航母上的淡水是如何来的?

和风漫谈


航空母舰上面都装有海水淡化系统,可以为全舰官兵提供非常充足的淡水

其实不只是航母,今天的许多大型商船和游轮上也都装有海水淡化系统,而军舰由于其特殊的职能,通常都是安装海水淡化系统的。如此一来只要燃料充足,军舰的上的淡水就不会缺乏,在战时也不用靠岸补给淡水。

从20世纪50年代以后随着科技的发展,海水淡化技术越来越成熟,在已经开发的二十多种淡化技术中,蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模化生产的水平,而在军舰上主要是采用“蒸馏法”和“反渗透法”,咱们先说反渗透法。

“反渗透法”听起来非常简单,但讲解它还是比较复杂。反渗透法是利用一种半透膜来过滤海水的,这种半透膜只允许液体通过的,不允许任何固体通过。

很多人认为,反渗透法就是简单地通过向海水加压,强迫海水通过半透膜,从而过滤掉海水中的盐分等物质,进而得到可以引用的淡水。但这种理解并不全面,反渗透法主要是依靠海水和淡水的密差来完成海水的淡化工作的。

首先,要使用半透膜将海水与淡水分隔开的。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。

此时海水一侧高出的水柱静压称为渗透压,而如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的压力,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。(反渗透法原理示意图)

采用这种方式可以用极小的能耗换来大量纯净的淡水,节能也因此成为反渗透法最大的优势。

反渗透法的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40,因此有许多中小型军舰都搭载反渗透海水淡化系统。毕竟一般军舰上的电力都是来自柴油发电,如果海水淡化设备消耗的电力过多,势必会影响军舰的续航能力,所以耗电较少的反渗透法成为许多军舰的首选。而一些中小型航母也会选择使用反渗透设备。

但是反渗透法也有一个比较大的缺点,就是效率有点低,跟不上大型的航母的用水节奏。以美国布什号航母为例,布什号上搭载有舰员3200人,航空联队2480人,这么多人的用水量是非常巨大的。(美军航母舰员在甲板上搞BBQ)

除此以外,航母自身运转也需要消耗大量的淡水,例如航母的蒸汽弹射就是一个用水大户,蒸汽弹射所使用的水必须是淡水。还有航母要定期进行应对核辐射演习,需要大量的淡水进行洗消作业。

<strong>(航母甲板正在进行洗消作业,航母上的一切用水都必须使用淡水)

而且反渗透法成本较高,需要经常对半透膜进行清洗和更换,维护繁琐。

目前航空母舰上主要使用蒸馏法淡化海水,蒸馏法的原理非常容易理解,就是通过加热蒸发海水从而得到纯净的淡水。

蒸馏法的优势在于效率高,可在很短的时间内就获得大量的淡水,缺点则是能耗大,对于一般军舰来说很不友好。但是对于航空母舰而言,蒸馏法就比较适用。

尤其是核动力航母,其搭载的核反应堆可以航母提供非常过剩的电力,因此核动力航母无需考虑电力消耗。


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人没有水的话三天就会死,而船只在海上航行也需要有淡水供船员们饮用。在古代的风帆船时代,船员们用木桶从陆地上携带淡水在航行中饮用。但是这种方法也有缺陷:这种不流动的水用不了多久就会发臭,而海员们只能在这样的水中掺入朗姆酒来掩盖臭味。那么,现代航母上有几千人的舰员,难道也得携带大量淡水吗?实际上,即使携带几千吨的淡水也不够航母舰员们在长途航行中饮用,而航母甚至无法装下那么大量的水。所以,现代航母等大型船只上使用了一种叫做海水淡化的技术,可以在海上直接把海水变成淡水,供给生活使用。

海水淡化听起来复杂,实际上原理却很简单,目前世界上主流的海水淡化技术分为两种:反渗透膜法和低压蒸馏法,前者是使用施加压力让海水接触反渗透膜,其中小分子的水分通过膜变成淡水,而大分子的盐颗粒就被留在膜的另一端。这种方法较为清洁与低耗,缺点是处理水的效率太过缓慢。目前大部分远洋舰船都是采用这种处理方式。

除此之外,还有使用舰船动力来进行低压蒸馏进行海水淡化,就是直接引进海水进行加热蒸馏,然后冷却出来的就是可以直接饮用的淡水了。这种方法可以迅速净化出大量的淡水,但是需要能源来加热蒸馏管。而这大量的能源注定不是什么小船能玩得起的了。而现在美军的航母为核动力航母,核反应堆可以提供充足的动力以及废热来进行蒸馏淡化,而一艘美军航母马力全开可以净化出半个纽约市的的用水量。


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一艘航母出海执行任务,船上通常会带上千号人。而且航母出海远渡重洋,一走短则几个月,长则一年的,舰上这么多人的生活用水的确是个大问题,大海上最不缺的就是水,但最缺的是淡水。因此最好的办法是就地取材,将海水淡化后使用。而现如今绝大多数的军舰和航空母舰上面其实都装备了海水淡化装置。

以英国皇家海军最新的“伊丽莎白女王号”航母为例,为确保船员在海上有足够的淡水供应,女王号航母耗资100万英镑装备了反渗透海水处理系统,用于供应整艘航母的日常生活用水。这套系统每天可生产540吨淡水,足够全舰人员使用。所谓的反渗透处理系统利用的原理正好是渗透原理的逆过程,对于渗透膜两侧具有不同浓度的水溶液,在自然情况下,水分会从低浓度的一侧通过渗透膜进入高浓度一侧中。而反渗透则是对高浓度一侧的水溶液施加额外压强,迫使高浓度一侧的水溶液中的水分流向低浓度一侧,由于盐分子的尺寸比水分子要大许多,因此水分子可以通过半透膜而盐分子不能,以此来过滤海水。

在伊丽莎白女王号航母海试期间,舰上启用了3台海水淡化装置来进行试验,为船员提供淡水。但就是这3台海水淡化装置已经是英国皇家海军在大型舰艇上使用淡化系统规模最大的一次了。这3台海水淡化装置每天可为全舰提供175吨的淡水,这已经足够满足航母上1600名工作人员的日常使用需求,如饮水、煮饭、洗漱、清扫和其他一些用途。

当初在开发舰载海水淡化装置的时候,就把高自动化作为设计标准,因此海水淡化装置在实际运营的时候只需配备若干监控和维护人员。此外,这套海水淡化装置还额拥有过滤清洁功能,可以将航母上使用过的水安全处理后再循环使用,从而节约了水资源且不至于污染海水。


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海水淡化技术不是什么高门槛的产物了,从航母到一般的驱护舰还有一些大型的商船等都有淡化海水的能力,淡化设备不需要多么的繁杂。光靠到岸补给是不现实的,大型船只在大洋里航行少则几个月多则大半年,船上人员多淡水需求大,不可能为了多存储淡水而占用其它设施的空间。海水淡化后达到饮用标准,其它用途更不在话下。

一艘航母光母舰上就有几千人生活,这么多人的淡水需求是一个非常庞大的数字,再说舰上每一寸空间都及其宝贵,有了海水淡化技术和淡化设备以后,就有取之不尽的淡水资源了,士兵们的基本生活条件就不是问题了。



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航母上一千多号人,其规模可以达到一个小型城镇的规模。而这么多每天光是消耗的食物就高达几十吨,而无论是饮用、煮饭煮菜、刷牙洗脸洗澡等,其中消耗最多的还是水资源。而航母的淡水是从哪里来的呢?主要有三种获取方法,一是自身携带,二是海水淡化,三是补给舰补给。

其中自带和补给舰补给的水都是自然淡水,是很宝贵的,在军舰上只供给厨房使用,主要用在和舰员们饮用的方面,至于刷牙洗脸洗澡洗衣服冲厕所这些就不能用淡水,而这些除了饮食以外的用水的生活都是用舰上的海水淡化系统淡化的水,包括舰用锅炉水、冷却水、消防用水(有时直接用海水),而像航母蒸汽弹射器上用的蒸汽就是锅炉烧出来的蒸汽,并不是有专门的锅炉烧水供给。


海水淡化设备

而像航母这样的大型军舰洗澡洗衣服还比较方便,但要是像潜艇这样的洗澡洗衣服都变成一件奢侈的事情,所以海军潜艇部队几乎都是十几天洗一次澡或者衣服。所以你应该知道为什么海军舰艇人员的衣服那么多了吧,而且还是防菌防臭的衣服。


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反渗透海水淡化设备


众所周知,人离不开水,一个人可以七天不吃饭,但是不能三天不喝水。早期人类出海探索的时候只能依靠木桶来储存淡水,或者碰到暴风雨的时候补充淡水。不管怎么样,都不能直接饮用海水,因为海水里面有大量的盐分和有机矿物质,过多饮用海水甚至会造成中毒现象。而且海水会加速人体向外排水,比不喝水更严重。

由于蒸汽弹射器是开缸弹射系统,会向外逸散大量的蒸汽


得益于科技的发展,现代远洋的船上都有海水淡化设备,在船上应用最广泛的还是反渗透膜技术,体积较小的水分子可以通过渗透膜,而一些杂质和体积较大的盐分子则被排除在外,这样就可以得到船员所需的淡化海水。但是这种海水淡化设备有一个很大的缺陷,海水处理速度不行,仅仅只能够提供一些日常生活用水。而航母上有数千号人,如果仅仅依靠反渗透淡化技术远远不能满足航母上的用水要求。

从福特级开始,美军采用了电磁弹射器


以美国的尼米兹级航母为例,其不仅仅要支撑船员们的日常生活淡水,四台蒸汽弹射器也是消耗淡水的大户。弹射一架满载的战斗机需要近两吨淡水,由于淡水可以回收,实际弹射消耗淡水大约需要1吨。


按照伊拉克战争的规模,一天光弹射器用水就达到数百吨的规模,显然用反渗透法是不行的。核动力航母因为核能的优势,基本上都是利用蒸馏法获得淡水,核能可以24小时不间断的加热海水来获得所需要的淡水。而美国新一代福特级航母开始使用电磁弹射器,航母上可以缩减掉一大批海水淡化设备以及周边设备。


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