美國“福特”級航母“一站式保障”技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)分析

劉相春

海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071

美國“福特”級航母“一站式保障”技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)分析

劉相春

海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071

“一站式保障”是美軍“福特”級航母為提高艦載機(jī)出動架次率所采用的艦載機(jī)出動保障方式。通過對“福特”級航母“一站式保障”方式的深入分析解讀，定義“一站式保障”的概念、作業(yè)流程、技術(shù)特征和優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上，提煉出實(shí)現(xiàn)“一站式保障”所需要突破的一系列關(guān)鍵技術(shù)，以及“福特”級航母實(shí)現(xiàn)“一站式保障”的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)對其他國家航母設(shè)計的啟示。

一站式保障；“福特”級航母；艦載機(jī)

0 引 言

航母艦載機(jī)著艦后，需要進(jìn)行加油、掛彈、維修保養(yǎng)等作業(yè)后才能再次出動。美國“尼米茲”級航母的艦載機(jī)著艦—再次起飛采用的是“傳統(tǒng)保障模式”，即艦載機(jī)著艦后，需先滑行至加油區(qū)加油，然后由牽引車牽引至彈藥裝載區(qū)掛彈，再到彈射陣位準(zhǔn)備下一次起飛作業(yè)；如需維修，在加油前還需先滑行至指定區(qū)域開展維修作業(yè)。艦載機(jī)從著艦到重新起飛需轉(zhuǎn)換4～5個工作區(qū)域，增加了艦載機(jī)的調(diào)運(yùn)環(huán)節(jié)，降低了作業(yè)效率，減少了艦載機(jī)出動架次。為解決上述問題，美國“福特”級航母采用了“一站式保障”設(shè)計方案［1］。

1 “一站式保障”概念

“一站式保障”概念最初來自全美賽車聯(lián)盟。為贏得比賽，賽車必須在比賽途中實(shí)現(xiàn)快速保障，即在“一站式保障區(qū)”內(nèi)同時完成加油、更換輪胎及其他例行檢修等工作，保障時間一般僅需6～12 s。

為提高艦載機(jī)保障效率，簡化保障流程，美國“福特”級航母引入了“一站式保障”概念，在飛行甲板上設(shè)置了18個“一站式保障區(qū)”，如圖1所示。圖中為2000年新一代航母CVNX（后命名為“福特”級航母）飛行甲板設(shè)計方案，實(shí)心矩形為“一站式保障區(qū)”所在位置。每個“一站式保障區(qū)”均可進(jìn)行加油、掛彈、維修等作業(yè)，著艦的艦載機(jī)可在保障區(qū)停駐并原位完成所有保障作業(yè)，隨后滑行至彈射起飛位升空作戰(zhàn)［2－3］。

圖1“一站式保障區(qū)”布置Fig.1 The general arrangement of“pit－stop”stations on the flight deck of CVNX aircraft carrier

2 “一站式保障”流程

為了實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)的一站式保障，“福特”級航母在每個“一站式保障區(qū)”設(shè)有兩個帶艙口蓋的“保障模塊”：一個是電源保障模塊，設(shè)有電纜卷盤和控制按鈕；另一個是加油保障模塊，設(shè)有加油管路和控制閥門［3］，如圖2所示。

圖2 艦載機(jī)在“一站式保障區(qū)”內(nèi)進(jìn)行保障Fig.2 Aircrafts being serviced in“pit－stop”stations

艦載機(jī)“一站式保障”流程如圖3所示，具體描述如下。

圖3 艦載機(jī)一站式保障流程Fig.3 The workflow of aircraft“pit－stop”service

1）艦載機(jī)著艦后，引導(dǎo)員將其引導(dǎo)至“一站式保障區(qū)”，關(guān)閉發(fā)動機(jī)，并將噴氣口朝向舷外停放，以避免對人員造成傷害。

2）操作員為艦載機(jī)接地后，打開供電保障艙口蓋，取出電纜與艦載機(jī)對接，對艦載機(jī)進(jìn)行通電檢查。

3）加油人員駕駛移動式加油輔助車停駐在加油模塊旁，打開艙口蓋，用一根軟管將凹坑內(nèi)的航空燃油閥與加油輔助車連接，用另一根軟管將加油輔助車與艦載機(jī)身加油接口連接。加油工作即可通過加油輔助車進(jìn)行，流量可由輔助車控制。

4）與此同時，自動掛彈機(jī)器人從武器升降機(jī)上卸下彈藥，運(yùn)至“一站式保障區(qū)”，為艦載機(jī)掛彈。

5）在完成供電、加油、掛彈和維修等工作后，艦載機(jī)由“一站式保障區(qū)”滑行至彈射陣位，開始下一波次的飛行作業(yè)。

3 “一站式保障”的技術(shù)特征

“一站式保障”采用了系統(tǒng)工程設(shè)計方法，將飛行甲板上的多個保障模塊進(jìn)行了集成設(shè)計管理，以達(dá)到工作效率最大化以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。該保障模式的主要技術(shù)特征包括以下3點(diǎn)：

1）減少艦載機(jī)進(jìn)出機(jī)務(wù)站位時對牽引車的依賴。

艦載機(jī)進(jìn)出機(jī)務(wù)站位過程中，牽引車的對接將增加整個保障作業(yè)的時間，因而從提高甲板作業(yè)效率的角度來看，應(yīng)通過優(yōu)化飛行甲板布局和機(jī)務(wù)站位設(shè)置來減少牽引車的牽引環(huán)節(jié)，特別是在小批量艦載機(jī)波次連續(xù)出動時，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)自行滑行進(jìn)出保障站位，從而在一定程度上縮短再次出動的準(zhǔn)備時間。

2）不移動艦載機(jī)應(yīng)可完成所有出動準(zhǔn)備作業(yè)。

“一站式保障”的主要目的是提高艦載機(jī)再次出動準(zhǔn)備保障作業(yè)效率，根據(jù)甲板作業(yè)流程分解及艦載機(jī)作業(yè)保障需求，應(yīng)通過在同一保障區(qū)域集中設(shè)置油、氣、電、液等艦面保障設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在不移動艦載機(jī)的情況下完成加油、通電、掛彈、檢查等，這一系列保障作業(yè)的原位保障是“一站式保障”的基本要求。

3）再次出動準(zhǔn)備各項保障作業(yè)間應(yīng)盡量減少相互干擾。

從再次出動準(zhǔn)備流程上看，在艦載機(jī)原位開展出動保障作業(yè)效率與艦載機(jī)作業(yè)流程設(shè)計以及并行作業(yè)空間規(guī)劃密切相關(guān)。為充分發(fā)揮艦載機(jī)“一站式保障”作業(yè)效能，有必要對再次出動保障作業(yè)進(jìn)行有序管理，對總體布局進(jìn)行合理規(guī)劃，避免再次出動準(zhǔn)備各項保障作業(yè)間的相互干擾。

4 “一站式保障”的優(yōu)勢

1）可減少著艦艦載機(jī)的再次調(diào)運(yùn)。

與“尼米茲”級航母相比，采用“一站式保障”的“福特”級航母能減少艦載機(jī)回收后再次調(diào)運(yùn)的次數(shù)，從而提高飛行甲板作業(yè)效率和艦載機(jī)出動架次率。

圖4為“尼米茲”級航母和“福特”級航母第1波次艦載機(jī)剛回收，而第2波次艦載機(jī)尚在空中的飛行甲板布置圖，假設(shè)兩級航母艦載機(jī)的作業(yè)模式相同，即在飛行甲板上停放29架、在機(jī)庫停放26架艦載機(jī)，另有20架艦載機(jī)在空中。

圖4“尼米茲”級和CVNX航母甲板停機(jī)對比Fig.4 The comparision of aircraft parking on the flight deck between Nimitz and CVNX aircraft carrier

“福特”級航母加大了飛行甲板面積，可為每架艦載機(jī)提供更大的停機(jī)面積、維護(hù)保障空間和通暢的調(diào)運(yùn)通道。上述設(shè)計使大批量艦載機(jī)在回收后，可直接滑入艦艏或右舷的停機(jī)區(qū)接受保障，完成保障作業(yè)后，即可利用自身動力滑向彈射器進(jìn)行下一輪作業(yè)，且無需移動其他艦載機(jī)。

而“尼米茲”級航母在第1波次艦載機(jī)回收后，由于需要準(zhǔn)備下一波彈射作業(yè)，必須空出艦艏和艦舯彈射器，因此有4架艦載機(jī)停放在艦艉回收區(qū)。而這4架艦載機(jī)在下一次回收作業(yè)時又需重新停放，以空出回收區(qū)。同樣，位于航母右舷的艦載機(jī)在完成維修保障作業(yè)后，若不立即起飛，也需重新停放，以騰出空間進(jìn)行其他艦載機(jī)的維修保障。另艦載機(jī)的再次調(diào)運(yùn)作業(yè)也需要大量的時間，飛機(jī)的保障作業(yè)要中斷，而且還需動用牽引車和調(diào)運(yùn)人員，大幅降低了飛行甲板的作業(yè)效率。

2）能簡化艦載機(jī)保障流程，提高出動架次率。

“尼米茲”級航母艦載機(jī)回收后，需在多個區(qū)域進(jìn)行加油、掛彈和維修保養(yǎng)等工作，且中間還穿插有多個調(diào)運(yùn)環(huán)節(jié)，費(fèi)時費(fèi)力。另外，艦載機(jī)加油時需要加油人員把位于甲板邊緣的沉重的加油軟管拖到艦載機(jī)處，這些軟管穿過艦載機(jī)周圍區(qū)域，會影響彈藥搬運(yùn)和其他艦載機(jī)的維修保障作業(yè)。而“福特”級航母采用“一站式保障”，加油、掛彈與維修可同時進(jìn)行，不僅可減少艦載機(jī)在多個區(qū)域移動所需的時間，大幅提高保障效率，且艦面加油接口更接近飛機(jī)機(jī)身接口，可采用較短的加油軟管進(jìn)行保障，從而減小對艦載機(jī)其他保障作業(yè)的影響。

據(jù)估算，“福特”級航母采用“一站式保障”后，艦載機(jī)出動準(zhǔn)備時間從原來的90 min減少到了60 min，出動能力提高了33%［2］?！澳崦灼潯奔壓侥?2 h最多可出動120架次艦載機(jī)，而“福特”級航母則可出動160架次。此外，在執(zhí)行24 h全天候作戰(zhàn)任務(wù)時，“福特”級航母可以連續(xù)4天每天出動270架次以上［4］。

3）可減少保障人員數(shù)量，降低航母全壽期費(fèi)用。

采用“一站式保障”模式后，艦載機(jī)不需要在不同作業(yè)區(qū)域來回移動，減少了艦載機(jī)牽引和系留作業(yè)的環(huán)節(jié)，從而降低了牽引和系留作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度；由于部分區(qū)域艦載機(jī)能自行滑進(jìn)滑出“一站式保障區(qū)”，整個過程不需飛機(jī)牽引車參與，所以牽引車駕駛員的數(shù)量也隨之減少；另外，由于在同一站點(diǎn)集合了油、氣、電、液等保障資源，因而可減少艦面操作與管理人員的數(shù)量。據(jù)統(tǒng)計，“福特”級航母采用“一站式保障”模式可減少63名操作人員。通過精簡保障人員的規(guī)模，減少加油、掛彈和維修區(qū)域的設(shè)置，削減飛機(jī)牽引車數(shù)量，有助于降低航母全壽期費(fèi)用。采用“一站式保障”后，預(yù)計單艘“福特”級航母的全壽期費(fèi)用可節(jié)省約4 500萬美元［5］。

5 支持“一站式保障”的關(guān)鍵技術(shù)

通過對“福特”級航母“一站式保障”的技術(shù)特征及其技術(shù)優(yōu)勢的分析，結(jié)合目前艦載機(jī)保障技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，確定實(shí)現(xiàn)“一站式保障”需從航母總體布局、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備研制及艦機(jī)適配等多方面著手，重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

1）飛行甲板優(yōu)化布局設(shè)計技術(shù)。

飛行甲板是進(jìn)行艦載機(jī)保障作業(yè)的重要場所，其布置是否合理是“一站式保障”能否順利實(shí)施的關(guān)鍵?；凇案咝А⒑啙?、低成本”的思路，美國重新設(shè)計了“福特”級航母的飛行甲板（圖5），主要改進(jìn)如下：

（1）增加停機(jī)區(qū)域面積，以便于“一站式保障區(qū)”的布置和艦載機(jī)進(jìn)出站線路的設(shè)置。包括：擴(kuò)大飛行甲板面積、減少一部飛機(jī)升降機(jī)及采用更小的“島”式上層建筑。這些措施可增加飛行甲板舷側(cè)停機(jī)區(qū)面積，從而有更多的空間布置“一站式保障區(qū)”。并且通過“島”式上層建筑移位，還為艦載機(jī)直接進(jìn)出“一站式保障區(qū)”提供了通暢的路徑［4］。

（2）改進(jìn)艦載機(jī)保障模式。如圖1所示，從飛行甲板艏部至艉部布置18個“一站式保障區(qū)”，并為每個“一站式保障區(qū)”設(shè)置獨(dú)立的油、電、維修等保障資源，能為停機(jī)區(qū)內(nèi)的大部分艦載機(jī)進(jìn)行“一對一”的快速保障。著艦艦載機(jī)自行滑入保障區(qū)后，可原位完成所有再次出動準(zhǔn)備作業(yè)。

（3）優(yōu)化武器升降機(jī)布局。將武器升降機(jī)設(shè)計在飛行甲板右舷側(cè)，以減小升降機(jī)與“一站式保障區(qū)”之間的距離，這樣不僅可以縮短彈藥搬運(yùn)時間，還能避開起飛與回收區(qū)域，保證武器轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)與艦載機(jī)能夠同時作業(yè)［6－7］。

圖5“福特”級航母飛行甲板布置Fig.5 Flight deck arrangement of the Ford class aircraft carriers

2）高效的艦面勤務(wù)保障技術(shù)。

“福特”級航母除對飛行甲板進(jìn)行了優(yōu)化布局設(shè)計外，也采用了一些高效的艦面勤務(wù)保障技術(shù)，以滿足“一站式保障”要求。

（1）采用自動掛彈機(jī)器人（圖6）為艦載機(jī)掛彈，能提高彈藥搬運(yùn)和掛載速度，使得原每架次需7～8人的彈藥搬運(yùn)和掛載工作（圖7）簡化至約需1～3人。掛彈人員數(shù)量的減少可為“一站式保障區(qū)”騰出更多的作業(yè)空間，便于加油、掛彈、維修等工作的同時進(jìn)行［8］。

圖6“福特”級航母的自動掛彈機(jī)器人Fig.6 Automatic weapon loading robot designed for the Ford class aircraft carriers

圖7“尼米茲”級航母艦載機(jī)彈藥掛載Fig.7 Sailors from weapon department were loading aircraft with bomb aboard Nimitz class aircraft carriers

（2）基于集成式、小型化和自動化設(shè)計思想，研制新型的噴氣燃料和航空電源終端設(shè)施，提高艦載機(jī)艦面保障作業(yè)效率，減少作業(yè)人員需求。其中，噴氣燃料終端設(shè)施實(shí)現(xiàn)了“艙內(nèi)無人值守，甲板自主服務(wù)”。不僅如此，單臺航空電源還能提供115 V/200 V，400 Hz中頻電和270 V直流電雙路輸出，能同時滿足第3代和第4代艦載機(jī)的供電保障需求。

3）“一站式保障”作業(yè)安全性技術(shù)。

對于現(xiàn)役航母，出于安全考慮，美國海軍規(guī)定在航母上進(jìn)行彈藥掛載作業(yè)時，不得同時進(jìn)行燃油加注作業(yè)。而為縮短再次出動保障時間，“福特”級航母“一站式保障區(qū)”不但能對艦載機(jī)同時進(jìn)行加油、掛彈作業(yè)，且其加油與供電保障艙口蓋的距離還較近，艦載機(jī)在加油的同時往往與電源相連，為此，必須確?！耙徽臼奖Ｕ稀蓖郊凶鳂I(yè)的安全性。

另外，由于“福特”級航母艦載機(jī)需自行滑進(jìn)滑出“一站式保障區(qū)”，考慮到目前新研艦載機(jī)發(fā)動機(jī)尾噴流溫度在不斷攀升，為避免艦載機(jī)滑行過程中與其它艦載機(jī)發(fā)生碰撞，或尾噴流對其他艦載機(jī)造成傷害，目前，美軍已開始利用GPS定位技術(shù)對飛行甲板的艦載機(jī)進(jìn)行定位，借助避碰技術(shù)來提高艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)的安全性［9］。

4）飛機(jī)狀態(tài)預(yù)測和診斷，提前制定維修保障方案。

“福特”級航母上搭載新一代艦載機(jī)F－35C具備高級維護(hù)診斷能力。在F－35C著艦前，將利用自身診斷系統(tǒng)向航母傳送飛機(jī)狀態(tài)信息［10］，使航母上相關(guān)人員知道該機(jī)需要哪些維護(hù)與保障，以便在飛機(jī)著艦前就制定好維修與保障方案，待飛機(jī)進(jìn)入“一站式保障區(qū)”后，即可開始相應(yīng)的加油、掛彈和維修保養(yǎng)工作。

6 結(jié) 語

“一站式保障”是為了提高飛行甲板作業(yè)效率所采取的一種全新保障模式，其能否實(shí)現(xiàn)與艦載機(jī)、母艦總體及艦面勤務(wù)保障等相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計密切相關(guān)。

1）“一站式保障”技術(shù)離不開飛行甲板的改進(jìn)。

航母艦載機(jī)飛行甲板作業(yè)效率是艦載機(jī)出動能力的關(guān)鍵。美國海軍在航母百年發(fā)展史中不斷總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，多次對飛行甲板設(shè)計及相應(yīng)的作業(yè)方案進(jìn)行重大改進(jìn)?！耙徽臼奖Ｕ稀奔夹g(shù)是美國在使用“尼米茲”級航母20多年后，設(shè)計新一代航母“福特”級時的產(chǎn)物，與其飛行甲板設(shè)計大幅改進(jìn)緊密結(jié)合、相輔相成。因此，只有同時改進(jìn)整個飛行甲板及機(jī)庫布局設(shè)計及相應(yīng)的作業(yè)流程，才能充分發(fā)揮“一站式保障”技術(shù)的作用。

2）加大對制約作戰(zhàn)能力的瓶頸技術(shù)的攻關(guān)力度。

為提高艦載機(jī)出動架次率，美國海軍經(jīng)過多年研究，提出了“一站式保障”技術(shù)，該方案是瞄準(zhǔn)軍事需求的產(chǎn)物。因此，在進(jìn)行新航母設(shè)計時，應(yīng)緊密結(jié)合軍事需求，對于制約航母作戰(zhàn)能力的瓶頸技術(shù)，更應(yīng)加大技術(shù)攻關(guān)力度。

3）突破傳統(tǒng)思維是技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

“福特”級航母“一站式保障”技術(shù)突破了傳統(tǒng)思維（如加油、掛彈不同時進(jìn)行且在不同的區(qū)域進(jìn)行），其借用民用領(lǐng)域的賽車一站式保障概念，實(shí)現(xiàn)了飛行甲板保障技術(shù)的一次重大創(chuàng)新。

4）美國解決“一站式保障”的多項技術(shù)可供借鑒。

美國在發(fā)展航母飛行甲板“一站式保障”技術(shù)的過程中，解決了多項關(guān)鍵技術(shù)，如飛行甲板各區(qū)域的布置與協(xié)調(diào)以及同步集中作業(yè)安全，這些技術(shù)可為其他國家的航母設(shè)計提供借鑒和參考。

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Technical Features and Critical Technologies for the“Pit-Stop”Aircraft Servicing Adopted by Ford Class Aircraft Carriers

LIU Xiangchun
Ship Office，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

The“pit stop”aircraft servicing is a supporting means adopted by Ford class aircraft carriers to boost its sortie rates.In this paper，the“pit stop”technologies adopted by the Ford class is analyzed thoroughly，and its concept，workflow，technical features，and advantages are presented.On this basis，a series of critical technologies leading to the“pit stop”aircraft servicing are discussed，and the designing inspiration of its application on Ford class aircraft carriers is summarized.

“pit stop”aircraft servicing；Ford class aircraft carrier；carrier－based aircraft

U674.771

A

1673－3185（2013）06－01－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.06.001期刊網(wǎng)址：www.ship－research.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20131125.1150.012.html

2013－06－26 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2013-11-25 11:50

劉相春（1969－），男，高級工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計

劉相春

喻 菁］