美軍航母艦載機出動回收能力和飛行甲板控制策略探討

陳小飛，時立攀，畢玉泉

(海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041)

0 引 言

美軍現役大型航母飛行甲板面積均在18 000 m2以上，一般停放約50 架左右艦載機，機庫則停放約20 架艦載機[1]。其中，“尼米茲”級航母出動回收能力可高達每12 小時120 架次，或每天24 小時240 架次；在1997 年“尼米茲”航母高峰出動演習中，出動架次率高達24 小時279 架次[2]；而最新“福特”級航母據稱最高可持續30 天每天12 小時出動回收220 架次，或持續4 天每天24 小時連續作業出動回收310 架次。美軍航母為什么能實現如此規模的出動回收能力？定性的研究認為，美軍艦載機維護性能好，航母飛行甲板大，采用了更先進的航空保障裝置，且保障資源充分[3]；尤其是“福特”級還引入了一站式保障的概念、優化了保障資源配置[4]。國內學者圍繞美軍航母艦載機出動架次率，采用數學仿真和優化的方法開展了大量的研究[5–7]，但研究重點在驗證數學方法，所得結論對航母航空保障能力發展指導價值較弱。美軍航母出動回收能力不僅是航母艦機適配性研究中重要環節[8]，其背后隱藏的甲板控制策略也是航空保障能力發展的重要借鑒，這方面目前還缺乏系統地探索。本文將依托調度模型臺進行艦載機出動回收作業推演，進而探討其艦載機出動回收能力和飛行甲板控制策略。

1 航母艦載機出動回收推演

1.1 調度模型臺與調度推演

圖1 “尼米茲”級航母飛行甲板分區Fig.1 Flight deck of Nimitz class carrier

調度模型臺是航母開展艦載機航空保障的調度指揮、狀態標記和展示的輔助工具[10]，主要由航母飛行甲板模型板（Ouija Board）和艦載機模型組成。美軍“尼米茲”級航母飛行甲板如圖1 所示。艦首自“胯部”和“交點”向前可停放2～3 列艦載機；島前飛機升降機、“圍欄”、“交點”等右舷邊可停放1 列艦載機；島前Sixpack 區域可停放1 列4～6 架艦載機，“大街”則是島前艦載機、車輛和人員等移動通道；這些區域都可以作為阻攔回收艦載機臨時停機區。艦島左側和后方“垃圾場”用于停放旋翼直升飛機、車輛和雜物；艦島右側用于儲備待發機載彈藥；3 號飛機升降機、“天井”、艦尾、“指尖”、4 號飛機升降機等位置可停放一圈待出動艦載機。

基于調度模型臺對艦載機出動回收進行推演，形式簡單，結果直觀，是分析研究美軍航母運作經驗的重要方式。

1.2 推演條件

取美艦載機聯隊編制為：4 個戰斗攻擊機中隊，20 架F-35C、24 架FA-18E/F；1 個電子戰中隊，5 架EA-18G。此外，還有11 架MH-60 直升飛機，6 架X-47B 無人戰斗機，5 架E-2D 預警機。在航母上設6 個飛行甲板轉運小組、8 個加油小組、4 個戰斗機中隊掛彈大組、1 個電子吊艙/掛彈小組、1 個反潛彈藥保障小組，其中，每個加油小組可同時服務2 架艦載機，每個掛彈大組可拆分成2 個掛彈小組[11]。

參考1997 年“尼米茲”號高峰出動演習，采用1+15 即75 min 甲板作業周期組織飛行保障，艦載機按單周期雙循環模式出動[2]，但1 架預警機和2 架FA-18 進行雙周期飛行任務。單周期雙循環出動回收模式如圖2 所示[10]。

圖2 單周期雙循環出動回收模式Fig.2 Single deck cycle dual flight cycle launching and recovery mode

飛行甲板作業周期是指相鄰波次彈射起始時間的間隔，第i 個甲板作業周期包括彈射起飛時間til、起降部署轉換時間tis、回收時間tir、回收滑行時間tih、彈藥處理或待機時間tiw、艦載機調運時間tim、可用機務和勤務保障時間tia、艦載機開車滑行時間tip，即甲板作業周期T 可表示為：

其中i =1,2,···,n。一般取tis為5 min，取tiw+tip為10 min，另外，每波次彈射起飛時間為：

其中，tshoot為彈射間隔時間；PiM為波次內使用中部彈射器的次數；NiM為使用的中部彈射器數量；PiF為波次內使用首部彈射器的次數；NiF為使用的首部彈射器數量。由于阻攔裝置最快1 min 阻攔1 架艦載機，因此每波次Pir架艦載機回收時間為：

調運作業時間為：

其中：lm為轉運距離；tc為轉運相關作業的時間，一般可取艦載機就近調整位置用時tim為2 min，繞島長距離轉運用時7 min。回收滑行時間tih按式（4）計算，取短距滑行時間2 min。

1.3 “尼米茲”級航母艦載機出動回收推演

艦載機在“尼米茲”級航母上初始布列及起飛滑行路線如圖3 所示，一共有16 架F-35C、18 架FA-18E/F、4 架EA-18G、3 架E-2D、3 架X-47B 和4 架MH-60。單周期雙循環出動在第1 波次和第2 波次的出動準備上時間充足，圖3 中編號1 為第1 波次起飛，編號2 為第2 波次起飛，編號M 為需要在1，2 波次間進行調運。可根據需要設定波次規模，并按圖示路線使艦載機滑入彈射位，其中Sixpack 區艦載機可使用中部彈射器，也可使用首部彈射器。

圖3 艦載機在“尼米茲”級航母上初始布列及起飛滑行路線Fig.3 Initial deployment and gliding route of airwings on Nimitz class carrier

圖4 回收第2 波次后艦載機布列Fig.4 Deployment of recovered second wave of aircrafts

推演中，奇數k 波次放飛預警機和護航戰斗機，在k+2 波次放飛后，回收k+1 波次時，需回收k 波次的預警機和護航戰斗機，從而回收時間t（k+2）r至少增加3 min，k+3 波次可用機務和勤務保障時間t（k+2）a縮小，使保障壓力驟增。以彈射第3 波次后回收第2 波次為例，一共回收21 架固定翼艦載機。回收第2 波次后艦載機布列如圖4 示，可以考慮2 種回收布列方案：圖4（a）方案，擬再次出動的艦載機滑行至島前“大街”和“交點”區，其余艦載機滑入艦首；圖4（b）方案，最大化使用島停機區，減少首部停機。對尼米茲級航母而言，島前停放艦載機過于密集會導致資源沖突，不便調運，降低再次出動準備效率，因此采用圖4（a）方案。

圖4 艦載機旁數字是根據式（1）計算的tia+tip，由于圖4（a）方案首部和中部相對獨立，可在交點區滑入最后一架艦載機后開展再次出動準備，根據文獻[2]和文獻[11]，4 個加油小組、8 個掛彈小組可在36 min內完成島前中部區域3 架F-35C、4 架FA-18E/F、2 架EA-18G 再次出動準備（每機2 枚導彈或4 枚MK80 系列炸彈）。

由于臨時停機位置干擾再次出動的滑行路線，需要對艦載機進行調運，“尼米茲”級航母第3 甲板作業周期艦載機調運作業示意圖如圖5 示，轉運作業分2 個批次進行，其中，“大街”上1 架FA-18E/F 轉運至艦尾，其余就近調整至1 號飛機升降機和“交點”區；首部右舷或左舷5 架艦載機轉運至艦尾，剩余5 架在有空閑保障小組時開展再次出動準備。由于是分區作業，這些轉運作業和移動線路不會對其他保障作業造成干擾。此外，在完成第2 波次艦載機回收后從機庫轉運2 架X-47B 出庫，其可用保障時間約35 min。這樣第4 波次就可以至少出動6 架F-35C、6 架FA-18E/F、2 架EA-18G 和2 架X-47B。

推演“尼米茲”級航母固定翼艦載機出動架次統計如表1 所示，一共推演8 個波次，每個波次2 架EA-18G 電子戰飛機執行電子對抗任務，每2 個波次由1 架E-2D 執行預警任務，并由2 架FA-18E/F 護航。推演10 個小時累計固定翼艦載機出動達136 架次，以此估算“尼米茲”級航母12 小時可出動163 架次，18 小時可出動244 架次，與文獻[2]引述數據基本相符。

1.4 “福特”級航母艦載機出動回收推演

按照同樣的思路推演“福特”級航母艦載機出動回收，不失一般性僅推演4 個波次。推演“福特”級航母固定翼艦載機出動架次統計如表2 所示。

圖5 “尼米茲”級航母第3 甲板作業周期艦載機調運作業示意圖Fig.5 Resopt demonstration during the 3rd flight deck turnaround on Nimitz class carrier

圖6 “福特”級航母第3 甲板作業周期艦載機調運作業示意圖Fig.6 Resopt demonstration during the 3rd flight deck turnaround on Ford class carrier

表1 “尼米茲”級航母固定翼艦載機出動架次統計Tab.1 Sortie generation of fixed wing aircraftson Nimitz class carrier

因艦島后移，島前區域更大，直接效果是第1 波次和第2 波次可放飛25 架（或更多）固定翼艦載機。但第3 波次放飛后同樣要回收預警機，因此第3 個甲板作業周期是再次出動準備的瓶頸周期。“福特”級航母第3 甲板作業周期艦載機調運作業示意圖如圖6所示。圖6 島前區域密集停放回收艦載機，即采用圖4（b）的類似方案，這是因為該航母集中在島前舯部區域設置了眾多一站式保障戰位，艦載機停止后可就地完成再次出動準備，再滑向起飛位彈射起飛。圖中島前右舷編號為2 的是F-35C 臨時停機位，調運小組可在機務勤務保障間歇就近調整至右舷邊。首部編號為M 的艦載調運至艦尾，且轉運作業與島前其他保障作業無干涉。根據式（1），島前右舷邊10 架F-35C可用保障時間大于44 min，島前Sixpack 和“大街”上8 架FA-18E/F 可用保障時間大于34 min，2 架EA-18G 可用保障時間大于32 min，編號1 的2 架X-47B 可用保障時間大于29 min。根據“福特”級航母飛行甲板保障資源[4]，再次出動準備的瓶頸在于掛彈。

表2 “福特”級航母固定翼艦載機出動架次統計Tab.2 Sortie generation of fixed wing aircraftson Ford class carrier

圖7 掛彈小組掛彈作業調度Fig.7 Schedule of weapon′s loading

若22 架艦載機總共掛44 枚導彈，每枚10 min，4 個戰斗機中隊8 個掛彈小組可按圖7 所示掛彈小組掛彈作業調度開展作業，電子戰飛機和無人機各由1 個掛彈小組負責。圖7 中1，2 號F-35C 均由2 個小組同時保障。若掛彈時間增加，則8 個小組難以完成全部掛彈任務，這樣可以考慮縮減第4 波次出動規模，或者電子戰飛機和無人機中隊2 個掛彈小組配合作業，再或者增加4 個戰斗機中隊彈藥保障小組。“福特”級航母在機載彈藥保障中使用了掛彈機器人，理論上可以將掛彈時間進一步縮小。

最終，推演4 個周期5 個小時累計出動回收95 架次，估算“福特”級航母12 小時可出動228 架次，18 小時可出動342 架次，與文獻[12]數據基本相符。如果第4 波次縮小出動規模至13 架，則可估算12 小時可出動206 架次，略低于“福特”級航母最高指標。

2 美軍航母出動回收能力成因

綜合上述甲板控制策略和出動回收推演，除了飛行甲板大、保障資源豐富、艦載機保障性能好之外，美軍航母艦載機出動架次率主要形成原因，還有以下幾點：

1）保障作業多區協同并行。飛行甲板劃分不同的工作區域，各區域相對獨立，不同類型的保障作業不會相互沖突。艦載機可直接滑行進入島中部或首部，并直接在該區保障，一般不需跨區調運，減少了調運環節，增加了可用保障時間。

2）凸顯島前區域作用，重點開展一站式保障。對于“尼米茲”級航母，雖然總體上看島前集中保障容量較小，但推演中發現島前保障十分“方便”。“尼米茲”級島前區域可容納16 架左右的艦載機同時開展保障作業，“福特”級航母島前區域可容納22 架左右的艦載機同時開展保障作業，這就是循環出動能力的關鍵支撐。

3）加油與掛彈同時進行。一個甲板作業周期中，艦載機起飛和降落占用了太多時間，尤其是回收階段只能依次回收，耗費了大量的作業時間。推演中發現，大部分情況下，都面臨必須在30 min 內完成期望架次艦載機的加油、掛彈以及其他保障任務，這樣加油和掛彈必須并行進行。美軍在實際保障作業中，常常根據需要拔出油管中斷加油，待條件滿足（如撤除導彈電連接或數據線等）再重新插油管加油，而單純的加掛與加油則同時進行。

3 美軍航母飛行甲板控制策略

根據美軍公開的文獻資料[2,11]，以及論文推演，可以總結美軍航母飛行甲板控制策略，比如能力成因中已經總結的分區使用、多組并行、島前區域集中保障、盡量減少調運作業、加油與掛彈作業協同并行等。此外，在推演仿真中發現：

1）必須控制波次規模。放飛的越多，回收時耗越多，而壓縮回收間隔時間會引入很大的風險（還要考慮回收時種種特情）。因此從循環出動的角度看，如果要確保甲板上至少留下30 min 的保障時間，對應地，“尼米茲”級平均波次規模必須控制在20 架以下，“福特”級則必須在25 架以下。

2）彈射器組合使用策略

由于彈射器存在故障可能，首部和中部各2 部彈射器，提供了冗余備份[4]。在使用策略上，最常見的是首部1 部+中部1 部的方案，也可以首部和中部按3 部組合使用，此時一般是中部2 部彈射器全部開啟。

集中使用島前保障戰位，對中部彈射器的使用需求最高，可以估計美軍重點加強了3，4 號彈射器的維護力量。另外，基于分區并行的考慮，首部應預留1 條彈射軌道。一方面可以提高艦載機出動效率，另一方面，一旦這1 部彈射器故障，還可以將另一邊的艦載機頂推至故障彈射器的軌道舷邊，清空另外1 條彈射跑道。

3）調運策略和飛機升降機使用

由于艦載機調運作業涉及環節多，且在空間上易與其他作業沖突，因此美軍航母盡量減少調運作業，或者盡可能就近調整。減少調運作業還包括降低飛機升降機使用次數。高峰出動演習中，“尼米茲”號航母的飛機升降機平均每75 min 運行1 次[2]，主要任務是將故障艦載機從飛行甲板運至機庫甲板維修。一般1 號和4 號在開展彈射作業時必須停靠在飛行甲板，3 號和4 號也常常停靠在飛行甲板；艦載機進出庫則主要使用1 號和2 號飛機升降機，由于島前保障資源集中，1、2 號飛機升降機常常用于轉運彈藥，提高彈藥周轉效率。

4）關注島前集中保障區安全控制

開展航空保障時，只要資源許可，一般都是多組并行，或不同環節并行，如圍欄區艦載機使用首部1 號彈射器時，Sixpack 區可繼續開展保障作業。根據公開圖片分析，美軍航母飛行甲板作業在著艦跑道和彈射跑道以外“氛圍輕松”，但發展到“福特”級航母島前大容量、高密度、一站式保障的作業環境，艦載機、人員、設備協同作業難度增大，必須關注島前區域安全控制，否則將會因多發安全事故而降低循環出動能力。

4 結 語

依托調度模型臺，采用艦載機出動回收作業推演的方法，對美軍“尼米茲”級和福特級航母艦載機單周期雙循環出動回收進行了研究，對推演中發現的航空保障瓶頸因素進行了探討，歸納出構成美軍航母出動架次率的主要原因，進而總結了美軍航母飛行甲板控制策略。研究認為，除了飛行甲板大、保障資源豐富、艦載機保障性能好之外，保障作業多區協同并行、凸顯島前區域作用、加油與掛彈同時進行等，是構成美軍航母強大艦載機出動回收能力的關鍵因素，在未來航母論證中應充分考慮。最后，從波次規模、彈射器組合使用策略、調運策略和升降機使用、島前區域安全控制等4 個方面總結了甲板控制策略，也能對航母航空保障能力建設提供借鑒。