“福特級”航空母艦新技術

沈臻懿

一提起航空母艦，映入人們眼簾的往往是其海上巨無霸的形象。作為現代海上作戰體積最大的移動堡壘，航空母艦不僅是一個國家大國地位的象征，更擁有極為強大的戰斗力，是一國海上軍事威懾的重要戰略力量。美國是當前擁有航空母艦數量最多的國家。載有大量戰機的核動力航空母艦，無疑是美國強大軍事實力的招牌。在各國的武器庫中，還找不出一款比航空母艦戰斗群更具有驚人戰力的進攻性武器。航空母艦能夠在遠離路基支援的戰場條件下，馳騁于占地球表面積70.8%的海洋之中，并可在數個月的時間內對特定目標展開持續攻擊。戰力如此卓越的航空母艦戰斗群顯然早已成為美國各戰區指揮官的“寵兒”。這也導致美國航空母艦在海外的戰備值班周期不斷延長。除了航空母艦戰斗群的攻擊實力外，航空母艦上所配備的各類高科技武器與裝備，也是支撐其得以馳騁深藍的重要利器。

從“尼米茲級”到“福特級”

美國當地時間2017年4月9日，全球第一艘“福特級”航空母艦福特號進行了海上測試。當天，“福特號”航空母艦被拖船從位于弗吉尼亞州的紐波特紐斯造船廠內拖出進行出海測試。作為“福特級”的首艦，“福特號”航空母艦的設計、施工和制造前后耗時十余年，總造價高達130億美元。“福特號”航空母艦原計劃于2015年正式在美國海軍服役。不過，核反應推、發電機等部件的故障問題，導致“福特號”的出海測試時間一拖再拖。美國海軍稱，“福特號”航空母艦在出海測試期間，將進行飛行甲板測試驗證等事項。待“福特號”航空母艦正式服役后，美國的核動力航空母艦將擁有11艘。作為新一代的航空母艦，美軍計劃最遲于2058年建造十艘同級航空母艦，以取代當前承擔主力任務的“尼米茲級”航空母艦。

在“福特級”正式服役前，“尼米茲級”航空母艦乃是美國海軍現役的主力航空母艦，且在數十年間中均為美軍乃至全球范圍內最大的軍艦?！澳崦灼澕墶焙娇漳概炇着灐澳崦灼澨枴弊?975年正式服役后，美先后共建造了10艘同型航空母艦?！澳崦灼澕墶焙娇漳概灳捎煤藙恿ν七M，屬于大甲板彈射型航空母艦。其設計長度為330米，寬度為40米，吃水11米，滿載排水量在10萬噸左右，可以搭載一支約70架戰機的艦載機聯隊。根據作戰任務以及性質的不同，航空母艦上搭載的作戰飛機類型也有所區別，通常包括了戰斗機、預警機、固定翼反潛機以及電子戰飛機等。每艘“尼米茲級”航空母艦都裝載有四臺蒸汽彈射器、四條攔阻索以及四座升降機，平均每20秒鐘時間即可彈射出一架艦載作戰飛機。

可以說，“尼米茲級”航空母艦戰斗群能夠控制的海域面積大、攻擊性能強，是當前世界范圍內作戰能力最為頂尖的海上機動作戰編隊。不過，航空母艦戰斗群并非僅僅只有一艘航空母艦所組成。航空母艦自身除配備少量用于自衛的武器外，其主要的武器裝備即為所搭載的各類艦載作戰飛機。這些作為重要武器裝備的作戰飛機可以對敵方的艦船、潛艇、飛機以及陸地目標等進行攻擊，直接將敵方消滅于航空母艦數千米以外的區域，并對海上艦隊進行保衛。除航空母艦所搭載的戰機外，以其為核心的戰斗群通常會由巡洋艦、驅逐艦、潛艇和補給艦等混編而成。

盡管“尼米茲級”仍是現役航空母艦中無人能匹敵的佼佼者，但其設計與制造畢竟發端于20世紀60年代，艦上的各項技術已顯得較為老舊。譬如，“尼米茲級”所使用的彈射系統、推進系統等基本均采用機械結構，不僅極為復雜可靠性較低，且需要大量人員進行操作和維護。在此背景下，新一代“福特級”航空母艦應運而生。

“福特級”航空母艦的新技術

“福特級”航空母艦從外表來看，與“尼米茲級”航空母艦并沒有較大的差異，兩者在飛行甲板上也極為接近。從數據上而言，“福特級”首艦“福特號”航空母艦長度為330米，寬度為41米，設計的滿載排水量為10萬噸，這些數據與“尼米茲級”亦相差無幾?！案Ｌ丶墶痹趪嵨缓统叽绲确矫孑^之“尼米茲級”并未有多少提升，但在艦船的電力容量、艦載機的數量、艦船故障率等諸多關鍵性指標上，“福特級”航空母艦與“尼米茲級”相比有了質的飛躍。譬如，“福特級”航空母艦搭載的艦載機聯隊數量可達到75架，大大提升了作戰飛機的出動率。通過采用全新的電磁彈射系統、電磁阻攔系統等所使用的各類前沿技術，“福特級”航空母艦真正成為了一艘適應未來戰爭環境下作戰的超級航空母艦。

電磁彈射技術的應用

航空母艦誕生之初，艦載機均是依靠自身發動機帶動螺旋槳產生拉力，進而使轟炸機或戰斗機從航空母艦飛行甲板上起飛。彼時，這種起飛方式對于以輕金屬和木質為主的螺旋槳飛機而言并非難事。不過，隨著噴氣式飛機的普及，其在短短一百多米的航空母艦甲板上的起飛，需要借助于外界的推力幫助，這也使得彈射系統隨之產生。

“尼米茲級”核動力航空母艦所使用的是蒸汽彈射系統。其由核動力裝置生成的熱能來產生蒸汽，進而推動艦載機非短距離起飛。蒸汽彈射裝置從結構而言較為復雜，包括了蒸汽系統、液壓系統、起飛系統、歸位系統、潤滑系統以及控制系統等。

艦載飛機在從航空母艦甲板上起飛前，需要由位持器鋼圈把尾部扣在一處堅固點上。當蒸汽彈射系統運作時，蒸汽由航空母艦上的鍋爐輸出，經增壓后輸入彈射裝置唯一露在飛行甲板之上的滑梭中。被位持器扣住的飛機在起飛時需要開足馬力，當蒸汽彈射系統一啟動，飛機引擎的動力加之蒸汽的壓力，令鋼圈斷開，飛機立即向前沖去，在短短數十米的距離內即可將時速提升至250公里每小時。當艦載機被彈射起飛并脫離滑梭后，滑梭回到原位，并繼續推動下一架艦載機起飛。

從數量上來說，“福特級”航空母艦與“尼米茲級”航空母艦一樣，都裝載有四部彈射器。但兩者在設計理念和技術層面上有著顯著的區別。由于艦載機在“尼米茲級” 航空母艦第四號彈射器時，其機翼已接近甲板邊緣，這也導致該級航空母艦的四號彈射器無法彈射滿載起飛的作戰飛機。為了提升艦載作戰飛機的出動能力，“福特級”航空母艦對飛行甲板的構造進行了改進，從而令其第四號彈射器能夠彈射滿載起飛的作戰飛機。

“尼米茲級”航空母艦上所用的蒸汽彈射系統，其體積和重量均較大，不僅需要消耗大量的海水，還需要大量的人力和資金進行維護和更換，這顯然不利于長時間的海上持續作戰。此外，由于在彈射過程中需要消耗大量的蒸汽，“尼米茲級”航空母艦在連續彈射出幾架滿載起飛的作戰及飛機后，其航速就會受到較大的影響，從而限制了下一個攻擊波中能夠出動的戰機的數量。蒸汽彈射系統的最大局限性，還在于其輸出功率有限?！澳崦灼澕墶焙娇漳概灢捎玫恼羝麖椛浞绞?，決定其只能彈射載重30噸以下的艦載飛機，難以滿足艦載機未來發展的方向。加之蒸汽彈射系統存在功率無法調節的限制，只能有效彈射重量較輕的無人機。若要進行強行彈射，很可能會造成飛機受力過大，從而影響其服役時限。

在此情形下，美軍在其最新型的“福特級”航空母艦采用了前沿的電磁彈射技術，以規避和完善當前“尼米茲級” 航空母艦蒸汽彈射系統所存在的實際問題。所謂電磁彈射技術，即是采用電磁的能量來推動被彈射的物體向外進行運動。電磁彈射技術的主要應用是大載荷物體的短程加速，其起步與發展相對較晚，目前在航空母艦的艦載飛機起飛彈射上已得到高度重視和應用。相較于蒸汽彈射系統，電磁彈射系統不需要使用蒸汽來驅動活塞，而是使用電來驅動。同時，電磁彈射技術的容積小、效率高、質量輕，對航空母艦上的輔助系統相對要求較低，且運行和維護的費用較為低廉。在功率損耗方面，電磁彈射系統要遠小于蒸汽彈射系統。其可控性能也優于蒸汽彈射系統。當蒸汽彈射系統的蒸汽閥門打開后，飛機起飛的彈射過程中基本無法控制。但電磁彈射的全過程均可以有效掌握，并可根據不同機型、飛機速度與負載變化等進行調整。這也使得電磁彈射技術成為了未來航空母艦發展的核心技術之一。

電磁阻攔技術的應用

除了將重型飛機送上天空外，如何能夠令艦載機順利降落在航空母艦甲板上也是一項困難重重的任務。艦載飛機在運動的航空母艦上降落，其風險之大、難度之高，被全世界公認為“刀尖上的跳舞”！通常情況下，陸地機場的跑道會長達數千米，而航空母艦上的甲板長度不會大于300米，可供利用的降落距離僅有100米。然而，艦載機降落的速度卻高達300公里每小時。在如此高的速度、如此短的距離，再加之隨時處于顛簸中的航空母艦，如果沒有航空母艦阻攔系統，現代噴氣式飛機在航空母艦上的安全著落顯然是一項難以實現的“天方夜譚”。航空母艦上安裝的阻攔系統，能夠有效幫助艦載機在極短的距離內強制制動。

“尼米茲級”航空母艦所使用的是液壓式阻攔系統。其由液壓緩沖系統、制動器具以及冷卻系統共同組成。當艦載機降落時，其機尾鉤掛上阻攔索后，阻攔索一邊利用滑輪阻尼器來減緩飛機的速度，另一方面則持續將動能轉化為壓縮空氣罐，從而令飛機趨于平穩并有效制動。不過，液壓式阻攔系統的阻攔能力較為有效，但缺乏靈活機動性。面對不同的機型降落，航空母艦上的海軍航空兵需要依靠人工對配重物進行更換，這也直接影響到了艦載機的出動頻率。如果不對液壓式阻攔系統予以適當的配重，在阻攔過程中產生的過大峰值拉力甚至可能造成飛機損壞。

為此，在全新的“福特級”航空母艦上，設計者采用了前沿的電磁阻攔技術。在這一技術中，阻攔機和電腦控制系統是最為核心的兩部分。阻攔機的構成較為簡單，包括了水力渦輪、感應電機、旋轉軸以及機械制動裝置等，在阻攔系統中起到吸能的作用。電子控制系統則包括了操作人員工作平臺、維護人員工作平臺以及動態子系統。該系統可以精準地對飛機阻攔著艦的即時受力情況進行分析和控制，并反饋給電動機后施予阻攔索合適的拉力，從而令艦載機在阻攔著艦的過程中能夠獲得更為平穩的力，進而也可控制艦載機在飛行甲板上制動的距離。作為電磁阻攔系統中的重要一環，阻攔索采用了新型輕質合成纜索，這不僅可以減少結構載荷，降低系統慣性，并可由此縮小滑輪減震裝置的尺寸。

電磁阻攔技術的工作方式主要可以分為兩個環節。第一個環節也就是初始接觸階段時，艦載機的機尾鉤一旦與阻攔索相接觸后，其就會牽動阻攔索，進而帶動換輪索牽出，并令旋轉軸轉動。這一工作的關鍵，是為了令艦載機和阻攔索之間得以平穩接觸。在實現了第一環節的既定目標后，第二環節則是如何對于艦載機的動能吸收。艦載機在降落時，其自身帶有極大的動能。電磁阻攔系統中的水力渦輪、感應電機和摩擦制動器就是為了吸收艦載機的動能。通常情況下，水力渦輪和感應電機正常工作，即可吸收艦載機的動能，并實現飛機的安全著艦?？墒且坏┌l生水力渦輪或感應電機不能正常工作，阻攔機的摩擦制動器就作為備用的吸能裝置，以保障電磁阻攔系統的安全、可靠。較之液壓式阻攔系統，電磁阻攔系統更為簡潔、可靠，且無需大量的人力、物力進行維護，令其維護成本得以大幅度降低。

無論是電磁彈射技術，還是電磁阻攔技術，都是用于提升航空母艦戰斗力的關鍵技術和措施。考慮到航空母艦在未來會搭載有各類無人飛機，前述新技術的應用，也可為未來航空母艦的發展奠定重要基礎。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com