美國航空母艦防護結構設計探析

吳國民 周心桃 段 宏 朱英富

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

美國航空母艦防護結構設計探析

吳國民 周心桃 段 宏 朱英富

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

為探尋美國航母的防護結構設計思路，對比分析了美國典型航母的防護結構設計型式和特點，結合武器裝備的技術發(fā)展，分析了美國航母防護結構設計發(fā)展趨勢。在此基礎上，根據(jù)現(xiàn)代反艦武器的攻擊特性和部分公開的美國核動力航母設計信息，推測了美國現(xiàn)代航母防護結構設計思想和基本結構型式。

航空母艦；防護結構；設計

1 引 言

從世界上最大的常規(guī)動力航母“小鷹”號到世界第1艘核動力航母“企業(yè)”號，再發(fā)展到第2代核動力航母“尼米茲”級航母（共10艘、10萬噸級），以及目前在建的以電磁彈射系統(tǒng)為標志的新一代“福特”級航母，美國航母始終代表著世界航母的最頂級水平。為了奪取和維護美國全球范圍內的利益和統(tǒng)治地位，美國航母配備有多種先進的艦載機、搜索雷達以及艦空導彈等武器裝備和電子戰(zhàn)裝備，毋庸置疑是世界上攻擊力最強的航母。與此同時，美國航母在執(zhí)行任務的過程中也勢必是各敵對勢力攻擊的重要目標，面臨著來自各方巨大的威脅，因此，其防御能力是保證其作戰(zhàn)性能的重要基礎之一。美國航母的防御可分為主動防御（如近程防御系統(tǒng)、電子干擾系統(tǒng)以及誘餌系統(tǒng)等）和被動防御（即航母的裝甲防護結構）。主動防御可以使航母盡可能少地受到敵方武器的直接命中，一旦航母因為遭到飽和式武器攻擊等極端情況，主動防御失敗，此時航母的防御就需要依靠被動防御，即防護結構抵御外來攻擊。因此，航母的防護結構對于航母的生命力而言至關重要。

美國現(xiàn)代航母為了提高其生命力，在航母舷側設置了防護效能優(yōu)異的防護結構，但具體采取何種防護結構型式，由于種種原因暫時還無從得知，部分公開文獻也只是針對二戰(zhàn)前后部分美國航母的防護結構設計型式進行了一些分析［1－2］。對于美國現(xiàn)代航母的防護結構基本型式及發(fā)展趨勢，目前尚無相對深入、系統(tǒng)的分析。本文將根據(jù)公開的美國航母相關文獻資料和圖片，結合現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展趨勢和新型防護材料的應用，對美國航母防護結構設計思想的發(fā)展歷程以及美國現(xiàn)代航母防護結構的基本型式進行初步的探討。

2 美國二戰(zhàn)前后航母防護結構設計分析

由于美國二戰(zhàn)時期的航母文獻資料相對較多，雖然這一時期的航母設計時間離今天較久遠，但分析其中幾型典型航母的防護結構設計特點，還是可以粗略判斷出美國航母防護結構設計思想的發(fā)展歷程。

2.1 防護結構設計特點分析

圖1所示為美國二戰(zhàn)時期部分航母的橫剖面示意圖，（a）是“倫道夫”號（1943 年），（b）是“中途島”號（1945 年），（c）是“美國”號（1949 年），（d）是“福萊斯特”號（1952 年）。其中，“倫道夫”號（“埃塞克斯”級）和“中途島”號（“中途島”級）是美國二戰(zhàn)時期的典型航母，而“美國”號和“福萊斯特”號是美國經(jīng)過二戰(zhàn)之后設計的航母。“美國”號雖然沒有建成，但其結構型式已具有現(xiàn)代航母的基本雛形，而“福萊斯特”號作為美國的第一艘重型航母，其結構型式已經(jīng)相當成熟，后來的“小鷹”級和“尼米茲”級航母均是沿用它的基本構型。因此，研究分析上述4型航母的結構型式及結構尺寸的變化，尤其是防護結構型式和結構尺寸的變化，可知美國航母防護結構設計思路的變化歷程。橫剖面示意圖中均沒有航母的舷臺結構。另外，圖中甲板、內底板及外板的板厚尺寸值均用磅（lb）作為單位標出，磅為用重量表示的厚度單位，即每平方英尺的鋼板重量。以鋼板密度為7 800 kg／m3來計算，1 lb相當于厚度為0.626mm。

從上述4型航母的橫剖面圖可以看出，不同年代的航母，其甲板布置型式有所不同，各甲板層根據(jù)當時的功能特點沿用的是美國航母當時的命名法則，名稱也不太一致。通過對比分析，從結構防護的目的來看，甲板和舷側艙室的布置以及結構尺寸的設置呈現(xiàn)出一定的規(guī)律和變化趨勢。

1）從對來自航母頂部的攻擊進行防護的目的來看，裝甲甲板的布置有較統(tǒng)一的規(guī)律：最上面的為主要的裝甲防護甲板，即圖1中的主甲板（Main Deck）或飛行甲板（Flight Deck），這里暫統(tǒng)一稱為”上裝甲甲板”。其厚度最大，對垂直攻擊起主要防護作用。不同時期的艙室布置設計思路不同，但共同的特點是，為防護位于航母底部的重要艙室（機艙、鍋爐艙和彈藥庫等），飛行甲板以下必定再布置1～2道比較厚的裝甲甲板，這對應于圖1 中“倫道夫”號的 4 甲板（4th Deck），對應于“中途島”號的 3甲板（3rd Deck），對應于“美國”號、“福萊斯特”號的機庫甲板（Hangar Deck）和3甲板（3rd Deck），暫將上述裝甲甲板統(tǒng)一稱為“下裝甲甲板”。

2）從對來自航母舷側的攻擊進行防護的目的分析，艙室的布置及結構尺寸設置也有較統(tǒng)一的規(guī)律：舷側均采用多道縱艙壁、多個功能艙室的組合式防護結構。對比4型航母可以看出，二戰(zhàn)期間設計的“倫道夫”號和“中途島”號是沿用戰(zhàn)列艦的裝甲防護形式，在舷側水線附近設有很厚的裝甲帶，但二戰(zhàn)之后的“美國”號和“福萊斯特”號的舷側防護結構設計思路發(fā)生了明顯的變化，水線附近不再有裝甲帶，功能艙室也由原來的4個發(fā)展為5個。

為研究分析美國航母防護結構設計思路的發(fā)展進程，將上述4型航母的裝甲甲板和舷側裝甲外板的厚度尺寸進行了對比，列于表1。

表1 美國二戰(zhàn)時期典型航母防護結構構件尺寸對比Tab.1 The com parison of protection structures of U.S.typical aircraft carriers in WW II

2.2 裝甲甲板防護結構設計思路分析

對照表1中的對比數(shù)據(jù)，可對裝甲甲板結構設計思路作如下分析：

1）上裝甲甲板厚度很大，起裝甲防護作用，以對垂直攻擊的炸彈進行第1次防護。從對比數(shù)據(jù)可以看出，從”倫道夫”號到“中途島”號，再到“美國”號和“福萊斯特”號，4型航母的排水量是逐漸增加的，但上裝甲甲板的厚度卻是逐漸減小的?？紤]到上裝甲甲板的作用主要是用來防護垂向攻擊，且攻擊武器的破壞威力是隨年代發(fā)展不斷增強，因此，按設計時間排序，上述4型航母上裝甲甲板厚度明顯減薄的趨勢，充分體現(xiàn)了美國航母減薄上裝甲甲板以減輕船體結構重量，增加航母裝載能力，提高航母作戰(zhàn)能力的設計思路。

2）下裝甲甲板厚度也很大，主要也是為了起裝甲防護作用，是對垂直攻擊的第2次防護，主要是對彈片或結構破片穿甲防護。與上裝甲甲板的厚度一樣，隨著設計年代的發(fā)展，下裝甲甲板厚度逐漸變小的趨勢也非常明顯?！皞惖婪颉碧柕南卵b甲甲板比“中途島”號的薄，這是因為“倫道夫”號的下裝甲甲板是第4層甲板，而“中途島”號的下裝甲甲板是第3層甲板，前者比后者多一層防護甲板，因此厚度可以設計得小些，而且“倫道夫”號的排水量也比“中途島”號的小很多。

分析原因，之所以二戰(zhàn)期間的航母如此注重垂直攻擊的防護，是因為當時艦載機對航母的攻擊方式主要是飛行到航母上空，然后對著航母向下俯沖投彈，炸彈借助俯沖獲得的動能，對飛行甲板進行動能穿甲爆炸，對航母的殺傷力相當大。另外，當時的美國航母還要應付日本“神風特攻隊”駕駛飛機俯沖直接撞擊航母的自殺式攻擊。因此，二戰(zhàn)時期航母的上甲板都要增加厚度，進行裝甲防護設計，其設計標準也是按照能抵御一定重量的炸彈從一定高度實施的攻擊。以“中途島”號為例，50 mm（80 lb）的裝甲飛行甲板可以抵御227 kg（500 lb）高容量裝藥炸彈從 1 067 m（3 500 ft）的高空以 154 m／s（300 kn）的速度、60°攻角俯沖的攻擊［3］。

但為何美國航母的裝甲甲板會越來越薄，經(jīng)分析推測，有如下原因：

1）厚的裝甲甲板可以抵御一定的垂直攻擊，但同時也使航母的重量增加、重心增高，嚴重影響航母的穩(wěn)性和操縱性。另外，由于裝甲占用了大量的重量空間，使得航母的彈藥和燃油等的裝載量減少，同時也影響航母的航速。

2）隨著現(xiàn)代炸彈裝藥量的增大，穿甲彈、半穿甲彈的穿甲能力不斷提高，裝甲甲板的防護能力顯得非常有限。同時，航空方面也要求航母搭載更多的武器設備，而如果要求航母以艦隊的型式作戰(zhàn)，其航速又不能降低。各方面因素綜合在一起，使得美國軍方對甲板裝甲防護進行了重新思考。美軍方一位海軍官員曾經(jīng)分析說，“幾英寸厚的裝甲甲板也僅能阻止現(xiàn)代武器的穿甲，但裝甲甲板及其必需的厚重支撐結構在重量方面的代價卻太大。如果不能去掉甲板裝甲防護，至少應該將甲板裝甲防護降低到機庫甲板”。

綜上分析，基于總體資源平衡方面的考慮，美國二戰(zhàn)之后的航母從整體上減少了對于垂向攻擊防護的裝甲甲板厚度，以減輕裝甲甲板防護結構整體的重量，同時將裝甲甲板的設置位置放在了機庫甲板以下，以降低裝甲甲板防護結構整體的重心。

2.3 舷側防護結構設計思路分析

通過對比分析可以看出，美國航母非常重視水下舷側防護，采用的是多艙防護結構設計（4艙或5艙），這些艙室采用空艙或液艙，從功能上劃分有膨脹艙、吸收艙、水密艙和吸能艙。

上述多功能艙室舷側防護結構設計思路是延續(xù)不變的，但在水線附近的外板裝甲設計方面，設計思路發(fā)生了明顯變化。先前的航母外板裝甲一度達到200mm，發(fā)展到后期，明顯變薄很多，只有30mm左右，這說明先前的設計思想是為了抵御水線附近外板不被敵方武器損毀。而后期的設計思路則變?yōu)閷⑹軗p控制在局部，通過內部艙壁保持水密，部分外板是可以承受被敵方武器損毀的。前期的“硬碰硬”的舷側防護結構設計，一是重量代價大，二是雖然防護結構在較大范圍內可以抵御敵方武器的打擊而不致于外板受到破壞，但爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊力將直接通過船體結構傳遞到設備上，強大的沖擊加速度極易導致設備損壞。而后期的多功能艙室舷側防護結構設計則可以承受外板破損，加上功能艙室的聯(lián)合作用，大量的沖擊能量被吸收，既抵御了敵方武器的攻擊，同時還將沖擊能量盡可能地控制在了局部，起到了“以柔克剛”的作用。

3 美國現(xiàn)代航母防護結構設計分析

3.1 防護結構防護原則分析

航母防護結構的設計與敵方的作戰(zhàn)模式和反艦武器的攻擊特點存在緊密的關聯(lián)性。因此，在分析美國現(xiàn)代航母防護結構設計之前，有必要針對現(xiàn)代航母的作戰(zhàn)模式和反艦武器的攻擊特點，分析美國現(xiàn)代航母防護結構的防護原則。

1）超視距作戰(zhàn)模式

隨著對空搜索雷達的研制發(fā)展，美國現(xiàn)代航母的遠程警戒能力越來越強，例如，“尼米茲”級航母配備有AN／SPS-48E遠程三坐標對空搜索雷達，以及AN／SPS-49（V）5型遠程兩坐標對空搜索雷達，探測距離均在400 km以上［4］。同時，該航母還配備有其他功能強大的對海搜索雷達，如果艦載預警機升空，其遠程警戒范圍還會更大。因此，可以認為，一旦偵察到敵機，在其進入威脅范圍之前，“尼米茲”級航母必定已出動相應的艦載機或其他武器進行主動防御。在現(xiàn)代航母作戰(zhàn)模式中，已不可能再像二戰(zhàn)時期那樣讓敵機有機會飛到己艦上空進行空中俯沖式攻擊。

2）反艦武器舷側攻擊

現(xiàn)代反艦武器主要有反艦導彈、魚雷和水雷。對于反艦導彈，由于現(xiàn)代航母的搜索探測功能和對空防御能力越來越強大，早期的反艦導彈，如俄羅斯的“冥河”之類從高空投放下來的導彈，即使飛行速度達到3 Mach（馬赫），但因此時反艦導彈的目標特征明顯，很容易在中段飛行階段就被攔截。因此，現(xiàn)代先進的反艦導彈為了提高其突破防御能力，增強攻擊的隱蔽性，采用的是超音速掠海飛行、末端加速突破防御和舷側穿甲內部爆炸的攻擊模式，如俄羅斯有“航母殺手”之稱的“日炙”SS－N－22和“紅寶石”超音速半穿甲反艦導彈，均是采取上述方式。對于魚雷，由于是從水中攻擊，隱蔽性好，采取的是舷側水下接觸爆炸的攻擊模式，攻擊航母水下重要部位。航母一旦遭到魚雷攻擊，將造成船體破損進水，還有可能使內部重要艙室的功能喪失，對航母的生命力和戰(zhàn)斗力造成極大威脅。對于美國航母而言，主要的反艦武器威脅是來自舷側水上的反艦導彈和水下的魚雷。

綜上所述，美國現(xiàn)代航母防護結構的防護原則重點是放在舷側，并分別針對水上的反艦導彈和水下的魚雷進行防護結構設計。對于發(fā)揮頂部防護作用的裝甲甲板，其大范圍設置的意義不大，僅在核動力艙室及安全性要求極高的重要艙室頂部，可考慮設置裝甲甲板。

3.2 防護結構設計型式分析

美國現(xiàn)役的航母包括1艘第一代核動力航母“企業(yè)”號和10艘第二代核動力航母——“尼米茲”級核動力航母。下文將分別針對“企業(yè)”號和“尼米茲”級航母分析美國現(xiàn)代航母的防護結構設計。

1）“企業(yè)”號航母防護結構設計型式

美國第1艘核動力航母“企業(yè)”號是在“福萊斯特”級航母的基礎上設計完成的，其結構基本型式和布置等與“福萊斯特”大致相同。從圖2的“企業(yè)”號航母艙段結構示意圖可以看出，該型航母舷側采用的是5艙多功能艙室防護結構型式，其設計型式與“福萊斯特”級航母基本類似。從圖3所示的“企業(yè)”號建造過程中的圖片［5］也可以較清楚地看出該型艦的5艙舷側防護結構設計方案。

圖2 “企業(yè)”號航母艙段結構圖Fig.2 One of the sections of Enterprise aircraft carrier

圖3 1958年“企業(yè)”號在紐波特紐斯造船廠建造場景Fig.3 USS Enterprise aircraft carrier under construction in Newport News S hipyard

2）“尼米茲”級航母防護結構設計型式

對于“尼米茲”級航母，從相關資料分析可知，“尼米茲”級航母同樣是基本沿用了“福萊斯特”級航母后續(xù)的艦型和總體結構設計，在此基礎上，結合新材料和新結構型式對舷側多功能艙室防護結構作了進一步的改進［6］。從圖4中的“里根”號航母（CVN－76）的建造圖片［7］可以看出“尼米茲”級航母在舷側多功能艙室防護結構型式上的變化，圖中“里根”號航母舷側采取的是3艙多功能艙室防護結構。圖5給出了最后一艘 “尼米茲”級航母——“布什”號（CVN－77）的橫剖面示意圖［8］，從圖中證實了“尼米茲”級航母舷側的3艙多功能艙室防護結構設計型式。從2004年1月拍攝的“布什”號主體分段建造圖片（圖6）中，也可以看出其舷側的3艙防護結構。

結合圖4、圖5和圖6可知，“尼米茲”級航母舷側防護結構的3個功能艙室由外到內依次為空艙、大液艙和小液艙，其中空艙和小液艙內布置有密集的結構構件，而大液艙裝載有航空燃油，小液艙裝載有淡水。在艙室間距上，大液艙要明顯大于空艙和小液艙。

上述舷側防護結構設計使得當防護結構未遭

圖4 1999年“里根”號航母（CVN－76）在船臺上建造的俯視圖Fig.4 Top view of USSRonald Reagan on the building berth

圖5 “布什”號航母（CVN－77）橫剖面示意圖Fig.5 The cross section of USSGeorge H.W.Bush

7—蒸汽彈射器管路系統(tǒng)，布 置有蒸汽彈射器相關設備

8—航空燃料艙，為艦載機儲 存燃料

9—淡水儲存室，為艦載人員 和系統(tǒng)儲存淡水

圖6 “布什”號航母主體分段建造圖Fig.6 One of the hull structure blocks of USSGeorge H.W.Bush

10—機艙，布置有4臺蒸汽輪 機受攻擊時，兩個液艙可以為航母提供必要的艙容，而當舷側遭受魚雷接觸爆炸時，空艙內密集的結構構件可作為犧牲結構，通過其破損和變形吸收大量的沖擊波能量，兩個液艙則可以通過液體的阻抗特性進一步衰減沖擊波能量。同時，小液艙內相對密布的結構構件也可作為內部重要艙室的有力屏障，保證內部艙室的安全。

3艙舷側防護結構主要用于防御水下魚雷攻擊，而對于來自水上的反艦導彈攻擊，該級艦的甲板和艦體采用了優(yōu)質高強度合金鋼 （如690 MPa級的HY－100以及后來改進的HLSA－100合金鋼）。根據(jù)報道，在機艙和彈藥庫等重要艙室的舷側外板和內部艙壁的某些局部，加裝了63.5 mm厚的Kevlar裝甲，以有效防御半穿甲彈的攻擊。

另外，該級艦兩舷重要部位，從艦底到機庫甲板都是雙層艦體結構，雙層艦體之間用X形構件連接，可使外部沖擊或破壞能力通過艦體外部結構和X形構件的變形加以吸收，用以限制向艦體內部擴散。

通過上述防護結構設計以及消防和損管等先進防護措施，“尼米茲”級航母能承受3倍于二戰(zhàn)時美國“埃塞克斯”級航母遭受的打擊，無疑是當今世界上生命力最強的航母［9－10］。

2005 年 4 月，美國以“美國”號（America，CV 66）航空母艦為實驗目標，進行了一系列空中、水面及水下的“飽和式”實彈攻擊，目的是測試航母在遭受各種類型武器攻擊時的穩(wěn)定性能，其中對船體防護結構的防護效能是實驗考核的重點項目之一。通過這次實驗研究，美國獲得了大量接近于實戰(zhàn)的參考數(shù)據(jù)。目前在建的新一代核動力航母“福特”號的防護結構設計是否在“尼米茲”級航母的基礎上有較大改進還不得而知，但可以肯定的是，上述實船試驗的研究成果必將使美國未來航母的防護結構設計更加先進成熟。

4 結 論

從本文的分析可以看出，美國航母的防護結構設計發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，在型式上是從早期的仿戰(zhàn)列艦的厚鋼板裝甲防護發(fā)展為新型結構型式、多功能艙室防護，在防護材料上也從單一的高強度防彈鋼發(fā)展為高性能復合材料與防彈鋼搭配使用。綜合起來，美國現(xiàn)代航母的防護結構設計思想可概括如下：

1）綜合現(xiàn)代武器攻擊模式和防護費效比兩個因素，航母防護的重點放在舷側，對于頂部攻擊，可以不做專門的裝甲防護或只在某些極重要的艙室頂部設置甲板裝甲，且頂部裝甲盡量靠近重要艙室，以免重心過高。

2）對于航母防護結構設計重點——舷側防護結構，按照防御來襲目標可分為水上防護結構和水下防護結構。水上防護結構用于抵御半穿甲彈，主要采用高強度合金鋼和kevlar等抗穿甲新型復合材料。水下防護結構用于抵御魚雷和水雷，主要采用3個功能艙室組合形成的多層防雷隔艙，該防雷隔艙通過破損吸能和液艙卸載將爆炸沖擊控制在舷側局部，從而達到保護艦內重要艙室的目的。

3）兩舷重要部位從艦底到機庫甲板都是雙層艦體結構，雙層艦體之間用X形構件連接，可使外部沖擊或破壞能力通過艦體外部結構和X形構件的變形加以吸收，用以限制向艦體內部擴散。

［1］ 朱錫，馮文山，宋文翰.航母的裝甲防護系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代艦船，1991（1）：31－36.

［2］ 朱錫，馮文山.航空母艦裝甲－結構防護系統(tǒng)概述［J］.海軍工程大學學報，1993（4）：50－56.

［3］ FRIEDMAN N.U.S.aircraft carriers［M］.Naval Institute Press， Maryland，1983.

［4］ 現(xiàn)代軍事雜志社.世界十大航空母艦 ［J］.現(xiàn)代軍事，2005（S1）：6.

［5］ KINZEY B.The world’s first nuclear powered aircraft carrier： t he USSEnterprise［M］.Airlife Publishing Ltd.，London，1991.

［6］ 艦船知識編輯部.世界現(xiàn)役航空母艦［M］.北京：解放軍出版社，2007.

［7］Navsource naval history——photographic history of the U.S.navy.［2006－02－10］.http：／／www.navsource.org.

［8］ 吳榮寶.航母的艦體結構［J］.現(xiàn)代艦船，2005（2）：89－92.

［9］ 孫詩南.現(xiàn)代航空母艦［M］.上海：上?？茖W普及出版社，2000.

［10］ 周健.航母的建造材料［J］.現(xiàn)代艦船，2006（11）：31－34.

Analysis on Design of U.S.Aircraft Carrier Protection Structures

Wu Guo－min Zhou Xin－tao Duan Hong Zhu Ying－fu
China Ship Developmentand Design Center， Wuhan 430064，China

Based on the comparison between the form and characteristics of protection structures of typical U.S.aircraft carriers， the design philosophies of protection structures were discussed.Considering with the development of the weapons and equipment， the evolvement tendency of U.S.Aircraft Carriers protection structureswas analyzed.And according to the features ofmodern anti－ship weapons and published information of U.S.nuclear aircraft carriers， design philosophies and basic form of U.S.aircraft carriers protection structureswere speculated.

aircraft carriers； protection structures； design

U661.42

A

1673－3185（2011）05－01－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.05.001

2011-05-05

吳國民（1980－），男，博士研究生，工程師。研究方向：水面艦船結構抗爆抗沖擊設計。E-mail：wugm20＠163.com

周心桃（1969－），女，碩士，高級工程師。研究方向：艦船結構設計。