AA82276761 2014-11-26 08:14
淺論美英新航母
超級戰艦-淺析美國的福特級核動力航空母艦
2013年10月11日，美國福特級航母首艘福特號（CVN-78）正式下水服役，這是美國繼企業級、尼米茲級第三型核動力航空母艦，是本世紀之內美國海軍作戰能力的支柱和骨幹。
從表面上來看，福特級與尼米茲級似乎並沒有什麼區別，但是福特級體現的是美國海軍“全電子艦艇”概念，因此與尼米茲級存在根本性不同，尼米茲級大量採用了機械設備，它揭示著航空母艦乃至水面艦艇的發展方向，這是值得我們注意和追蹤的。
上世紀80年代，美國海軍開始規劃發展新世紀水面艦艇，要求新一代艦艇能夠在未來高威脅環境下作戰，要求能夠對付隱形能力更強、速度更快、機動性能更好的目標，在研究之中，美國海軍發展現有採用機械結構的戰艦在各方面性能已經達到極限，難以有進一步的提高，同時機構設備存在著的擴展性差、可靠性低等缺點制約了艦艇性能的進一步發展，也無法與自動化系統進行更深層次的融合，因此也就無法進一步減少操作人員，這樣就等於增加艦艇編制人數，提高了採購和全壽命使用成本。
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2013年10月下水的福特級航空母艦首艦-福特號（CVN-78）
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尼米茲級表明機械結構戰艦已經發展到極限
更重要的是，電力系統在艦艇中的使用日益重要，例如要求提高雷達系統的能力，必然導致系統功率的增加，為了對付高超音速目標，如防區外高超音速攻擊飛彈，則需要裝備高能武器，如雷達炮、電磁炮等，此外艦艇新型探測系統、指揮自動化、綜合管理系統都離不開電子系統，這些都增加對艦艇能源供應的需要。對付新一代水下目標，則需要提高推進系統的安靜性能，而電力推進系統則是最佳的選擇。這些都意味著艦艇需要更加強大的電力供應。
1986年，美國海軍提出“海上革命”計劃，開始研製綜合電力推進系統-IED，隨著研究的深入，美國海軍發現，推進系統雖然是功率需要的大戶，但是其他系統如探測、武器等也需要大量能量供應，並在某些時候可能還超過推進系統，所以決定將電力推進和艦上電力供應系統二合一，共用一套發電、配電系統，形成綜合電力系統的概念-IPS。綜合電力系統已經成為新世紀各國海軍水面艦艇的一個標誌，包括DDG-1000、英國的45型驅逐艦和伊麗莎白女王級航空母艦都採用了IPS系統，作為美國在新世紀研製的航空母艦，福特級也被深深打上了全電艦艇的烙印，它的各主要係統已經廣泛使用電氣、電子技術來替代原來的機械設備，從而有力的提高了航母的作戰能力
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綜合電力系統是新世紀艦艇的標誌之一
在研製福特級的時候，美國海軍一度打算為它採用綜合電力系統-IPS，實現電力推進，從而和DDG-100和CGX一起，實現美國海軍水面艦艇推進系統的電力化，但是考慮到福特級的滿載排水量超過10萬噸，幾乎是DDG-1000驅逐艦的10倍，出於降低系統風險、建造成本等角度出發，美國海軍後來還是決定福特級前三艘還保持採用機械推進系統。
根據相關資料福特級和尼米茲級一樣，採用兩座核反應堆，四座蒸汽輪機，4軸推進，不過反應堆換裝為新一代A1B反應堆，與尼米茲級的A4W相比，它的堆芯能量密度更高，對於泵供功率要求更低，結構更加簡單，體積更小，安裝空間也更小，但是A1B的能力超遠超過A4W，A1B最多可以提供高達20萬千瓦的電力，而尼米茲級只有6.8萬千瓦左右，幾乎是後者的三倍。除了增強發電能力外，福特級還採用了新一代配電系統，輸電電壓高達13500V，同時採用自動化配電及電力分配系統，這樣就為福特級安裝新一代探測系統、指揮系統、高能武器乃至未來的電力推進系統提供充足的動力支持。
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福特級的艦島，注意被遮蓋的DBR雷達天線
強大的能源供應促進了福特級探測系統的升級，從相關圖片可以看到，福特級採用了雙波段搜索和跟踪雷達（DBR），與常規雷達不同，DBR可以工作在S波段和X波段，每個波段各有三個有源相控陣天線安裝在艦島上面，前者主要用於中高空探測與跟踪，後者用於中低空及海平面的探測與跟踪，並且為攔截目標提供火控支持，這兩個波段的雷達以共坐標的形式工作，共享一套信號及數據處理系統，因此實現了一部雷達替代了原來幾部雷達才能完成的工作。
與尼米茲級採用的SPS-48雷達相比，DBR最大的優點就是提高了福特級對付高超音速目標，如反艦彈道飛彈的能力，SPS-48採用頻率掃描，只能在高低方向實現電子掃描，方位上仍舊採取機械掃描，因此目標數據更新速率較低，如果目標速度較快，以反艦彈道飛彈為例，以射程為2500公里計算，它重返大氣層時的速度可以達到5馬赫左右，這樣SPS-48在探測目標這樣的目標時候，目標關聯較慢，確認也比較困難，而DBR是二維電子掃描，在探測到目標之後，可以迅速調轉波速目標，對目標進行確定，因此目標關聯速度較快，在目標速度、數量增加的情況下，仍舊可以迅速的確認目標，然後控制攔截武器進行攔截。
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DBR雷達示意圖，它提高了航母對抗高超音速武器的能力
為了與先進的雷達相配合，福特級採用了新一代艦載指控制系統，它的指揮系統是CommonC2System共同作戰指揮系統，它可以綜合艦上探測系統如雷達、電子戰等系統的信息，並能夠通過數據鏈、衛星通信系統獲得上級或者友鄰的戰術信息，進行數據交換，形成統一的戰場態勢圖，以提高指揮員決策能力，並且還具備協同交戰能力。
艦載武器方面，福特級現階段仍舊保持尼米茲級的武器配備，包括MK15密集陣近程防禦系統，可能還會配備MK41垂直發射系統，發射ESSM中近程艦空飛彈，不過按照規劃，福特級未來將配備高能武器，如雷射武器、電磁軌道炮等，這些新概念武器具備反應迅速、攻擊能力強、火力轉換速度快，發現即擊中的特點，攔截能力顯然要大大優於現有的艦載飛彈和火砲。
DBR雷達和高能武器特別是高能雷射炮的引入，實際上揭示著航母面臨的威脅出現了新的變化，從現在的發展趨勢來看，防區外高超音速飛行器可能是繼飛機、反艦飛彈之後，航母面臨著的又一個重大威脅，前面所述的反艦彈道飛彈可以看做是一種前奏，而隨著超音速燃燒沖壓發動機研製的深入，各國在高超音速飛行器方面即將取得關鍵性的突破，未來防區外高超音速飛行器的速度將超過6馬赫，甚至達到10馬赫，射程超過1000公里，可以在航母編隊之外，發起攻擊，憑藉現有的艦載飛彈和火砲已經很難攔截這樣的目標，只有依靠雷射炮這樣的高能武器也能取得比較好攔截成功率，這也是為什麼新世紀各國大力研製高能武器和全電推進艦艇的根本原因。
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防區外高超音速攻擊飛彈將是航母頭號大敵
依靠充足的電力供應，福特級用新一代電磁彈射器替代了尼米茲的蒸汽彈射器，電磁彈射器的原理則是載流導線在磁場中受力，利用磁通量巨大的瞬間變化而產生的感應電磁斥力，將飛機彈射升空。與傳統的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對艦上輔助系統要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉的好處，不僅可以節省艦內空間，還讓操縱維護人員減少35%左右。具體來說，主要集中以下幾個方面：首先可以提供更多可為的動力操作，可在較大範圍內精確的調節彈射射力，在彈射過程中可以更好的控制加速度和能量水平，彈射範圍更加廣泛，尼米茲級使用的蒸汽彈射器就不能彈射30噸以上的作戰飛機，同時機械系統調節有限，也無法彈射重量較小的無人作戰飛機，還有就是能量更高，可以在更短的速度內，將飛機加速到200公里左右，提高載機起飛的安全性能。
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電磁彈射器是福特級另外一個進步
從相關圖片來看，福特級與尼米茲級一樣，擁有4個彈射器，艦艏兩部，斜角甲板兩部，這樣福特級和尼米茲一樣，具備強大的同時作業能力，即在艦載降落的時候，艦艏左側用於停放飛機，而甲板側邊彈射器保持運作，就可以在緊急的情況下，仍舊可以讓艦載機彈射起飛，我們知道航母甲板上的飛機是航母一段時間內所有可用的飛機，因此當艦載降落的時候，航母不具備同時作業能力，那麼就意味著在這一段時間內，航母無法起作戰飛機，這樣以對方前來攻擊的時候，就會處於被動狀態。另外福特級還對飛行甲板進行了改進，包括艦島小型化，位置後退，這樣就增加了甲板停機區的空間，同時對飛機調運路線、程序進行了改進，大大減少了艦載機因為加油、掛載裝彈藥所需要的時間，從而將單位時間內的艦載機出動架次比尼米茲級提高了25%，因此有力的增強了福特級的作戰能力。
綜上所述，福特級和即將下水的DDG-1000驅逐艦可以視為美國海軍從上世紀80年代以來系列艦船研究成果的集中體現，也說明了美國海軍對於新世紀海上作戰環境的思考和應對，對於全球有意發展航母國家，通過對福特級進行跟踪和研究，汲取其中有益的經驗，可以更好的促進國產航母的發展，集體來講，筆者認為應該注意以下幾點：
1、大力發展綜合電力系統-IPS，前面說過IPS是新世紀艦艇發展一個主要趨勢，是所謂全電艦艇的基礎性技術，被稱為“海上革命”，它可以提高艦艇推進系統效率，降低噪聲、成本及使用費用，同時也可以為艦艇提高探測、自動化及攻擊能力提高充足的電力儲備，從這個角度來說，不論未來的航母是常規動力還是核動力，但是推進系統可能還是要採用IPS技術。
2、具備抗擊高超音速防區外攻擊系統的能力，前面說過高超音防區外攻擊系統未來將是航母面臨的一個重大威脅，甚至會成為繼飛機、反艦飛彈之後又一個頭號大敵，是新世紀又一個制高點，因此對於航母來說，肯定要具備抗擊高超音速防區外攻擊系統的能力，因此要研製DBR這樣的雙波段雷達、艦載高能武器系統。
3、優化飛行甲板設計、改善相關作業程序，提高艦載機的出動能力，如何優化艦載機在航母上的布列及其運動路線一直是各國海軍研究的一個重要課題，美國做為世界第一航母大國，為此積累了豐富的經驗，福特級則體現了這個領域的最新成果，因此根據艦載機的發展，汲取美國先進經驗，進一步提高航母的作戰能力。
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高能武器是艦載武器的發展方向，圖為美國公佈的艦載激光炮作戰想像圖
英倫新銳-英國伊麗莎白女王級航空母艦
2014年7月5日，英國皇家海軍正式為其新一代航空母艦（CVF）首艦“伊麗莎白女王”號舉行了命名儀式。按計劃，該艦將於2015年開始海試，2016年美國提供的F-35B戰鬥機將在該艦上首次起降，2017年交付英國皇家海軍，到2020年形成戰鬥力。
英國是航空母艦的誕生地之一，現代航空母艦諸多發明都來自英國，它也是當今航母及艦載機操做最多的國家之一，所以伊麗莎白女王號的設計、佈局體現了英國皇家海軍對於過去經驗的總結和對於未來的展望。
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伊麗莎白女王號舉行下水命名儀式
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伊麗莎白女王級最具特點就是它的雙艦島設計
伊麗莎白女王號給人最大的印象便是它獨特的雙艦島設計，艦島是用航空母艦關鍵部位之一，它主要佈置駕駛室、飛行指揮室、各種天線等，在過去的航空母艦，多是單艦島設計，而伊麗莎白女王級採用了雙艦島設計，一個用於傳統的駕駛室，另外一個則用於飛行指揮所，同時分別配備有雷達及通信系統、煙囪等。
英國皇家海軍這樣的設計應該來源於現役無敵號航空母艦使用經驗及對國外航母的分析，無敵號航空母艦採用了燃氣輪機推進，燃氣輪機的優點是體積小、重量輕、功率大、加速性能好，但是缺點就是燃氣輪機需要大量的空氣，因此進/排氣量較大，相關係統如進氣道、煙道的體積也較大，那麼相應也就增大了航母艦島的長度和體積。
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無敵級的艦島相對較大，對於艦載機操作帶來不利的影響
艦島長度和體積的增大，會帶來一系列的問題，首先是上層建築的重量增加，從而導致航母重心上升，影響航母的快速性能和穩定性能，還有就是艦島一般偏居右舷，對面是降落跑道，而現代航母多採用舷側升降機以降低對飛行甲板的影響，這樣就影響了舷側升降機的佈置，即使勉強佈置也會和艦島分離，互相距離較遠，影響甲板調運。此外艦島由於突出甲板，會造成甲板湍流，艦島越大，那麼甲板湍流就越大，這對於艦載機的起降都不利。
大型艦島最主要的缺點還是佔據停機區較多，我們知道出於安全考慮，艦載機在機庫裡面一般不加油和掛彈，因此在一段時間內甲板上的飛機就是航母能夠使用的全部飛機，現代航母的飛行甲板被分為起飛、降落、停機三個區域，在一般情況下，只有停機區才能進行了飛機的維護、加油和掛彈等作業，從這個角度來說，停機區的大小決定著一艘航空母艦的作戰能力，尤其是持續作戰能力。
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伊麗莎白女王級航母結構圖，可以看到它的雙艦島是圍繞著煙道設計而來
艦島越大，佔用的停機區面積就越大，相應的航母停機區面積就會降低，影響甲板能夠停機飛機的數量，艦島體積大，到斜角甲板距離較小，這樣艦載機在移動的時候，會對降落飛機造成不利的影響，尤其是大型艦島對所謂”空曠停機區“影響更大減少，現代噴氣發動機尾流溫度較高，會對艦島造成損害，因此艦載機在艦島前面，發動機是不能工作的，所以停放在艦島前的艦載機無法依靠自己動力滑行或者進行了發動機測試這樣的維護科目，這樣就限制了艦載機在甲板使用的靈活性，這方面俄羅斯庫涅佐夫級就是一個反面例子，由於艦島較大，所以它的甲板停機區較少，只能停放12架飛機，同時艦島前6架飛機無法依靠自身動力滑向起飛線，因此無法編入第一攻擊波，這樣就降低了航母單波次打擊能力。
伊麗莎白女王號採用雙艦島設計，則比較成功的解決了大型艦島帶來的一系列缺點，首先單個艦島的長度和體積較小，有助於控制航母重心，同時也減少了甲板湍流,艦島尺寸和體積的減少還增加了艦島與起降跑道之間“走廊”的尺寸，有利於艦載機的移動，同時舷側升降機也更加方便，尺寸也更大，伊麗莎白女王級佈置了兩個大型升降機（其中一個位於雙艦島之間），每個升降機可以運載2架F-35B艦載機，並且兩個升降機距離較近，有助艦載機的調運。
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伊麗莎白女王號與卓越號的對比，可以看到前者艦島對於甲板的影響明顯減少
艦島面積的減少，就擴大了航母停機區的面積，從而增加甲板能夠停機飛機的數量，另外降低了甲板操作的難度，尤其重要的是航母甲板上”空曠“停機區增加，從相關圖片來看，航母右舷能夠停放的飛機大大增加，同時艦載機也可以更加方便的利用自身動力在航母甲板上滑行或者進行了發動機測試，大大提高了航母甲板操作的靈活性。
伊麗莎白女王級同時作業能力較強
由於前升降機位置後退到兩個艦島中間，其位置正對前起飛點，這樣飛機在運出機庫之後，可以迅速完成加油、掛彈，然後利用自身動力直接滑向起飛點，更為重要提它提高伊麗莎白女王級同時作業的能力，F-35B採用的垂直降落，降落的時候，可以利用後升降機送入機庫，這樣即使整個艉部甲板用於降落，那麼航母還可以利用前升降機和前起飛點維持飛機起飛的能力，就避免了航母在回收飛機的時候，因為跑道失能而造成航空母艦失去作戰能力，提高了航母的作戰能力和戰場生存能力。
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依靠前升降機和F-35B的垂直降落能力，伊麗莎白女王號具備較強的同時作業能力
優點多多的艦艏停機區
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伊麗莎白女王級只有一個艦艏起飛點，但是擴大了艦艏停機區面積
還帶來了另外一個好處就是在增加艦艏方向停機區的面積，從而擴大整個航母甲板停機區的面積，從英國人發表的伊麗莎白女王級想像圖來看，在這個區域至少可以停入6架F-35B戰鬥機，顯著的提高航母甲板能夠停放飛機的數量。
如果我們看一下新世紀服役的滑躍航母，如意大利凱沃爾號航母、西班牙的戰略投送艦，就會發現擴展艦艏停機區幾乎成為一個趨勢，俄羅斯涅瓦設計局在改裝印度維克拉瑪蒂亞號航空母艦的時候，也汲取了這個思想，它放棄了庫滋涅佐夫號的艦艏雙跑道，同時滑躍跑道前移，上層建築拆除了近1/3，這樣在艦島前也得到了一個停機區，從而增加了航母甲板停機數量。
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伊麗莎白女王級艦艏停機區想像圖，它提高了該艦甲板停機區面積和操作靈活性
我們知道滑躍甲板航母一個先天缺點就是甲板停機區較小，這是因為滑躍甲板是曲線形，難以固定飛機，這樣就大大降低了甲板停機區的面積，而彈射器航母在不使用彈射器的情況下，可以在相關區域停放飛機，因此其使用靈活性相對較好。從現在來看，各國海軍解決的辦法就是設法減少滑躍甲板佔據的飛行甲板面積，如將滑躍甲板前移，只保留一個起飛點，這樣就可以在艦艏方面增加一個區域用來停放飛機，從而提高航母甲板飛機的停放數量，這樣就等於提高了航母的作戰能力特別是持續作戰能力。
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意大利凱沃爾號航母
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西班牙戰略投送艦
從各國海軍的運用情況來看，艦艏停機區的優點非常多，首先艦載機在降落之後，可以依靠自身動力進入停機區，減少對於跑道的影響，另外艦艏停機區距離舷側升降機、起飛跑道、降落跑道較遠，對於艦載機起降作業及甲板調運干擾較少，另外這一塊屬於空曠停機區，可以做發動機測試等方面的維護作業。因此對於航空母艦來說，一架艦載機如果多次執行作戰任務，需要進行了比較深入的維護，可以先送入艦艏停機區進行了相關維護和測試，然後根據情況，送入機庫進行了修理或者繼續投入戰鬥。
提高攻擊能力-伊麗莎白女王級設計宗旨
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提高攻擊能力和持續作戰能力是伊麗莎白女王級設計宗旨
行文至此，我們就可以知道，伊麗莎白女王級它的主要設計都圍繞著如何增加提高航母的艦載機出動能力，尤其是持續出動能力而設計的，它包括增加飛行甲板停機區和麵積、優化艦島及升降機的佈置、提高甲板停放飛機數量等方面的內容，實際上這也是新世紀航空母艦設計一個趨勢，隨著新技術、設備的運用，航空母艦的造價越來越高，因此各國海軍能夠裝備的航空母艦數量都在下降，那麼依靠數量有限的航空母艦執行更多的作戰任務就成為各國海軍需要解決的問題，答案就是提高單艘航母的打擊能力，如美國最新的福特級航空母艦，它的艦載機日出動架次可以從尼米茲級的120次提高到160次，而高峰期更是可以達到200次以上。
以伊麗莎白女王級的想像圖來看，它的甲板至少可以佈置18架F-35B戰鬥機，這個數量幾乎比庫滋涅佐夫號提高了50%，因此單位時間艦載機出動數量肯定要大於後者，即使不考慮兩艦艦載機性能的因素，那麼它的作戰能力也要強於後者，另外在同時作業能力方面，庫滋涅佐夫號航空母艦雖然也可以利用前升降和前起飛點在艦載機降落的時候保持艦載機放飛能力，但是它至多只能保持2架飛機處於警戒狀態，這跟伊麗莎白女王級相比有較大的差距，當然這一點並僅僅體現在航母的差距上，艦載機性能差距也是一個方面。所以我們看到俄羅斯公佈的新一代航空母艦想像圖之中，也採用了雙艦島，擴大甲板停機區等設計，以提高航母的作戰能力。
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伊麗莎白女王號的載機能力要強於庫滋涅佐夫號
不過伊麗莎白女王級也有自己的不足之處，雙艦島雖然部分解決了大型艦島的不足之處，但是其占據甲板面積仍舊偏大，也增加航母複雜程度，同時雙艦島之間氣流複雜，對於甲板流場還是會造成不利影響，從而影響艦載機的起降，另外就是滑躍甲板的通病，操作固定翼支援飛機能力較弱，使用E-2D這樣的預警機比較困難，從相關資料來看，伊麗莎白女王級仍舊採用預警直升機來解決低空空情探測問題，顯然它的效能比不上E-2D這樣的固定翼預警機。