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美国海军新巨兽——福特级核动力航空母舰

发表时间:2021-01-29 18:24

  “危机时刻”美国总统第一句话就是“我们的航母在哪里?”航空母舰在美国全球战略中占据着极其重要的作用。作为21世纪的主力航空母舰,福特级肩负着维护美国乃至整个西方集团利益的使命。福特级航空母舰建造计划最初起源于CVNX计划,随后发展为CVN21计划,“21”意为美国21世纪第一个航空母舰计划。CVNX计划第一艘称为CVNX1,其沿用了CVN77一体化战斗系统设计,采用全新的核动力系统、电力系统设计。由于CVNX1采用尼米兹级航母舰体外壳耗资高达100亿美元,美国国防部转而发展CVNX2计划。2002年CVNX计划正式更名为CVN21计划,新航母采用新型压水核反应堆、新型电磁起降系统、先进自动化系统、新的甲板与舰岛设计。美国海军计划建造3艘福特级航母,分别为CVN78、CVN79、CVN80。基本技术参数为,满载排水量约10万吨,舰长333米,舰宽41米,飞行甲板面积333×78平方米,航速大于30节,定员4660人,服役年限50年。

  当代航空母舰动力系统分为核动力与常规动力两种方式。常规动力方式一种是由锅炉与蒸汽轮机组成蒸汽动力系统,一种是燃气轮机为主的燃气动力系统。核动力方式由核反应堆与蒸汽轮机组成核动力系统。目前,美国、法国的航空母舰采用核动力方式。俄罗斯航空母舰采取蒸汽动力系统,英国新型伊丽莎白级航母为燃气轮机--全电力推进系统。

  航空母舰动力系统与其他大型舰艇截然不同之处在于,航空母舰还要向舰载机起飞提供动力,这就要分析不同舰载机起飞方式对航母动力系统的要求。航空母舰舰载机起飞方式分为弹射起飞、滑跃起飞、垂直起降,滑跃起飞与垂直起降利用舰载机自身动力获得足够的升力实现正常飞行。弹射起飞需要动力源提供能量来加速舰载机,使其达到所需的离舰速度。对于固定翼舰载机来说,不仅需要航母弹射器将其加速到一定速度,而且要利用甲板风来满足起飞条件。这样就需要航空母舰具备30节左右的逆风航速,高航速航行与蒸汽弹射都需要消耗大量高压蒸汽,要满足这两个条件对航母动力系统提出了较高要求。舰载机着舰速度较高,为了保证能安全降落,需要航母保持较高的航速,这样两者的相对速度将减小。大型舰载机的起降对航母的动力方面提出了很高的要求,所以美国选择核动力作为其航母的动力源。

  福特级航母的一个重要改进是将使用两座新的A1B型压水堆。福特航母动力方式为核反应堆—蒸汽轮机—综合电力系统,该反应堆13800伏的配电系统,提供了60兆瓦以上的电能,比“尼米兹”级反应堆高25%的能量,3倍于“尼米兹”级反应堆的电力。满足福特级航母电磁弹射器以及未来高能武器上舰的需求。此外,A1B型反应堆的舰上维护人员只有“尼米兹”级航母反应堆维护人员的一半,且使用寿命更长,在50年的全寿命周期内无需更换堆芯,相当于“福特”号具有了理论上的无限续航能力。并采用直流区域配电结构,使其传输功率大、可靠性高、灵活性和通用性好,可满足航母全电力推进、电磁弹射器以及高能武器等系统的需求。

  由于舰艇甲板长度有限,所以舰载飞机需要借助母舰上的弹射器或是采用滑跃、垂直起降等方式起飞。弹射起飞就是利用弹射装置,对舰载机施加外力,使其加速离舰升空。飞行员在得到起飞许可后要加足马力,在得到起飞信号的同时放开刹车,起飞装置启动,将飞机弹出跑道,整个过程约需1.5秒。起飞时,飞机在自身发动机推力和弹射力联合作用下,只要滑跑几十米就能飞离甲板。这项起飞技术具有弹射能量大、加速性好、能在几十米距离内把舰载机的速度由零加速到离舰速度的特点。以往航空母舰使用的是蒸汽弹射器,但这种弹射装置有很多缺陷,如弹射器占据舰艇空间大、建造技术难度大、战时受损难以修复,使用时需要自制大量淡水。与滑跃起飞相比,弹射起飞的舰载机出动架次率最少超出三分之一以上,舰载机载油载弹量将大幅度提升,这就意味着作战效能可以最大限度的实现。

  舰载机从空中高速运动状态降落到甲板上静止为零,在舰艇有限的长度内没有特殊装置是无法做到的。这个降落过程必须借助拦阻系统来完成,现代航母普遍使用的是液压式阻拦系统,它由制动器械、液压缓冲系统以及冷却系统组成。其中,制动器械包括:产生制动力的阻拦机构、保持制动缸压力的控制阀、保证阻拦飞机后能够迅速回位的蓄压器;液压缓冲系统,主要用于降低制动初始瞬间的过载,延长系统寿命;冷却系统,则用来冷却舰载机在阻拦过程中由巨大动能转换成的热能。当舰载机尾钩挂上阻拦索后,阻拦索一边通过滑轮阻尼器减缓飞机速度,一边不断把动能传递到压缩空气罐。此时,隐藏在甲板以下的整个阻拦系统同时工作,将冲击带来的巨大动能转化为液压油的热能和压缩空气的势能,使得飞机受到缓冲并实现制动。

  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,体积可望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可能小于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。

  电磁弹射器不仅结构简单,而且装备有自动监控检测设备,提供故障和维护信息,对操控和维修保养人员的需求量大大减少(比蒸汽弹射器减少30%左右),将降低20%的全寿期费用。

  在能量利用方面,蒸汽弹射器一次弹射作业通常要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都要排出大量蒸汽,浪费大量能量,其效率一般在4%-6%之间。电磁弹射器的效率可达到60%甚至更高,弹射作业时对能量的需求大为降低。

  能量幅度宽,易于控制和调节,可弹射舰载机的范围广。蒸汽弹射器的弹射能力能够满足现役固定翼飞机的弹射需要,但限制了未来舰载机的起飞性能,同时缺乏精确的控制能力,无法满足轻型飞机特别是无人机的低能量弹射需求。而电磁弹射器能弹射更重和起飞速度更高的飞机升空,并可通过调节电流等措施,对弹射力进行大幅度调节,满足轻型舰载机(如较轻的无人机)的弹射需要。

  弹射性能稳定,对舰载机的作用力均衡,延长舰载机使用寿命。现役蒸汽弹射器由于缺乏反馈/闭环控制系统,对舰载机机身的作用力极不均衡。电磁弹射器在整个弹射过程中可在几百微秒内不断修正推力偏差,对舰载机的作用力均衡,可延长舰载机使用寿命。

  先进阻拦系统(AAG)较液压拦阻系统取得了很大的进步。在该系统中,滑轮阻尼器多了两个测量拉力的传感器。它可以直接把不同的拉力信号传送给中央集中控制器,提醒其启动相应的控制程序,从而有效防止过载。此外,钢丝绳卷筒替代了压缩汽缸,它能通过控制初始电流和最终电流,达到均匀过载的效果。

  先进阻拦系统控制起来更灵活,特别是不同重量的飞机轮流降落时,只需按下按钮,一切由自动调节装置搞定。这就好比称重时,磅秤需要人工不断更换砝码,而电子秤只需调整好测算状态,即可连续工作。

  EMALS和AAG取代传统的蒸汽弹射器和液压制动装置。这种新的电磁系统将降低运营成本,减少维修工作量,提高作战性能,并扩大航母发射回收载人机和无飞机的种类范围。电磁弹射器相较蒸汽弹射器体积小、重量轻、无需提前预热,在各种紧急情况下可以迅速启动。并可以精确控制推力的输出,弹射不同类型的飞行器,这种能力是蒸汽弹射器无法实现的。所需的维护工作量、操作人员比蒸汽弹射器减少30%。先进阻拦系统与当前的液压阻拦系统相比,简单轻巧,调节方便,操作容易,不仅缩短了反应时间,还优化了阻拦效果。新型起降系统应用之后,福特级航母舰载机每日正常出动160架次,高峰出勤率由原来的每天220-240架次增加到每天270架次,远远高于现役美国其他航母的每日正常出动120架次。

  航空母舰配备足够的动力、采用先进的起降系统、优化设计甲板与舰岛等等都为舰载机服务,没有优秀的舰载机来完成相应的作战任务,实现军事指挥机构的作战意图,航空母舰再优异也没有意义。

  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。这是无人攻击机第一次在航空母舰作为主力作战飞机上舰部署,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。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,作战能力全面超越了F-18、苏-33等三代机。

  在军事行动中航空母舰的意义完全由舰载机来体现,舰载机如何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。这就看出福特级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。多波次、高强度战斗任务要求舰载机在最短的时间内加油、挂弹往返于战区与平台之间。福特级航空母舰正是沿着这条思路,从基础的动力源到各种支援、保障设备,运用最新科学技术成果尽可能使舰载机作战效能实现最大化。

  福特级航空母舰利用尼米兹级的成熟船体设计,即节约了研制成本又缩短了周期,充分体现了经济性与作战效能的最佳平衡。福特级在大型舰船中首次使用了全电力综合系统,动力用电与设备用电实现了合理分配,大大提高了电力资源的有效使用率。并且与新型A1B压水堆相配合,实现全电力推进、电磁弹射等一系列新概念、新技术的运用。全电力推进降低了功率输出损耗,并且提高航行安静性。电磁弹射节省了宝贵的淡水资源,并且大幅度提高了作战飞机的出动率,弹射类型可以大范围调节,从重型运输机到简易无人机均可实施弹射起飞。作为一艘大型舰载机平台,包含先进拦阻系统在内的创新型起降设备的应用,必将提高舰载机的作战效能。可以说,福特级新技术的应用完全围绕舰载机展开,对平台的要求很明确,保障舰载机安全高效的完成作战任务。与尼米兹级相比,福特级自动化程度更高、编制人员更少、居住环境更佳,作战人员在执行任务时具有更好的心理、身体状态。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,福特级航母拉开了与其他国家航母的代差,并且幅度巨大。ag8官网网址!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。返回搜狐,查看更多

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