Авианосец «Фуцзянь» — это ключевое оружие для достижения стратегических и боевых целей Китая, важная национальная инвестиция и шедевр промышленного искусства, объединяющий достижения в области обороны, науки, технологий и промышленности. В нем сосредоточены практически все передовые технологии и материалы. Что касается материалов для строительства, основными являются материалы для конструкции корпуса, брони, жаропрочные и теплоизоляционные материалы, а также материалы для специальных устройств и покрытий. Среди них различные стальные плиты для корпуса, брони и конструкции, безусловно, являются наиболее важными и ключевыми материалами для строительства авианосца.
Авианосец «Фуцзянь» — это ключевое оружие для достижения стратегических и боевых целей Китая, важная национальная инвестиция и шедевр промышленного искусства, объединяющий достижения в области обороны, науки, технологий и промышленности.
Известно, что процесс строительства современных авианосцев в Китае основывался на ранних планах и разработках проектов 707 и 891, а затем последовательно реализовывался в рамках плана 048. В августе 2004 года Центральный комитет утвердил совместный доклад ВМС, судостроительной корпорации и других организаций, поданный в Главное управление вооружений и Комитет по оборонной науке и технике, о развитии китайских авианосцев.
В это же время государство полностью оплатило покупку «Варяга», и его собственность официально перешла к Китаю. Китайская судостроительная корпорация начала работы по достройке и модернизации «Варяга» на верфи в Даляне. План 048 предусматривал трехэтапную стратегию развития авианосцев: на первом этапе (2004–2014) планировалось построить два средних авианосца; на втором этапе (2015–2024) — два крупных авианосца; на третьем этапе, в зависимости от обстоятельств, начать разработку крупных атомных авианосцев.
С момента проектирования до подготовки к производству были созданы три основные системы: система критериев проектирования, система управления строительством и система стандартов технологического процесса. Кроме того, это образец интеграции военной и гражданской промышленности с уровнем интеграции 77,4%.
Что касается строительства авианосцев, это, безусловно, масштабная и сложная системная инженерная задача. На сегодняшний день только Китай и США обладают полным набором технологий для строительства авианосцев водоизмещением 60 000 тонн. Построить крупный корабль водоизмещением в десятки тысяч тонн несложно — это под силу, например, Южной Корее. Или, как Индия, можно импортировать все, от палубы до самолетов. Однако обеспечить автономные технологии для авианосца водоизмещением более 60 000 тонн, скоростью свыше 30 узлов, с использованием высокопрочной специальной стали, активной фазированной антенной решеткой, интегрированной мачтой, катапультой, системой посадки, тросами задержки, а также собственными истребителями, самолетами ДРЛО и противолодочными вертолетами могут только Китай и США.
Материалы для строительства
Материалы для строительства включают множество видов: материалы для конструкции корпуса, брони, жаропрочные и теплоизоляционные материалы, материалы для специальных устройств и покрытия. Среди них стальные плиты для корпуса, брони и конструкции являются основными, наиболее важными и ключевыми материалами. Для строительства крупного авианосца водоизмещением 80 000 тонн, такого как «Фуцзянь», требуется более 43 000 тонн специальных широких и толстых стальных плит, из которых около 8 500 тонн приходится на палубу.
США, единственная страна, непрерывно владеющая авианосцами, в довоенный период и во время Второй мировой войны активно развивала средние авианосцы, такие как «Саратога» водоизмещением 60 000 тонн. Для корпуса таких авианосцев использовались стали высокой и средней прочности, такие как HTS, A, B, D, E. Сталь HTS имела невысокую прочность, низкое содержание легирующих элементов и углерода, что обеспечивало низкую стоимость и хорошую свариваемость, но при этом низкую прочность, слабую упругость и среднюю коррозионную стойкость. Толщина плит была значительной, но в то время она удовлетворяла требованиям для средних авианосцев США.
В то же время Япония стремилась компенсировать численное преимущество американских авианосцев за счет усиления огневой мощи и защиты отдельных кораблей. Броня крупных боевых кораблей того времени обычно представляла собой поверхностно-закаленную цементированную сталь, но при увеличении толщины она теряла прочность, что приводило к растрескиванию при попадании снарядов. Япония сначала внедрила западное оборудование и технологии производства брони, а затем, при строительстве линкоров типа «Ямато», разработала новую технологию обработки: вместо цементации поверхности сталь закаливалась ковкой и термической обработкой, что привело к созданию брони VH.
Эта броня сохраняла высокую ударопрочность, значительно увеличивала прочность и позволяла повысить защитные свойства за счет увеличения толщины. Например, лобовая броня башен главного калибра «Ямато» достигала более 600 мм, а главный бронепояс — более 400 мм. Броня линкоров в основном состояла из бортовых поясов толщиной 254–508 мм для защиты от бронебойных снарядов, а подводные противоминные отсеки защищали от торпед. Для усиления противоминной защиты добавлялись выпуклые подводные отсеки, увеличивающие глубину защиты.
В конце Второй мировой войны, в условиях отчаяния, Япония перестроила недостроенный на 50% линкор «Синано» типа «Ямато» в авианосец, привлекая к работам даже женские трудовые бригады. Этот авианосец водоизмещением 71 890 тонн стал крупнейшим в мире на тот момент, значительно превосходя «Сёкаку» (32 105 тонн), потопленный в битве в Филиппинском море.
«Синано» был спроектирован с упором на защиту: палуба была покрыта броней толщиной 95 мм, способной выдержать бомбардировку 500-кг бомбами. Однако из-за спешки большинство водонепроницаемых дверей не были установлены или имели зазоры в 1 см. Чтобы избежать бомбардировок американской авиации, «Синано» перевели из Йокосуки в порт Куре для завершения оснащения.
29 ноября 1944 года в 3:13 утра американская подводная лодка «Archerfish» выпустила шесть торпед, четыре из которых поразили правый борт «Синано». В отличие от линкора «Мусаси», выдержавшего 19 торпед и 17 бомб, «Синано» из-за дефектных водонепроницаемых дверей затонул всего через 17 часов после первого похода, унеся с собой 1435 членов экипажа и капитана Тосио Абэ.
Хотя «Синано» стал крупнейшим кораблем, потопленным подлодкой, основную угрозу для авианосцев представляли палубная авиация и бомбы. Укрепление палубы — правильная идея, но ее реализация сталкивалась с дилеммой: увеличение толщины палубы, несмотря на меньшую толщину по сравнению с бортовой броней линкоров, из-за большой площади значительно увеличивало вес, ухудшая ходовые качества, маневренность и полезную нагрузку. Поэтому США во время войны практически отказались от бронирования авианосцев, используя даже деревянные палубы и полагаясь на тактику «полнопалубного удара».
Британский флот, напротив, придерживался иной концепции, создав «бронированные авианосцы». Их палубы проектировались для защиты от 152-мм снарядов легких крейсеров и 500-фунтовых бомб. Например, авианосец типа «Илластриес» (23 000 тонн стандартного водоизмещения) имел палубу толщиной 76 мм и бортовую броню 110 мм, образующие закрытый ангар, а внутренние переборки толщиной 64–76 мм создавали «противопожарный коридор». Это обеспечивало защиту от прямого попадания 1000-фунтовых бомб.
Однако вес брони (1500 тонн из 5000 тонн корпуса) приводил к увеличению водоизмещения и снижению высоты борта, что ограничивало ангар одной палубой и 33 самолетами. Тем не менее, в бою 6 января 1941 года «Илластриес» выдержал атаку 43 пикирующих бомбардировщиков Ju-87, несмотря на пробитие палубы 500-кг бомбами и пожар в ангаре. Благодаря прочной конструкции и неповрежденным топливным бакам авианосец добрался до Мальты, пережил еще два попадания и после ремонта в США вернулся в строй к концу 1941 года, демонстрируя исключительную живучесть.
После войны с развитием ракетных технологий и теорией «всемогущества ракет» распространялась идея «бесполезности авианосцев». Хотя противокорабельные ракеты с бронебойными или кумулятивными боеголовками легко пробивали корпуса, ведущие морские державы продолжали разрабатывать новые стали для кораблей.
Примерно в 1950-х годах сталь, используемая для кораблей ВМС США, была в основном углеродисто-марганцевой сталью с пределом текучести 340 МПа. Этот вид стали обладает хорошей прочностью и отличной обрабатываемостью, и он по-прежнему играет важную роль в области гражданского судостроения.
С 1960-х годов начали использовать высоколегированные стали с никель-хром-молибден-ванадиевым составом и мартенситным упрочнением (серия HY), такие как HY-80 (550 МПа) и HY-100 (690 МПа), применяемые в авианосцах «Нимиц» и подлодках. Сталь HY-130 (900 МПа) использовалась для прочных корпусов подлодок, таких как «Вирджиния» (2004). Но стали серии HY сложны в сварке. Чтобы избежать трещин, нужно тщательно контролировать множество факторов. Это предварительный нагрев, температура между слоями, условия хранения и качество сварочных материалов. Такие меры обеспечивают отличные свойства стали, но усложняют процесс и повышают стоимость производства.
С развитием технологий сверхчистой выплавки, микро-легирования и контролируемой прокатки США разработали серию HSLA, не требующую или требующую минимального подогрева при сварке. HSLA-80 (толщина 1–32 мм) и HSLA-100 (до 100 мм) снизили затраты, вес и повысили эффективность, став основой для новых кораблей. Авианосец «Форд» (2008 года строительства) использовал HSLA-65 вместо HTS, а HSLA-115 (785 МПа) — для мостика, палубы и ангара. Однако тонкие плиты HSLA-65 были подвержены деформации и перекосу при сварке. Чтобы решить эту проблему, пришлось возвести дополнительные строительные леса, что привело к значительным задержкам в строительстве и увеличению затрат.
Япония, сохранившая мощную сталелитейную промышленность, разработала стали, сравнимые или превосходящие американские. Например, в 1981 году в глубоководном аппарате “Deep Sea-2000” использовалась сталь NS90 с пределом текучести не менее 880 МПа. В 1983 году была разработана сталь NS110 (1000 МПа), которая использовалась на подводных лодках класса ”pro-tide" «Оясио» с максимальной глубиной погружения 500 метров.
Великобритания скопировала HY-80, HY-100 и HY-130, создав стали Q1(N), Q2(N) и Q3(N), используемые в подлодках «Астьют».
Франция применила для авианосца «Шарль де Голль» американскую сталь HY-80. Затем разработала высоконикелевую сталь HLES100 на основе стали HLES80, эквивалентной HY-100 США, с максимальным содержанием никеля 8% и пределом текучести 980 МПа. Эта сталь использовалась для изготовления прочного корпуса атомной подводной лодки класса “Триумф", которая поступила на вооружение во Франции в 2004 году.
Россия традиционно придает большее значение строительству атомных подводных лодок, и корпусная сталь серии AB имеет относительно высокую степень прочности, которая постепенно заменила сталь серии AK.
СССР разработал сталь АК-25 и улучшенные версии для корпусов подводных лодок в 1954 г. Она не только обладает высокой прочностью, но и может свариваться при комнатной температуре без предварительного нагрева и обладает отличными эксплуатационными характеристиками. Среди них легированная сталь никель-хром-титан имеет предел текучести до 980 МПа. Этот вид высокопрочной маломагнитной стали широко используется при изготовлении подводных лодок, таких как не поддающийся давлению корпус подводных лодок типа 941 «Акула» (SSBN «Typhoon» по кодификации НАТО), стенка командной платформы и хвостовой корпус подводных лодок класса “К”, а также крылья и пластины руля направления и т.д.
Таким образом, в основном корпусе авианосца "Варяг", построенного в СССР, используется сталь АК-25 с пределом текучести 590 МПа, а в его защитной конструкции используются различные высокопрочные стали серии АК с пределом текучести от 760 до 980 МПа.
Россия сосредоточилась на подлодках, заменив стали АК на АВ. Сталь АК-25 (590 МПа) и ее высокопрочные версии (760–980 МПа) использовались для «Варяга» и подлодок, таких как «Тайфун».
С ростом стоимости авианосцев защита от ракет стала сложной задачей. Современные авианосцы используют броню до 330 мм или композитные материалы в ключевых зонах, таких как командный центр и машинное отделение. Бортовая защита направлена на локализацию повреждений через водонепроницаемые переборки.
Например, «Нимиц» имеет шесть противоторпедных переборок по бортам и две в днище, образуя 2000 водонепроницаемых отсеков, управляемых компьютером. После того, как вода попадает внутрь авианосца, система впрыска / дренажа для предотвращения опрокидывания на авианосце автоматически сбрасывает воду в соответствии с устойчивостью поврежденного авианосца, и наклон корпуса может быть скорректирован на 15 ° в течение 20 минут. В 2005 году авианосец «Америка» выдержал 25 дней испытаний с открытыми отсеками, затонув только после того, как американские военные установили четыре тонны взрывчатки в важной части корпуса, чтобы потопить корабль.
Однако гиперзвуковые противокорабельные ракеты, такие как китайские, с боеголовкой 1000 кг и скоростью 10 Махов создают кинетическую энергию около 60 млрд Дж, пробивая палубы как гвоздь. Концентрированный заряд также создаст металлическую струю, которая может эффективно пробить палубу и нанести ущерб внутренней конструкции и оборудованию. Независимо от того, сколько водонепроницаемых отсеков, это может не помочь.
Тросы задержки
Тросы задержки авианосца, останавливающие самолеты на высокой скорости, — это настоящая «линия жизни» палубной авиации. В 1975 году на авианосце «Франклин» (CV-42) из-за обрыва троса разбился истребитель F-4, что привело к гибели экипажа и убыткам в сотни миллионов долларов.
Тросы должны выдерживать огромные нагрузки, обладать высокой усталостной прочностью и сочетать твердость с прочностью. Для их производства используются тщательно отобранные высокопроизводительные сплавы и многоволоконные конструкции.
А что Китай?
В Китае для надводных кораблей использовались стали 907A (390 МПа), 903 и 945 (440 МПа), а также 921A (590 МПа) для стопорных элементов. Основными сталями для современных кораблей являются 921A, 922A, 923A и новая сталь 980 (785 МПа). Однако они существенно отличаются от симметричных балочных сталей АК и 10ХсНД, необходимых для ремонта «Варяга».
После прибытия «Варяга» в Далянь в марте 2002 года китайские эксперты изучили его сталь. Несмотря на годы простоя и ржавчину, корпус сохранял отличную прочность и коррозионную стойкость, а после очистки выглядел практически новым. Удивительно, что за 10 лет без демагнитизации магнитное поле корпуса оставалось почти нулевым, что снижало уязвимость для магнитных детекторов и мин. Это показало высокий уровень советских технологий. На основе изучения «Варяга» Китай начал разработку антикоррозионной и противоторпедной немагнитной стали.
Китай обращался к России за помощью с палубной сталью и тросами задержки, но получил отказ.
Напомним, что контракт о передаче недостроенного крейсера "Варяг" Китаю, заключённый в 1998 году между Украиной и китайской туристической фирмой "Chong Lot Travel Agency Ltd.", формально предусматривал покупку корабля для переоборудования в плавучее казино в Макао. Однако фактически сделка скрывала военные интересы: Китай получил по заниженной цене (около $20 млн) корпус тяжёлого авианесущего крейсера, который в итоге был восстановлен, модернизирован и введён в строй ВМС НОАК как авианосец «Ляонин».
Индия, начавшая в 2005 году строительство авианосца «Викрамадитья», столкнулась с прекращением поставок российской стали и не смогла самостоятельно разработать качественный аналог, вернувшись к дорогим закупкам. В 2007 году США предложили Китаю помощь в развитии авианосцев на базе «Китти Хок», но Китай, памятуя о провале проекта Yun-10, отказался.
В 2008 году задачу разработки стали возложили на Ansteel, «колыбель китайской сталелитейной промышленности». Несмотря на сложности, через 1,5 года (вместо 5 лет) Ansteel освоила производство балочной стали, поставив в мае 2009 года 200 тонн для «Ляонина». Через два года началась работа над более сложной палубной сталью, с круглосуточной работой инженеров.
Палуба авианосца должна выдерживать электрохимическую коррозию в соленой среде, нагрузки от волн 9-го балла, а также удары и трение от взлета и посадки тяжелых самолетов, таких как J-15 (свыше 30 тонн). Самолеты садятся с высокой скоростью и малым углом, почти «ударяясь» о палубу, что требует от нее высокой прочности. Толщина палубы (40–50 мм) ограничена для снижения веса и центра тяжести, с неровностью менее 5 мм/м. Сварные плиты должны быть максимально большими, чтобы минимизировать швы и повысить прочность. Палуба и дефлекторы должны выдерживать нагрев от двигателей самолетов (до нескольких тысяч градусов), несмотря на водяное охлаждение.
Ansteel использовала крупнейший в мире пресс для прокатки стали (10 000 тонн), способный производить плиты длиной 40 м и шириной 5,5 м. Первая партия палубной стали с пределом текучести 690 МПа, сравнимой с HSLA-115 «Форда», была успешно произведена. Большие плиты упрощают сварку, повышая жесткость конструкции. Однако сварка занимает до трети, а иногда и половину времени строительства авианосца.
Качество сварки авианосца напрямую связано с его боеспособностью. Например, советский вертолетоносец «Москва» (20 000 тонн), построенный под видом «противолодочного крейсера» за 4 года, имел множество проблем из-за спешки, ограничений в проектировании и слабого понимания концепции авианосцев.
Неполная палуба, перегруженность оружием и плохое качество стали и сварки привели к 300 трещинам, включая 5 крупных, и наклону корпуса на 15° из-за 300 тонн воды. Это заставило СССР пересмотреть подходы, что привело к созданию 40 000 тонного «Киева».
Даже США сталкивались с проблемами. В 2024 году верфь в Ньюпорт-Ньюсе сообщила о возможных дефектах сварки на подлодках и авианосцах, включая «Джордж Вашингтон», «Хайман Риковер» и «Нью-Джерси». Проверяются 23 корабля.
В Китае сварка стала прорывом. Авианосец «Фуцзянь» имеет более 50 км сварных швов, каждый проверяется рентгеном или ультразвуком с уровнем соответствия 97% и плоскостностью менее 3%.
Сварка 40–60 мм плит требует особых методов. Используется узкозазорная дуговая сварка под флюсом без скоса кромок, с предварительным нагревом для повышения надежности и предотвращения трещин.
Сварные детали перед сваркой не скошены, но сварные соединения необходимо предварительно разогреть, что может улучшить адгезию и надежность сварных соединений, снизить термическое напряжение и деформацию, возникающие в процессе сварки, и предотвратить возникновение трещин и других дефектов. Затем высокопрочный, ударопрочный и устойчивый к коррозии сварочный материал вводится в зону сварки, а затем припой нагревается дугой. После того, как припой расплавится и затвердеет, две пластины могут склеиться, образуя сварной шов. Чтобы обеспечить прочность и плоскостность, дуговая сварка заключается в обратном сваривании припоя слой за слоем.
Высокопрочные, коррозионно-стойкие материалы свариваются с точным контролем параметров. В процессе сварки необходимо точно контролировать сварочный ток, напряжение, скорость сварки и другие параметры процесса для обеспечения качества и эксплуатационных характеристик сварных швов. Благодаря передовому сварочному оборудованию и системе управления осуществляется мониторинг и регулировка параметров сварки в режиме реального времени для обеспечения стабильности и согласованности процесса сварки.
Сварку палубы авианосца необходимо повторить в течение 5-10 процессов, прежде чем она может быть завершена. Каждая плита маркируется с указанием имен сварщиков, сборщиков и погодных условий: температура, влажность и скорость ветра.
Для будущих авианосцев и подлодок Северо-Восточный университет и Институт металлов КАН разработали новую сверхпрочную сталь с пределом текучести 1600–1900 МПа, прочностью на разрыв 2000–2400 МПа и удлинением 18–25%. Эта сталь, использующая «топологический дизайн мартенсита и регулирование метастабильной фазы», устраняет зависимость от сложных процессов и дорогих сплавов, обеспечивая баланс.
Таким образом это новая серия экономичных углеродисто-марганцевых сталей повышенной прочности. Они разрушили зависимость сверхвысокопрочных материалов от сложных и дорогостоящих технологий производства. Благодаря новому составу сплава удалось преодолеть предел прочности при растяжении, который ранее достигался только у мартенситных высокопрочных сталей с маркой 2000 МПа.
Известно, когда прочность достигнет уровня 2000 МПа, пластичность стали резко упадет. Новая технология команды Северо-Восточного университета позволила достичь предельных характеристик предела текучести 1600 ~ 1900 МПа, предела прочности при растяжении 2000 ~ 2400 МПа и равномерного удлинения стальных материалов от 18% до 25%, обладающих как прочностью, так и вязкостью. Это важно для наращивания глубоководных возможностей и обеспечения безопасности новых атомных подводных лодок в будущем, а также является ключевым элементом для авианосцев по повышению их противоударных возможностей и обеспечению взлета и посадки палубной авиации.
Развитие китайской сталелитейной промышленности прошло путь от освоения технологий до инновационного прорыва. От ремонта «Варяга» до самостоятельного строительства «Фуцзяня» каждая стадия подтверждает принцип: «Материалы — основа великих держав». Когда палуба «Фуцзяня» принимает J-35 и J-15, эти молчаливые стальные плиты становятся фундаментом промышленного взлета Китая.