李景熹

(海軍裝備部艦船辦，北京，100071)

美國(guó)航母飛行甲板演變及設(shè)計(jì)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(jī)起降、調(diào)運(yùn)、保障、布列最重要的作業(yè)場(chǎng)所，其設(shè)計(jì)工作在航母總體設(shè)計(jì)中占有重要地位，很大程度上決定了艦載機(jī)出動(dòng)回收保障能力和航母綜合作戰(zhàn)效能。本文針對(duì)美國(guó)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(guò)程，梳理總結(jié)美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)思想和啟示。

航母；飛行甲板；設(shè)計(jì)思想

0 引 言

飛行甲板是航母艦載機(jī)飛行活動(dòng)的中心，數(shù)十架艦載機(jī)要在不到陸上機(jī)場(chǎng)1/10面積的飛行甲板上進(jìn)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(jì)不僅能保障艦載機(jī)作業(yè)安全可靠地進(jìn)行，還要把“最危險(xiǎn)的機(jī)場(chǎng)”組織得有條不紊，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)群高效的出動(dòng)回收，因此對(duì)飛行甲板的設(shè)計(jì)提出了極高要求，在航母總體設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位。航母飛行甲板設(shè)計(jì)的進(jìn)步在很大程度上代表了航母技術(shù)的進(jìn)步。本文通過(guò)比較美國(guó)海軍二戰(zhàn)后至今研制的 5 型航母飛行甲板的演變過(guò)程，分析美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)思想，并提出相關(guān)啟示。

1 二戰(zhàn)后美國(guó)海軍航母研制概況

從二戰(zhàn)結(jié)束至今，美國(guó)相繼研制了“福萊斯特”級(jí)、“小鷹”級(jí)、“企業(yè)”級(jí)、“尼米茲”級(jí)，以及新一代“福特”級(jí)等 5 型航母，逐步走出了一條平臺(tái)大型化、核動(dòng)力化，保持相當(dāng)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(jí)滿載排水量70 000 t，是美國(guó)第一型大型航母，典型配置搭載72架艦載機(jī)，首艦1955年服役，總計(jì)建造4艘。該級(jí)航母首次采用斜角甲板，蒸汽彈射器、光學(xué)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(jí)滿載排水量80 000 t，是美國(guó)最后一級(jí)常規(guī)動(dòng)力航母，典型配置搭載71架艦載機(jī)，首艦1961年服役，總計(jì)建造4艘。“小鷹”級(jí)船型、主尺度、排水量、動(dòng)力裝置等與“福萊斯特”級(jí)基本相當(dāng)，但在飛行甲板布置、艦島、防空武器、電子設(shè)備、艦載機(jī)配置等方面做了較大改進(jìn)。

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

“尼米茲”級(jí)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(jī)，首艦1975年服役，總計(jì)建造10艘。與“企業(yè)”級(jí)相比，“尼米茲”級(jí)在核動(dòng)力裝置、電子設(shè)備、艦載機(jī)等性能方面有了長(zhǎng)足進(jìn)步，是美國(guó) 40 余年來(lái)彰顯海上霸權(quán)的最有力武器。

“福特”級(jí)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(jī)，采用2座反應(yīng)堆，首艦擬于2017年服役，計(jì)劃以每5年 1 艘的速度建造12艘?！案Ｌ亍奔?jí)航母采用新型核動(dòng)力裝置、電磁彈射器、渦輪電力阻攔裝置、聯(lián)合精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)等十幾項(xiàng)新技術(shù)，艦載機(jī)出動(dòng)架次率比“尼米茲”級(jí)高25%以上。

美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)基本情況見(jiàn)表1，總體布局對(duì)比見(jiàn)圖1[2–4]。

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

2 美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)思想分析

飛行甲板設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，在于盡最大可能減少艦載機(jī)起降、調(diào)運(yùn)、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(guò)對(duì)美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)情況的分析，可總結(jié)出其遵循的設(shè)計(jì)思想及發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 設(shè)置斜角甲板，使起飛區(qū)、著艦區(qū)相對(duì)獨(dú)立，提高艦載機(jī)起降作業(yè)效率和安全性

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

1）在設(shè)計(jì)上首次實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)起飛區(qū)、降落區(qū)相對(duì)獨(dú)立，使得起飛、降落作業(yè)理論上可以互不干涉，為航母同時(shí)進(jìn)行艦載機(jī)起降作業(yè)創(chuàng)造了必要條件；

2）為著艦失敗的艦載機(jī)提供了“觸艦復(fù)飛”的選擇，徹底改變了以往艦載機(jī)著艦“不成功、就失敗”且可能由于沖入艦首機(jī)群導(dǎo)致整個(gè)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(jiǎn)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(jì)狀態(tài)的14道減為4道，節(jié)省的資源可用于提高出動(dòng)回收保障能力?；谏鲜鲲@著優(yōu)勢(shì)，自“福萊斯特”級(jí)開(kāi)始，世界各國(guó)搭載常規(guī)起降艦載機(jī)的航母均采用斜角甲板設(shè)計(jì)，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(jì)“中部三角區(qū)”，盡可能提高艦載機(jī)調(diào)運(yùn)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(gè)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(yùn)艦載機(jī)。

此外，通過(guò)對(duì)比分析可以看出艦島和飛機(jī)升降機(jī)布局有如下變化：

1）艦島位置逐步由艦中向艦尾后移（見(jiàn)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(jī)區(qū)，減少了艦載機(jī)繞過(guò)艦島向艦尾調(diào)運(yùn)作業(yè)的需求，但位置過(guò)于靠后不利于操艦，產(chǎn)生的艦尾紊流還可能影響艦載機(jī)著艦。

2）艦島小型化趨勢(shì)明顯，特別是“福特”級(jí)航母，擁有自“企業(yè)”級(jí)以來(lái)最緊湊的艦島設(shè)計(jì)，主要的雷達(dá)天線直接貼附在艦島結(jié)構(gòu)表面，無(wú)需設(shè)置安裝平臺(tái)，因而艦島結(jié)構(gòu)可大幅縮?。ㄒ?jiàn)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(duì)艦載機(jī)艦面作業(yè)的影響，提高艦載機(jī)作業(yè)效率，但艦島過(guò)小也會(huì)增加電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)難度。

3）右舷飛機(jī)升降機(jī)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）?！棒辈咳菂^(qū)”大部分區(qū)域位于艦島前方，按此設(shè)計(jì)思路配置飛機(jī)升降機(jī)，可充分發(fā)揮飛機(jī)升降機(jī)使用效益，有效提高該區(qū)域艦載機(jī)出入機(jī)庫(kù)的調(diào)運(yùn)效率。

2.3 統(tǒng)籌規(guī)劃艦面保障區(qū)、艦載機(jī)布列區(qū)及彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)布局，進(jìn)一步提高艦載機(jī)出動(dòng)回收保障作業(yè)效率

艦載機(jī)著艦后，需進(jìn)行加油、掛彈、維修保養(yǎng)等作業(yè)才能再次出動(dòng)。從“福萊斯特”級(jí)到“尼米茲”級(jí)航母均采用傳統(tǒng)保障模式，即艦載機(jī)著艦后，需先滑行至加油區(qū)加油，然后由牽引車(chē)牽引至彈藥裝載區(qū)掛彈，再到彈射陣位準(zhǔn)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(kāi)展維修作業(yè)。按此方案，艦載機(jī)從著艦到重新起飛需轉(zhuǎn)換4～5個(gè)工作區(qū)域，增加了調(diào)運(yùn)環(huán)節(jié)，降低了作業(yè)效率，減少了出動(dòng)架次。

為解決上述問(wèn)題，美軍持續(xù)改進(jìn)飛行甲板設(shè)計(jì)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)”?！案Ｌ亍碧?hào)航母設(shè)置了18個(gè)“一站式保障區(qū)”，如圖4所示。艦載機(jī)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(jī)位置由艦首彈射起飛區(qū)底部、艦中三角調(diào)運(yùn)區(qū)底部，移至右舷艦載機(jī)停放區(qū)。從“福萊斯特”級(jí)到“尼米茲”級(jí)，美國(guó)航母武器升降機(jī)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(yùn)區(qū)底部（見(jiàn)圖1和表1）。這種設(shè)計(jì)方案雖然可提高彈藥貯運(yùn)安全性，但對(duì)艦載機(jī)起飛、調(diào)運(yùn)作業(yè)有一定影響。根據(jù)“尼米茲”級(jí)航母使用經(jīng)驗(yàn)，彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)、掛載作業(yè)是制約艦載機(jī)出動(dòng)架次率提高的重要因素，因此“福特”級(jí)航母對(duì)彈藥貯運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，武器升降機(jī)布置在右舷艦載機(jī)停放區(qū)，避開(kāi)了彈射起飛區(qū)、三角調(diào)運(yùn)區(qū)，可提高艦載機(jī)出動(dòng)回收保障作業(yè)效率。

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

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

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(huì)增加飛行員駕機(jī)對(duì)正斜角甲板的困難，且受飛機(jī)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(duì)降落作業(yè)的影響，“尼米茲”級(jí)還將斜角甲板的斜角從前期各級(jí)的10o～11o調(diào)減至9.5o。另外，從“尼米茲”級(jí)開(kāi)始，左舷外張甲板前緣內(nèi)側(cè)開(kāi)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(jiàn)圖1）。

2）提高阻攔索、飛機(jī)升降機(jī)等設(shè)備性能指標(biāo)?；诿儡婏w行員訓(xùn)練水平的提高以及阻攔裝置性能的改進(jìn)，從“尼米茲”級(jí)第9艘開(kāi)始，美國(guó)航母阻攔索數(shù)量由4根減為3根（見(jiàn)圖1）。優(yōu)化飛機(jī)升降機(jī)形狀，“福萊斯特”級(jí)為長(zhǎng)方形；“小鷹”、“企業(yè)”、“尼米茲”級(jí)搭載機(jī)體較長(zhǎng)的艦載機(jī)，飛機(jī)升降機(jī)為不規(guī)則五邊形；“福特”級(jí)則演變?yōu)樘菪?，可進(jìn)一步提高飛機(jī)進(jìn)出升降機(jī)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(jì)遵循的基本原則

從以上分析中可歸納出美國(guó)航母飛行甲板設(shè)計(jì)基本原則如下：

1）相對(duì)獨(dú)立、減少干涉原則。設(shè)計(jì)工作中應(yīng)以提高艦載機(jī)出動(dòng)回收保障能力和安全性為目標(biāo)，在空間（總體布置）、時(shí)間（作業(yè)流程）、資源（系統(tǒng)配置）等方面，使艦載機(jī)起降、調(diào)運(yùn)、保障、布列作業(yè)之間相對(duì)獨(dú)立，盡可能減少干涉。

2）集中保障、減少調(diào)運(yùn)原則。飛行甲板上大部分調(diào)運(yùn)工作是為完成保障作業(yè)，或者是在著艦區(qū)、停機(jī)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(yùn)作業(yè)，提高出動(dòng)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(jì)牽涉航母總體及各主要系統(tǒng)，是典型的系統(tǒng)工程問(wèn)題，需要母艦多個(gè)系統(tǒng)和艦載機(jī)多方面的改進(jìn)優(yōu)化，片面強(qiáng)調(diào)母艦或艦載機(jī)某方面需求或某方面能力要求，可能會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)提高出動(dòng)回收保障能力的目標(biāo)。同時(shí)，飛行甲板設(shè)計(jì)也是總體設(shè)計(jì)思想的外在體現(xiàn)，與機(jī)庫(kù)、升降機(jī)、彈藥庫(kù)和大量航空相關(guān)保障功能等多方面的設(shè)計(jì)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(jì)未來(lái)也將圍繞提高飛行作業(yè)效率和安全性的核心目標(biāo)不斷更新。

1）總體布局方面。自應(yīng)用斜角甲板以來(lái)，航母飛行甲板總體布局在60余年間未有大的變化。無(wú)艦島、雙斜角甲板，雙層飛行甲板等設(shè)計(jì)方案，始終停留在概念研究階段。未來(lái)隨著無(wú)人機(jī)逐步上艦應(yīng)用、艦載機(jī)垂直起降等技術(shù)的進(jìn)步，以及航母作戰(zhàn)使用樣式的發(fā)展，必將推動(dòng)飛行甲板總體布局設(shè)計(jì)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(dòng)著艦引導(dǎo)、先進(jìn)飛機(jī)升降機(jī)、武器升降機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備上艦應(yīng)用，以及自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，艦載機(jī)出動(dòng)回收保障能力將得到進(jìn)一步提高，必將對(duì)飛行甲板設(shè)計(jì)工作提出新的要求，對(duì)航母的演進(jìn)產(chǎn)生積極影響。

[1]劉相春. 國(guó)外航母與艦載機(jī)速查手冊(cè)[M]. 北京: 海潮出版社, 2013.

[2]張明德. 美國(guó)超級(jí)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(píng), 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(guó)超級(jí)航母發(fā)展史[J]. 海陸空天慣性世界, 2014(7).

[6]劉相春. 美國(guó)“福特”級(jí)航母“一站式”保障技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 中國(guó)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?yàn)榕灤傮w研究與設(shè)計(jì)。