福特级航母与舰载机的几项重大改进及其意义
美国杰拉尔德·R·福特号航空母舰简称“福特”号航母(军舰序号CVN-78)在正式定名之前,本研制项目称为CVN 21未来航母计划,其“21”意指这是进入21世纪之后的第一个航母设计。因首舰为:“福特”号,新级别航母亦即称之谓“福特”级。
福特号航母以美国第38位总统(
在任)杰拉尔德·R·福特命名。由诺思罗普-格鲁门造船集团设计,在位于弗吉尼亚州阿灵顿的亨廷顿·英格尔斯工业公司的纽波特纽斯造船厂建造。于2013年11月9日星期六下水,完成舾装和试航后,预计在2015年开始服役,以取代去年退役的美国第一首核动力核母“企业”号。
美国海军规划在2058年之前建造十艘福特级航母,逐渐取代尼米兹级成为美国海军舰队的新骨干。继福特号之后的第二艘航母为“肯尼迪”号(CVN79),准备在2014年开工建造,2020年服役。第三艘(CVN80)也已列入建造计划,尚未命名,预计2023年服役。福特级其余航母建造计划待定。
福特号航母该航母采用多种高新技术,例如舰载机电磁弹射系统(以前都是蒸汽弹射)、新的大功率一体化核反应堆带状电力分配系统(全电力化系统)、有源相控阵雷达、舰载激光防御系统以及信息栅格化航母等关键性的舰用高科技,并搭载F-35舰载战斗机和X-47B无人机,称得上是目前世界上最大最强最先进的航空母舰。
美国新一级航母首舰“福特”号下水是美国海军的一个里程碑,将确保海军与海军陆战队的未来战力。它服役后,美军将继续保有(全部为核动力)11艘航母的编制。
“福特”号航空母舰在外形上看与“尼米兹”级没有大的差别,只感觉飞行甲板比较空旷,舰岛更简洁美观,位置更加接近尾部。这就已代表了多种改进。
美国新一代航母“福特”级将逐渐取代现役的“尼米兹”级航母,成为美国海军的主力战舰。“福特”级航母采用新的反应堆设计,动力更强;在舰载机升降系统上,用电磁弹射器取代蒸汽弹射器、用电磁拦阻装置取代液压拦阻装置;采用了AN/SPY-3型双频雷达;舰桥、飞行甲板采用新设计,舰桥更靠近船尾,确保更高的舰载机起降频率。此外,“福特”级航母的自动化程度更高,乘员将比“尼米兹”级少约1200人,能节省不少费用。
电磁弹射器实际是利用电动马达的工作原理。电动马达的基本原理是在定子(stator)上通以方向不断改变的电流,利用电流改变造成的磁通量变化而产生磁场,进而使带有磁性的“转子”受力而产生运动。
福特级航母在起降系统上实现了革命性的飞跃,首次装备了电磁弹射系统(EMALS)和先进拦阻系统(AAG)。电磁弹射器主要由储能系统、电力电子变换系统、弹射直线电机和控制系统4部分组成。其中弹射直线电机是核心,其工作原理是载流导线在磁场中受力,利用磁通量巨大的瞬间变化而产生的感应电磁斥力将飞机弹射升空。
与现在航母装备的蒸汽弹射装置相比,电磁弹射器的优势是:
体积小,易于布置。相比蒸汽弹射器庞大、复杂的系统,电磁弹射器的构成则简单得多,体积比蒸汽弹射器减少一半。现用蒸汽弹射器的体积约1132.8立方米,电磁弹射器的体积则小于425立方米。这种较为简洁、轻便的系统在航母上布置更加灵活,不仅在布置位置上没有限制,而且便于优化航母设计,有效利用舰上空间。
可靠性好、便于维护、能量使用效率高。蒸汽弹射器工作时,机械磨损相对严重,需要经常检修。而电磁弹射器用直线电机对舰载机加速,结构简单,其电力电子变换系统、控制系统都在民用成熟技术基础上发展而来,具有很高的可靠性。蒸汽弹射器的平均无临界故障间隔为405个周期,而电磁弹射器的目标间隔达到1300个周期。这就意味着作战效能可以最大限度地实现。
运作高效,并能弹射型包括轻型机在内的各型飞机。蒸汽弹射的准备工作(储蓄高压蒸汽等程序)时间至少数小时或十多小时,电磁弹射器的准备只需数分钟。
蒸汽弹射器只适宜重型军机,轻型飞机将会被严重损坏。而电磁弹射器能适宜各种飞机包括重量小,强度低的无人机。电磁弹射器的高效力也是蒸汽弹射器望尘莫及的。
使用电磁弹射器,可达到美国海军要求的战机出动率:12小时一天中可出动160 ——220架次,24小时的一天中,每天出动270——310架次。而蒸汽弹射器的效力只有其1/2
除了弹射器外,“福特”号航母采用先进飞机回收系统取代传统式的拦截索。它的舰载机引导系统为联合精确着舰降落系统,采用的定位手段是GPS,而非以往的雷达。
动力系统。鉴于电力系统在分配管理上十分便利。
福特级引进整合电力系统(IPS)的概念,尽可能地以电力的系统取代原先航空母舰上的蒸汽次系统,举凡电磁弹射器、回收系统、升降机、烹饪、热水供应、洗衣、暖气等,而各式侦测、作战、指管通情设施不消说自然也都是电力在驱动,因此福特级的动力系统必须提供远高于现役航空母舰的电力,并需配备更全面而完善的电力供应设施。
反应堆部分,长年为美国海军核能航空母舰提供反应堆的西屋(Westhouse)公司推出新的A5W反应堆方案,然而在1999年的竞标中,西屋败给了属于美国政府、位于宾夕法尼亚州的贝蒂斯核子动力实验室(Bettis Atomic Power Laboratory),因此福特级的反应堆便称为A1B(B代表贝蒂斯)。福特级配备的A1B反应堆也称贝蒂斯反应堆。
A1B反应堆,功率较尼米兹级增加25%以上,配备13800V输配电系统,供电能力则高达20万千瓦,几乎是尼米兹级(6万4000千瓦)的三倍,能充分供给电磁弹射器所需的电力;也由于充裕的电力,福特级成为第一种所有机房都设有冷气空调的舰艇,能增加操作人员的舒适性,并降低机房内设备的维修保养需求。此外,A1B的炉心将拥有50年的使用寿命,使福特级在大部分的役期中都无须为了更换炉心而回到船坞大动手术,增加了寿命周期内的服勤时间。除了新反应炉外,福特级使用全新的整体轮机系统以及配电系统,电力的整合、分配架经过重新规划,例如在全舰各处设置分区供电系统,并设置一个电脑控制配电系统,使电力的分配合理化。福特级连推进系统也采用电力推进,亦即以反应炉发出的电力驱动由电动马达带动的推进器。(由于担心供10万吨级舰艇使用的电力推进系统发展未成熟,因此福特号本来仍将以蒸汽涡轮直接驱动四轴螺旋桨推进,作为推进的功率将达到104MW(约280000 马力),高于尼米兹级)。
舰载武装系统。除航母传统武器公羊导弹和改进型“海麻雀”导弹、密集阵近程防御武器系统外,新装备了激光武器,电磁轨道炮等高能武器,这是之前所有军舰都没有的。
船电武装。福特级大量采用先进的侦测、电子战系统以及C4I设备(包括CEC协同接战能力),以符合美国海军未来IT-21联网作战的要求,舰上的指挥管制中枢将是CommonC2Syste作战指挥系统。
福特级作战指挥系统,能整合舰上一切指管通情与武器射控功能。舰上各种用途的各型相控阵雷达、卫星通讯、资料传输链、电子战系统与联合精确进场暨降落系统的天线整合于舰桥结构内,或置于舰桥顶部的轻量化桅杆上。舰上的作战与指管通情系统采用开放式的架构,大量使用民间商规组建,以利于服役生涯中的维护与升级作业;而舰上的整合通信系统则由Avaya公司提供。福特级的轻量化桅杆由复合材料制造,强度与钢铁相仿,但重量便显著地降低。(注意舰岛上AN/SPY-4广域相控阵搜索雷达)
福特级航母将配备美国第四代战斗机F-35及X-47B无人攻击机。F-35战斗机隐身能力强、可实现高速巡航、具备超信息能力与超机动能力,作战半经高达1000余公里。作战能力全面超越了F-18、苏-33等三代机。
美国开发的数种性能优异的无人作战机(包括X-47B),可能成为舰载机队的中坚。作战无人机(Combat UAV, UCAV)与有人驾驶战斗机相比,重量减轻了20%,成本降低了20%—30%。作战无人机使用更少的燃料。无人机不考虑人员生理限制和生命保障系统,滞空时间和战力大增。如果进行空中加油,无人机可以24小时全天滞空。无人机的使用,不仅减少了人员数量,也降低了人员损失的风险性。
美军无人攻击机将第一次在航空母舰作为作战飞机上舰部署。无人攻击机具有造价低、小型、智能、隐身、远程等特点,执行任务综合化、高精度、全天候,可独立作战或与有人战机搭配,大大增加了航母的打击能力和距离。无人战机将改变未来海空作战模式,并对世界军事战略格局产生深远影响。
综合评价。福特级的最大改进还是在于软件方面的整合和更优化的资源配制。
福特级核动力航空母舰实际上是基于现有技术的升级版,自尼米兹级的八号舰杜鲁门号开始,每艘新舰都较先前的设计有相当程度的改良,这样的渐进式改良手法,有助于大幅度地降低新一代航空母舰的设计费用。相对于尼米兹级,福特级航舰的改良重点有三个主要方向,包括提升新航舰的作战能力,改善官兵在舰上的生活品质,与降低成本。为达到这三大目标,新航舰会较现有设计增加25%的出击率,新一代的动力来源可以产生多出三成的电力,配置整合化的作战系统,与高度的作业自动化等等。
在军事行动中航母的意义完全由舰载机体现,舰载机为满足作战要求快速出动依赖舰上的起降系统,起降系统要发挥最大效能必须要依托舰上动力系统的支持。这就形成航母保障舰载机作战效能的整个链条:舰载机——起降系统——动力系统。先进战斗机自身不仅能多载油带弹、飞行性能与航电等方面十分优异,而且要在有限的舰艇空间顺利升空、安全降落。并且作为战斗组织的航空兵部队要能在最短的时间内集结、编队迅速赶赴战斗区域。
福特级在美国航母发展历程中是一艘全面优化的航空母舰,以作战任务为中心利用新技术不断提升核心战斗力,满足美国海军的作战需要。可以说,福特级航母进一步拉开了与其他国家航母的代差,且幅度巨大。同时,这级航母也标志着在从理念、理论到技术、作战,美国航母的领域“霸主”地位无人撼动。
