美國航母飛行甲板演變及設(shè)計思想研究

李景熹

(海軍裝備部艦船辦，北京，100071)

美國航母飛行甲板演變及設(shè)計思想研究

李景熹

(海軍裝備部艦船辦，北京，100071)

飛行甲板是航母艦載機起降、調(diào)運、保障、布列最重要的作業(yè)場所，其設(shè)計工作在航母總體設(shè)計中占有重要地位，很大程度上決定了艦載機出動回收保障能力和航母綜合作戰(zhàn)效能。本文針對美國海軍二戰(zhàn)后至今研制的 5 型航母，分析其飛行甲板布局演變過程，梳理總結(jié)美國航母飛行甲板設(shè)計思想和啟示。

航母；飛行甲板；設(shè)計思想

0 引 言

飛行甲板是航母艦載機飛行活動的中心，數(shù)十架艦載機要在不到陸上機場1/10面積的飛行甲板上進行頻繁的起飛、回收，以及充、填、加、掛等保障作業(yè)，要求飛行甲板的設(shè)計不僅能保障艦載機作業(yè)安全可靠地進行，還要把“最危險的機場”組織得有條不紊，實現(xiàn)艦載機群高效的出動回收，因此對飛行甲板的設(shè)計提出了極高要求，在航母總體設(shè)計中占有極其重要的地位。航母飛行甲板設(shè)計的進步在很大程度上代表了航母技術(shù)的進步。本文通過比較美國海軍二戰(zhàn)后至今研制的 5 型航母飛行甲板的演變過程，分析美國航母飛行甲板設(shè)計思想，并提出相關(guān)啟示。

1 二戰(zhàn)后美國海軍航母研制概況

從二戰(zhàn)結(jié)束至今，美國相繼研制了“福萊斯特”級、“小鷹”級、“企業(yè)”級、“尼米茲”級，以及新一代“福特”級等 5 型航母，逐步走出了一條平臺大型化、核動力化，保持相當數(shù)量規(guī)模、不斷采用新技術(shù)的航母發(fā)展道路[1]。

“福萊斯特”級滿載排水量70 000 t，是美國第一型大型航母，典型配置搭載72架艦載機，首艦1955年服役，總計建造4艘。該級航母首次采用斜角甲板，蒸汽彈射器、光學助降系統(tǒng)等設(shè)備，奠定了現(xiàn)代大型航母的發(fā)展基礎(chǔ)。

“小鷹”級滿載排水量80 000 t，是美國最后一級常規(guī)動力航母，典型配置搭載71架艦載機，首艦1961年服役，總計建造4艘。“小鷹”級船型、主尺度、排水量、動力裝置等與“福萊斯特”級基本相當，但在飛行甲板布置、艦島、防空武器、電子設(shè)備、艦載機配置等方面做了較大改進。

“企業(yè)”級滿載排水量90 000 t，是美國第一型核動力航母，采用8座反應(yīng)堆，典型配置搭載71架艦載機，首艦1961年服役，總計建造1艘。該級航母為后續(xù)美國核動力航母發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

“尼米茲”級航母滿載排水量100 000 t，采用2座反應(yīng)堆，典型配置搭載71架艦載機，首艦1975年服役，總計建造10艘。與“企業(yè)”級相比，“尼米茲”級在核動力裝置、電子設(shè)備、艦載機等性能方面有了長足進步，是美國 40 余年來彰顯海上霸權(quán)的最有力武器。

“福特”級航母滿載排水量100 000 t，典型配置可搭載不少于76架艦載機，采用2座反應(yīng)堆，首艦擬于2017年服役，計劃以每5年 1 艘的速度建造12艘。“福特”級航母采用新型核動力裝置、電磁彈射器、渦輪電力阻攔裝置、聯(lián)合精確進近著艦系統(tǒng)等十幾項新技術(shù)，艦載機出動架次率比“尼米茲”級高25%以上。

美國航母飛行甲板設(shè)計基本情況見表1，總體布局對比見圖1[2–4]。

表1 美國航母飛行甲板設(shè)計情況表Tab.1 The design of U.S. aircraft carriers flight deck

2 美國航母飛行甲板設(shè)計思想分析

飛行甲板設(shè)計的首要任務(wù)，在于盡最大可能減少艦載機起降、調(diào)運、保障、布列作業(yè)之間的干涉，確保作業(yè)安全、提高作業(yè)效率。通過對美國航母飛行甲板設(shè)計情況的分析，可總結(jié)出其遵循的設(shè)計思想及發(fā)展趨勢。

2.1 設(shè)置斜角甲板，使起飛區(qū)、著艦區(qū)相對獨立，提高艦載機起降作業(yè)效率和安全性

“福萊斯特”號航母設(shè)計之初，斜角甲板概念還未被提出，其飛行甲板采用平甲板無艦島設(shè)計，作業(yè)區(qū)域總體布局如圖1所示；開工建造過程中，美軍引入帶有斜角甲板的全新飛行甲板設(shè)計，作業(yè)區(qū)域總體布局如圖2所示[2]。通過對比可看出，“福萊斯特”號航母設(shè)置斜角甲板后：

1）在設(shè)計上首次實現(xiàn)艦載機起飛區(qū)、降落區(qū)相對獨立，使得起飛、降落作業(yè)理論上可以互不干涉，為航母同時進行艦載機起降作業(yè)創(chuàng)造了必要條件；

2）為著艦失敗的艦載機提供了“觸艦復(fù)飛”的選擇，徹底改變了以往艦載機著艦“不成功、就失敗”且可能由于沖入艦首機群導(dǎo)致整個飛行甲板巨大災(zāi)難的困局，大幅提高了著艦作業(yè)安全性；

3）為簡化系統(tǒng)設(shè)備配置創(chuàng)造了有利條件，特別是與起降作業(yè)安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備，如阻攔索從原設(shè)計狀態(tài)的14道減為4道，節(jié)省的資源可用于提高出動回收保障能力。基于上述顯著優(yōu)勢，自“福萊斯特”級開始，世界各國搭載常規(guī)起降艦載機的航母均采用斜角甲板設(shè)計，奠定了現(xiàn)代航母飛行甲板總體布局的基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)計“中部三角區(qū)”，盡可能提高艦載機調(diào)運效率

“中部三角區(qū)”是指艦首彈射區(qū)與斜角甲板區(qū)所夾的三角形區(qū)域，如圖2所示。這個區(qū)域可在不影響艦首彈射與斜角甲板降落作業(yè)的情況下，用于停放與調(diào)運艦載機。

此外，通過對比分析可以看出艦島和飛機升降機布局有如下變化：

1）艦島位置逐步由艦中向艦尾后移（見表1和圖1）。艦島靠近尾部布置可以在艦島前空出大片停機區(qū)，減少了艦載機繞過艦島向艦尾調(diào)運作業(yè)的需求，但位置過于靠后不利于操艦，產(chǎn)生的艦尾紊流還可能影響艦載機著艦。

2）艦島小型化趨勢明顯，特別是“福特”級航母，擁有自“企業(yè)”級以來最緊湊的艦島設(shè)計，主要的雷達天線直接貼附在艦島結(jié)構(gòu)表面，無需設(shè)置安裝平臺，因而艦島結(jié)構(gòu)可大幅縮小（見表1和圖3[5]）。艦島小型化可節(jié)省寶貴的飛行甲板面積，降低對艦載機艦面作業(yè)的影響，提高艦載機作業(yè)效率，但艦島過小也會增加電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計難度。

3）右舷飛機升降機圍繞艦島的布局，從“一前兩后”向“兩前一后”，甚至“兩前零后”轉(zhuǎn)變（表1和圖1）。“舯部三角區(qū)”大部分區(qū)域位于艦島前方，按此設(shè)計思路配置飛機升降機，可充分發(fā)揮飛機升降機使用效益，有效提高該區(qū)域艦載機出入機庫的調(diào)運效率。

2.3 統(tǒng)籌規(guī)劃艦面保障區(qū)、艦載機布列區(qū)及彈藥轉(zhuǎn)運區(qū)布局，進一步提高艦載機出動回收保障作業(yè)效率

艦載機著艦后，需進行加油、掛彈、維修保養(yǎng)等作業(yè)才能再次出動。從“福萊斯特”級到“尼米茲”級航母均采用傳統(tǒng)保障模式，即艦載機著艦后，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)。按此方案，艦載機從著艦到重新起飛需轉(zhuǎn)換4～5個工作區(qū)域，增加了調(diào)運環(huán)節(jié)，降低了作業(yè)效率，減少了出動架次。

為解決上述問題，美軍持續(xù)改進飛行甲板設(shè)計及保障作業(yè)模式：

1）采用“一站式保障”方案，在飛行甲板設(shè)置“一站式保障區(qū)”。“福特”號航母設(shè)置了18個“一站式保障區(qū)”，如圖4所示。艦載機可在“一站式保障區(qū)”停駐并原位完成加油、掛彈、維修等所有保障作業(yè)，隨后自主滑行至彈射起飛位升空作戰(zhàn)[6]。

2）武器升降機位置由艦首彈射起飛區(qū)底部、艦中三角調(diào)運區(qū)底部，移至右舷艦載機停放區(qū)。從“福萊斯特”級到“尼米茲”級，美國航母武器升降機基本沿飛行甲板中心線布置在艦首彈射起飛區(qū)底部、艦中三角調(diào)運區(qū)底部（見圖1和表1）。這種設(shè)計方案雖然可提高彈藥貯運安全性，但對艦載機起飛、調(diào)運作業(yè)有一定影響。根據(jù)“尼米茲”級航母使用經(jīng)驗，彈藥轉(zhuǎn)運、掛載作業(yè)是制約艦載機出動架次率提高的重要因素，因此“福特”級航母對彈藥貯運系統(tǒng)進行了改進設(shè)計，武器升降機布置在右舷艦載機停放區(qū)，避開了彈射起飛區(qū)、三角調(diào)運區(qū)，可提高艦載機出動回收保障作業(yè)效率。

2.4 圍繞提高艦載機出動架次率目標，從結(jié)構(gòu)、布置、系統(tǒng)設(shè)備方面，不斷改進飛行甲板相關(guān)設(shè)計

在優(yōu)化飛行甲板總體設(shè)計的同時，美軍圍繞提高艦載機出動架次率核心目標，還從改善艦面氣流場、提高相關(guān)設(shè)備性能指標等方面，不斷改進飛行甲板相關(guān)設(shè)計。

1）調(diào)整優(yōu)化斜角甲板、左舷外張甲板角度。斜角甲板的斜角越大，航母航行方向與飛行員所要降落的斜角甲板中線方向差距越大，將會增加飛行員駕機對正斜角甲板的困難，且受飛機降落作業(yè)艦首方向紊亂氣流的影響也越大。為改善艦首方向氣流對降落作業(yè)的影響，“尼米茲”級還將斜角甲板的斜角從前期各級的10o～11o調(diào)減至9.5o。另外，從“尼米茲”級開始，左舷外張甲板前緣內(nèi)側(cè)開始向前延伸，并以更銳利的角度與艦首甲板結(jié)合，以便改善甲板上的氣流（見圖1）。

2）提高阻攔索、飛機升降機等設(shè)備性能指標。基于美軍飛行員訓練水平的提高以及阻攔裝置性能的改進，從“尼米茲”級第9艘開始，美國航母阻攔索數(shù)量由4根減為3根（見圖1）。優(yōu)化飛機升降機形狀，“福萊斯特”級為長方形；“小鷹”、“企業(yè)”、“尼米茲”級搭載機體較長的艦載機，飛機升降機為不規(guī)則五邊形；“福特”級則演變?yōu)樘菪危蛇M一步提高飛機進出升降機的便利性，如圖5所示[5]。

3 總結(jié)及展望

2.1 飛行甲板設(shè)計遵循的基本原則

從以上分析中可歸納出美國航母飛行甲板設(shè)計基本原則如下：

1）相對獨立、減少干涉原則。設(shè)計工作中應(yīng)以提高艦載機出動回收保障能力和安全性為目標，在空間（總體布置）、時間（作業(yè)流程）、資源（系統(tǒng)配置）等方面，使艦載機起降、調(diào)運、保障、布列作業(yè)之間相對獨立，盡可能減少干涉。

2）集中保障、減少調(diào)運原則。飛行甲板上大部分調(diào)運工作是為完成保障作業(yè)，或者是在著艦區(qū)、停機區(qū)、起飛區(qū)之間的往復(fù)調(diào)度，應(yīng)提高保障設(shè)備能力、集中統(tǒng)籌保障、優(yōu)化指揮控制流程等措施，盡可能減少低效益調(diào)運作業(yè)，提高出動回收架次率。

3）系統(tǒng)考慮、迭代優(yōu)化原則。飛行甲板設(shè)計牽涉航母總體及各主要系統(tǒng)，是典型的系統(tǒng)工程問題，需要母艦多個系統(tǒng)和艦載機多方面的改進優(yōu)化，片面強調(diào)母艦或艦載機某方面需求或某方面能力要求，可能會使整個設(shè)計工作失去平衡，只有系統(tǒng)考慮、迭代優(yōu)化，才有可能逐步實現(xiàn)提高出動回收保障能力的目標。同時，飛行甲板設(shè)計也是總體設(shè)計思想的外在體現(xiàn)，與機庫、升降機、彈藥庫和大量航空相關(guān)保障功能等多方面的設(shè)計緊密關(guān)聯(lián)。

3.2 展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，航母飛行甲板設(shè)計未來也將圍繞提高飛行作業(yè)效率和安全性的核心目標不斷更新。

1）總體布局方面。自應(yīng)用斜角甲板以來，航母飛行甲板總體布局在60余年間未有大的變化。無艦島、雙斜角甲板，雙層飛行甲板等設(shè)計方案，始終停留在概念研究階段。未來隨著無人機逐步上艦應(yīng)用、艦載機垂直起降等技術(shù)的進步，以及航母作戰(zhàn)使用樣式的發(fā)展，必將推動飛行甲板總體布局設(shè)計工作的持續(xù)優(yōu)化。

2）系統(tǒng)設(shè)備方面。隨著電磁彈射、渦輪電力阻攔、全自動著艦引導(dǎo)、先進飛機升降機、武器升降機等系統(tǒng)設(shè)備上艦應(yīng)用，以及自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，艦載機出動回收保障能力將得到進一步提高，必將對飛行甲板設(shè)計工作提出新的要求，對航母的演進產(chǎn)生積極影響。

[1]劉相春. 國外航母與艦載機速查手冊[M]. 北京: 海潮出版社, 2013.

[2]張明德. 美國超級航母發(fā)展史[J]. 海陸空天慣性世界 (增刊), 2013: 192–242, 292–332, 441–467.

[3]劉麗蘋, 戰(zhàn)海青, 楊成舜. 世界航空母艦全史圖鑒[M]. 青島:青島出版社, 2009.

[4]俞東海, 田小川. 世界現(xiàn)役航空母艦[M]. 北京: 解放軍出版社, 2007.

[5]張明德. 美國超級航母發(fā)展史[J]. 海陸空天慣性世界, 2014(7).

[6]劉相春. 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[J]. 中國艦船研究, 2013(6): 1–5.

Research on the design philosophy and evolution of the U.S. aircraft carrier flight deck

LI Jing-xi
(Ship Office, Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China)

Flight deck of aircraft carrier is the most important location for aircraft operations such as launching and recovery, handling, supporting and laying. The design of flight deck is of great importance in the aircraft carrier design, which is greatly related to the sortie rate and combat efficiency. In the paper, we have analyzed the evolution of the flight deck design by comparing the five classes of aircraft carriers constructed by the US navy after the World War . The design philosophy is discussed and concluded.

aircraft carrier；flight deck；design philosophy

U674.771

A

1672 – 7619(2017)06 – 0153 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.032

2017 – 04 – 08

李景熹(1979 – )，男，博士，工程師，研究方向為艦船總體研究與設(shè)計。