霸權(quán)的“鐵爪”—美國航母技術(shù)掃描

柳正龍

霸權(quán)的“鐵爪”—美國航母技術(shù)掃描

柳正龍

美國擁有世界上最強(qiáng)大的航母艦隊(duì)，在當(dāng)前世界上不到20艘的航母中，美國擁有10艘，均為尼米茲級(jí)航母，是排水量達(dá)10萬噸的巨無霸，并且正在發(fā)展的新一代福特級(jí)航母，性能將進(jìn)一步提升。

在航母技術(shù)方面，美國自二戰(zhàn)以后就執(zhí)航母技術(shù)發(fā)展之牛耳，在航母彈射與回收、進(jìn)近著艦等方面均擁有世界最先進(jìn)的技術(shù)。

彈射技術(shù)

蒸汽彈射器 蒸汽彈射器由英國在20世紀(jì)50年代發(fā)明，后由美國引進(jìn)并不斷改進(jìn)，當(dāng)前的應(yīng)用對(duì)象包括美國尼米茲級(jí)航母、法國的戴高樂號(hào)航母、巴西的圣保羅號(hào)航母，共12艘。

美國海軍目前應(yīng)用的最先進(jìn)蒸汽彈射器是C-13-2型（低壓蒸汽彈射器）。C-13-1型比C-13-0型增加了汽缸長度，C-13-2型比C-13-1型增大了汽缸內(nèi)徑。C-13-1型可將約27噸的艦載我機(jī)加速至175千米／小時(shí)，C-13-2型可將約27噸的艦載機(jī)加速至254千米／小時(shí)。

電磁彈射器 蒸汽彈射器的裝艦時(shí)間長，技術(shù)發(fā)展成熟，對(duì)航母的發(fā)展和能力提高作出了巨大的貢獻(xiàn)，但是，蒸汽彈射器自身也存在許多不可克服的缺點(diǎn)：一是蒸汽彈射器維護(hù)困難，蒸汽彈射器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且多由不規(guī)則構(gòu)件組成，特別是蒸汽和水壓設(shè)備，其維護(hù)工作歷來都被認(rèn)為是“惡夢(mèng)”；二是蒸汽彈射系統(tǒng)需要大量的維護(hù)人員并且勞動(dòng)強(qiáng)度很大，運(yùn)行起來費(fèi)用高昂；三是蒸汽彈射器能夠彈射的飛機(jī)類型有限，雖然蒸汽彈射器最大彈射能力足夠當(dāng)前飛機(jī)使用，但它在低能范圍內(nèi)受到極大的限制，很難彈射較輕的無人機(jī)；四是蒸汽彈射器用高壓推動(dòng)飛機(jī)起飛，會(huì)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生不必要的應(yīng)力，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)受到破壞，影響飛機(jī)的使用壽命。

由于蒸汽彈射器存在以上缺陷，美國海軍開始研發(fā)電磁彈射器，安裝于新一代福特級(jí)航母上。電磁彈射器是利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力，帶動(dòng)飛機(jī)加速到起飛速度的裝置。

美國在20世紀(jì)40年代曾探索電磁彈射器技術(shù)，如威斯汀豪斯公司研發(fā)了“電力彈射裝置”樣機(jī)，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不成熟且成本過高而無法工程化。20世紀(jì)80年代，美國重新開始研制電磁彈射器。

電磁彈射器項(xiàng)目組于2012年前共進(jìn)行了129次飛機(jī)彈射試驗(yàn)（包括F/A-18E超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)、T-45C蒼鷹艦載機(jī)、C-2A灰狗運(yùn)輸機(jī)和E-2D先進(jìn)鷹眼預(yù)警機(jī)），完成了第1階段艦機(jī)適配性試驗(yàn)。2013年美海軍開始第2階段的飛機(jī)彈射試驗(yàn)，該階段試驗(yàn)?zāi)M不同航母工況，包括偏心彈射和設(shè)定系統(tǒng)故障彈射，從而驗(yàn)證飛機(jī)能否達(dá)到起飛末速度，驗(yàn)證臨界彈射可靠性。6月25日，成功彈射EA-18G咆哮者電子戰(zhàn)機(jī)。2013年電磁彈射器技術(shù)成熟度達(dá)到6級(jí)，在完成艦載機(jī)適配性和環(huán)境試驗(yàn)后，2014財(cái)年計(jì)劃達(dá)到7級(jí)。

美國電磁彈射器的最大能力約為122兆焦，比C-13-2型蒸汽彈射器的101.69兆焦大20%，峰-均推力比可控制在1.05以內(nèi)，并能夠通過調(diào)節(jié)電流，對(duì)彈射力進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，滿足彈射重型艦載機(jī)和輕質(zhì)艦載機(jī)的需要。但美國電磁彈射器體積已達(dá)1061.4立方米，重量達(dá)630噸，未能達(dá)到美國海軍體積不超過425立方米，重量不超過225噸的要求。

美軍日常維護(hù)蒸汽彈射器

福特級(jí)航母先進(jìn)阻攔裝置系統(tǒng)

阻攔技術(shù)

液壓阻攔裝置 艦載機(jī)阻攔裝置經(jīng)歷了重力型、彈簧型和液壓型的發(fā)展，直到今天的美國Mk7型阻攔裝置，Mk7型阻攔裝置包括正常使用的阻攔索和應(yīng)急的攔機(jī)網(wǎng)，其功用是吸收和耗散著艦飛機(jī)的動(dòng)能。

液壓阻攔裝置工作時(shí)，著艦艦載機(jī)通過阻攔索把柱塞推入阻攔機(jī)的液壓缸，迫使液壓缸中的流體通過定長沖跑控制閥流入蓄液缸，直至艦載機(jī)完成平穩(wěn)及可控的著艦回收。

美國航母采用的是Mk7型阻攔裝置，其航母上配備的型號(hào)有Mk7 Mod2型、Mk7 Mod3型、Mk7 Mod4型以及“先進(jìn)回收控制”系統(tǒng)。Mk7 Mod3型、Mk7 Mod4型阻攔能力較強(qiáng)，擁有64.4兆焦的吸能能力。Mk7 Mod2設(shè)計(jì)可阻攔重22噸、接合速度為120節(jié)的飛機(jī)，阻攔距離約94.49米。Mk7 Mod3（Mod4）設(shè)計(jì)可阻攔22噸重，接合速度為130節(jié)的飛機(jī)，阻攔距離為約103.62米。

2007年，美國在里根號(hào)航母上安裝了先進(jìn)回收控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Mk7 Mod4型阻攔裝置的基礎(chǔ)上加入了計(jì)算機(jī)控制，這是美國在航母上配備的第一套數(shù)字控制的飛機(jī)回收系統(tǒng)。

先進(jìn)回收控制系統(tǒng)利用精確的數(shù)字控制替代目前維護(hù)工作量繁重的系統(tǒng)，具備計(jì)算機(jī)反饋、增強(qiáng)型圖顯、可編程阻攔剖面和冗余的電子控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可精確控制阻攔過程。該裝置將顯著改進(jìn)美國海軍艦載機(jī)阻攔自動(dòng)化程度和控制，將使阻攔過程更精確，并改善系統(tǒng)性能，以滿足艦隊(duì)未來的需求。

渦輪電力阻攔裝置 Mk7型阻攔機(jī)存在機(jī)械化時(shí)代的笨重、能耗高、可承受性差、需要維護(hù)運(yùn)行人員多等特征。進(jìn)入21世紀(jì)信息化時(shí)代后，新研制航母需要克服機(jī)械化時(shí)代的缺點(diǎn)，發(fā)展具有信息化時(shí)代靈活性高、智能化、省人省力、可承受性好、通用性佳等特征的飛機(jī)回收系統(tǒng)。因此，美國海軍研制了自動(dòng)化、電氣化程度更好的渦輪電力阻攔裝置，并安裝于福特級(jí)航母。

渦輪阻攔裝置是一種渦輪電力系統(tǒng)，最重要的構(gòu)件是阻攔機(jī)和軟件控制系統(tǒng)。其中阻攔機(jī)由水力渦輪、帶一定慣量的錐形鼓輪、機(jī)械制動(dòng)裝置、感應(yīng)電機(jī)和連接以上部件的旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成；軟件控制系統(tǒng)能夠?qū)ψ钄r過程實(shí)施精確控制，使飛機(jī)獲得恒定的受力，并控制飛機(jī)停留在甲板上的位置。先進(jìn)阻攔裝置能夠回收輕質(zhì)無人機(jī)，運(yùn)行更可靠。此外，還具備人員需求少、維護(hù)工作量少、保障費(fèi)用低、安全性更高等優(yōu)點(diǎn)。

渦輪阻攔裝置發(fā)由美國通用原子公司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，2003年，美國海軍正式授予該公司研發(fā)合同。2005年2月，美國海軍授予先進(jìn)阻攔裝置主承包商合同，預(yù)示先進(jìn)阻攔裝置的研制取得重大突破，有望取代液壓阻攔裝置。美國海軍計(jì)劃將這種裝置安裝到福特級(jí)和尼米茲級(jí)航母上。渦輪電力阻攔裝置可在艦載機(jī)以45～87米/秒(162～313千米/小時(shí))的速度著艦時(shí)，以12～95兆焦的能量將其減速。

渦輪阻攔裝置擁有如下優(yōu)點(diǎn)：可靠性更高，有助于提高艦載機(jī)的安全性；更適合于阻攔更重的艦載機(jī)和輕質(zhì)無人機(jī)；降低艦載機(jī)阻攔過程中受到的應(yīng)力波動(dòng)，延長艦載機(jī)壽命；嵌入維修輔助系統(tǒng)，可以更及時(shí)、方便地實(shí)施維修。

隨著未來航母向電氣化方向發(fā)展，阻攔技術(shù)也將逐步擺脫液壓時(shí)代的典型特征，向電氣化、自動(dòng)化方向發(fā)展，渦輪阻攔裝置可能代表著未來的發(fā)展方向。

渦輪阻攔裝置具備阻攔更輕質(zhì)艦載機(jī)的能力，符合未來輕質(zhì)無人機(jī)上艦的需要，滿足未來的作戰(zhàn)需求。

菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)

助降技術(shù)

著艦引導(dǎo)技術(shù)是航母艦載機(jī)進(jìn)場(chǎng)和安全著艦的重要保障，包括光學(xué)助降技術(shù)和電子助降技術(shù)。這兩種技術(shù)中，電子助降的作用范圍更遠(yuǎn)，光學(xué)助降僅在飛行員可視范圍內(nèi)作用。當(dāng)艦載機(jī)到達(dá)兩個(gè)系統(tǒng)作用范圍重疊區(qū)內(nèi)后，電子助降信息和光學(xué)助降信息可以為飛機(jī)安全著艦提供“雙保險(xiǎn)”。

光學(xué)助降系統(tǒng) 光學(xué)助降技術(shù)是航母幫助飛行員準(zhǔn)確定位進(jìn)場(chǎng)和著艦路線，使艦載機(jī)安全著艦的目視保障技術(shù)。

20世紀(jì)60年代美國研制了菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)，后者廣泛應(yīng)用在國外航母上。20世紀(jì)90年代末，美國研制了改進(jìn)型菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)，用于替代菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)，并于2001年—2004年安裝到美國海軍各艘航母上。美國還研制了作用距離較遠(yuǎn)的激光助降系統(tǒng)，于2001年—2003年期間安裝到各艘航母上，成為改進(jìn)型透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。

改進(jìn)型菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)與菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點(diǎn)是使駕駛員在離觸艦點(diǎn)更遠(yuǎn)處（白天為1.61千米，夜間通常為1.93～2.41千米）就能收到更準(zhǔn)確的下滑坡道信息。這通過將透鏡高度從1.27米增加到1.83米、燈箱由5個(gè)增加到12個(gè)，并采用光學(xué)纖維和印刷電路板實(shí)現(xiàn)，使同樣距離內(nèi)下滑坡道信息更敏感，使駕駛員更精確和更早看到光球的移動(dòng)，從而能更快地做出修正動(dòng)作。改進(jìn)型菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)的另外一項(xiàng)改進(jìn)是提高了系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性，用透鏡運(yùn)動(dòng)去補(bǔ)償艦的運(yùn)動(dòng)，而不需要整個(gè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)的作用距離只有約0.75海里（改進(jìn)型菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)有效作用距離約為1.25海里），當(dāng)?shù)玫竭@些系統(tǒng)的指示時(shí)，飛行員調(diào)整飛機(jī)的時(shí)間較短，約為18秒左右，尤其在夜晚和能見度差的白天特別容易產(chǎn)生較大的下滑角偏差，僅依靠光學(xué)助降系統(tǒng)調(diào)整艦載機(jī)更顯倉促。

激光助降系統(tǒng)可提供遠(yuǎn)程精確目視進(jìn)場(chǎng)引導(dǎo)，特別是夜間飛行時(shí)，可在距離航母10海里處（最遠(yuǎn)甚至可達(dá)15海里）開始為艦載機(jī)飛行員提供光學(xué)對(duì)中和下滑信息，使飛行員有充足的時(shí)間調(diào)整艦載機(jī)，大幅度提高了著艦安全性和成功率。該系統(tǒng)使用激光作為光源，激光束衍射非常少，形成的進(jìn)場(chǎng)航路邊緣非常清晰，有利于飛行員辨認(rèn)，可以迅速判別艦載機(jī)是否偏離航道。

電子助降系統(tǒng) 電子助降系統(tǒng)包括戰(zhàn)術(shù)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)和進(jìn)場(chǎng)著艦系統(tǒng)。

美國海軍航母的進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)配置為：1部塔康戰(zhàn)術(shù)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、1部SPN-41進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)、2部SPN-43交通管制雷達(dá)、1部SPN-44測(cè)速雷達(dá)、2部SPN-46著艦控制雷達(dá)。塔康為飛機(jī)提供無線電返航的方位和距離信息；SPN-43C航母進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)將歸航的飛機(jī)引導(dǎo)到距航母艦尾7～93千米之間的某個(gè)集合點(diǎn)處，根據(jù)飛機(jī)燃油和安全狀態(tài)確定著艦優(yōu)先次序，然后再將其引導(dǎo)至距航母7千米處的著艦雷達(dá)（SPN-42或SPN-46雷達(dá)）捕獲窗處。

美國現(xiàn)有的進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)存在以下問題：精度不夠高，不能很好的解決艦載機(jī)與航母飛行甲板精確同步的問題，不利于艦載機(jī)穩(wěn)定、精確的著艦；艦載雷達(dá)系統(tǒng)體積龐大，不能很好的利用艦上空間，不利于裝載上艦；抗干擾，特別是抗電子戰(zhàn)能力差，在要求無線電靜默狀態(tài)下不能工作。因此，美國海軍開始研制新的進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)——聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)。

聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)于2001年7月利用F/A-18飛機(jī)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了首次自動(dòng)著艦試驗(yàn)。據(jù)稱，海軍型聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)性能已經(jīng)趕上或者超過了目前相應(yīng)的系統(tǒng)。美國將在福特級(jí)航母上采用該系統(tǒng)，北約也正在考慮采用聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)。

聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)是一個(gè)軍用的、全天候的精確著艦系統(tǒng)，它使用差分GPS為飛機(jī)提供全世界范圍內(nèi)的陸地或者海上降落的能力。聯(lián)合精確進(jìn)場(chǎng)與著艦系統(tǒng)有助于提高美國部隊(duì)的聯(lián)合作戰(zhàn)能力，使其在不同氣象條件下完成固定基地、戰(zhàn)術(shù)、特殊任務(wù)和艦載著陸。此外，它還能滿足作戰(zhàn)無人機(jī)的著艦引導(dǎo)需求。

A4W/A1G型壓水堆

福特號(hào)航母構(gòu)造圖

動(dòng)力技術(shù)

美國航母核動(dòng)力裝置經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。目前10艘尼米茲級(jí)航母均采用核動(dòng)力。其中，（CVN68～77）采用A4W/A1G型壓水堆，每艦2堆，4軸，總軸功率280000馬力。

美國福特級(jí)航母也采用核動(dòng)力，但現(xiàn)有A4W/A1G型反應(yīng)堆難以滿足新的電力需求；另外現(xiàn)用反應(yīng)堆需要維護(hù)人員較多，全壽期費(fèi)用較高。因此，美國為福特級(jí)航母研制了新型A1B型反應(yīng)堆。

A1B型反應(yīng)堆布置更緊湊，功率比尼米茲級(jí)航母反應(yīng)堆提高25%，整艘航母發(fā)電能力為尼米茲級(jí)航母的2.5～3倍，達(dá)160兆瓦以上（尼米茲級(jí)航母發(fā)電能力為64兆瓦），能提供更充足的電力，滿足電磁彈射器以及未來高能武器上艦的需求。新反應(yīng)堆簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和自動(dòng)化程度，可大幅減少維護(hù)工作量。該級(jí)航母計(jì)劃把艦員從尼米茲級(jí)的3000余名削減至2500人，主要削減反應(yīng)堆部門與航空部門，其中反應(yīng)堆部門人員將削減至尼米茲級(jí)航母的一半。

責(zé)任編輯：劉靖鑫