、机库甲板等重要部位。不过始料不及的是，“福特”号航母采用的HSLA-65钢薄板在焊接中容易出现变形和扭曲，为了解决这个问题而不得不额外搭建脚手架，导致明显的工期延误和费用增加。
由于日本造船业和钢铁产业基础基本完好，其部分特种钢的水平足以比肩甚至超过美国海军用同类钢材。比如1981年的“深海-2000”深潜器采用屈服强度不低于880兆帕的高屈服强度钢NS90钢。1983年开发出了当时屈服强度为世界最高水平的可焊接1000兆帕级钢NS110，并应用在“亲潮”级潜艇上，最高潜深达500米。
英国以美国HY-80、HY-100和HY-130为原型成功仿制了Q1（N）、Q2（N）和Q3（N）钢。其中Q1（Ｎ）钢为当前英国舰艇中的主要钢种，Q2（N）钢用于英国2000年后建造的攻击力最强的“机敏”级潜艇的耐压壳体。
法国自己的“戴高乐号”航空母舰用也是美国的HY-80钢。而后法国在相当于美国HY-100的HLES80钢基础上研制了HLES100高镍钢，镍含量最大为8%，屈服强度980兆帕。法国2004年服役的“凯旋”级核潜艇耐压壳体便选用了这种钢。
俄罗斯传统上更加重视核潜艇的建设，AB系列船体钢的强度等级也较齐全，已经逐步替代前苏联的AK系列钢。前苏联于1954年就开发出了潜艇壳体用AK25及其改进型钢材，不仅强度高，而且可在常温下进行焊接，不需要预热，性能优良。其中的镍铬加钛合金钢，屈服强度可达980兆帕，这种高强度低磁钢大量被用于制造潜艇，如941型“台风”级潜艇的非耐压壳体，“K”级潜艇的指挥台围壁、尾部壳体、稳定翼和舵板等。因此，前苏联建造的瓦良格号航母的主壳体选用的正是屈服强度为590兆帕级的AK-25钢，其防护结构选用了屈服强度为760～980兆帕的多种高强度AK系列钢。
随着航母的造价越来越高昂，虽然过去以增加装甲厚度的方式来防御反舰导弹已经完全行不通了，但是现代航母仍在核心部位上，比如指挥中心、动力系统机舱，会采用类似坦克的装甲钢板来进行额外防护，钢板最厚达330毫米，或者采用新型的复合材料装甲。而舷侧的防护转变为将不可避免的受损或毁伤控制在允许的局部范围内，通过多道内部舱壁来保持舰体的水密，提高航母的生存能力和作战能力。
比如尼米兹级航母水线以下的舰体，沿着船舷两侧逐一布置了六道防鱼雷隔壁，形成了五个防鱼雷隔舱。而航母底部布置了一条平行隔壁，形成了两个防水雷隔舱。全舰由横隔壁和纵隔壁组成了2000道水密舱。这些水密舱由计算机控制，当航母外侧被击穿漏水时，破洞周围的水密舱将自动闭合，防止海水灌入其他舱室，这些水密舱储备的浮力足以支撑航母不沉没。航母内部进水后，航母上的抗倾覆注/排水系统根据受损航母稳性状况，自动进行排注水工作，20分钟内可将倾斜舰体矫正15°。2005年，退役的“美国”号航母被选定为航母生命力测试平台。在接受打击测试时，“美国”号航母打开了所有水密舱门，经过25天的轮番攻击，最终还是坚挺的没有沉入海中，最后美军在船体重要位置安装了四吨炸药才将船炸沉。
不过，如果来袭的是中国高超声速反舰弹道导弹，则是另外一种局面。一枚质量为1000千克的高超声速导弹钨合金战斗部，以10马赫的速度俯冲撞击，其动能约为60亿焦耳。在高速撞击下能够像钉子一样穿透航母的多层甲板直达中心，聚能装药还将产生金属射流，可以有效穿透甲板并对内部结构和设备造成破坏，再多的水密舱可能也无济于事。
航母阻拦索，用于将舰载机在高速的情况下拦停下来，是舰载机真正意义上的“生命线”。1975年8月26日， 美航母“富兰克林”号 （CV42）一架F4战机因为阻拦索断裂而坠毁，机组人员全部死亡，经济损失高达数亿美元。阻拦钢索需要直接承受战机巨大的冲击力和阻拦力，又要具备较高的抗疲劳连续工作性能，硬度和韧性的苛刻对阻拦索材质要求很高。必须在多种材料中精心挑选的高性能合金，并采用了多种材料绞制，才生产出合乎要求的阻拦索。
我国水面舰艇主船体上曾使用的钢种有390兆帕级的907A钢、440兆帕级的903钢和945钢。此外还有作为止裂件使用的590兆帕级的921A钢。而921A钢、922A钢、923A钢及其新型785兆帕级980钢是我国当前最主要的舰艇用钢。但显然这些钢均与修复瓦良格号所需的AK系列对称球扁钢及10XcH对称球扃钢存在显著不同。
瓦良格号于2002年3月3日顺利抵达大连港后，我国专家得以实地考察此航母的钢材。尽管当时瓦良格号已经被闲置多年，外表看似被海水侵蚀得锈迹斑斑，但依然保持着出色的强度和耐腐蚀性，表面清理后几乎完好如初。更为令人惊讶的是，尽管已经超过十年未曾进行任何消磁操作，它的舰体的磁性值几乎为零，从而不易被敌方磁力探测仪侦测或受到敌方磁性水雷等武器的攻击。反映了前苏联在钢材制造上的超高水平。正是通过对瓦良格号钢材的深入研究，中国的造船专家们意识到了此航母钢材技术的巨大潜力，并决定从这一基础出发，研发适合中国航母的耐海水腐蚀、防鱼雷攻击的无磁特种钢材。
中国曾在航母甲板钢和后来的拦阻索方面向俄罗斯求援，但却都被对方以各种理由拒绝了。而印度2005年启动了维克兰特号航母的建造计划，但数年后俄罗斯却突然切断了航母甲板钢的供应。无奈的印度一度也鼓起勇气，开始自己研发，但印度最终却发现自己的产品明显不达标。无奈之下，印度只能再度回到高价购买俄罗斯产品的老路上。
911事件后，此前十分紧张的中美关系却因联合反恐而得以升温。2007年美国太平洋战区司令基廷上将访华时语出惊人，声称美国可在小鹰级常规动力航母基础上为中国航母发展提供技术帮助，并暗示中国在瓦良格号外壳上的努力不会有实质收效。然而考虑当年运10等所谓中美合作项目最终胎死腹中，中国最终理智地婉拒了对方。
2008年，航母用钢自研的重任落在了鞍钢集团的肩上，鞍钢被誉为中国钢铁工业摇篮，曾为南京长江大桥、京沪高铁和珠港澳大桥的建造做出巨大贡献，但鞍钢面对对称球扁钢时依旧困难重重。但在团队日以继夜的努力后最终彻底掌握了球扁钢生产技术，用时仅一年半，大大低于最初五年的预估时间。2009年5月，鞍钢集团首次交付了辽宁舰改造用的200吨特种钢，成功打响了第一炮。2年后，鞍钢集团就开始攻关航母甲板钢这个更难的项目，当时技术人员们几乎全天留厂，每天几乎只睡四个小时。
航母飞行甲板除了要承受海洋高盐雾环境的电化学腐蚀，以及承载9级以上波浪下的应力载荷，更必须承受歼15这样的超过30吨的重型舰载机起飞和降落过程中的强烈冲击和高摩擦力。我们知道，舰载机在着舰的时候，要随时准备着舰失败的复飞，这就使得舰载机在准备着陆的时候，速度不能太低，角度不能太小，近乎是“砸”上航空母舰。航母甲板必须要承受这种巨大的冲击力。而且飞行甲板的厚度不能太厚，一般是40～50毫米，以减轻船体重量，降低重心，且要求不平度在5毫米/米以下，否则会影响飞机升降的质量。特别是，拼焊飞行甲板的钢板板面要越大越好，以尽量减少焊缝增加强度。甲板还要承受喷气式飞机高达几千度的火舌的烘烤，其中部署在舰载机起飞位正后方的挡流板更是要直面发动机尾焰，虽然有水冷设备，但是其仍然需要极强的抗热能力。
所幸，我国鞍钢拥有世界上最大10万吨级压力特种钢板轧制机，该轧机全重超过760吨，可轧制长40米、宽5.5米的特种钢，其轧制能力、自身规格和单机配套设备都达到世界第一。在它的助力下，中国第一批航母甲板用钢成功投产。中国航母甲板用钢的整体屈服强度高达690兆帕，综合性能不亚于美国福特级使用的HSLA-115型特种钢！
这样的大型甲板钢，面积越大，未来需要焊接的工程就简单，更少的焊接缝代表着更强的结构刚性。而同时焊接仍然占据了航空母舰建造周期的三分之一之多，最高甚至达到了总工时的50％，远超民船的焊接工时。
业内所说航母焊接质量就是战斗力绝非夸大其词。比如前苏联的莫斯科级直升机航母的首舰莫斯科号，在赫鲁晓夫反对航母的背景下，以“大型直升机反潜巡洋舰”为名让项目通过后，要求在4年内完成从设计、施工到服役的全过程。无论是上层对设计的种种干预和限制，还是苏联人自己对航母设计概念理解的偏差，这艘2万吨级的航母开始变得十分不伦不类。且不说没采用全通甲板，只用了一半舰体承载直升机起降，还在有限的舰体上塞入巨量武器：从反潜、防空、反舰无一不有，这样盲目追求火力投射能力的做法只能让整艘战舰的载荷大大超标，为事故埋下了隐患。 而苏联当时造船工业无论是在钢材、焊接还是细节施工上，也没有做好承接如此吨位战舰的准备。 1965年1月14日莫斯科号完成建造，进入海试阶段。经过几轮航海和飞机起降的测试后，整艘战舰竟然出现了300余条裂缝，其中5条是大缝。部分钢板干脆开焊或是损坏了。舰体进水达到300余吨。而因为配平方面出的问题，再加上进水，整艘战舰竟然倾斜了15度之多。整艘战舰不得不马上终止测试和移交工作，重新返厂进行修补和改进。不过苏联也藉此反思了自己的设计思路，钢材等各方面材料和工艺也在逐步跟上。直到可搭载固定翼飞机的4万吨级基辅级航空母舰投入建造，苏联才算在制造大舰上上了道。
具有丰富航母建造经验的美国也没有幸免。据美国海军学会新闻网2024年9月26日报道，弗吉尼亚州纽波特纽斯造船公司向美国司法部通报，现役美国海军潜艇和航母的非关键部件可能存在蓄意制造的焊接缺陷，受影响的舰艇包括最近翻新的“乔治·华盛顿”号航空母舰以及全新的“海曼·里科弗”号攻击型潜艇和“新泽西”号攻击型潜艇。美国海军正检查正在建造或维护中的23艘舰艇的焊接质量。而纽波特纽斯造船公司正是美国生产核动力舰船的两家造船厂之一。该造船公司与通用动力电船公司合作，建造“福特”级航母、“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇和“哥伦比亚”级弹道导弹核潜艇的船艏和船艉部分。
在国产航母的建造过程中，焊接技术正是中国船舶制造工业的重大突破之一。航母的主体结构是庞大的焊接构件，舰上不仅舱室多，而且全部需要焊接，工作量大，要求标准相当之高。焊接结构在台风、波浪、海流等长时间作用下易造成损伤累积，极易产生疲劳与断裂等问题。所以可以说航母焊接质量就是战斗力，说明对航母焊缝的质量要求是细致到极致。
要知道，福建舰航母的焊缝超过50多公里，而每一条焊缝需要X光拍片或超声波无损检测，检验合格率达到97%以上，界面的平整度控制在3‰以下。航母甲板的厚度在40毫米到60毫米之间，这已经是超厚钢板的焊接。因此，不可能采用普通的焊接方法。
我们知道，现代航母焊接普遍采用窄间隙埋弧焊接。焊前焊件不开坡口，但需要对焊接接头进行预热，可以提高焊接接头的粘结力和可靠性，减少焊接过程中产生的热应力和变形，防止裂纹等缺陷的出现。然后将高强度、高韧性、耐腐蚀的焊材注入焊接界面，然后用电弧加热焊料。焊料熔化凝固后，两块板可以粘在一起形成焊缝。为了保证强度和平整度，电弧焊是将焊料逐层倒焊。在焊接过程中，需要精确控制焊接电流、电压、焊接速度等工艺参数，以保证焊缝的质量和性能。通过先进的焊接设备和控制系统，实现对焊接参数的实时监测和调整，确保焊接过程的稳定性和一致性。
航空母舰甲板的焊接需要重复焊接5～10道工序后才能完成。为了能够回溯责任人和焊接环境工况，每一块钢板上不仅有焊接这块钢板时装配工和焊工的姓名，还有当天焊接工作面临的天气情况，比如温度湿度，甚至还有风速。
针对未来航母和潜艇的用钢需求，最近，由东北大学轧製技术及连轧自动化国家重点实验室、中国科学院金属研究所等团队联合研发的新型超高强钢，创新提出“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”协同增塑新机制，成功制备出系列低成本碳-锰系新型超高强钢，打破了超高强钢对复杂制备工艺和昂贵合金成分的依赖，也突破了现有2000兆帕级马氏体高强钢抗拉强度的性能边界。我们知道，当强度达到2000兆帕级别时，钢铁的塑性会出现断崖式下降。东北大学团队的新技术实现了钢铁材料1600~1900兆帕屈服强度、2000~2400兆帕抗拉强度、18%~25%均匀延伸率的极致性能，兼具强度和韧性。对于未来新型核潜艇的深潜能力和安全性能至关重要，也是航母提高抗打击能力和保障舰载机起降的关键要素。
纵观中国钢铁产业迄今的发展，已经从早期探索、稳定发展、加速进步，进一步发展到了创新飞跃。回望中国航母特种钢的研发历程，从瓦良格号的艰难修复到福建舰的自主建造，每一步都印证着“大国重器，材料为先”的真理。当福建舰的甲板迎来歼35、歼15战机的呼啸起降时，这些沉默的特种钢板，早已成为中国工业腾飞最坚实的脚注。
