“福特级”航空母舰新技术

一提起航空母舰，映入人眼帘的往往是其海上巨无霸的形象。作为现代海上作战体积最大的移动堡垒，航空母舰不仅是一个国家大国地位的象征，更拥有极为强大的战斗力，是一国海上军事威慑的重要战略力量。美国是当前拥有航空母舰数量最多的国家。载有大量战机的核动力航空母舰，无疑是美国强大军事实力的招牌。在各国的武器库中，还找不出一款比航空母舰战斗群更具有惊人战力的进攻性武器。航空母舰能够在远离路基支援的战场条件下，驰骋于占地球表面积70.8%的海洋之中，并可在数个月的时间内对特定目标展开持续攻击。战力如此卓越的航空母舰战斗群显然早已成为美国各战区指挥官的“宠儿”。这也导致美国航空母舰在海外的战备值班周期不断延长。除了航空母舰战斗群的攻击实力外，航空母舰上所配备的各类高科技武器与装备，也是支撑其得以驰骋深蓝的重要利器。

从“尼米兹级”到“福特级”

美国当地时间2017年4月9日，全球第一艘“福特级”航空母舰福特号进行了海上测试。当天，“福特号”航空母舰被拖船从位于弗吉尼亚州的纽波特纽斯造船厂内拖出进行出海测试。作为“福特级”的首舰，“福特号”航空母舰的设计、施工和制造前后耗时十余年，总造价高达130亿美元。“福特号”航空母舰原计划于2015年正式在美国海军服役。不过，核反应推、发电机等部件的故障问题，导致“福特号”的出海测试时间一拖再拖。美国海军称，“福特号”航空母舰在出海测试期间，将进行飞行甲板测试验证等事项。待“福特号”航空母舰正式服役后，美国的核动力航空母舰将拥有11艘。作为新一代的航空母舰，美军计划最迟于2058年建造十艘同级航空母舰，以取代当前承担主力任务的“尼米兹级”航空母舰。

在“福特级”正式服役前，“尼米兹级”航空母舰乃是美国海军现役的主力航空母舰，且在数十年间中均为美军乃至全球范围内最大的军舰。“尼米兹级”航空母舰首舰“尼米兹号”自1975年正式服役后，美先后共建造了10艘同型航空母舰。“尼米兹级”航空母舰均采用核动力推进，属于大甲板弹射型航空母舰。其设计长度为330米，宽度为40米，吃水11米，满载排水量在10万吨左右，可以搭载一支约70架战机的舰载机联队。根据作战任务以及性质的不同，航空母舰上搭载的作战飞机类型也有所区别，通常包括了战斗机、预警机、固定翼反潜机以及电子战飞机等。每艘“尼米兹级”航空母舰都装载有四台蒸汽弹射器、四条拦阻索以及四座升降机，平均每20秒钟时间即可弹射出一架舰载作战飞机。

可以说，“尼米兹级”航空母舰战斗群能够控制的海域面积大、攻击性能强，是当前世界范围内作战能力最为顶尖的海上机动作战编队。不过，航空母舰战斗群并非仅仅只有一艘航空母舰所组成。航空母舰自身除配备少量用于自卫的武器外，其主要的武器装备即为所搭载的各类舰载作战飞机。这些作为重要武器装备的作战飞机可以对敌方的舰船、潜艇、飞机以及陆地目标等进行攻击，直接将敌方消灭于航空母舰数千米以外的区域，并对海上舰队进行保卫。除航空母舰所搭载的战机外，以其为核心的战斗群通常会由巡洋舰、驱逐舰、潜艇和补给舰等混编而成。

尽管“尼米兹级”仍是现役航空母舰中无人能匹敌的佼佼者，但其设计与制造毕竟发端于20世纪60年代，舰上的各项技术已显得较为老旧。譬如，“尼米兹级”所使用的弹射系统、推进系统等基本均采用机械结构，不仅极为复杂可靠性较低，且需要大量人员进行操作和维护。在此背景下，新一代“福特级”航空母舰应运而生。

“福特级”航空母舰的新技术

“福特级”航空母舰从外表来看，与“尼米兹级”航空母舰并没有较大的差异，两者在飞行甲板上也极为接近。从数据上而言，“福特级”首舰“福特号”航空母舰长度为330米，宽度为41米，设计的满载排水量为10万吨，这些数据与“尼米兹级”亦相差无几。“福特级”在吨位和尺寸等方面较之“尼米兹级”并未有多少提升，但在舰船的电力容量、舰载机的数量、舰船故障率等诸多关键性指标上，“福特级”航空母舰与“尼米兹级”相比有了质的飞跃。譬如，“福特级”航空母舰搭载的舰载机联队数量可达到75架，大大提升了作战飞机的出动率。通过采用全新的电磁弹射系统、电磁阻拦系统等所使用的各类前沿技术，“福特级”航空母舰真正成为了一艘适应未来战争环境下作战的超级航空母舰。

电磁弹射技术的应用

航空母舰诞生之初，舰载机均是依靠自身发动机带动螺旋桨产生拉力，进而使轰炸机或战斗机从航空母舰飞行甲板上起飞。彼时，这种起飞方式对于以轻金属和木质为主的螺旋桨飞机而言并非难事。不过，随着喷气式飞机的普及，其在短短一百多米的航空母舰甲板上的起飞，需要借助于外界的推力帮助，这也使得弹射系统随之产生。

“尼米兹级”核动力航空母舰所使用的是蒸汽弹射系统。其由核动力装置生成的热能来产生蒸汽，进而推动舰载机非短距离起飞。蒸汽弹射装置从结构而言较为复杂，包括了蒸汽系统、液压系统、起飞系统、归位系统、系统以及控制系统等。

舰载飞机在从航空母舰甲板上起飞前，需要由位持器钢圈把尾部扣在一处坚固点上。当蒸汽弹射系统运作时，蒸汽由航空母舰上的锅炉输出，经增压后输入弹射装置唯一露在飞行甲板之上的滑梭中。被位持器扣住的飞机在起飞时需要开足马力，当蒸汽弹射系统一启动，飞机引擎的动力加之蒸汽的压力，令钢圈断开，飞机立即向前冲去，在短短数十米的距离内即可将时速提升至250公里每小时。当舰载机被弹射起飞并脱离滑梭后，滑梭回到原位，并继续推动下一架舰载机起飞。

从数量上来说，“福特级”航空母舰与“尼米兹级”航空母舰一样，都装载有四部弹射器。但两者在设计理念和技术层面上有着显著的区别。由于舰载机在“尼米兹级” 航空母舰第四号弹射器时，其机翼已接近甲板边缘，这也导致该级航空母舰的四号弹射器无法弹射满载起飞的作战飞机。为了提升舰载作战飞机的出动能力，“福特级”航空母舰对飞行甲板的构造进行了改进，从而令其第四号弹射器能够弹射满载起飞的作战飞机。

“尼米兹级”航空母上所用的蒸汽弹射系统，其体积和重量均较大，不仅需要消耗大量的海水，还需要大量的人力和资金进行维护和更换，这显然不利于长时间的海上持续作战。此外，由于在弹射过程中需要消耗大量的蒸汽，“尼米兹级”航空母舰在连续弹射出几架满载起飞的作战及飞机后，其航速就会受到较大的影响，从而限制了下一个攻击波中能够出动的战机的数量。蒸汽弹射系统的最大局限性，还在于其输出功率有限。“尼米兹级”航空母舰采用的蒸汽弹射方式，决定其只能弹射载重30吨以下的舰载飞机，难以满足舰载机未来发展的方向。加之蒸汽弹射系统存在功率无法调节的限制，只能有效弹射重量较轻的无人机。若要进行强行弹射，很可能会造成飞机受力过大，从而影响其服役时限。

在此情形下，美军在其最新型的“福特级”航空母舰采用了前沿的电磁弹射技术，以规避和完善当前“尼米兹级” 航空母舰蒸汽弹射系统所存在的实际问题。所谓电磁弹射技术，即是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外进行运动。电磁弹射技术的主要应用是大载荷物体的短程加速，其起步与发展相对较晚，目前在航空母舰的舰载飞机起飞弹射上已得到高度重视和应用。相较于蒸汽弹射系统，电磁弹射系统不需要使用蒸汽来驱动活塞，而是使用电来驱动。同时，电磁弹射技术的容积小、效率高、质量轻，对航空母舰上的辅助系统相对要求较低，且运行和维护的费用较为低廉。在功率损耗方面，电磁弹射系统要远小于蒸汽弹射系统。其可控性能也优于蒸汽弹射系统。当蒸汽弹射系统的蒸汽阀门打开后，飞机起飞的弹射过程中基本无法控制。但电磁弹射的全过程均可以有效掌握，并可根据不同机型、飞机速度与负载变化等进行调整。这也使得电磁弹射技术成为了未来航空母舰发展的核心技术之一。

电磁阻拦技术的应用

除了将重型飞机送上天空外，如何能够令舰载机顺利降落在航空母舰甲板上也是一项困难重重的任务。舰载飞机在运动的航空母舰上降落，其风险之大、难度之高，被全世界公认为“刀尖上的跳舞”！通常情况下，陆地机场的跑道会长达数千米，而航空母舰上的甲板长度不会大于300米，可供利用的降落距离仅有100米。然而，舰载机降落的速度却高达300公里每小时。在如此高的速度、如此短的距离，再加之随时处于颠簸中的航空母舰，如果没有航空母舰阻拦系统，现代喷气式飞机在航空母舰上的安全着落显然是一项难以实现的“天方夜谭”。航空母舰上安装的阻拦系统，能够有效帮助舰载机在极短的距离内强制制动。

“尼米兹级”航空母舰所使用的是液压式阻拦系统。其由液压缓冲系统、制动器具以及冷却系统共同组成。当舰载机降落时，其机尾钩挂上阻拦索后，阻拦索一边利用滑轮阻尼器来减缓飞机的速度，另一方面则持续将动能转化为压缩空气罐，从而令飞机趋于平稳并有效制动。不过，液压式阻拦系统的阻拦能力较为有效，但缺乏灵活机动性。面对不同的机型降落，航空母舰上的海军航空兵需要依靠人工对配重物进行更换，这也直接影响到了舰载机的出动频率。如果不对液压式阻拦系统予以适当的配重，在阻拦过程中产生的过大峰值拉力甚至可能造成飞机损坏。

为此，在全新的“福特级”航空母舰上，设计者采用了前沿的电磁阻拦技术。在这一技术中，阻拦机和电脑控制系统是最为核心的两部分。阻拦机的构成较为简单，包括了水力涡轮、感应电机、旋转轴以及机械制动装置等，在阻拦系统中起到吸能的作用。电子控制系统则包括了操作人员工作平台、维护人员工作平台以及动态子系统。该系统可以精准地对飞机阻拦着舰的即时受力情况进行分析和控制，并反馈给电动机后施予阻拦索合适的拉力，从而令舰载机在阻拦着舰的过程中能够获得更为平稳的力，进而也可控制舰载机在飞行甲板上制动的距离。作为电磁阻拦系统中的重要一环，阻拦索采用了新型轻质合成缆索，这不仅可以减少结构载荷，降低系统惯性，并可由此缩小滑轮减震装置的尺寸。

电磁阻拦技术的工作方式主要可以分为两个环节。第一个环节也就是初始接触阶段时，舰载机的机尾钩一旦与阻拦索相接触后，其就会牵动阻拦索，进而带动换轮索牵出，并令旋转轴转动。这一工作的关键，是为了令舰载机和阻拦索之间得以平稳接触。在实现了第一环节的既定目标后，第二环节则是如何对于舰载机的动能吸收。舰载机在降落时，其自身带有极大的动能。电磁阻拦系统中的水力涡轮、感应电机和摩擦制动器就是为了吸收舰载机的动能。通常情况下，水力涡轮和感应电机正常工作，即可吸收舰载机的动能，并实现飞机的安全着舰。可是一旦发生水力涡轮或感应电机不能正常工作，阻拦机的摩擦制动器就作为备用的吸能装置，以保障电磁阻拦系统的安全、可靠。较之液压式阻拦系统，电磁阻拦系统更为简洁、可靠，且无需大量的人力、物力进行维护，令其维护成本得以大幅度降低。

无论是电磁弹射技术，还是电磁阻拦技术，都是用于提升航空母舰战斗力的关键技术和措施。考虑到航空母舰在未来会搭载有各类无人飞机，前述新技术的应用，也可为未来航空母舰的发展奠定重要基础。