现代航母设计风格及运作常识简明梳理-上合集
现代航母设计风格及运作常识简明梳理-竣文版总序:航母是什么?是战争工具,一种战争工具设计方案不会因为大部分性能优势巨大而必然兴
现代航母设计风格及运作常识简明梳理-竣文版
总序:
航母是什么?是战争工具,一种战争工具设计方案不会因为大部分性能优势巨大而必然兴起,只会因为无法达成其不得不达成的性能指标而必然淘汰,长板影响投票权重,短板则拥有一票否决权。
前言:
此文已编辑至33.6W字、196节、81章、11篇、3卷。任何人皆可在不恶意断章或曲解原义前提下任意转载挑刺。
此文不学某些军评号乱抄一堆自己都不清楚背后由来的参数,只依据公开信息疏理舰船设计常识;
不依靠习惯做出判断,只遵循逻辑进行推理——热爱颜面偶像胜过热爱探究学问者免阅、厌恶设计和机械者免读、喜欢舒适区者免阅、将舰船知识杂志或其它意见领袖收集的民科文奉为真理者免阅。
《现代汉语词典》对航空母舰的定义是:
具有供飞机起飞和降落的飞行甲板,并具有维修和存放飞机的机库的军舰。
《军事辞海》的定义:
以舰载机为主要武器,并作为海上流动基地的大型军舰。能在其他战斗舰艇护卫下,远离海岸实施机动作战,袭击敌海上编队和岸上目标,夺取作战海域的制空权和制海权。
由于蓝星多数国家都在二战之后产生,由联合国、安理会五常主导的现代国际秩序也是在WW2之后建立。因此当前大部分人类将WW2结束日视为近代和现代的分界。考虑到冷战结束至今蓝星的国家总数持续保持增长,不久之后人类可能会用冷战结束日来重新划分近现代。此文中的现代航母,特指WW2之后开始设计的、同时符合现代汉语词典和军事辞海定义的真船和图纸计划/模型方案。
总目录:
上卷:鹰居逆浪.
I 一、风与地 二、海遏舟 三、律风波 四、舰中兵
中卷:寻常井径.
五、火水径 六、浪腾云 II七、钢之息 八、异彩呈
下卷:戎舟挥翼.
九、血焰循 十、曲正斜 III/IV十一、临渊行
因10W字限制,全文拆分为上中下前四合集,上卷与中卷前半部分共同编入上合集,中卷后半部分与下卷前半部分编入中合集,临渊行篇由于篇幅过长故拆分编入下合集与前合集。总目录中I为上合集近10W,II为中合集近7.5W,III为下合集约8.5W,IV为前合集约7.6W。正文链接如下:
现代航母设计风格及运作常识简明梳理-中合集
现代航母设计风格及运作常识简明梳理-下合集
上合集正文:
一、降临航母飞行甲板-风与地篇
0、现代航母与二战航母航空作业的根本区别。
1、撞击式着舰与降落复飞通道分区
2、升力成因与撞击区形状的关系
3、气流约束:航母的翼地效应强化设计
4、拦阻系统与着舰成功率
5、撞击拦阻区飞行甲板强化
6、飞行甲板装甲与战损抢修
7、撞击载荷与日均出动架次上限
0、现代航母与二战航母航空作业的根本区别。
现代航母与二战航母的根本区别是:
现代航母采用高速钩索↘拦阻失败后加速离舰复飞↗复飞失败后坠海的标准着舰模式,降落动线上永远不设停机区。
而二战航母采用低速钩索↘拦阻失败后减速撞网拦停↗拦停失败后撞击跑道末端停机区的标准着舰模式,降落动线直指舰艏停机区:
二战航母拦阻失败撞击艏停机区实况:
CVA-58合众国号是人类建造过的第一型在设计初始阶段即采用现代舰载机着舰模式的航母:
合众国号建造过程中被短视的联邦官僚非法拆除,延续合众国号轴线贯通式降落复飞跑道布局的福莱斯特级作为人类建成的第一型现代航母,最终建造方案经过权衡改为了斜角跑道设计并引领潮流至今。因此导致大量现代人类产生了以跑道斜角作为现代航母标志的错误认知。
特此再次强调:现代航母与二战航母的真正区别是航空作业中的复飞作业,与跑道斜直不存在捆绑关系。
上合集与中合集的主要内容为梳理现代航母的机库-飞行甲板-舰桥等上层结构,解析航母航空作业相关部分的设计逻辑及运作常识。
1、撞击式着舰与降落复飞通道分区。
———和使用低空低速操纵性优秀的活塞螺旋桨舰载机、贯通式跑道、减速着舰、拦阻索数量众多、钩索失败后直接撞网无需复飞的二战航母不同,
使用低空低速操纵性不佳、斜角降落复飞跑道、高速着舰、拦阻索稀少、钩索失败后需要立即提速复飞的现代航母,着舰区面积与舰载机着舰速度的比值更小,需要比二战舰载机更大的下降角/下滑角高速着舰以保证着舰精度,着舰就是一种可控的撞击。海况越恶劣,舰体升沉摇摆导致甲板垂直移动影响着舰撞击精度的现象越严重,越需要增大下滑角保证撞击精度。
对于舰载机使用阻拦-复飞方式降落的现代航母,降落复飞甲板按军语可分为3个区域:
不论如何,“撞击区”这一词汇最初的创造者对现代舰载机着舰过程的认识还是相当到位的
现代航母的撞击区都是左右等长对称的,不对称会造成什么后果?
↓
2、升力成因与撞击区形状的关系
拟函道效应,是飞机升力的首要来源,重要性在附面层效应、风压效应、乃至写入中学课本的提出年代最古老的伯努利效应之上。
气流约束面才能产生“升”力,否则只能称为压力。
此效应在飞行者1号于小鹰镇升空的上百年后才为人类所发现,也就是说:此前整个人类航空事业依靠无人真正清楚其确切原理的技术发展了一百余年。
地效飞行器设计所依据的翼地效应也是拟函道效应的一种体现
撞击区左右不等长、右长左短的老鹰级航母:
英美航空界很早就发现,左右不等长的撞击区会形成危害着舰安全的乱流,但却没有说明乱流形成的原因是是什么,很可能阴魅自己也没搞清楚。
依据中航的拟函道效应理论则不难解释:
飞机机翼/升力体下表面离地面、水面、也可以是其他能约束和压缩空气的表面的距离越近,拟函道效应越强。
舰载机从海面上空飞到甲板上空时,由于升力体下表面和压缩面距离骤然大幅缩短,拟函道效应也会骤然大幅提升,从而导致舰载机升力骤然大幅增加,着舰前需要以一定角度下滑获得惯性才能抵御骤然增加的升力成功撞击甲板,而不是水平飞临甲板上空,然后被暴增的升力重新托举到空中。
如果这一侧撞击区更长,那么机翼/升力体下表面就会先到达这一侧撞击区上方,让这一侧机翼/升力体的升力强于另一侧机翼/升力体,从而让舰载机产生一个向另一侧转向的力矩,如果飞控系统没有及时对这个力矩进行配平,那么舰载机就会偏离原本航向冲向另一侧,可能导致重大着舰事故。
通过对飞行甲板进行切角处理,利用切角制造两翼地面效应差异,能帮助舰载机离舰后快速转向:
所以在老鹰这类前现代航母落幕之后,采用阻拦降落舰载机的现代航母上再也没有出现两侧不等长的设计。
早期航母撞击区起始段边缘部分,即舰尾飞行甲板边缘存在向下倾斜的坡道设计,这种设计不仅方便舰载机从舰艉向海面俯冲起飞,还有利于海面效应与飞行甲板面效应的平缓过渡:
甚至出现了这种全斜坡飞行甲板设计:
现代魅式超级航母舰尾飞行甲板边缘的小型斜坡,可以视为这种设计的残余,作用依然是引导气流以保证舰尾流场和地面效应平滑过渡。
苏式、华式航母的撞击区舰尾边缘部分没有明显斜坡,只有圆弧。
这是因为苏/华式航母的舰体拥有复杂的倾斜曲面外形,便于通过向舰体内部压载水舱注水配重以改变舰体和飞行甲板纵向俯仰角度,即主动进入纵倾,让整个飞行甲板高度由艏至艉逐渐降低,保证地面效应平滑过渡。
主动以艉倾姿态航行还能增加舰载机相对飞行甲板的下滑角,提高着舰撞击精度,在复飞离舰过程中提高舰载机向上的速度分量及惯性,改善高海况复飞安全性。
3、气流约束:航母的翼地效应强化设计
飞机飞行高度离甲板越近、地面效应就越强、高度变化引发的升力变化也越剧烈,在百米以下的低空,飞机与地面/海面/甲板的距离缩短10米,增加的升力可能比在高空下降数百米乃至上千米增加的升力还多。从改善起降安全性角度:
强化地面效应有利于提升舰载机升力,因此需要尽可能延长飞行甲板,哪怕甲板延长部分不能长期频繁承受舰载机后轮撞击、甚至完全不能直接用于停放固定翼飞机,也能通过强化地面效应来改善起降安全性——不仅仅是延长飞行甲板才可以强化地面效应,加宽飞行甲板,加宽和延长任何能约束气流的表面都能起到增强升力的作用。
尽可能加宽甲板,尤其是撞击拦阻区周围的甲板宽度,可以强化撞击过程中机体所受升力,有利于降低撞击载荷。更宽的飞行甲板及其附属结构还有助于缓解舰体横向摇摆造成的地效陡变。
合众国号、超日王号、PANG航母方案和福特级都体现了这一思路。
合众国号舰艉为升降机,设计理想撞击点不在升降机上,而位于第一道拦阻索后:
超日王的舰艉外飘甲板强度不足以频繁承受舰载机着舰撞击,对着舰的主要意义在于增强地面效应,对甲板调度的主要意义则是增加停机面积:
相比飞行甲板面积,PANG航母更重视甲板与海面间地面效应的平缓过渡:
PANG的游艇艉不仅可以起到压浪板的作用,斜面造型也能相对平缓的强化地面效应。
福特级舰尾的大面积空心外飘武器平台不能用于停机,但上表面海拔/干舷高度相当接近飞行甲板,同样可以约束气流,增强地面效应:
福特级撞击区两侧的地面效应强化平台在CVN-21初始构想中并不存在,而是在意识到拟涵道效应之后添加的。
福特级相对以往魅联超航的最大优势是其在设计后期得到了先进升力理论的指引。
如果不是因为考虑到舰尾密集阵射界问题,福特的舰艉方向未必不可延伸出一截地面效应强化面板。
福建的舰艉甲板则是外飘已经够远、延长到了极限,无需也不宜像超日王那样继续延长。
同时福舰航发测试室在跑道中线下方的设计也有助于平整舰艉后方流场:
可通过在舰载机着舰过程中开启航空引擎测试,以引擎喷流抬升跑道中线延长线上的舰尾下降气流,提供额外升力,保证舰尾飞行甲板扇尾区与海面之间的拟涵道效应平滑过渡。
航母高速航行过程中飞行甲板的甲板风下洗和两舷的行船风内洗会在舰艉后方形成高速下沉气流,下沉气流在更后方则转变为上升气流后逐渐改平,这种先降后升的气流称为鸡尾流,当飞行甲板表面物体形状复杂时,飞行甲板甲板气流与鸡尾流汇合后会形成更大面积的乱流。
舰载机在着舰下降航线中前段机体会收到鸡尾流末端的上升乱流抬升,必须主动下滑抵御爬升倾向,中后段则会因鸡尾流前端的高速下沉气流导致翼身升力损失产生坠落倾向,需要保持足够安全冗余高度,下滑航线末端飞临撞击区上空时又会因地面拟涵道效应产生爬升倾向,需要保持足够的下滑惯性抵御爬升倾向。
因此舰载机在航行中的航母上降落过程全程不能拉平,无法使用陆基战机飞行员惯用的平飘式降落模式进行着舰。即使在停船静止无风的航母上,拉平前后地效剧变引发的机体漂移也会影响撞击精度,在甲板面积有限的航母上极易导致着舰失败。
航母采用舰尾吹风设计有助于尽可能削弱飞行甲板下洗/下沉气流、减少舰尾与海面间地效差异,有助于实现撞击载荷更低、更接近陆地降落的小下滑角着舰乃至类拉平/拉平着舰,有助于帮助习惯平飘着陆的陆基战机出身飞行员转型适应航母起降。
我国论文曾对魅联CVN-73瓦绅屯号航母舰尾吹风后的流场进行过推测:
然而瓦绅屯号前行过程中不具备从舰体前方迎风面大量吸气的能力,航发测试平台由于位置偏离跑道中线、露天布置而难以在着舰过程中使用。
其无论采用航空引擎吹风还是论文中的舰尾螺旋桨风扇都只能从舰尾吸气,吸气过程本身就会干扰尾流,需要以特定角度吹风才能保证吹风整流效果。
迎风面进气口众多,具备前吸气后喷气长期吹风能力的福舰堪称喷气式航母。
在喷气式航母发展进程上,超级大国不仅不如福舰研发国,甚至不如某头号人口大国,至少维克兰特号的航发测试室开口是在跑道中线下方,短期吹风还是能保证供气的。
二战航母导流设计:
二战航母由于普遍采用架空或半架空飞行甲板,高速行船风可以从艏艉飞行甲板下方流过,故舰尾下洗流普遍弱于现代航母,无需采用主动吹风手段即可实现类似舰艉吹风效果。
弱鸡尾流设计配合螺旋桨战机的低速操纵性,允许二战航母采用拦阻索与飞行甲板尾缘最短距离大幅小于现代航母的飞行甲板布局。
对于自身及其假想敌对海核力量很弱/其假想敌核力量强大到无法对抗-→核海战和常规高烈度海战需求很弱的海军,其航母无需过多考虑防核武及战损抢修问题,依然可以采用长外飘艉板、架空程度较高的飞行甲板以及贯穿式通风甬道设计:
4、拦阻系统与着舰成功率:
1.尾钩弹跳、滑行距离与拦阻失败后复飞作业
由于着舰姿态误差,尾钩有可能在着舰过程中触碰甲板发生弹跳错过拦阻索致使着舰失败,在使用活塞螺旋桨舰载机的二战贯通跑道航母上,着舰失败后舰载机会直接撞击拦阻网或前方停放的舰载机。
但使用喷气式舰载机的现代斜角跑道航母,舰载机拦阻失败后需立即加速复飞,重新进行着舰拦阻。
由于加速复飞作业要求舰载机在拦阻时保持足够的速度和推力、携带大量燃油,因此现代航母对拦阻系统性能的要求远高于从不复飞的二战航母。
飞鲨拦停点距舰艏距离小于距舰艉距离:
由于现代舰载机对拦阻索性能要求更高,拦阻索埋藏部分的体积和重量更大,故需加宽拦阻索间距;隔舱化防护也要求各条拦阻索的埋藏部分减速机构保持足够间距以保证隔断舱壁厚度即防御力。
钩索成功后需要更长滑行距离才能停止、钩索失败后也需要足够长的滑跑距离用于复飞,因此最后一道拦阻索需要离跑道末端更远。
以上因素致使现代航母自合众国号开始,单位跑道长度的拦阻索密度一直远低于二战航母。
现代航母的拦阻索由于数量更少、分布更集中,故在遭到攻击后更易集中报销,甲板下的减速机构更复杂,被击毁后更难抢修和更换,需要配以更厚重装甲进行保护。
出于减重考虑,攻击特化型航母和倾向攻击的现代多用途航母可适当减少拦阻索数量,如福特级就将常用拦阻索数量由尼米兹级的4条减至3条,拦阻索总数由尼米兹级的5条减至4条。
防御强化型航母和倾向防御的多用途航母必须尽可能增加拦阻索总数以保证战损冗余,至少需要4道常用拦阻索外加1道拦阻网纲索。
2.拦阻索拦停与拦阻网拦停
舰载机钩索时,必须保证拦阻索两侧承受拉力的平衡,避免拦阻索因两侧受力不平衡而断裂,或者导致舰载机在滑行减速过程中严重偏航。
理论上拦阻索越长,避免钩索误差导致的两侧受力不平衡程度越轻,拦阻索越不易因为两侧受力失衡而断裂。
旧式液压拦阻系统调节两侧受力的能力有限,必须保证尾钩勾住拦阻索中段——拦阻索中段的中心点,即为拦阻索拉紧后甲板裸露部分的中心点,勾住中段以外部分很可能因两侧受力发生断索和严重偏航,断索和严重偏航通常会引发重大着舰事故,断裂的拦阻索有可能缠绕在一起长期无法解开,阻塞降落跑道导致后续舰载机长期无法降落。
因此旧式液压拦阻索系统滑轮需要尽可能对称布置,因为非对称会设计会导致拦阻索中段与跑道中线不重合,拦阻索中点偏离跑道中线越远,舰载机尾钩越难勾住拦阻索中段,着舰拦阻失败率和事故率越高。
而电磁拦阻系统理论上可精确及时的调节拦阻索拉力,允许采用不对称拦阻索设计同时兼顾安全性:
——例如福特级,其电磁拦阻索采用两侧不等长的非对称设计,但由于调节能力现状与理论状态存在差异,拦阻失败概率较高:
电磁拦阻系统理论上可以依据所拦阻飞机的重量和速度精确控制拦阻动能,让不同重量和钩索速度的飞机获得相同的拦停滑行距离,而液压拦阻索拦停低速轻型机时的拦停滑行距离会短于高速重型机,
和二战航母不同,现代航母的拦阻网不会频繁在着舰过程中升起,而是作为一种仅在必要时安装和升起的应急装置,用于拦停因为故障或战损无法正常着舰的舰载机,为了缩短被拦阻网拦停的飞机滑行距离,其拦阻行程远比拦阻索更短。
拦阻网的受力更复杂,拉力比拦阻索更难调节,因此现代航母的电磁拦阻系统中:拦阻网依然是对称布置,跑道中线穿过拦阻网两柱连线中心点位置。
3.现代航母拦阻区位置限制因素
因为阻拦索滑轮结构和弹射起飞通道绝对冲突、和滑跃起飞通道可能冲突,所以,航母甲板规划必须保证弹射起飞通道和拦阻区绝对不存在重叠部分、还要尽可能减少滑跃起飞通道和阻拦区的重叠。
因此现代斜角甲板航母的阻拦索只能布置在靠近舰艉的一小段甲板上,也就是上图中的阻拦区,面积相当狭小,数量通常不超过5条,无法像二战时期和冷战早期那些采用平行直通/轴线贯通式甲板的航母一样,采用5条以上、甚至10条以上的阻拦索。
因为现代斜角航母阻拦区靠后,而撞击点必须在阻拦索之前,所以常用撞击点必须相当接近舰艉,撞击区长度难以进一步向舰体中部延伸,目标撞击点无法向中部移动,不利于提升着舰成功率。
4.拦阻索与舰载机着舰动量
拦阻索拦阻瞬间所能承受最大动量不变,则拦阻重量与拦阻速度呈反比,故钩索重量越大的舰载机越需要降低钩索瞬间滑行速度,即重型舰载机需要具备更强的低速复飞能力、更高的低速操纵精度。
5、撞击拦阻区飞行甲板强化
着舰撞击点只能在拦阻索之前,只有舰载机后轮落在拦阻索之前的撞击,才可能是有价值的撞击。
如果舰载机飞过阻拦索后才撞击———那还撞什么撞?赶紧拉起复飞,撞击是为了钩索,都钩不上索了还撞个啥寂寞?是希望多消耗一点复飞动能,方便离舰后尽快入水自沉?
因为拦阻降落的撞击点必须设在拦阻索之前,所以航母上真正需要长期承受舰载机频繁撞击的甲板,也只有最后一道拦阻索之前那一段甲板而已,这一段包括拦阻区和撞击区的甲板是航母上对强度、对抗变形要求最高的一段甲板,只有这一段甲板需要为频繁承受撞击和轰炸进行强化,这段强化甲板甚至可以排除撞击区起始段那一部分甲板。
撞击区起始段甲板(扇尾)、以及复飞区甲板上,不仅仅可以安装坚固的升降机、甲板转盘、导弹发射井舱盖等设施,甚至还可以安装更精密脆弱的弹射器和挡焰板。
理论上甚至可以将拦阻索减速装置由跑道正下方移动至侧下方,为升降通道腾出空间,然后直接在阻拦区内设置舷内升降通道↑,升降机平时位于拦阻索下方,拦阻索拉紧后就横在升降机上方,当需要使用升降机时:把阻拦索放松拉开或者解下裸露段与收起段钢索间的连接扣,即可进行升降作业。
听起来有些麻烦,但既然要把舷内升降机设在机库后,不设在撞击区内,就只能设在拦阻索下方。
除撞击区外,拦阻-复飞区跑道飞行甲板同样需要强化,至于不在跑道内的停机区甲板,偶尔撞坏可以容忍,就算被掀起来也没关系,反正这些区域的甲板紧急抢修难度不高,跑道飞行甲板没被掀开就不算大事。
6、飞行甲板装甲与战损抢修
战损抢修:维修到具备必要功能后立即投入战斗。
战后修复:维修到与战损前基本相同的状态。
在一些想当然的观点中:类似二战约克城级航母所用的木制飞行甲板是一种轻便的模块化设计,修复速度远快于现代航母笨重的钢制飞行甲板。
但事实是:现代航母采用厚重特种钢焊接的铺设飞行甲板,无论是防御力还是战损抢修便捷性都远超二战航母流行的薄钢板加覆厚木板设计。
以约克城级为代表的钢-木结构飞行甲板,受到轰炸后脆弱的钢板部分极易被彻底掀起,支撑结构发生大面积弯卷、变形、破碎、凸起,根本无法在战场上抢修。例如邦克山号:
钢-木飞行甲板唯一的优势是便于战后回坞修复,但战场抢修困难性很可能导致其没有机会回坞。
而以二战大英王室海军卓越/光辉级为代表的装甲钢飞行甲板,即使被击穿后也只会形成小面积凹陷坑,绝对不会产生凸起,用水泥快速填平后铺上钢板即可恢复航空作业能力,抢修难度远远低于钢-木结构飞行甲板,虽然战场抢修的飞行甲板强度无法和出厂修复相比,但在战斗间隙中持续补强即可。
现代航母的特种合金钢飞行甲板,即使遭到高超声速弹头打击后也不会大面积破碎凸起,配合强度和凝固速度更快的军用速干水泥,对于比上图光辉级更严重的战损也有可能在10分钟内完成抢修。
即使重装甲飞行甲板可以被大多数反舰武器击穿,对航母生存能力的加成也绝非轻装甲飞行甲板可以比拟,飞行甲板防御力越强悍,越方便开展战损抢修工作,重装甲永远强于轻装甲。
现代航母,是现代大型海军战舰中唯一的“装甲兵”,在可见的未来,航母的装甲也只会越来越庞大和沉重。
7、撞击载荷与单位时间出动架次上限——垂直降落舰载机的优势
着舰撞击瞬间承受的冲击力会影响飞行员的健康状态,因此飞行员单日着舰次数有上限:
航母所搭载的全部舰载机飞行员/空勤人员的“单位时间内承受着舰撞击载荷的能力总和”,决定了航母载人驾驶舰载机的“单位时间内出动架次极限”。
飞行员当日撞击载荷承受能力由当日海况、当日所降落航母的海况适应性设计和舰载机属性、当日环境流场共同决定。
垂直降落式舰载机的着舰撞击载荷远低于拦阻降落式舰载机,空勤人员搭乘垂降式舰载机可增加单位时间内着舰撞击次数理论上限。
使用垂降式舰载机能够在不改变人员配置和航母设计前提下,大幅增加单位时间内极限出动架次理论上限,让小型航母执行特定任务时的单位时间输出火力匹敌乃至超过大型航母。
二、海况适应性导向的甲板规划-海遏舟
0、海况适应性的意义
1、舰体设计、跑道设计与降落成功率
2、不同舰体衍生的飞行甲板跑道设计差异
3、历史上的“我想要你放弃海况适应性”方案:
4、斜角度数与翼展、飞行甲板宽度的关联
5、高海况着舰精度与无人机时代的航母
0、海况适应性的意义:
该属性关乎航母战力是否高于0,海况适应性以外的其它性能都仅关乎战力强弱程度,现代航母的绝大部分设计均受制于海况适应性——不同航母甲板规划的细节差异,源于不同舰体与载机海况适应性不同、更源于航母设计与使用国所处军事环境对舰机海况适应性要求的区别。
相比以攻击为主要设计目的的海军装备,优先满足防御需求的海军装备必须更加重视海况适应性——选择自身所处海域海况等级的主动权属于攻击方,防御方所处海域海况等级往往也由攻击方选择。
1、舰体设计、跑道设计与降落成功率
1.舰体稳定性
海面上的航母甲板永远处于不断摇摆过程中:
大海中超级航母也不过一叶扁舟
冷战风格照片充分展现了人造物在自然面前的渺小
波浪会造成舰体摇摆,舰体摇摆会降低着舰精度、提高着舰撞击载荷,改变舰载机速度矢量、威胁起降复飞安全,海况等级越高波浪强度越高,航母所处海域的海况等级越高,起降作业越危险。
航母海况适应性能的首要决定因素是舰体属性,航母舰体设计又与飞行甲板、舰岛、升降机等上层建筑设计关系密切。
舰体摇摆包括频率/周期和幅度两大相反因素,摇摆频率对应耐波性、摇摆幅度对应稳定性。
摆频/摆幅越小则耐波性/稳性越强,航母海况适应性越强。
从舰载机起降作业安全性角度考虑:“减小摇摆幅度”的重要性超过“降低摇摆频率/延长摇摆周期”,因为摆幅越大,着舰撞击载荷越强。
从人员和精密舰电设备适应性角度:“降低摇摆频率/延长摇摆周期”的重要性超过“减小摇摆幅度”,因为摇摆方向变换越频繁,越容易晕船/故障。
航母的首要作用是海上机场,因此海况适应性与稳性的相关程度强于与耐波性相关程度。
摇摆分为水平摇摆、左右横向摇摆和前后纵向摇摆,其中水平摇摆和着舰撞击载荷关系不大,故飞行甲板设计主要取决于横摇和纵摇。由于舰载机撞击飞行甲板的速度远超摇摆线速度,故撞击载荷强弱更多取决于摇摆角度幅值而非摇摆加速度或摇摆线速度。为削弱横摇和纵摇幅值,需强化舰体横稳性和纵稳性。
下图中主力航母在中等海况环境中航行的照片之所以能够发表,还多亏了毛熊两兄弟对1143.5原案即1143.6型设计资料的广泛传播:
以下是能够同时改善横稳和纵稳的3种常规手段:
1-改变船体结构,降低重心高度;
2-改变船体线型,提高水线舰体方型系数,让水线以下的舰体形状更接近长方体;
3-改变船体线型、增加舰体四壁外倾角度以强化扶正力矩——苏联1143系列航母,共和国17、18舰、联合王国的女王级均采用外倾四壁舰体,戴高乐号则采用超大外倾侧壁和超大外倾角扶正舷台。
一类目前尚未被使用过的手段则是增加舰体数量,发展双舰体、三舰体乃至多舰体航母。
减摇鳍、舭龙骨、球鼻艏、侧推涵道桨、压载水舱主动配重减摇、戴高乐式金属滑块主动配重减摇系统等均属于辅助手段。
还有一些不能同时改善横稳和纵稳的手段:
增加水线长宽比,让水线更细长苗条,可以削弱纵摇、改善纵稳性,但会强化横摇、恶化横稳性。
降低水线长宽比,让水线更短宽发福,可以削弱横摇、改善横稳性,但会强化纵摇、恶化纵稳性。
上层建筑设计也会影响舰体稳定性:
更大的飞行甲板和舰岛等上层设备、大概率也会更重,更重的飞行甲板和舰岛会拔高航母的重心,削弱稳定性。
干舷更高、飞行甲板表面与海面垂直距离更远的航母更容易在恶劣海况中减少飞行甲板上浪,减少海浪对舰载机的侵袭。
但高干舷同时也可能带来更高的重心、削弱舰体稳定性。
摇摆幅度相同时,高干舷的着舰撞击载荷也会超过矮干舷。
如果一艘航母的甲板宽度、长度、面积、舰岛高度和体积、干舷高度、高海况起降能力,均不弱于、甚至某几项还超过其它满载排水量与其相同、乃至满排更大的航母,那大概率是因为这艘航母舰体设计远比其它航母更有助于增强稳性,因而可承受更高大沉重的上层建筑对舰体稳性造成的负面影响。
福特级体量大于福莱斯特级,但为强化舰体稳性,飞行甲板平均宽度依然维持与福莱斯特级独立号相同的72.5米:
稳性越强的舰体,越容易兼顾飞行甲板长度和宽度、干舷-飞行甲板距海面垂直距离、上层建筑体积和上层结构/设备重量。
反之,放宽稳性要求则可以在不更改舰体设计前提下增加飞行甲板和上层建筑的体积与重量。
航母飞行甲板大小与排水量呈正相关,但从来没有固定的正比例关系。
2.舰体摇摆对降落成功率的影响
高海况着舰需要尽可能让倾斜降落撞击点靠近横摇轴和纵摇轴相交区以减小飞行甲板摇摆带来的着舰撞击冲量增幅,
舰体摇摆轴位置会随舰体摇摆状态移动,并不固定,但横摇轴通常与舰体纵轴平行并经过全舰重心附近,纵摇轴通常位于重心与浮力中心之间的横剖面上。
舰载机着舰撞击点越接近横摇中线(通常在舰体中轴线上)和纵摇中心(通常接近舰体舯部),摇摆线速度越低,越有利于降低撞击载荷,提高着舰成功率和安全性。
跑道中线越靠近舰体中轴线、与舰体中轴线夹角越小:
越方便让着舰撞击点接近摇摆中心,
有利于降低舰载机着舰难度。
即使不考虑舰体摇摆,夹角越大则:
1-舰载机的“真实空速”越低
——舰载机翼身所受升力越低、翼面操纵性越弱、机体越不敏捷、越容易发生撞击事故;
2-航空引擎进气流量越低、推力/加速性能越弱
——复飞能力越差、着舰需要保持更高“地速”(舰体相对地/水面固定参照物的速度)来保证复飞离舰“空速”(机体相对空气的速度),而高地速等于高撞击载荷;
3-着舰精度受侧风和跑道横移影响越严重
——对准跑道中线越困难、着舰精度越差。
中途岛号由于斜角过大导致着舰精度不佳,虽然理论任务包括反潜,但却很少搭载固定翼反潜机。
仅仅从降低着舰难度考虑,降落复飞跑道采用斜角为零-中线与中轴线合一的轴线贯通设计优于跑道中线高度接近舰体轴线的平行直通设计、斜角夹角为0的平行直通又优于小斜角、小斜角则优于大斜角。
——假设海平如镜,航母基本不发生摇摆、小斜角短甲板的着舰性能可能超过较长的大斜角甲板。
二战后着舰安全性最好的航母是戴高乐号,服役20年从未发生着舰事故:
对于具备悬停能力的垂直降落舰载机,可以悬停在降落点上方,选择横摇幅度较小的时间点着舰。因此一艘航母舰载机中垂直降落型号数量占比越大,恶劣海况对该航母战力的影响越小。
干舷高度——即飞行甲板与吃水线的垂直距离也会影响着舰复飞安全性和成功率:高干舷航母的飞行甲板更远离吃水线下的横摇轴线和纵摇轴线,摇摆线速度更高,因此撞击载荷也会更大,但高干舷意味着离舰高度优势,有利于复飞安全。
同时舰尾飞行甲板干舷较矮的航母舰尾后方乱流较弱、地效过渡平缓,使用更短撞击区也能保证着舰撞击精度。
尼米兹级之前的魅联超航的大斜角设计不利于对准跑道中线,但有助于让着舰航线远离舰尾乱流。
尼米兹级之后的魅联超航保留了易增强舰尾乱流的高干舷和大舰艉开口设计,同时跑道斜角减小导致着舰航线进一步深入舰尾乱流区,因此舰载机飞行员更难准确勾上第一道拦阻索,只能选择将撞击点向舰艏移动以缓解舰艉乱流干扰。
从里根号开始的后期批次尼米兹级甚至为此将拦阻区整体后移,只保留3道常用拦阻索。
但跑道复飞区末端干舷越高越便于减少复飞区末端飞行甲板上浪,复飞离舰轨迹下滑距离安全冗余也越大,复飞安全性越高,因此艉倾航行性能较强的航母可以选择主动进入艉倾,压低舰艉飞行甲板干舷同时抬高跑道复飞区末端干舷,以兼顾弱艉流高着舰精度和离舰干舷高度。
艉倾航行性能较强的苏/华式矮干舷航母一直保留4道常用拦阻索设计。
阶梯状舰尾也是一种可行的地效过渡设计,如大阴CVA-01航母方案:
但阶梯式舰尾不利于拓展飞行甲板面积,比较浪费主舰体长度。
苏/华式航母的舰尾近防武器舷台采用阶梯布局:
干舷指满足航空作业安全要求所允许的最高干舷而非满载干舷或正常干舷,航母干舷会随燃油弹药载荷消耗而不断提高,干舷过高时需要灌水压舱以降低干舷高度保证舰体稳定性。
海水对压载水舱腐蚀效果较强,为节省舰体寿命需要尽可能避免使用海水压舱,或尽可能掺入淡水稀释压舱海水浓度,而现代常规动力航母淡水制取能力弱不利于灌水压舱,故航空作业最高安全干舷需要高于核动力航母。航母使用核反应堆制备淡水有助于保持干舷高度稳定即航空作业能力稳定。
二战舰用燃油锅炉单位油耗功率低于现代舰用燃油锅炉,故二战锅炉蒸汽动力航母的淡水制取能力同样弱于冷战锅炉蒸汽动力航母。
二战航母的短水线也导致其纵摇幅值普遍高于现代航母,俯冲下滑起飞模式也更需要维持高干舷以保证舰载机离舰后俯冲和爬升的安全高度。最终导致干舷高度与吃水深度、水线长度、舰体长度、水线宽度、舰体宽度的比值普遍大于现代航母。
3.跑道斜度对降落成功率的影响
斜角跑道航母为保证横稳性必须采用会削弱纵稳性的短宽水线设计。
又因为斜角跑道航母常用撞击点也必须比拦阻索更接近舰艉,越接近舰艉,纵摇对撞击载荷的增幅就越严重,由于撞击区尺寸相对直通跑道航母更短,为保证着舰成功率必须使用精度更高的大下滑角着舰,这又会进一步加强撞击载荷。
大下滑角还会影响飞行员的侧下方视野,对座舱视野要求更高。
能在斜角甲板航母上着舰的舰载机,结构强度冗余、和前侧下方视野,必须超过那些只能在平行直通/轴线贯通甲板航母上着舰的舰载机。
F-18、F-18E、F-35C这三种现代舰载机,虽然可以飞出9G过载,但大过载飞行会加剧结构损伤,缩短舰载使用寿命,因此魅联海军在舰载机上安装过载限制开关,长期保持开启状态以将过载限制到7G,日常使用中禁止关闭此开关进行特技飞行以延长机体寿命。
类似合众国号的中轴线直通降落复飞跑道式航母,撞击点只会位于横摇中轴线上,足够长的复飞跑道也便于让设计撞击点接近舰体中部的纵摇中心。同样海况等级下可以起飞更重、更大的舰载机。
出于对贯通跑道航母海况适应性优势的充分认识,魅联海军在将大部分二战遗留的埃塞克斯级航母斜角跑道化之后,依然保留了少量贯通跑道埃塞克斯级航母作为反潜航母。
由于潜艇具备无视海况等级发动攻击的能力,因此反潜任务对舰机海况适应性的要求在航母所有类型任务中居于首位,体量较轻的埃塞克斯级只有使用贯通跑道才能保证固定翼反潜机在高海况环境中的起降安全。
USN高干舷斜角跑道超航受制于舰体稳性劣势,为保证海况适应性不得不放弃会增加受风面积的综合射频一体化桅杆和大型舰岛,沿袭小舰岛支撑晾衣架桅杆的传统抗风设计。
同时反潜任务对出动效率要求极低,故贯通跑道航母起降S-2等大翼展固定翼反潜机时飞行甲板热机位数量稀少的缺陷不足为虑。
S-2作为活塞螺旋桨舰载机的机库热车能力优势也使其无需依赖飞行甲板热车,反潜鱼雷较为昂贵不宜轻易抛落、需要带弹着舰的特性对着舰精度和安全性要求也较高。
直到体量庞大到足以保证固定翼反潜机高海况环境斜角着舰安全的大量超级航母形成战斗力、同时反潜直升机技术也大幅进步后,舰体寿命枯竭的埃塞克斯级贯通跑道CVS反潜轻航才彻底除役。
但由于WW2后魅联海军独强,以及各国国情和作战环境的限制,截止21世纪20年代初期,全新设计的现代拦阻降落航母都没有采用最利于重载降落复飞、攻击性最强的中轴线贯通式跑道设计,都采用了会增加着舰难度和缩短降落复飞跑道的斜角跑道设计。
2、不同舰体衍生的飞行甲板设计差异
舰载机的起落架缓冲装置只能在起落架接触跑道时发挥作用,因此先撞击甲板的起落架承受的冲击强度会弱于后撞击甲板的起落架,两侧起落架撞击时间间隔越长则承受的冲击强度差值越大。
无论实际干舷过高——即飞行甲板与海面/实际吃水线的垂直距离过远、还是撞击点过于远离摇摆中轴线、都会导致飞行甲板摇摆线速度和撞击撞击区左右两侧高度差峰值过大,进而导致左右起落架撞击时间间隔过长,让后撞击飞行甲板的起落架承受过量撞击载荷。
舰载机两侧承受的撞击载荷严重失衡,导致单次承受的撞击载荷超标,有可能对机体结构和飞行员构成难以恢复的损伤,提高着舰事故发生率,削弱航母持续作战能力。
对于大多数受自身体量和舰机适配性掣肘的现代斜角跑道航母:“斜角和舰体中轴线夹角够小”“撞击点接近横摇中心”“撞击点接近纵摇中心”三个条件,堪称相互矛盾,无法全面兼顾。
如此一来就需要根据不同的舰体进行取舍:
横稳性强的舰体着舰安全受横摇影响较轻,所以撞击点可以适度偏离横摇中轴线(通常在舰体纵轴线附近移动)布置。
1143.5型库兹涅佐夫号方型系数高于多数魅联航母
1143.5、1143.6瓦良格/辽宁甲板外形相似、舰体线型却有细微不同。
山舰为了高举舰岛巨盾改用水线更宽的新舰体,水线长度也有细微增长,飞行甲板本体延长了约13米,但飞行甲板宽度增长甚微,很可能是凭借增加斜角跑道装甲钢厚度对抗高舰岛重力力矩。
舰体体积重量和横稳性排名:山胜于辽、辽又胜于库,故相对库舰,山舰的斜角跑道允许进一步远离舰体纵轴整体偏左布置。
002和001的舰体线型不同,002的方型系数更高、水线更短宽。
俄联邦克雷洛夫设计局暴风雨超级航母方案↖
暴风雨超级航母方案短款↑
克雷洛夫设计局暴风KM方案↗
某设计性能不错但被迫放弃的女王级方案↖
又庞又胖的大髪民国PANG航母8万吨满排方案↖
还是全宽超过福特的大胖航母-7.5万满排方案↖
俄联邦涅瓦设计局瓦兰巨蜥破冰两栖通用舰↘
纵稳性强的舰体着舰安全性受纵摇影响较轻,所以撞击点可以适度远离舰体中部的纵摇中心布置,如长水线的联邦超航:
魅联所有型号超级航母对比图↑
人类最早建成的超级航母福莱斯特级↗
上图↗为小鹰级美洲号CV-66,其1号升降机和弹射器位置与小鹰号有差别。
上下图为实装动力由初始设计的4核反应堆换成8个小鹰同款燃油锅炉的旧肯尼迪号,其舰体线型更接近尼米兹级:
飞行甲板的形状需要考虑重量分布,航母的舰体各部分重量应该对应各部分的浮力,因为各舱段受力不均衡的舰体更容易变形,福特级的舰艏飞行甲板宽度收缩幅度小于003、但舰艉飞行甲板宽度收缩幅度却大于003,因为福特级的舰艏浮力占全舰浮力比例更高、舰艉浮力占比却更低。↙
福特级的水下舰体比下图中的尼米兹号更方。
甲板面积和船型、重心有关,上图中↖尼米兹级的水下舰体比福特级更接近半圆型,方型系数较低,不利于降低重心。
通常短宽水线舰体横稳强而纵稳弱,撞击点位置偏离横摇中线而靠近纵摇中心。
反之,窄长水线舰体通常纵稳强而横稳弱,撞击点位置接近横摇中线而远离纵摇中心,如下图:
也有乌里杨这种强横稳大斜角的反常设计:
像乌里杨这样舰体横稳性强大的航母,才可能在不削弱海况适应性、不降低干舷高度的前提下,用更窄的水线宽度实现更宽的甲板。
由乌里杨发展而来的海牛方案直接用白色大圆标注理想撞击点:
增加甲板横向外飘距离,即增加甲板宽度同时不增加水线宽度或吃水深度会强化横摇惯性并削弱横稳性。不减轻重量的前提下降低干舷高度则会强化横稳性。
现代航母船型相对二战航母差别很大,普遍是大宽深比、小长细比、远外飘甲板、高方型系数、短宽水线高阻线型设计,绝大部分型号的二战航母干舷高度与水线以下舰体尺度的比值远大于现代航母, 可见的未来内这一现象也不会有任何改变。
3、历史上的“我想要你放弃海况适应性”方案:
图中双电弹侧置降落复飞通道方案装备的是F-35B,理论上F35B确实可以推出电磁弹射起飞型号来增加航程、但35B着舰不需要拦阻索,因此拦阻索只能是为髪国舰载机准备——此方案其实暗藏大阴向大髪推销阴魅系战机的私心。
可以断言:啸鹰评戎的解析方向有误,大髪改回斜角甲板的根本原因和弹射器与停机区无关,正因就是海况适应性——大髪不希望放弃航母本身的海况适应性、更不想装备F-35B这种海况适应性顶尖、却由魅阴掌握核心科技的STOVL战机来取代航母自身的海况适应性。
大髪认可的PA-2方案坚持保留远离舰艏浪的左舷弹射起飞通道↗
CVF弹射方案左舷降落复飞通道受横摇影响过强,全部两条(比蒸弹畏水的)电磁弹射器均位于最容易上浪的舰艏,新一代战斗机或许勉强能承受冲上甲板的海浪袭击,但E-2预警机可未必行,采用了这个方案或许还得更换预警机,最佳选择除了大阴最想要的V-22鱼鹰预警机以外还能是谁?
魅联海军重心转向亚太后,联合王国必须加强自身海防战力,在规划女王级斜角方案时终于放弃了更适合攻击的离轴左置小斜角方案,改回了更适应在恶劣海况中执行防御性任务的经典中等斜角设计:
女王级最终采用的,则是最适合恶劣海况大机群防空任务的垂直降落方案,且降落区位于主舰体上方靠近舰体纵轴:
魅联海军曾经构想过跑道离轴度更大的攻击型航母方案,整条跑道中线都不在主舰体上方,该设计相比CVF的好处是跑道下洗气流较弱:
4、斜角度数和翼展、飞行甲板宽度的关联:
斜角甲板虽然是因为允许喷气机同时起降,才被魅联海军首先发明和装备,但斜角甲板这一概念最早被提出的原因,却是为了解决大阴王室海军在宽度狭窄的飞行甲板上高效运作大翼展喷气式舰载机的需求——早期涡轮喷气式舰载机由于低空低速推力孱弱,想要高海况着舰安全性够用就得在气动外形上强化低速操纵性,不得不采用大翼展设计。
平行直通/轴线贯通甲板需要更大的宽度来保证降落复飞安全性与飞行甲板停机区面积。
如果不考虑使用大翼展飞机,飞行甲板宽度超过70米的现代航母其实可以改用平行直通/轴线贯通式降落复飞甲板,如此一来降落复飞通道甲板几乎能与全舰等长,复飞离舰速度大幅提升,因此可以降低干舷高度,换取更大甲板面积。
戴高乐号如果只考虑起降阵风战斗机,也能实现起降互不干扰———斜角跑道收窄后左移,舰艏弹射起飞通道右移即可:
戴高乐号不愿放弃大翼展预警机,同时由于小舰体稳性较弱,故不肯放弃任何一个能改善海况适应性的设计,因此理想着舰撞击点必须尽可能靠近纵摇轴线。
5、高海况着舰精度与无人机时代的航母---直通拦阻降落和垂直降落的优越性-为何拦阻降落式舰载无人防空机迟迟不出现。
斜角夹角与高海况着舰精度呈反比,因此当前大多数没有搭载飞行员驾驶的舰载机,在大斜角跑道航母上的高海况着舰精度均弱于载人驾驶舰载机,拦阻成功率不高、失败和事故率不低,也就是斜角跑道拦阻降落航母并不能实现“在高烈度战斗中有价值”的“免乘员驾驶”,而当今所有拦阻降落航母都采用斜角跑道设计,因此为这些航母研发的无人舰载机都是强调攻击属性的无人机,如X-47B、攻击11等型号。
很少有军事强国优先发展用于预警/反潜/截击/巡逻式警戒攻击等防御属性任务的无乘员驾驶拦阻降落舰载机——即使是MQ-25无人加油机这种理论上可以用于支撑舰队防御巡逻任务的型号,也优先强调其进攻属性。
垂直降落式飞机实现高海况全自动精确着舰的难度低于拦阻降落式飞机,因此垂直降落式无人舰载机有着广阔的发展前景。
上图为半垂直/超大下滑角斜线着舰↖
多机同时着舰:
但垂直降落设计难免削弱航时巡航性能,因此近未来可能需要在斜角跑道航母上部署一类变掠翼载人驾驶舰载机来兼顾长航时预警巡逻/巡逻截击/巡逻反潜/巡逻攻击/巡逻警戒任务,或者发展贯通式跑道航母搭载无人拦降舰载机完成上述任务,最理想选择是三管齐下:同时发展垂直降落无人驾驶舰载机、变掠翼载人驾驶舰载机和贯通跑道航母。
2022年公开招标的新型无人机试验舰已经能够确认采用贯通跑道设计。
三、机梯,舰岛与热机区,调度走廊-律风波
0、对甲板流场影响最大的区域
1、飞行甲板飞机升降机布置规律
2、不同种类的飞行甲板机梯
3、关于飞机升降机的虚构信息
4、舰岛位置及外形决定因素
5、舰载机热机区6、飞机和车辆调度走廊
0、对甲板流场影响最大的区域
航母飞行甲板上的飞机升降机、舰岛、整备/热机区、飞机调度走廊是全舰人员和设备密集度最高的区域,是对飞行甲板流场状态影响最大的区域,其设计细节也是影响海况适应性的重要因素,与防御系统、战损冗余、损管作业、海上补给息息相关。
1、飞行甲板飞机升降机的布置规律:
指挥飞机着舰需要舰岛,维修存放飞机需要机库和连接机库的飞行甲板飞机升降机,又可简称飞行甲板机梯。
对于拥有双层乃至三层机库的前现代航母,还需要连接不同机库的机库飞机升降机。对于没有或者缺少甲板弹药升降机的早期航母,甲板机梯还要在舰载机出动前和返航后兼职弹梯提升和回收弹药,即使对于甲板弹梯数量较多的当代航母,在接受大量弹药和其它物资补给时,依然需要用机梯兼职弹药物资升降机来加快弹药入库速度。
1.飞行甲板机梯面积与形状
机梯的形状和面积比机梯的数量更重要,因为机梯需要留出安全冗余宽度和长度以同时升降多架舰载机,机梯形状和面积不仅仅要适应现役舰载机,还要考虑未来舰载机的尺寸增长,故大部分现代航母都采用位于飞行甲板边缘,空间更充裕的舷侧升降机或舰艉升降机。
位于飞行甲板边缘的机梯除用于升降舰载机以外,还用于舰载机的热机整备、弹药和其它补给物资、车辆和其它装备的升降工作,有可能同时用于热机整备和升降作业,损管作业时还存在紧急下降需求,故故航母在执行战备或实战部署任务时舰载机不宜跨越升降机停放,同时严禁跨升降机系留。
例如:为便于卸载和加挂机翼挂载,苏联1143系列航母及其邻国建造的山东舰要求舰载机必须能在机梯上展开机翼;魅联超级航母需要让两架超级大黄蜂在机梯上展开机翼;
山东舰后型舰则需要让机梯同时升降两折叠状态飞鲨并让其中一架获得展翼空间,或同时容纳两架折叠热车状态歼35并同时提升3架交错摆放的擅武/飞鲨,由于舰擅武折叠后宽度在9.3~9.5米之间,作为隐身舰载机大部分弹药位于弹舱内,无需展开机翼挂弹,因此山东舰后型舰机梯宽度必须超过21米以保证左右各一米安全冗余,如下图:
航母舷侧机梯两舷向宽度/进深下限须对应舰载机升降状态长度上限,舷侧机梯艏艉向长度下限则对应舰载机升降状态宽度上限。
由于现代舰载机折叠后宽度通常小于长度,故现代航母舷侧飞机升降机在两舷向宽度尺寸的设计自由度远低于艏艉向长度尺寸——即使机梯长度可以缩小但机梯进深也无法缩小,强行缩小机梯进深会导致舰载机无法进出机库。
下图18舰的机梯尺寸显然难以成立:
2.飞行甲板飞机升降机应靠近起飞位和拦停区
现代喷气式舰载机被拦停后需要尽快卸载弹药、抽走余油,油弹清空后舰载机喷气发动机依然处于高温状态,在完成降温之前,通常需要避免立即收入机库(若要让拦停的喷气机以最快速度重新出动,甚至不会让其入库,而是继续热机出动)。
但通常需要避免不等同于绝对不能,如果被拦停的舰载机出现了需要尽快进入机库维修的故障,那么也有可能在清空油弹后被立即送上升降机收入机库维修,不再等待引擎冷却,毕竟少量引擎散发的余热尚不足以严重恶化机库工作环境,如果机库内已经放置了大量的未冷机舰载机,机库环境已经足够恶劣,不允许继续增温,那么也有可能在甲板上快速拆卸拦停后的故障飞机引擎,再将已卸下发动机的飞机送入机库。
上下图为飞行甲板拥挤程度不同时尼米兹级故障/战损舰载机拦停后立即入库路径,1号机梯入库作业易与1号弹放飞作业矛盾,未遇到下图中舰载机稀少的情况时舰岛前的2号梯才是首选入库路径:
拦阻索拦停区和拦阻网拦停区附近都需要设置升降机。尼米兹级是拦阻索拦停区和拦阻网拦停区共同对应2号升降机,福建舰则是两个拦停区分别对应前后升降机。
升降机出口即为起飞位,能够以最快速度将机库内的舰载机提升到起飞位上热车,有利于快速热车放飞一些不常用,不会也无需经常停放在甲板上的机种———这种设计对超虫一统甲板的老旧蒸弹航母正面意义不大,但相当适合舰载机种类多样化的未来电磁弹射航母。升降机出口即为起飞位的缺陷,则是易受加力喷流威胁,如果舰载机起飞阶段无需开启加力或者很少使用加力,那这一缺陷就完全或者几乎不存在——这同样是长加速距离的电弹相对短加速距离的汽弹的优势。
3.舰载机就位效率角度
1号飞行甲板飞机升降机需要避免挤占舰载机从正后方进入起飞位的通道、需要避免出现1号起飞通道的挡焰板和飞机挡住升降机内侧入口,阻碍拦停飞机进入升降机的情况。
飞机从正后方进入起飞位是效率最高的就位方式,因此需要避免出现飞机升降机部分位于起飞通道后延线上同时还过于靠近起飞位的设计,该设计会导致升降机降下时起飞位后方的舰载机就位困难。正面榜样是魅联的福莱斯特级和小鹰级、福特级、震旦的003型、大髪民国的PANG方案。
星座号放飞预警机时↑起飞通道右侧依然可以停机
星座号↗、小鹰号↓的机梯和挡焰板并列布置
福特则拉开间距以避免升降作业妨碍舰载机就位:
反面教材是CV64星座号以后和CVN78福特号以前魅联所有型号的已下水超级航母。
尼米兹级已有一半以上挡焰板位于机梯前:
尼米兹级4号1号机梯位于1号4号起飞通道后延线上且过于靠近1号4号起飞位:
当然由于蒸汽弹射器蓄力时间较长,在采用蒸汽弹射的航母上,舰载机就位后通常不能立即弹射,升降机下降影响弹射效率的问题还不算严重。
但电磁弹射的弹射效率很大程度上取决于舰载机就位速度,因此假设福特级延续尼米兹反面教材设计,1号弹放飞速度与升降作业矛盾对循环出动效率的拖累可能远超尼米兹级。
对于1号机梯整体位于1号起飞位右侧,可同时升降两架舰载机的航母,为方便已需要立即入库维修的已拦停飞机进入1号梯,应当保证1号梯有不低于一半面积位于挡焰板后侧后方——以便已拦停飞机从1号起飞位后方进入1号机梯;如果难以实现,应当让1号梯有不低于一半面积位于1号位待起飞舰载机前方,以便已拦停飞机从1号起飞位前方进入1号梯——从这一角度评价,福舰的设计优于PANG。
冷战后的新锐大型航母中18舰的1号机梯设计堪称最优解:兼顾快速直行就位,快速出库就位、快速入库就位,真正做到了缺陷最小化。
4.热机出动和防火角度-机梯升降频率和机梯对应的热机区容量有关
从快速提升舰载机填充热机区的角度考虑:需尽可能保证各台机梯运载能力对应的热机区长度相同,即热机区有多长,对应的机梯运载能力就有多强。尽可能保证每台机梯位于所对应的热机区中部,以减少从升降机到热机位的时间,保证整备效率。不同出动模式下热机区分布不同:
例如全甲板出动/回收状态热机/停机区长度会超过正常状态延伸至飞行甲板舰艏端,故对于机库载机量与非全甲板作业模式飞行甲板最大载机量之和超过全甲板攻击出动数量上限的航母,1号机梯尽可能前置能加快全甲板出动前舰载机进入艏热机位的速度。
除升降飞机的本职外,机梯还具备在发生火灾时下降分割热机区火场,控制火势蔓延的作用,这对福特级和戴高乐号等舰岛远离右舷热机区中段的航母尤为重要。
虽然有甲板喷淋,但喷淋装置损坏后水不会自行喷上甲板,降下的机梯损坏后也不会自行升上甲板:
5.舰体稳定性角度-飞行甲板飞机升降机和舰岛、甲板的位置关系要能够保证舰体重量的均衡分布。
机梯会破坏飞行甲板承力结构完整性,故“机梯重量及升降机附近的结构补强增重之和”会超过同等面积的飞行甲板重量,增加机梯数量会提高母舰重心,减少机梯则可降低重心。
增加甲板面积也会提高重心,有限的配重必须在飞行甲板主体与机梯之间进行分配。
故减少机梯数量有助于控制重心并增加飞行甲板面积。部分魅联4机梯超航为保证两舷重量平衡不得不在机梯上使用大量比强度高、轻质但易燃的镁铝合金以减轻右舷重量,这会让机梯更容易被燃烧弹摧毁。
机梯运行过程会改变航母的受力分布,不同位置、形状、尺寸、重量的机梯运行过程对舰体稳定性的影响也各不相同。
6.海况和航速适应性角度-尽可能避免风浪影响升降作业
各机梯使用频率差异与升降通道受海浪影响情况的差异直接相关,海浪强度与航速和海况二者正相关。受防浪舷台保护更少、受海浪影响更严重的机梯使用频率更低。
干舷越矮防浪舷台越厚重
机梯越靠前受舰艏浪影响越严重:
因此高航速或高海况环境中后机梯使用频率会高于前机梯,部分轻型航母/两栖攻击舰甚至将前机梯彻底置于舷内。
尼米兹级的1号机梯在全甲板攻击整备阶段承担一半以上的舰载机提升任务,因为全甲板模式下1号弹射通道内临时停机位占新增临时停机位总数一半以上。
但1号机梯高海况环境进行小机群多批次循环作业时受艏浪影响最严重,且升降过程妨碍1号起飞通道的舰载机就位,对持续空中支援任务和舰队防空作战都相当有害,故循环出动模式下使用频率低于2号机梯。
福特级则为平衡机梯使用频率和保证机梯海况适应性进行针对性设计:
福特级为了满足“同时刻起降、延长弹射器、改变过于依赖2号机梯的情况、提升1号机梯利用率并兼顾1号起飞点舰载机就位效率这五大要求”,需后移1号机梯,同时为保证3段容量接近且被防火门分割隔离的机库与3升降通道一一对应,只能选择后移2号机梯和舰岛,导致右舷舰岛后方停机区和调度通道被压缩,舰岛后方升降通道只能取消。
福舰的尾机梯比福特的尾机梯更靠近舰艏,故在1号升降通道安装压浪支撑条干涉海浪,并在舰尾机梯前后设置防浪舷台抵挡海浪干扰。
舰尾机梯后方舷台另一大作用是防艉浪,尼米兹级由于舰尾收束度较高难以遮挡艉向来浪,艉吊臂舷台刻意对升降通道进行了遮蔽:
该设计未见于舰艉收束度低的肯尼迪级和进取级、小鹰级。
魅联超航的机梯支撑条下表面并未在艏艉方向倾斜,福舰的前机梯支撑条具备压浪条的明显特征:
福舰的防浪舷台空前低矮,舷台上表面与下降后的机梯上表面高度相差不大,相比戴帅和女王级的高舷台更有助于防止人员坠海:
从避免风浪影响飞机升降的角度看,封闭式/舷内升降机优于开放式/舷外升降机,如果一型航母对海况适应性要求够高,那么一定会安装封闭式/舷内升降机——至于舷内升降机的位置,如果要避免分割机库,那么舷内升降机最好设在机库的前后左右;如果需要极致追求单次升降数量、或者考虑到机库内部调度,那么机库中前部/中部/中后部也是可选项。但从通风和排爆泄压的角度看、舷外机梯又优于舷内机梯,因此理想设计应为两者兼并。
舰艉外置升降机属于舷外升降机的一种,通风性和抗浪性介于侧舷外置升降机和舷内升降机之间。
7.横向补给角度-两舷都需设置飞行甲板飞机升降机
舰对舰横向干货补给时,舷外飞机升降机也需要兼职横向补给通道,仅从提高横向干货补给效率和灵活性考虑,航母两舷都有舷外飞机升降机才是最佳设计。
8.着舰安全角度-尽可能避免飞行甲板飞机升降机位于撞击区和拦阻区两侧
位于撞击区和拦阻区两侧的机梯降下时会缩小航母的板面有效宽度,板面有效宽度收缩会导致飞行甲板的地面效应减弱,地面效应的减弱会导致着舰飞机所受升力下降,撞击载荷增大、地效减弱后着舰飞机翼面操纵性也会下降,进而降低着舰精度,增加着舰失败/着舰事故发生率。
因此最好将常用飞机升降机设在复飞区两侧,即使难以做到,也要尽可能减少位于撞击拦阻区两侧的部分——18舰的2号升降机位置符合这一原则。
9.逃生、环控、动力诸系统运行角度-需要迁就其它必须布置在两舷的设施
舰载机舷侧升降通道必须保持较远间隔分散布置以收纳开启状态的滑门,滑门会占据大量两舷舰体表面积和外飘结构空间。
两舷的面积和空间,不仅仅要布置飞机升降通道,还需要布置救生小艇收放通道、布置各种“引擎和发电机”、“环境控制系统”、“通风冷却设备”的进气道和排气道,这些救生通道和气流通道的必须性都在飞机升降机数量之上,而升降通道仅能在开启状态作为气流通道使用,过多的飞机升降机还会占用平衡配重,因此舷侧升降机数量并非越多越好。
10.载机量角度-现代航母飞行甲板机梯面积及数量与飞行甲板载机量关系更大,与机库载机量关系较小。
大部分舰载机使用涡扇/涡喷发动机、没有机库热机能力的现代航母,刚提升到甲板的喷气机必须耗费时间启动发动机热车后才能放飞,无法立即出动,能立即出动的是早已停在飞行甲板上热车完毕的喷气机,因此现代喷气机航母的飞机提升需求与机库载机数量关系更小;反而和甲板停机数量关系更大,因为机梯首要任务是让待入库维修和已入库修复的飞机进出机库、在甲板空间拥挤时将飞机调入机库存放以腾出空间、或让飞机穿过机库调度到甲板上的不同区域以提高调度效率。
约克城级这类允许大机群机库热机的二战航母则不同,飞机提升后即可放飞,机库热机位数量超过飞行甲板热机位,升降需求更多取决于机库载机量。
11.作战模式角度
越重视转换出动模式的速度、全甲板出动/回收状态飞行甲板停机数量与循环出动/回收状态飞行甲板停机数量差值越大,对飞行甲板机梯面积和数量要求越高。
由循环出动模式进入全甲板出动模式,需要将大量舰载机提升到飞行甲板上;由全甲板回收模式进入循环出动模式,则需要将大量舰载机收入机库。升降机数量越多、面积越大,上述出库/入库作业耗时越短,能以更快的速度发起全甲板攻击/解除全甲板回收疲弱状态;
同时舷外升降机数量越多,各机库门面积总和越大,越便于提高机库自然通风散热效率,进而增加进入全甲板回收阶段后的入库冷机名额,以缓解全甲板回收模式下的甲板空间紧张问题、缩短全甲板回收疲弱期。
两种状态飞行甲板停机数量差值越小,出动模式转换时需要出入机库的飞机数量越少,则意味着飞行甲板机梯数量和面积、以及机库载机量、机库通风散热效率都可以缩减——也就是采用小面积小开口机库、大型飞行甲板、总面积较小升降机的设计;
反之,差值越大则出入量越大,需要采用增加机库门和开口总面积的高升降效率、强自然散热通风效率设计。
12.战损冗余角度
从战损冗余度考虑,需要拉开升降机间距,避免一次打击或来自一个方向的饱和打击阻断多个升降通道的情况。
预设作战环境接近己方陆基机场的航母,即使升降机全部被瘫痪,也可凭借岸基机场补充、替换和维修舰载机,故可以适度放宽机梯战损冗余度要求。
2、不同种类的飞行甲板机梯与升降通道结构
1-舷内升降机
二战结束前航母飞行甲板机梯的主流设计,在现代斜角甲板拦阻降落航母上较为罕见。
优势:风浪对升降作业影响极小,海况适应性强;四壁四角均可安装提升机械,有利于增加提升重量;不易战损,比舷外升降机更可靠;
当机库其余部分空间处于封闭状态时,仅降下一座舷内机梯不会扰乱飞行甲板流场,航母设置舷内机梯有助于实现舰载机起降作业与舰载机出入库作业同时安全进行。
劣势:除贝亚恩式开合封盖舷内机梯以外,其它种类舷内机梯升降过程均会破坏飞行甲板和机库甲板完整性,缩减机库甲板可用面积;不能升降尺寸超过机梯尺寸的飞机,难以小型化;在飞行甲板内部挖出巨大孔洞,必然伴随结构补强带来的巨大增重;比固定飞行甲板更容易战损、更不可靠、更难修复,一旦发生战损或故障,有可能会严重破坏飞行甲板完整性导致舰载机无法起降;完全依赖舷内机梯同时机库不设大型侧门/艏门/艉门的航母散热通风泄压性较差,内部泄漏油气和爆炸冲击波难以释放,不利于入库冷机和战损管制。
2-舰艉外置升降机
性质介于舷内升降机和舷侧外升降机之间,合众国号之后依然有航母和其它类型航空舰采用。
优势:削弱海浪对升降作业的影响,海况适应性较强;允许升降尺寸超过机梯的飞机,可以小型化;发生战损/故障后对甲板完整性影响较小,位于正常着舰撞击点之前,被击毁后舰载机依然有可能保留起降能力;对甲板结构强度的影响低于舷内升降机。
劣势:受强风影响较大,依然会受海浪影响;对飞行甲板和舰体侧壁结构强度的影响要高于舷侧外升降机;
3-舷侧外置升降机
二战时期的埃塞克斯级航母已经采用,后成为现代航母飞行甲板机梯的主流设计。
优势:允许升降尺寸大于机梯的飞机;便于通过侧开门开展横向补给作业;发生战损/故障后对飞行甲板完整性影响较小;
劣势:升降作业受风浪影响严重;远离横摇轴线,升降过程对重心平衡影响较大;难以解决下降状态时气流约束效果最差,升降作业对地面效应/甲板效应强度影响较大的问题,靠近斜角跑道的飞行甲板机梯升降过程有可能影响着舰-降落-拦阻-复飞作业安全性;
3.5-舷内外置升降机
升降通道结构与舷侧外升降机近似,但空间上却位于舷内,需搭配阶梯式飞行甲板,仅CVX-3C方案采用,高海况升降能力强悍且允许升降尺寸大于机梯的飞机。
4-折叠式升降机
属于舷侧外升降机的一种,由埃塞克斯级开创,在现代航母上基本消失,但现代两栖攻击舰依然使用这类升降机。
海况适应性比固定式舷侧外机梯更弱,地里雅斯特级为避免海浪干扰干脆把折叠机梯极端后置:
加富尔号在舰艏安装舷内机梯作为补充:
优势:可缩减舰体宽度适应狭窄水道;重量较轻。
劣势:可靠性差、易故障易损毁;
设计初衷是缩短舰体宽度,因此不会效仿不可折叠式舷侧外升降机采用宽大的舷台阻挡风浪,升降作业受海况影响最严重;提升重量最低;
5-贝亚恩式开合封盖升降机
属于一种舷内升降机,仅二战前的贝亚恩号航母采用,有可能成为未来航母舷内升降机的主流设计。
优势:升降过程不会严重破坏飞行甲板和机库甲板完整性,不会像其它舷内机梯一样缩减机库可用面积;机梯升降运行过程对飞机起降作业影响最小;劣势:对盖板强度、盖板开合装置性能要求较高:比其它形式的舷内机梯更容易拔高全舰重心;
6-舷侧内置升降机
属于一种舷内机梯,仅存在于图纸或军事爱好者想象中,有可能成为未来航母舷侧外升降机的重要补充。
优势:升降通道外壳可阻挡风浪,海况对升降作业影响极小;若配合桥式舰岛甚至能彻底实现空间封闭,避免风浪影响升降作业;对飞行甲板和舰体侧壁结构强度影响远小于舷内升降机,类似舷侧外升降机;
劣势:无法升降尺寸超过机梯尺寸的飞机;重量超过舷侧外升降机,位置和舷侧外机梯一样远离横摇中线,对全舰重心影响最大;需要解决升降通道外壳抗浪性问题;
7-舷侧升降通道结构差异:
倾斜滑轨飞机升降机设计:
戴高乐号的所有机梯、魅联超航的部分机梯采用外倾斜轨。
戴高乐采用斜轨主因是为保证飞行甲板主体固定部分的面积,舰体侧壁本身并未向舷外倾斜。
魅联超级航母则仅在舰体侧壁倾斜的艏艉升降通道采用外倾斜轨机梯。
斜轨机梯坏处是提升过程存在向舷外的加速度分量,不利于安全提升。
反面则是下降过程存在向舷内的加速度分量,福莱斯特级和小鹰级的舰艏斜轨机梯通常主要用于舰载机入库,入库过程能借助向内加速度分量提升安全性。
依据滑轮原理,外倾斜轨有助于增大钢索与滑轮接触面,从而强化拉力。同时斜轨对拉力在垂直方向的分量要求更低。
女王级未采用斜轨,而是以金属升降带取代了升降索,同样能够增大接触面积从而强化拉力。
福舰作为华式航母奠基之作,防雷层顶板(红色水线顶部)和机库甲板之间的舰体侧壁外倾,但机库甲板以上部分基本恢复垂直,因此福舰升降通道底部凸出的机梯支撑条宽于魅式航母,但滑轨及入口形状接近魅式。
福舰自防雷层水线以上的舰体舯部侧壁,既非魅联尼米兹/福特风格的全垂直甚至上半部分逐渐轻微向舷内倾斜的设计,也不是苏联1143.6型风格的自防雷层水线以上大部分舰体舯部侧壁逐渐向舷外倾斜的设计,而是机库甲板以下部分倾斜,机库甲板以上部分基本垂直的设计,因此现实中的福舰并未出现大角度倾斜的机库门或门框。
3、关于飞机升降机的虚构信息解毒
虚构1:舷侧外飞机升降机为了安全性不能在航母高速航行状态下运行。
解毒——按照相同逻辑,高速航行状态也无法移动飞行甲板主体边缘的舰载机,飞行甲板主体边缘部分无法下降,受舰体自由度影响更严重,安全性更差。高速航行同时运行舷侧外升降机是二战埃塞克斯级的日常作业,而现代航母舰体稳定性更强、飞行甲板机梯特种涂层防滑性也优于二战航母的木甲板和钢板。
虚构2:左舷飞行甲板机梯对同时接受直升机垂直航空补给和右舷舰对舰横向补给意义重大。
解毒——右舷横向补给会阻碍右舷升降作业,直升机垂直航空补给是频繁将少量物资吊运到飞行甲板上,左舷升降机的作用是将吊运至飞行甲板上的物资转移到机库或其它舱室,大量单次升降量接近直升机单次吊运量的小型升降机比少量大型升降机更适合高效安全执行这一任务。
魅联航母在左舷、乃至整个飞行甲板后半部分都未设置小型升降机,只能使用笨重的大型飞机升降机来集中转运物资,大量物资需要长期堆积在甲板上,相比苏式和中式航母的多个小型弹药升降机分散转运,魅航的物资转运过程更消耗时间和人力、更不安全。
魅联航母的左舷机梯对左舷横向补给更有用,但整个舰尾飞行甲板缺乏小型弹药升降机,不利于提升直升机垂直补给效率和安全性。
由于机梯补给灵活性不佳,魅联超航更喜欢多量少次的集中补给模式:
补给前离开战区,补给过程清空甲板舰载机,母舰安全由其它航母或陆基战机负责。
苏式和华式航母思路则是优先考虑航空补给效率和安全性,不惜牺牲横向补给效率——毕竟少量多次的弹药垂直补给效率,才是航母取代炮舰、击败导弹舰登临现代海战主力舰宝座的核心决定因素。
虚构3:机梯下降会降低飞行甲板回收数量
解毒——任何机梯未下降的全甲板回收照,都没有出现舰载机横跨“飞行甲板机梯部分”和“飞行甲板不可升降部分”停放的现象,没有任何迹象表明机梯不下降有利于增加飞行甲板回收状态停机数量。
此类谣言源自航母结束战备部署任务后的返港照,如下图:
虚构4:斜角甲板航母飞行甲板机梯运行时必须中断起降作业;魅联航母左舷4号机梯下降时4号弹射器无法弹射舰载机。
解毒——位于拦阻区后(拦阻网与舰艏间),远离斜角跑道,也不在斜角跑道正前方的机梯运行并不会威胁着舰复飞安全。
即使是约克城级和埃塞克斯级这类开放艏二战航母,也能通过关闭艏门减弱机梯乱流来避免升降作业干扰着舰作业;
尼米兹级和福特级的4号左舷机梯运行仅仅会导致舰载机无法快速进入4号起飞位、同时强化撞击拦阻区乱流,但不会影响已就位舰载机进行弹射。
虚构5:升降机不能承受着舰撞击。
解毒——在喷气机时代依然存在升降机位于着舰撞击区内部的航母,甚至二战后开始设计的现代拦阻降落航母与会采用升降机在撞击区内部的设计,未来电磁升降机技术成熟后,航母甚至有可能刻意将机梯甲板中心与理想着舰撞击点重合,将舰艉/舷内升降机作为着舰缓冲平台使用,能有效降低舰载机着舰撞击载荷,提升航母海况适应性,增加舰载机着舰重量。
老鹰级由于撞击区右长左短,容易因左右地效升力差造成左起落架先撞击甲板,因此机梯移至跑道左侧可以起到缓冲作用。
4、舰岛位置及外形设计决定因素—没有雷达隐身:
任何有意识对舰岛采用雷达隐身/电磁隐身设计,但却不将飞行甲板和舰体隐身化的现代航母官方定稿方案从未存在过:
苏联的1143.7型航母早期构想考虑过舰岛雷达隐身外形和隐身涂层,但在定稿方案中还是取消了这种不成熟的构想。
魅联CVX-3C隐身航母方案则计划通过恢复二战航母的机库隐蔽整备模式,简化飞行甲板作业,从而实现全舰电磁隐身化。
现代航母繁忙的飞行甲板注定无法实现有价值的雷达隐身,但红外隐身对降低舰岛中弹概率依然重要,相比雷达制导武器,红外制导反舰弹更难被干扰,对航母战斗群威胁更重。
1.尽可能维持高长宽比和平整表面
以保证整流效果,避免舰岛乱流对降落复飞和甲板作业的有害干扰。
细长舰岛比短宽舰岛更有利于保证甲板流场的平顺稳定,由于舰岛位置越靠前,受舰岛乱流影响的甲板面积就越大,所以前置舰岛必须细长,后置舰岛才可以短粗,中置舰岛则可介于两者之间。
如果流体力学设计水平足够精深,可以用两个短宽舰岛实现优于一个细长舰岛的整流效果:
理论上流线型曲面舰岛比平面舰岛更有利于整流,但曲面舰岛不利于布置目前主流的平面相控阵,加工也比平面舰岛麻烦。
所以目前整流效果最好的已建成航母舰岛,就是用平面模拟曲面,做到了表面凸出最少、线型最流畅的003舰岛:
舰岛整流效果不佳的航母则需要配备抗乱流能力更强的舰载机:
尼米兹和福特级为了弥补舰桥正面过宽,内飘部分过厚的缺陷,同样采取了整流措施:
福特级的舰桥防弹玻璃大角度外倾,舰桥外还设置了凸出的走廊,从舰岛后方看立面呈锯齿状:
至于会造成强乱流的各种电子设备则移至桅杆顶部使乱流避开着舰航线,并利用比低空甲板风更快的高空风快速扫平乱流:
大髪的PANG航母方案之前效仿的是短宽的福特级风格舰岛,但后期方案中舰岛设计在向福建风格的细长大头方向进化,且比福舰更接近圆头曲面。美学价值增强的大庞新案,舰岛上层建筑已出现了明显的曲面整流设计:
着舰视野中曲线曼妙的巨型舰岛极具舒适感
前视角的圆润舰岛科幻而古雅,若能建成将是艺术发展史上的里程碑级航舰。
上层更庞大、细长、更具曲线美的大头新案:↓↑
显然大髪懒栖民国尽管在惰民选票主导的内政治理领域一塌糊涂,然而在专家主导的战舰设计领域还是相对清醒-没彻底被内卷小岛优越论蛊惑成倭瓜。
短小生硬、僵化且缺乏智慧的尖头废案:↓↑
髪国的大庞航母计划已抛弃了福特式舰岛,转而选择追随福建的大长宽比设计。
可能是觉得巨头舰岛新案对7万吨级舰体言太重,过于考验结构设计功力,曲面不易加工,航空舰桥视野也不够开阔,髪国又提出了一个航空舰桥设在相控阵上方的美学价值<0方案:
不管美学价值为正还是为负,长宽比一直在提高:PANG航海舰桥前下方没有类似福特级的大面积相控阵雷达,但也和福特一样采用外观相似的下巴形凸出部设计:
因为即使不装大盾,这样的“下巴”外形也能起到延长舰岛上层建筑功效,是一种比流线型凸出部更便于加工的整流设计。
2.尽可能保证视界/射界宽度,强化感知和火力
包括雷达视野、航空舰桥和航海舰桥视野
航母舰岛的斜面设计并不是为雷达隐身,而是为了让相控阵阵面倾斜朝上,保证相控阵上方视野,舰桥玻璃外倾也能避免灯光反射干扰舰桥人员视觉。为保证雷达、以及未来需要设置在舰岛上的能量武器的俯视视野/射界,应当在控制重心前提下尽可能增加舰岛高度。
从让每一个武器平台都获得最佳视野和射界的角度考虑,细长上层同样优于短宽上层。
为保证后向视野,航空舰桥应采用向舰艉方向开窗的设计。现代航母的主航空舰桥常采用有助于增大视角的翼桥设计:
视野要求有时会和整流要求发生冲突,维克兰特风格的细长翼桥整流效果较强,但视野一般。更适合舰载机抗乱流能力较弱,且甲板调度简单的轻航。
福舰风格的大内飘短宽翼桥更有助于扩大视角,但整流效果弱于细长翼桥。更适合舰载机抗乱流性能较强且甲板调度复杂的超航。
航海舰桥需要尽可能前置和侧置,以保证俯视视野不被甲板遮挡,如果因为和航海无关的其它原因采用后置舰岛,则需要配备更高的航海舰桥:
下图为军事爱好者想象的004型航母舰岛,比福特级更靠后,但航海舰桥高度反而更低,要走下绘图板恐怕并非易事:
高置舰岛巨盾有助于探测掠海来袭目标,虽然舰岛雷达高度远远比不上舰载机雷达,但不会和舰载机雷达一样因机动产生大量盲区。
红海军开创了舰岛高举巨盾防御掠海攻击的航母舰岛设计思路,巨盾航母思路得到了PLAN的进一步认可,1143.6上已被红海军取消的巨盾在001上被PLAN重新恢复。
辽舰和库舰都装备舰岛巨盾,但辽舰的巨盾阵面较矮,有助于强化舰体稳性,却有损对海探测精度。
增加盾高同时保证稳性不下降需要更新舰体:
于是有了17舰。
三代航母的舰岛巨盾高度变化:
从减弱舰体摇摆对“舰岛信息设备精度与近防武器射击精度”的影响考虑,舰岛位置还应当尽可能接近横摇中心与纵摇中心。
3.尽可能减小与“重心和浮心移动范围”的距离,保证舰体航行稳定性、抗风性、耐波性和舰岛防护。
从控制重心、降低配重难度、保证舰体稳定性和受力均衡的角度看:舰岛位于重心和浮心上方是最优设计,靠近重心和浮心则是次优设计,远离重心和浮心则是最劣设计。
靠近重心和浮心有利于增加“飞行甲板总面积”,但有可能缩小“能有效利用的飞行甲板面积”,或许还会导致部分飞行甲板丧失原有功能。现代航母浮心和重心常位于舰体中部或中偏后位置,因此中置和中偏后布置的舰岛最有利于舰体稳定。越靠近重心和浮心的舰岛越容易增加桅杆和雷达阵面高度,从而使探测设备获得更辽阔的视场。
上图中间方案曾是魅联CVNX计划备选方案,中前方布置舰岛会从宽度上分割三角形停机区,但远比尼米兹级靠近浮心和重心的舰岛相当有利于增加甲板宽度,能够用增加的甲板宽度缓解停机区被分割后尺寸不足的问题。
上图中下方的方案也是魅联CVNX的备选方案,舰岛更接近右舷中部,也比尼米兹级更接近重心和浮心,同样有利于增加甲板宽度,这个方案甚至利用中置舰岛的配重在左舷中部增加了一台飞机升降机,高度对称的重量分布带来高度对称的甲板形状,实现了舰艏3起飞点设计。
如果舰岛重量较大,那么就需要尽可能接近全舰重心和浮心设置,极端后置的舰岛必须严格压缩体积和重量,后置舰岛不仅不可以轻易增加重量,甚至需要控制舰艉甲板面积来平衡全舰重量分布——福特级和尼米兹级的舰艉缺角就是这样产生的。
没有后置舰岛的女王级航母,无论是拦阻降落方案还是短垂降落的实船,舰艉飞行甲板都相当饱满:
小舰岛配庞大舰体的ECBL方案舰艉同样饱满:
过度强化舰体稳性可能削弱耐波性,即摇摆幅度过度减弱同时,摇摆频率却大幅提升导致舰体抖振,人员设备易“晕船”。
增加摇摆惯性可以降低摇摆频率,采用主动配重系统、增大外飘结构重量、增大艏艉两舷壳体舱壁重量、提升干舷高度都能使重量分布远离重心,从而强化摇摆惯性,但前/后置舰岛能够以仅高于主动配重系统的重量为代价强化纵摇惯性,减少晕船现象,相当适合需要长期远洋部署,对人员舒适度要求最高,但因为核污染问题容易被拒绝入港的的“世界警察/前殖民地警察核动力航母”。
高大的舰岛能强化感知和探测,但也会影响舰体遭遇强侧风时的稳定性,山舰作为人类航母发展史上舰岛主体垂直尺度最大的航母,在舰岛顶部挖出了巨大的“鞍部”以抵御强侧风袭击。
烟道两侧的气冷格栅在遭遇强侧风侵袭时也能起到对流泄压作用:
4.远离弹药库,至少要远离殉爆威力最强的弹药库
现代航母弹药库殉爆威力相对可控,部分弹药库殉爆后依然有可能保持战斗力,但弹药库殉爆会对舰岛上层安装的电子设备构成冲击,因此航母舰岛需要远离弹药库设置,至少要避开殉爆威力够强的弹药库,或者说:需要限制离舰岛最近的弹药库的装药量——假设航母舯部弹药库装药量最大,殉爆冲击力极强,那么前置或者后置舰岛是更保险的选择,假设航母没有艉弹药库,或艉弹药库殉爆威力极弱,则后置舰岛是最安全的选择。如果航母采用前置舰岛,同时舯部无法设置足够大容量弹药库,可能必须大幅扩充艉弹药库容量,如戴高乐号。
5.舰岛长度优化的两个相反方向
尽可能缩短舰岛底层占地长度、避免对热机区长度的挤占。
尽可能增加舰岛上层长度,便于布置各种探测设备、以及未来必然装备的能量武器。
双岛也是这两种方向的共同体现,由于现代航母舰岛开始采用底座占地面积小于中上层舰桥面积的大头细颈设计,同时舰岛容积重要性往往高于热机区长度不能轻易缩减,两个小底座舰岛的占地长度总和,有可能低于单个大舰岛,而上层建筑空间总和却有可能超过单个大舰岛,因此对于要求极致增加热机区长度的航母,最明智的设计方案就是采用双舰岛取代单个大型舰岛。
折叠后宽度依然巨大的苏57舰载型:
燃气轮机航母未必需要采用双舰岛,对热机区长度有极致要求的航母却绝对需要双舰岛。双舰岛也有一个潜在好处:表面积更大,未来方便布置更多能量武器平台。
还有一种舰岛也具备独到优势,那就是桥式舰岛:
除了上图中大阴BAE核航母方案,俄联邦海湾级两栖攻击舰方案也采用桥式舰岛:
桥式舰岛是以双舰岛为双桥墩、将双岛上层建筑连通、桥墩之间的下层空间保持宽敞。这种设计能增加舰岛上层面积,方便布置各种探测设备,而桥下部分可设置不受风雨影响的飞机升降机/停机区/维修车间。
6.保证烟道排烟效率同时降低排烟造成的红外特征
为减少排烟对着舰航线的干扰需要增加排烟高度,但排烟高度增加会强化红外信号特征。
为了降低红外特征,需要加装冷却系统,对常规动力系统排放的烟气进行降温,但冷却系统会让烟道体积变得十分庞大,控制烟道口面积就必须增加烟道长度,控制烟道长度就必须增加烟道口面积——这就是苏式和华式航母烟道高度和面积超过福莱斯特/小鹰/旧肯尼迪的原因——魅式常规动力航母燃油锅炉烟道设计并未重点考虑到降低红外特征。
苏式和华式航母为降低红外特征,还会在空重近千吨的舰岛内部烟道与相控阵雷达盾面之间设置容量高达数百立方米的巨型冷却循环水墙,持续泵入数百吨海水/淡水循环吸收相控阵雷达和烟道废热。
1143.6/001型和尼米兹级喷淋作业对比,辽舰舰岛巨盾下方喷淋效果明显增强,很难认为没有循环水墙冷却水重力加持。
如果是以燃气轮机作为主要动力的航母,由于燃气轮机排气压力低、同时排气量很大,为了保证排烟效率,舰岛烟道必须尽可能避免弯曲。假如航母因为机械推进要求,无法集中布置燃气轮机、或者像电力推进的女王级一样出于战损冗余度考虑,要求必须分散布置燃气轮机,那么烟道也必须分散布置———结果只能是:要么用分散布置的不低于两个短舰岛来逐个容纳分散布置的烟道,要么用一个超长舰岛来容纳所有分散布置的烟道——显然双短岛设计更明智。
电力推进同时还不怎么考虑战损冗余度的维克兰特号,则采用集中布置的燃气轮机和单舰岛设计。
其实如果放弃舰岛排烟,改用从外飘甲板下向海面排烟的设计,那么机械推进同时分散布置动力的燃气轮机航母也可采用无烟道的单舰岛布局。寻常井径卷-钢之息篇再行详解。
7.考虑战损冗余度和损伤管制
两个功能类似的舰岛拉开距离布置有利于增加战损冗余度,但还有一种设计可以达到类似效果:
用巨大的排烟道将一个舰岛内部空间分隔为互不连通的两个部分,也可以将其视为用排烟道将双岛整合入一个外壳,形成一种外单内双的隐双岛布局。
舰岛前后部分楼层和中部烟道之间安装冷却循环水墙,可储存数百吨冷却水,用于降低排气温度,控制航母红外特征,还能用于冷却相控阵雷达等舰电设备,主烟道由大量具备水密性的钢制分支烟管组成,可以起到消耗来袭弹药动能、影响其前进方向的作用,相当于一种薄钢板-气体-钢管-薄钢板-水墙-厚钢装甲/复合材料的复合装甲,与空间换取等效防御,抗打击优于桥式舰岛——更难出现一次攻击贯穿三个部分的情况,战损冗余度堪比双岛。除乌里杨诺夫斯克号以外,所有中/苏航母均采用这种三部一体舰岛设计。
一些观点认为18舰取消了舰岛后部的备份航空舰桥,但实际上备份航空舰桥并未取消,仅仅是以防御更强的小型观察设备取代了更脆弱的大型防弹玻璃。
18舰舰岛后半部分上层密密麻麻的小型观察窗
在舰体因为进水发生侧倾时,冷却循环水墙内部的数百吨冷却水可作为配平用水使用,在重力辅助下能以远高于水泵抽水的效率进入压载水舱,避免舰体侧倾失控,损管优势不小。
将舰岛相控阵雷达阵面高密度集成在一根主桅内的设计,需要较高的电磁兼容水平,但不利于战损冗余,并不适合高烈度战争,只适合海牛方案这样为远洋低烈度任务设计的航母。
从飞行甲板防火和灭火作业角度考虑:需要相对均衡的分割右舷停机区,同时由于航行风向原因,火场易自舰艏向舰艉蔓延,因此需要适度压缩右舷前停机区停机量,结论是对于单岛航母,舰岛中置最有利于右舷停机区消防作业。
从升降机冗余度考虑:需要拉大升降机前后间距,避免集中布置从而降低集中战损概率。能分割前后升降机的中置舰岛比后置和前置舰岛更有助于增加升降机冗余度。
8.向资源与技术现状妥协
前置舰岛对舰岛流场平顺程度要求更高,而舰岛流场平顺程度取决于舰岛雷达等电磁信息设备技术水平和兼容性。
但如果资源不足以建造长水线大甲板重型航母,那么即使整流技术较弱也只有通过舰岛前置才能保证中轻型航母三角形整备区完整性、才能让1号升降通道远离舰艏以减少海浪侵袭。同时选择为整流简化会造成乱流的舰岛雷达设备--如戴高乐号,或为舰岛雷达设备牺牲整流--巴库号/超日王号。
后置舰岛对整流要求较低,但对航母体量要求较高,适合电磁兼容-舰岛雷达整流技术较弱但不愿简化舰岛设备,同时还要求减少舰岛乱流对着舰干扰效应的重型/超级航母,如小鹰、肯尼迪、尼米兹、福特和PANG。
魅联超航的7层舰桥,其实仅仅是舰岛后置同时雷达数量增加导致桅杆乱流增强之后,为增加桅杆高度削弱桅杆乱流对舰载机着舰影响的副产品,真正需要强采光的舰桥只有第七层的航空舰桥和下方的航海舰桥。
2022年下水的18舰大部分雷达已相控阵化,盾面低置也不会生成复杂乱流,因此有条件复兴福莱斯特级风格的双层强采光舰桥设计。
2023年前下水的航母中,前岛和后岛设计的本质皆是一种被迫放弃中舰岛的妥协设计。
9.综合优势最大的中置舰岛
从右舷甲板三角形调度区完整性考虑,前置舰岛最优,中置舰岛次之,后置舰岛最次。当飞行甲板宽度随航母舰体稳性增长到一定程度时,前岛相对中岛不再具备调度区完整性优势,但后岛依然存在割裂调度区的问题,因此后置单舰岛设计必然伴随未来航母飞行甲板宽度增长而逐渐淘汰。
对于体量足够同时舰岛无需过度迁就烟道布置的的大型航母,舰岛设在既靠近飞行甲板中部、也靠近重心、浮心和纵摇轴的区域是最佳选择——既能兼顾飞行甲板流场和航海舰桥、航空舰桥视野、舰岛雷达/能量武器的视界/射界,同时还能保证舰体稳定性。
对于单岛航母,中岛的正义性是绝对的,后岛或前岛的必要性是相对的。即使是现代双岛航母,为保证整流效果需要控制双岛间距,依然会有一个舰岛靠近中部,通常是更重、装甲更厚,重要设备和部门更多的主舰岛:
女王级的中舰岛在双岛中居后、暴风雨方案的中舰岛在双岛中居前,且两型航母位于中部的舰岛都是主舰岛。
只要飞行甲板足够开阔,舰岛甚至可以靠近舷内布置:
10.舰岛分层方式
现代航母舰岛内最重要的部门是四层舰桥:航空舰桥 航海舰桥、编队指挥/参谋舰桥、司令舰桥。四者需要靠近布置以方便联络,但同时还要避免混合布置在一个空间内,以防止互相干扰。航空舰桥和航海舰桥需要最佳视野,司令舰桥和编队舰桥则首先需要防护,其次则考虑与航空航海舰桥的联络交通便捷性,再次才考虑视野。
采用错层舰桥,即司令舰桥或编队舰桥水平坐标位于航空舰桥和航海舰桥之后的舰岛内部、垂直坐标则位于航空舰桥和航海舰桥之间的结构,有助于灵活调整舰桥高度,可依次兼顾防护、交通、巨盾视场及舰桥视野。如18舰:
11.巨型舰岛的战术心理优势和战役战略意义
在动能武器时代,壮观的舰岛仅仅能起到振奋军威、鼓舞士气、激发飞行员勇气和荣誉感、彰显国家重工业实力的作用。
但在能量武器时代,高耸入云且面积巨大的上层建筑能布置大量能量武器站,凭借近防火力密度和冗余度优势,大幅降低被命中概率。
对于常规动力系统废热排放量较大的航母,更大的舰岛上层建筑面积可用于布置更大面积的通风进气格栅用于换热,从而弱化舰岛红外信号特征,降低红外制导武器击中舰岛的概率。最终可得出一个逆直觉结论:
被弹面积更大的巨型舰岛,战斗状态被弹概率才能更低,舰岛体量越小,遭战损可能性反而越大。
右置巨岛还有高速左满舵转向过程不易大角度左倾,极速左转翻船概率≈0的优势
左转安全性是航母最重要的性能之一,右置巨岛能有效降低紧急左转引发舰载机撞击右舷停机区的概率。
巨型固定阵面相控阵雷达的布置也要求舰岛上层建筑进一步巨大化,现代航母是唯一一种适合布置巨盾即巨型相控阵雷达的战舰,不仅因为航母巨盾阵面高度远超护航舰艇,
有人觉得岛寇爱搞污染视觉的违章建筑不利于舰体稳定,那么再来看一个当时很有艺术底蕴的大陆国家战列舰,舰岛主体依然高于同吨位航母:
还因为航母是唯一一种能在海上重复装填远程防空武器的现代战舰。
假设在不具备重复装填能力的垂发导弹舰上安装巨盾,导弹耗尽后巨盾必须伴随导弹舰回港装填,战役中巨盾导弹舰绝大部分时间都必须用于行军而非战斗。
故火力最强的巨盾垂发导弹舰,其战役过程中的持久效费比也会远远低于航空作业能力最弱的巨盾载机舰。
巨盾战舰或许需要安装垂发导弹,但更需要一块面积巨大的飞行甲板。
习惯使用巨型舰岛,才能有动力发展巨盾航母,有了巨盾航母,才有动力去发展巨型相控阵雷达,才能通过巨盾带动军用电子技术的整体进步。
综上,巨型舰岛无论战术、战役还是战略方面都能对小型舰岛构成优势。纵览二战战史,大型舰岛航母通常或光荣谢幕如列克星敦、约克城,或打遍全场凯旋而归如大E、辉煌,小岛航母要么如同游骑兵号一般默默无闻,要么和赤城加贺、翔鹤大凤、王室方舟一般死于意外或耻辱。
战后设计的小型舰岛航母,天然就在同类前辈的失败阴影中诞生,只有大型舰岛或双舰岛才能提供足够积极的正面心理暗示,更巨大的舰岛更能保证执舰人的心态优势。
5、舰载机热机区
0.现代航母热机区
热车区/热机区/暖机区/暖车区等词意义相同,均为可让该区域停放的舰载机在起飞前启动发动机进行预热的区域,使用活塞螺旋桨发动机的舰载机可以在机库内部进行热车、完成热车后立即提升到甲板放飞——前提是热车过程中机库通风口保持足够大的开放面积。
但舰载机全面喷气化后,喷气式发动机的发热量远超活塞螺旋桨发动机、且早期涡喷发动机喷流排放过程难以兼顾低气温、高含氧量和高流速,大机群机库热机不再可行,大部分舰载机只能停放在飞行甲板边缘或配有挡焰板的起飞位上热机,飞行甲板边缘热机过程中尾喷必须朝向人员活动区外,进气道口只能朝向人员活动区内部。
现代航母飞行甲板热机区分为临时热机区和常备热机区,临时热机区容量与全甲板攻击最大出动数量呈正相关,而常备热机区容量对事关航母生存的紧急出动能力至关重要,因为常备热机区是不影响舰载机起飞和降落,至少是不影响大部分舰载机起飞和降落的飞行甲板边缘停机区,在舰载机群高强度零散出动,频繁进行同时刻起降作业时,常备热机区可一直作为热机区使用,常备热机区容量越大,突发紧急空情时能第一时间升空执行舰队防御任务的舰载机数量越多。
临时热机区往往会占用舰载机起飞空间和降落空间,将起飞通道作为临时热机区热机会降低紧急出动速度,将降落通道作为临时热机区会削弱紧急回收能力,主要用于全甲板攻击的临时热机区容量取决于飞行甲板平面部分长度。
而对于诸多现代航母,主要用于循环出动/紧急出动的常备热机区容量则与起飞通道长度和起飞通道侧翼飞行甲板宽度关系重大,因为起飞通道会占用大量飞行甲板平面部分长度,足够宽阔的飞行甲板能让起飞通道与常备热机区并列,缓解起飞通道长度对常备热机区长度的挤占。
临时-常备热机位总和代表的单波次最大出动数量很重要,但无论在国会山还是战委会,死抱着单波最大出动数量说事都是申请不到军费的——从开建到运行耗时不过三天的陆地野战机场,单波次最大出动数量都可以碾压从切钢板到服役耗时不短于三年的航母,且建造过程资源消耗不会超过航母一成。
航母相对机场的优势是可以靠近目标输出,持续累计出动架次可以超过远离目标的陆地机场,一型航母竞标方案哪怕在单波次最大出动数量上超过竞争对手10架,也无法弥补常备热机位比对手少4个的劣势,这就是为什么CVV这样的重航宁可牺牲同时刻起降能力或最大爆发出动量也要保证常备热机位数量的原因。斜角跑道重航只有具备接近超航的常备热机区容量,才可能在爆发出动量注定不如超航、建造成本接近超航的前提下以累计效费比优势取代超航。
1.热车区与起飞复飞通道关系
理论上热机区尽可能靠近起飞位更利于提高短期放飞速度,所以紧贴舰艏右舷起飞通道布置热机区应该是个不错的设计。
但这个好,需要以该起飞点放飞的战机大多数情况下都无需开加力,或者只需要小加力作为前提。为什么?因为涡扇发动机加力喷流温度远高于无加力喷流、且几乎不含氧气,舰载机发动机热车状态时,进气道必须指向甲板内部人员活动区,喷流指向外部,起飞通道两侧的舰载机热车状态发动机吸入加力起飞舰载机排放的高温贫氧气流后,大概率会因为喘振而损坏。
蒸汽弹射起飞经常不需要开加力,几乎不需要全加力,电磁弹射起飞则大多数乃至绝大多数情况下都不需要开加力。
弹射起飞的无加力喷流对人员和升降作业影响极小
尼米兹级的弹射行程不足百米:
这种时候就需要经验丰富的地勤根据发动机实际工作状态来目测安全距离。
蒸汽弹射产生的水雾其实也能吸收部分喷流热量重新化为水蒸气,从而削弱高温喷流的影响。
在甲板不够宽的斜角复飞航母上:右舷常备热机区紧贴1号起飞位右侧、2号起飞位挡焰板不侵入斜角复飞通道,这两条通常相互矛盾,很难同时达成。
魅联超航的选择是避免2号板侵入复飞区,但这会导致右舷1号机梯前方的常备热机区不复存在。
PANG的选择是让2号起飞位彻底位于复飞区内以保全右舷1号机梯前方的常备热机区。
即使是人类航母建造史上飞行甲板本体最宽最长的大福舰,也只是勉强同时做到这两条。
在占用舰艏起飞区作为临时热机区时,滑跃甲板无论是否接合弹射,热机区面积相对弹射起飞的平直甲板都存在劣势。
但对于需要同时保持1、2号起飞通道畅通,基本不开辟临时热机区的舰队防空作战,滑跃的热机区面积劣势通常不会存在。
当然大角度陡坡滑跃起飞也存在巨大弯折应力会降低舰载机机体寿命的缺陷。
18舰的超长电弹在以微弱艉倾角弹射时,可赋予舰载机超高离舰速度和上升方向加速度,起到类似大角度滑跃的作用,同时延长舰载机使用寿命。
固定在撞击区两侧热机的舰载机通常采用进气道斜指复飞区的停机方向,这不仅仅是甲板形状决定的,更因为着舰飞机在拦阻失败之前不需要开加力,因此进气道斜指复飞区无须担心加力燃烧产生的高温缺氧废气喷流,进气道斜指复飞区吸气反而有利于增加降落复飞通道的局部甲板风速:
固定在复飞区和起飞区两侧热机的舰载机,则是进气道斜指复飞通道/起飞通道后方,尾喷口斜指复飞通道/起飞通道后方停放,因为需要避免舰载机发动机吸入加力起飞/复飞产生的高温缺氧废气。
模型与现实↗↘
2.滑跃航母热机区布置的特殊性———和强加力起飞有关:
自滑跃起飞方式被发明以来,绝大多数出自专业造舰人之手的滑跃起飞航母方案,都罕有贴着短距滑跃起飞位挡焰板侧前方、在滑跃起飞中线侧面设置喷气机热机区的设计:
即使有,热机区内靠近滑跃起飞通道停放的舰载机机首通常也是倾斜指向与滑跃起飞航向相反的方向——也就是起飞通道起始点后方,几乎不存在机首指向垂直于滑跃起飞通道,或者斜指向滑跃起飞通道前段的设计。
不仅仅是苏俄方案,魅联方案同样如此:
因为只有这样停机,才能让热机状态的舰载机进气道背对滑跃起飞战机发动机加力状态的高温高压高速缺氧喷流,避免热车状态的发动机吸入缺氧热气引发故障———其实不仅仅是滑跃航母这样停机,多数蒸汽弹射航母也是需要遵守这个安全准则的。不过向航母前方喷气的方式安全是安全了,但对提高甲板风速只有坏处,而短距滑跃起飞相当依赖甲板风速,因此即使在短点右翼设置常备热机区也未必能经常同时进行起飞和热机两种作业。
进气口背对加力喷流斜指舰艉吸气热车还会导致热机舰载机与滑跃起飞舰载机争夺气流量、进气口侧对滑跃起飞通道指向左舷吸气热车则会在滑跃通道的低速滑跑段形成威胁起飞安全的吸流侧风。
真正在滑跃起飞通道侧翼实装了常备热机区的超日王号和女王级均不设置任何短距滑跃起飞点。
现实中超日王的舰载机停放方式:
另一个角度:
大英的女王、信度的超日王算两个贴着起飞通道侧面设置热机区的特例。
然而,超日王号热机区停放战机也遵循机头指向起飞通道后的原则,且超日王的起飞通道也够长,起飞并不特别需要依赖加力,长点起飞可能在达到热机区左侧时即可乃至关闭加力。
超日王热机区实拍照片:
女王级则可凭借起飞性能优异的F-35B配合超长起飞通道实现无加力起飞,而无加力状态下F-35B发动机喷流温度极低,足以保证热机的F-35B发动机安全:
为什么滑跃起飞存在这样的限制?
不仅因为滑跃起飞更依赖加力,还因为滑跃起飞的本质是驾驭一辆笨拙的三轮车高速高精度冲坡,冲坡的准确性主要依靠战机性能、人员素质、足够的运气三大因素。
对于飞行员,滑跃起飞远比弹射起飞更具挑战性,滑跃起飞的舰载机实际起飞轨迹并不是固定的,每一次开着三轮车冲坡的轨迹都有细微不同,如果飞行员业务不精、状态不良、或者运气不佳,航向出现偏离,高温高压高速的加力喷流就有可能扫过停机区,造成人员和装备损失,停机区正在热车的舰载机发动机吸入高温缺氧废气后也可能会喘振爆炸,导致攻击行动被迫取消。
暴风雨航母的起飞方式是短弹射接合滑跃,所以贴着右舷弹射段设置了喷气机热机区——热机区战机的机头依然朝后,因为暴风雨的弹射器和起飞通道长度较短,可能依然经常需要舰载机加力起飞。
对于弹射起飞而言,起飞难度与飞行员关系不大,压根就不存在起飞通道侧翼不能设置喷气机热机区的障碍,因为飞机被固定在弹射牵引梭上,加速轨迹固定,喷流乱扫概率≈0。
甚至对于弹射器性能足够强大的航母,因为战机起飞通常无需加力,喷流温度够低,可能都不一定需要让热机战机机头斜指向起飞通道起始点后,机头指向可以和起飞航向垂直,甚至可以指向航向前方,让热车状态的发动机直接吸收弹射起飞战机的发动机喷流——前提是起飞战机发动机涵道比不能太低,否则无法保证喷流含氧量。
3.暖机状态的舰载机摆放方向
大量热机战机机首斜指后方对甲板风速会有不利影响,舰艏热机舰载机进气道倾斜指向前方吸气的好处显而易见:更有利于提升甲板风速,改善航母的起降复飞性能,但调度也更麻烦、为避免吸入高温废气,还需要热车状态舰载机进气口和起飞舰载机的尾喷口保持足够距离,现役航母中仅夏尔戴高乐号实现。
多数蒸汽弹射航母舰艏热机战机机头通常斜指舰艉后方:
也有戴高乐号这种斜指前方的非主流停机方向:
夏尔-戴高乐号满排在五常航母中最轻,但却是全球舰艏段飞行甲板最宽的斜角甲板航母。
交流电弹航母热机战机机头指向却可垂直:
虽然直接为电弹供能的是直线电机,但为直线电机供电的综合电力系统却有直流和交流之分。
弹射器加速能力更强的直流电弹航母,几乎用不到加力起飞,紧贴起飞通道停放的热车状态战机机头指向甚至可以朝前:
上图中(伪)3号舰采用了戴高乐式停机法——舰艏右舷热机区所停舰载机机首明明有空间指向舰艉或者和舰体轴线垂直,但还是选择让机首斜指舰艏,而福特级的舰艏右舷1号弹停机方向则是斜指舰艉。
———原作者并没有意识到他的停机方向有问题,但这一细节很可能会歪打正着成为上图漏洞繁多的(伪)3号舰图中最接近未来现实的细节。
为何说原作者是歪打正着?
因为按原作者比例图:两舰弹射器行程长度相同,即使考虑到3号舰的直流电弹强于长度接近的交流电弹,两舰对加力起飞的依赖程度也不会相差太大,停机方式也应该接近才对,又因为现实中福特级的停机方向不会让机首斜指舰艏,因此原作者的比例关系和停机方向一定有一处是错误的———如果003比福特短、压根不可能让热机区的歼35和歼15机首斜指舰艏,因为歼35和歼15占地轮廓比F-35C和超级大黄蜂细长,转向也更麻烦,对于舰艏最前方那一架歼35,想要摆出上图中那种朝向都非易事,即使能实现,也会降低调度效率。
舰载机甲板机动性一看尺寸外形、二看起落架。
歼35舰载机更小的前后轮间距一定程度上能够抵消大尺寸不利调度的缺陷,但和上图中的(伪)三号舰不同,18舰实船的舰艏飞行甲板空间本就小于福特级,而福特级又小于戴高乐号。
小轮距至多能让擅武在福舰上具备不弱于F35C在福特级上的甲板调度灵活性。
上图3号舰航空舰桥面积小于福特级,违背物理规律,因此福舰和福特的真实比例绝对比上图更大——现实中3号舰不会装备上图中那么多15,但右舷前部热机区(右舷近防炮平台和1号升降机间这一段)大概率会采用戴高乐式停机法。
4.常备热机区面积与起飞通道的取舍
对于起飞轨迹固定,大部分架次起飞无需加力的弹射起飞或者滑弹接合起飞航母,升降机位于挡焰板右侧,升降通道出口紧接起飞位侧面都是重大优势,可以用最快速度将机库内飞机提升到起飞位上热车放飞,同时避免起飞通道挤占热车区空间,利于增加单次最大起飞数量,提升全甲板出动能力——但航母不仅仅需要执行全甲板出动,还要考虑同时刻起降能力,避免舰艏右侧起飞通道右移挤占右舷热机区空间,可能会迫使舰艏左侧起飞通道左移挤占复飞区空间。
福特级的选择是挤占常备热机区面积从而确保同时刻起降效率、并增加执行紧急放飞作业时的可用弹射起飞通道总数。
CVV把弹射通道数量减到尼米兹级的一半,但常备热机区容量却接近尼米兹级。
PANG的选择是优先保证常备热机区面积,弱化同时刻起降能力,有助于增加执行紧急放飞作业时可供出动的舰载机总数。
5.常备热机区形状的均衡规整设计思路与反均衡设计思路
现代主流的斜角跑道航母,其飞行甲板热机区形状是不均衡的;假设航母飞行甲板改用轴线贯通式跑道,则飞行甲板常备热机区形状会变得更均衡规整——类似二战直通跑道航母。
对于甲板狭窄、可用面积局促的二战舰体改造航母和大部分冷战早期新建航母,不均衡不规则的常备热机区形状,有利于“损不能以补可能”——保证航母常久热机区尺寸勉强够用,因此斜角跑道成为了二战航母改造和现代航母的主流设计。对于舰体巨大,甲板宽阔、可用面积充足的现代和未来航母,均衡设计可以提高空间利用率,有利于“损有余而补不足”——避免浪费热机区面积。
6、飞机-车辆调度走廊
大部分现代斜角跑道航母的右舷热机区被右置单舰岛分为前后两个部分,这两个部分由位于舰岛侧面的飞机-车辆调度走廊沟通,飞机-车辆调度走廊分为内舷走廊和外舷走廊:
内舷走廊位于舰岛和斜角跑道之间,如果调度的飞机尺寸超过走廊尺寸,则需要借用部分斜角跑道空间进行调度,引发调度作业与着舰复飞作业的冲突,避免采用后置或中后置舰岛有助于增大舷内走廊宽度,避免调度与复飞作业相互干扰;外舷走廊位于舰岛右侧,绝大部分现代航母的外舷走廊仅具备车辆调度能力,常用于停放弹药车辆。
允许调度飞机的外舷走廊又称阿拉斯加走廊或米格走廊。舰载机可通过米格走廊在舰岛前后热机区之间移动,远离斜角跑道,不会与着舰复飞作业冲突,但也无法借用斜角跑道空间调度大尺寸飞机。
米格/阿拉斯加走廊从结构角度可分为固定式、折叠式两种:
折叠式走廊是附加部件,与舰体结构力学设计的关系不大,展开和使用会影响舰体平衡,削弱海况适应性;
固定式走廊和舰体结构力学设计关系较大,从成因上分为两种:飞行甲板拓宽改造、舰岛内置刻意而为。
飞行甲板拓宽改造后形成的阿拉斯加走廊,因为重心拔高,舰岛位置却没有改变,舰体稳定性难免恶化,海况适应性不佳,使用过程中甚至有可能直接把舰载机调度到海里;
一开始就将舰岛内置的设计则不然:舰岛内移可改善舰体稳定性,从而允许拓宽飞行甲板,因此初始设计采用米格走廊与中置舰岛反而有助于强化海况适应性。
为什么从初始设计就考虑改为拦阻降落航母的1143.4型巴库号不将舰岛设在外飘结构上方?因为巴库的体量小于1143.5型,在稳性不足的小舰体上强行安装1143.5风格的外飘舰岛将无法保证抗风性,未战损状态都可能在遭到黑海气旋袭击后骤然倾覆,内置舰岛配合米格走廊可以兼顾抗风性和甲板面积。在气象干涉武器尚未成熟的冷战时代,只有需要对抗黑海气旋的红海军航母才可能存在如此极端的抗风要求。
为什么为什么巴库改建为超日王后却并未开通米格走廊?
因为固定式米格走廊存在不利于消防损管作业的重大隐患,米格走廊上无法布置可用于分割火场的飞机升降机,火场很容易蔓延到超过舰岛基座的长度。
对于舰岛基座超长且没有舷侧机梯的超日王号,火焰甚至可以沿着畅通无阻的米格走廊烧光整个右舷停机区。过宽的调度走廊堆放弹药时殉爆冲击波影响范围也越广。
关闭米格走廊后,超日王的长岛右侧反而更适合停放弹车等危险品,如红色箭头所示:
折叠式米格走廊可以凭借分段折叠控制火势蔓延,即便如此,采用了外舷固定式车辆调度走廊和折叠米格走廊的1143.7也采用了短基座设计。
长基座的1143.5、1143.6、002则干脆不设外舷车辆调度走廊。
调度走廊与舰岛外置交通梯:
现代航母舰岛通常设有开放式的外置交通梯,当舰桥内部通道因战损或故障原因堵塞时,外梯可供人员从舰岛外进出舰桥。
舷号后方为外舷走廊舰岛外置交通梯:
福特级等旧式航母舰岛右侧的外舷外置交通梯完全裸露,难以在恶劣气象中使用,人员攀登上下过程易被大风吹落坠海。新型航母的舰岛外梯采用三面半包围设计,置于垂直凹槽内部,防风性能更进一步,即使在台风环境中依然有可能安全使用。
曾有人猜测此凹槽为升降机,但升降机无需采用开放式设计,只有舰岛外置交通梯有可能需要开放式凹槽。
由于裸露式舰岛外置交通梯乱流较为严重,对甲板流场影响较为恶劣,半包围外梯有助于减弱舰岛乱流强度,且凹槽三面均可用于攀爬,故新型航母为极端强化着舰安全性,极有可能不再设置对甲板流场影响更大的内舷外置交通梯。
四、机库与战兵-舰中兵
0、现代航母机库的主要作用
1、机库设计与单位时间出动架次上限
2、航母机库发展简史-空间上层建筑和结构上层建筑的区别
3、人机关系-决定航母机库容量的真正主因
4、水兵数质对航母机库空间的影响
5、未来航母机库发展推测
6、士兵战斗力的保障-观景台
0、现代航母机库的主要作用
现代航母的机库不再具备让主力舰载机热车的功能,仅保留有限的挂弹区功能和冷机区功能,首要作用是维修发生故障或战损的喷气机,其次是调度和储存喷气机——让飞行甲板上的舰载机通过升降通道降入机库-穿过机库-由另一升降通道提升上飞行甲板,可以减轻飞机调度对甲板作业的干扰;将舰载机收入机库封存以免遭海浪和海面空气中的雾态盐离子腐蚀。
上图为1143.7型航母机库,每个升降通道对应一个调度转盘。
机库内部调度较为依赖转盘,采用舷内机梯的暴风KM航母方案为保证调度效率将转盘直接装在舷内机梯上,如此一来舷内机梯转盘能同时兼顾飞行甲板表面调度和机库内部调度:
转盘机梯靠近弹梯的设计还有助于提升弹药等补给物资在机库内部的调度效率:
在航母接受直升机航空补给和舰对舰横向补给时,机库还有中转物资的作用:
1、机库设计与单位时间出动架次上限
航母单位时间出动架次上限,由舰载机整备放飞回收作业效率、舰载机搭载数量、飞行员和舰载机对着舰撞击载荷的承受能力、飞机保养维护修理能力、飞行员数量这五要素共同决定——以上五要素与机库设计均有或多或少的关系。
例如:
机库热机、冷机、挂弹、加油能力越强,浪费在飞行甲板上的热机、冷机、挂弹、加油时间越短,有更多时间用于飞行;
机库载机量大,必然会有更多备用飞机应对故障和战损,有助于维持更高的持续出动率,假设设计允许在机库内进行加油、挂弹和热机作业,那么飞机从机库提升上飞行甲板后立即可以放飞,有利于增加单波次最大出动数量;
机库高度与干舷高度和舰载机维修空间有关,增加机库高度有助于保证舰载机维护作业空间,但也会增加干舷高度,干舷高度增加无论是否会加快舰体摇摆角速度,都会加快飞行甲板摇摆线速度,飞行甲板摇摆线速度增加会提高着舰撞击载荷;
高烈度对抗过程中舰载机经常会出现必须入库维修的战损,机库维修速度越快舰载机完备率越高,战役持续期间可快速出战的飞机越多;
机库空间扩大可以增加航母载机量,但机库扩大有可能挤压居住空间,导致航母无法配备足够飞行员驾驶增加的飞机;
短期密集出动能力取决于甲板载机量,因此航母参战前3日、前5日、乃至7日、15日的日均出动架次与机库载机量都可能没有太大关系,但舰载机完备率会因为持续频繁出动而逐渐降低,因此机库备用机数量不足对30天和30天以上日均出动率的影响不可忽视。越需要在远离陆基机场,难以补充舰载机的作战地域执行长期持续密集出动任务的航母,越需要增加机库载机量。
首先需要背靠己方陆基机场进行高烈度对抗的海防航母,则需以甲板载机量优先,必须避免出现能增加机库停机位但同时会削弱甲板停机位的设计——如魅联超航的小宽深比瘦高舰体。
2、航母机库发展简史-空间上层建筑和结构上层建筑的区别
1.现代航母机库归属-上层建筑还是主舰体?
以船舶设计教材定义,主甲板是主船体和上层建筑的分界,是承力甲板,又称为上甲板和舱壁甲板,舱壁甲板以下的主舰体内部使用舱室均为水密舱。
现代航母通常以机库甲板为主甲板和舱壁甲板,舱壁甲板之下的所有舱室均为水密舱室,机库甲板以下均为水密空间,理论上在机库甲板被淹没之前航母都可能维持漂浮状态不会沉没,主甲板以上部分——包括机库、升降机飞行甲板、舰岛等,从水密空间角度都可视为上层建筑。
但从结构角度视之,所有需要承受海水压力的承力结构都可以视为舰体的一部分,搭建结构才能被视为上层建筑。
现代航母的飞行甲板才是最顶层的承力甲板,包括机库在内的飞行甲板以下均为承力结构,因此现代航母的机库从结构角度看应当归入主舰体。
对于部分中轻型航母,其飞行甲板即为主承力甲板/强力甲板,但对于大部分重型航母和所有超级航母,飞行甲板虽然承力,但却通过普通船舶教材不会提到的结构,让机库甲板依然保留主承力甲板职能。
2.机库的结构封闭与空间封闭
绝大部分现代航母的机库未必水密却一定承力,不太好判断其究竟属于上层建筑还是主舰体,但大部分二战航母的机库要么属于既不水密也不承力的上层建筑——可称为舰体外上置搭建机库/结构开放箱式机库;
要么属于水密且承力的主舰体结构——可称为舰体内置承力机库/结构封闭腔式机库。
二战航母对空间开放式机库的定义是:机库四壁有大面积开口存在的机库——不论开口是否有大门、大门是否可以彻底关闭。所有现代航母机库均符合空间开放机库定义。
二战只有英、魅、蝗三国海军拥有“可投入实战的航母”,思维上更愿意深究事物本质的英美海军将“结构封闭式机库/舰体内置承力机库”称为“封闭式机库”,浅薄的蝗海军则称“空间封闭式机库”为“封闭式机库”。
机库空间开放和结构开放不存在捆绑关系:
蝗海军就大量采用结构开放-空间封闭式机库”
———这种设计几乎毫无优势,在中途岛遭到悍勇无畏的魅联俯冲轰炸机飞行员武力批判,就此进入历史垃圾堆,未来也看不到任何死灰复燃的可能。
机库空间封闭与结构封闭也不存在捆绑关系:
二战中被蝗海军击沉的竞技神号、战后所有航空母舰、以及除阿斯图里亚斯亲王号以外的全部两栖攻击舰/制海舰/直升机航母,均采用“结构封闭-空间开放式机库”。
包括阿斯图里亚斯亚斯亲王号在内的全部现代航母/两攻/制海舰,在两舷或舰艉设有机库门,属于空间开放式机库。
3.不同种类机库的优势
3-1.空间开放式机库的优势:
开门状态散热通风性佳,便于安装机库弹射器、允许更多活塞螺旋桨舰载机在机库内部热机和挂弹——热机挂弹完成的舰载机提升上飞行甲板后可立即放飞、冷机效率也更高;
开门状态泄压性佳,可避免闷炸,减少机库内部发生爆炸造成的破坏;
3-2.空间封闭式机库的优势:
抗风抗浪性略强,更能适应恶劣海况;
三防性佳,更能适应核、生、化环境;
四壁无大面积开口利于增强机库承力性,
允许舰载机以更大质量、更高速度着舰;
无论机库结构是否封闭,相对体积和形状相近的空间开放式机库都能允许飞行甲板加装更重装甲;
3-3.结构开放箱式机库的优势:
机库像箱子一样摆放在舰体主甲板上方,结构无需承受水压,只需承受自身结构重量、装甲重量、飞机重量与飞机着舰冲击力,承力要求低,节省机库本身支撑结构的重量和体积,有利于拓展机库容量;
机库外置与主舰体上方,四壁不承受水压,即使在艏艉两舷设计大量开口也不会影响主舰体强度,采用空间开放式设计付出的重量代价较低——方便进行开放艏迎风进气等高效散热设计、也方便开辟可强化同时起降能力的机库侧门横向弹射通道;
舰体外置搭建机库不帮助机库下方的舰体分担海水压力,机库结构重量可以减轻,但舰体结构却必须强化,更重舰体和更轻机库的组合可以压低母舰重心,改善稳性。
3-4.结构封闭腔式机库的优势:
机库相当于舰体内部的空腔,结构需要承受水压,承力结构重量相同时承力能力强于体积形状相近的结构开放式机库,可配备更重的四壁与顶部装甲、飞行甲板能承受更快更重的舰载机撞击、能承受更强火力打击;
机库结构更坚固,利于抗击在机库内部和外部产生的爆炸冲击波,承受爆炸后结构不易变形;
舰体内置承力机库不仅仅要承受自身结构重量、装甲重量、飞机重量和飞机着舰冲击力,还要帮助机库下方的舰体分担水压——假设以载机要求与防护要求均相同为前提进行设计,则腔式机库重量会超过箱式机库,但若论全舰结构总重,腔式机库航母却可轻于厢式机库航母。
4.机库热机和机库冷机的历史进程
在活塞螺旋桨舰载机时代,哪怕是机库四壁只存在小面积开口的空间封闭式机库,也具备有限的机库热机能力,强大的机库冷机能力。
凭借机库热机和冷机能力:采用空间封闭式机库、满排低于3万吨的二战活塞螺旋桨舰载机航母,出动回收效率都能赶超采用空间开放式机库、满排4万吨以上的现代喷气机航母。
战后喷气机时代和核武时代同时降临,载人活塞螺旋桨战斗机不仅无法与涡喷战斗机对抗,也难以适应核战环境下的大部分任务需求,逐渐被喷气机替换,涡轮喷气式发动机的耗氧量和产热量远超活塞桨发动机,散热性却更弱,即使在空间开放式机库内部热机也足以将机库内部化为令人窒息的烤箱。
使用早期喷气式舰载机的现代航母依然保留较强的入库冷机能力,如福莱斯特级,喷气机着舰后可通过斜角跑道终端升降机迅速入库冷机,但喷气机引擎发热量、舰载机机体热容量在冷战期间不断上升,冷战结束时大多数现代航母已无法容忍大量高温舰载机入库冷机。
现代航母装备的涡桨舰载机理论上具备有限的机库热机能力和较强入库冷机能力,但涡桨飞机从未成为航母主力舰载机,机库热机和大机群入库冷机一直处于隐退状态。
未来无载员舰载机兴起后,产热和耗氧量低的涡桨无人机可能会被大量装备在无人机航母上,无人机航母很可能会恢复机库热机快速出动能力和大机群入库冷机能力。
5.机库横向弹射的优势
现代航母的弹射器纵向安装于飞行甲板表面,但二战魅联航母曾经装备过一种横向安装于机库甲板表面的弹射器。
5-1.机库弹射器在当今常被视为效率低下的机肋装备,但在间战期和二战初期,却远比风向适应性不佳的早期飞行甲板弹射器更具实用性:
早期航母舰载机弹射起飞和重载滑跑起飞高度依赖风速和风向。制造高速甲板风需要高航速,获得高航速需要高长宽比水线,二战时期全新设计的航母水线长细比可达9以上。
作为对比:现代航母的水线长宽比则可低至7.6以下,甚至有向7以下发展成间战期战列舰水线长宽比的趋势。
瘦长水线舰体加速性、速度维持性、航向稳定度极高,但加速性和速度维持性强的另一面就是减速性恶劣、航向稳定度高的另一面则是转向速度迟缓笨拙——二战瘦长水线航母的转向半径、调头所需时间远超水线短宽的现代航母,难以像现代航母一样快速适应风向。
早期活塞螺旋桨舰载机的航程很低,航母打击半径不远,长期向上风位高速航行很容易直接冲进敌方高航速巨舰大炮射程内——解决方案如下:
1-给航母配备重炮,在炮战中抗衡乃至击败敌方高速炮舰,现实案例是被戏称为航空战列舰的列克星敦级舰队航母,理论上列克星敦级能在炮战中对抗大多数同时代重型巡洋舰,乃至将其击败。
2-让航母具备侧面迎风和顺风放飞舰载机的能力,顺风放飞可凭借由艏到艉反向起降舰载机解决,侧风放飞却必须依靠横向布置的机库弹射器,游骑兵号设置了对穿侧门但因资金不足未安装机库弹射器。列克星屯级之后的约克屯级和埃塞克斯级均装备机库横向弹射器。
机库甲板横向弹射,是早期航母弹射器和舰载机技术水平不高时的最佳弹射方式。
5-2.机库弹射器对大机群回收过程中放飞舰载机的重要意义:
从保证同时刻起降能力角度考虑,飞行甲板弹射器最佳安装位置是舰艏。
使用舰艏飞行甲板弹射器会降低回收区停机量,使用位于飞行甲板内部的非舷侧升降机时会破坏停机区整体性,降低回收效率,由艏到艉反向滑跑起飞过程中无法开展着舰作业,反向滑跑放飞作业在母舰处于逆风航行状态下也难以进行,对于活塞螺旋桨舰载机时代的航母,机库横向弹射器是兼顾回收效率和同时起降要求下的最优解。
对于舰艏空间开放同时舰艏只有舷内升降机的航母,舰艏飞行甲板弹射器还有一个重大问题——引发机库热机作业、舰艏飞行甲板弹射作业、大机群回收作业三者的矛盾:
大量舰载机在机库内热机时,舰艏空间需要保持敞开状态让富氧冷空气流入机库。
舰艏飞行甲板弹射器位于舰艏回收区内,维持舰艏飞行甲板弹射通道畅通会削弱回收区停机量,回收大机群时须频繁使用舰艏舷内机梯将飞机收入机库冷机,舰艏机梯下降时,从舰艏涌入的气流会从升降通道涌上飞行甲板,形成威胁着舰的乱流。
关闭舰艏通风门能避免开放艏乱流,但又会导致机库进气量降低,影响大机群机库热机作业——在弹射占地面积较大的大翼展长航时远程侦察机(通常由轰炸机兼职)时,这一问题尤其凸出。
机库弹射器不仅仅能让航母在舰艏飞行甲板弹射通道堵塞时放飞“起飞性能较弱的小翼展高速战斗机”和“尺寸庞大的大翼展长航时侦察机”,从而提升回收效率,对于“开放式舰艏配舰艏舷内升降机”的航母,还能改善“同时起降作业的安全性”——将危险由“飞行甲板上的已回收大机群”和“空中的待回收大机群”转移到“少量执行机库弹射起飞任务的飞机”上。
对于为全甲板攻击理念服务、使用活塞螺旋桨舰载机的约克屯级航母,采用空间开放式舰艏、机库热机、将弹射器横向布置在机库甲板上就是最优解。
航母进入喷气机时代后,早期高速喷气式战斗机重量沉、尺寸大、低速性差、难以进行机库热机、飞行员成本更高的特点,共同导致了机库甲板横向弹射器的谢幕——未来无人舰载战机有望克服早期喷气式战机的上述缺陷,因此机库甲板横向弹射很可能复兴。
5-3.被世界大战改写的舰载机与机库发展史
假设魅联未卷入二战,机库甲板横向弹射器未必会像历史上一样快速淘汰,以魅联未卷入二战为前提进行推演:活塞螺旋桨战斗机时代结束后应该是涡轮螺旋桨喷气式战斗机时代,然后再过渡到涡喷战斗机和涡扇战斗机时代。
早期涡桨战斗机依然会保留较强的机库热机和低速起飞能力,重量、尺寸、飞行员成本更接近活塞螺旋桨战斗机。魅联未卷入WW2,同时德国原子弹研发方向错误,则核武时代必然推迟降临,涡桨载人战机核战适应性差的缺陷也无法快速显现,甚至可以和涡喷/涡扇战机共存较长时间。
但在WW中,空中优势方必然会将大部分研发资源投入活塞桨战机的改进工作,空中劣势方则会寄希望于涡喷战机的跨代战力碾压优势;
战时状态下想靠技术跨代获取优势不仅见效慢,风险也远比改进现有同代技术巨大———以一个逻辑能自洽的传说为例:
传说纳德在二战末期成功研发出了飞碟这种在动力上不知跨了多少代的飞行器,然后骇然发现飞碟尽管拥有远超任何战斗机的机动敏捷性,却不具备空战能力,因为初代飞碟遇到了和早期飞机相似的问题:无法使用动能武器高效对空射击。
飞碟必须是碟型的原因是为了保证碟体磁场稳定和受力均衡,而任何动能武器发射都会产生不均衡的反作用力同时导致重力剧变,破坏飞碟的磁场稳定性,无法保证射击精度、乃至让飞碟失控。
早期螺旋桨飞机好歹只是无法向正前方精确射击,斜侧后扫射能力还是有的,但纳德的初代飞碟却是只能依靠神风或者能量武器发动物理攻击,但大德不是蝗国、能量武器研发进度更是不知落后多少代,投入巨资发展的飞碟只能在夜间凭借闪光灯对盟军发动心理攻击,对战局最大的影响可能仅是挤占了不少喷气机资源让柏林提前红旗。
二战中的魅联搁置了生产、维护、使用方式截然不同,存在技术风险似乎又无法在战力上碾压活塞桨战机的涡桨战机研发工作,是稳妥冷静的选择。
二战干扰舰载机正常发展进程的结果是:
末代活塞桨战机性能被提升到当时人类能达到的极限,五大战胜国快速核武化,同时吸收纳德末日涡喷战机技术,节省大量研发工作后直接跳过不适应核战环境的低速涡桨战机进入高速涡喷战机时代,航母为了适应核战环境不得不限制机库开口数量。
没有二战、核武时代必然延迟降临,各国战机和飞行员成本不会因全面高速化而暴增,数量不会严重缩水、海军方面也难以出现魅联一超独大的局面————至少英法意等殖民帝国与其庞大的海军仍会存在数十年,使用机库弹射器的贯通跑道航母和螺旋桨舰载战机大概率会保留下来,与现代斜角甲板航母和涡喷/涡扇舰载战机长期并存,发展出几型兼容机库弹射起飞的小型桅杆保卫喷气机也未尝不可能——之后可直接由无人喷气战斗机替换。
6.机库属性差异的错误观点辨析:
错误观点1:结构封闭机库无法开大侧门。
辨析:机库采用结构封闭设计不会导致库壁无法开大孔,也不会导致库壁无法大量开孔。
竞技神的结构封闭式机库大量开孔、现代航母的机库侧门无论是面积、数量、还是与舰体的比例,都不比约克城级和埃塞克斯级小。
但开大孔和库壁开孔需要进行结构补强,结构补强需要付出重量和空间代价,会拔高航母重心,降低机库容积,消耗储备浮力导致抗雷击能力下降。
不补强则会削弱库壁承重能力,不利于强化顶装甲,但早期航母采用结构封闭式机库的重要目的就是强化顶装甲。
二战结束前设计的航母不同时采用封闭式机库和大面积库壁开孔是一种设计取舍,而非技术障碍。
冷战现代航母机库侧壁大型开口数量不超过4个则属核战优化,同样不是技术障碍——冷战后提出的CVX-3C隐身航母方案,侧壁到处都是大型开口。
错误观点2:结构封闭机库无法设置大面积/大数量舷内升降机。
辨析:结构封闭机库与舷内升降机面积/数量劣势不存在绑定关系。
现实中,IJN蝗海军大量采用结构开放式机库的航母,升降机面积依然很小。
航母的升降机面积取决于航母所服务的作战构想:存在快速升降大批飞机/升降大尺寸飞机的需求,升降机面积必然多且大——例如魅联航母的全甲板攻击作战构想。
需要频繁升降少量小尺寸飞机,升降机必然多且小——旧王室方舟号。
需要强化机库顶部装甲防护对抗俯冲轰炸,那么升降通道就不宜穿过机库上方的装甲飞行甲板,只能设在机库前后左右——如光辉级、埃塞克斯级等一大批二战装甲航母,刚好大部分采用结构封闭式机库的二战航母都重视机库顶装甲-飞行甲板装甲的防御,取消了中部舷内升降机,这才造就了“结构封闭式机库只能装两台舷内升降机”的假象。
IJN作战思想是集中使用航母,其正规航母机库热车能力通常不强,单波次只能出动在甲板上完成热车的舰载机,机库内的飞机无需快速提升,因此会出现机库容量大但升降机提升能力弱的情况,一些重视飞行甲板面积和装甲防护,同时机库容量低的IJN航母也只设2台升降机。
全甲板攻击需要强化升降效率、需要机库热车和机库弹射,机库热车和机库弹射都需要机库空间开放,在结构开放式机库基础上设计空间开放式机库代价更低。
按出动效率第一回收次之的原则,活塞桨舰载机贯通跑道航母最适合安装机梯的位置,是飞行甲板舯部最后一道拦阻网前后,但却依然有大量采用承力机库的航母未设置舯部飞行甲板机梯——因为这些航母多为重视飞行甲板装甲防护的双层机库高重心设计,中部机梯需要的结构补强增重过大,为兼顾飞行甲板装甲重量与舰体稳性不得在航空作业效率上做出让步。
二战航母没同时采用结构封闭式机库和大面积升降机,依然是设计取舍而非技术障碍。
决定升降机面积、数量和位置的是作战思想,而非物理结构。
3、人机关系-决定航母机库容量的真正主因
一些当代军迷热衷计较现代航母的机库容量,喜欢绘制各种扩充机库空间的假想图,认为尼米兹级或者1143.6型航母的弹药升降通道阻碍了机库空间向舰艏方向扩充,尤其苏联航母的弹药升降通道更是削弱载机量的罪魁祸首。
然而,大多数现代航母机库空间占同高度舱室的比例其实都低于二战航母。
原因1:机库热机和冷机能力削弱
现代喷气机航母已经基本丧失机库热机能力,机库冷机能力也远不如二战航母,机库容量对出动/回收数量的影响远低于二战活塞机航母。
原因2:舰载机维护模式改变
二战活塞桨舰载机寿命短,报废速度较快,但地勤维护工作较为简单,无需大量地勤维护人员,但却需要在舰体内部储存大量备用飞机,其特性与现代舰载机截然相反,因此现代航母与二战航母在停机位和铺位比例上也需要随之改变。
原因3:居住区占比上升
现代航母更大的居住区挤占了机库空间。
不仅仅是因为大多数现代航母的体量远超二战航母,自然需要配备更多水兵进行操控、修理、维护和损管——哪怕未来航母使用损管机器人,关机后也需要维护和储存空间;
还因为冷战中后期的现代航母运行比同体量的二战航母更消耗人力:舰载机载弹重量、战时弹药消耗量增加→需要更多人力进行挂弹和卸弹、舰载设备数量和复杂程度增加→需要更多人力维护、管理和操作、长期训练部署而非短期决战→需要增加人均居住空间、越来越严重的水下和空中威胁→需要越来越多的损管人员。
1143.5型航母受制于自身低自动化程度和强损管要求,需要配备人数与舰体体积比值接近超级航母的舰员,同时还要保证机库容量,不得不使用巨型舰岛容纳防空计算机和飞行员宿舍。
1143.6体量比1143.5大一圈,满排增大了接近5千吨,飞行甲板加长约2米,舰体容量增加,同时取消舰岛固定相控阵雷达,部分舰岛空间改为居住区,但1143.6型改为001型时又恢复了已取消的舰岛巨盾,同时未改变舰岛容量,故将舰艏垂发改为居住区,机库面积相对1143.5的变化微乎其微。
未来航母要扩充机库容量,首先必须降低对人力的依赖,提高自动化程度,从而缩减居住空间———现代航母损管人员占比通常不低于40%,假设能够用机器人承担75%的损管任务工作量,则居住空间可减至原有空间70%以下。
现代战争与二战在人均任务强度上也有根本不同。现代航母战时任务强度远超二战航母,飞行员需要更良好的居住环境以保证战斗力,同时需要配置大量替补飞行员作为伤病战损减员冗余。地勤由于人均任务强度更高同样需要频繁轮换。
例如尼米兹级的飞行员搭载量长期高于日均出动率,飞行员甚至无需每日都出动一次。
最后可得出结论:
全人类都不存在因为弹药升降通道牺牲机库载机量的航母,无论盎撒还是罗斯、华夏的航母设计人员,都仅仅是按照正常思路把升降机竖井设置在机库与舰艏居住区之间而已。
小鹰号的舰艏飞行甲板弹梯是分散的
旧进取号由于反应堆占据大量原本作为居住区的舰体空间,导致艏居住区向舰艉方向扩张,前后两部弹梯被挤压到了一起。
尼米兹级的飞行甲板弹梯照样贴着机库布置。
弹梯前就是艏居住区:
戴高乐号艏弹药升降机位于机库与维修区之间:
硬要说魅、苏-华两种机库设计思路有什么区别,不过是苏航机库与弹药升降机贴的更紧,整个机库都不存在无法停放舰载机的低矮小空间:
华航将机库从弹药升降机竖井左侧向前拓展了一段距离用于摆放维修设备(也能用于停机)而已,苏/华航母设计思路更适合用“不惜一切代价增加机库停机面积来形容”。
4、水兵数质对航母机库空间的影响
航母是海面上的国土,航母搭载的水兵是国家的缩影。
水兵不能够忍受紧促的居住空间-→需要扩充居住空间。
水兵业务熟练度不足-→需要配备更多教导人员负责查缺补漏——→需要扩充居住空间。
水兵人均战斗素质因为伤病疫情、文教舆论、体育补给、训练章程、规则合理性/秩序科学性等因素降低-—→不得不增加水兵数量——→需要扩充居住空间。
总之,航母建造使用国的军事/政治/法律/经济/环境任何方面出现问题都有可能反映在水兵上-→进而迫使航母扩大居住舱空间占比--→机库空间占同高度舱室比例必须同步降低。
水兵的勇气、体能、抗压能力、纪律性和忠诚度下降-→需要配备更多政宣人员、医务人员、心理医生、监督人员、宪兵卫队--→机库空间占同高度舱室比例下降。
扩充航母机库,不仅仅需要机器人、无乘员舰载机、无人驾驶舰载机、自动化技术,更需要勇敢、强壮、坚韧、聪明、熟练、忠诚、令行禁止、遵纪守法、爱国团结、敬业诚信、士气高昂、一专多能的高素质军人。
现代航母的机库空间上限,取决于舰中搭载的士兵-包括人类战士、机器人士兵,和兵器-包括舰载机、智能车辆、以及其它需要置于机库内部的自动化军用设备。——机库大小与士兵数量和兵器易维护性负相关、与士兵素质和兵器数量正相关。
5、未来航母机库发展推测
1-舰艏通风门与舰艏空间可开放式机库
大多数现代航母的舰艏空间和舰艏结构均为封闭式设计,和世界最早开建、次早下水的“全新航母”竞技神号相同,无法通过舰艏进气提高机库散热效率。但某些现代航母依然保留了艏门设计用于港口领航,如“超越-勇敢/维克兰特号”:
未来航母如果能削减舰艏居住区空间,那么可以考虑采用“结构封闭空间可开放式设计”恢复连通机库的艏门,增加三防设备,让气流经贯穿机库加速散热,甚至可以在艏门和机库之间的通道内设置负压风机主动增加空气流量,让未来航母在喷气机时代复兴大机群入库热机和冷机能力。
2-封闭式三防候机厅
效仿二战大阴光辉级航母,将舷内升降机或艏艉升降机置于机库装甲盒外。在机库装甲盒与飞行甲板升降通道入口之间设置封闭式候机厅,所有飞机进出机库前都需要被短暂封闭在该区域进行核生化防护检查和消洗作业,避免机库空间直接连通外界。
3-水密机库
机库空间高度水密化,所有机库门和开口均具备水密能力,即使在水淹没飞行甲板之后也能维持漂浮状态,能大幅强化航母抗沉性。
更进一步则是机库内部空间水密容器化,能够在机库进水后快速释放大量水密容器填充机库空间,让机库内部继续产生浮力,在进一步提升抗沉性基础上大幅提升抗倾覆性。
未来最终状态是让航母能够在半潜或潜水状态下航行,搭配跨介质飞行器可成为真正的潜水航母。
4-码头式机库和舷台式机库
升降机可下降至接近水面高度,直接对接搭载人员和物资的小艇/两栖车辆/水上飞机/跨介质飞行器。——类似暴风KM方案
舷台式机库的很大一部分面积位于两舷外飘结构内部,采用舷台式机库有助于拓展机库可用停机空间,但可能会占用一部分上层结构配重,需要在飞行甲板面积或干舷高度上作出妥协。
采用舷台机库的航母,机库可用停机面积可以接近同体量两栖攻击舰的车库与机库可用面积总和,若未来两栖攻击舰采用舷台式机库则可将机库与车库合并/将机库、车库等高度布置于同一平面内,若同时采用码头式机库,则有可能实现实现机库-车库-坞舱三者合一自由装载,从而大幅提升战术灵活性。
5-恢复二战风格的多层机库和库顶吊挂舰载机
上图为双层机库内景↑,双层机库二战航母舰体受力类似单层机库+单层车库的现代两栖攻击舰
假设轻型无人舰载机和自动化技术进步允许未来航母大幅压缩居住区,则可将大量空间改作机库,无人舰载机较低的空重也允许恢复库顶吊挂。
6、士兵长期战斗力的保障-观景台
航母远洋实战部署时,飞行员、舰桥、飞行甲板、机库作业人员以外的舰员有可能出现长达数周不涉足机库/甲板/舰桥的情况,为避免水兵长期远离自然光后出现健康问题影响航母战斗力发挥,需要在机库/舰桥/飞行甲板以外区域设置观景平台供水兵放风。
观景台还有可能用于设置搜救瞭望哨和登舰通道。
魅阴苏航母沿袭风帆战列舰的长官游廊传统,仅在舰艉设置观景台,舰艏居住区的水兵放风时需要穿越数百米舱室,实用性较低。
18舰则在航母建造史上首次开创大面积观景舷台设计,于舰艏居住区附近设置右舷观景舷台,同时除保留舰艉观景台以外,在舰艉居住区右舷增设两大观景舷台,全舰一共四大观景台数量可谓空前,且舷台面积分布基本与居住空间分布对应,能够照顾到绝大部分舰员的观景便捷性,同样具备搜救瞭望和右舷登舰的作用,以新时代的官兵游廊取代了华而不实的旧式长官游廊。
未来超级航母随体量和载员人数增加,必然需要更多、更大的观景台,福舰的观景舷台平凡无奇,但却是航母设计理念的重大进步,体现了以人(兵)为本的科学发展观。
福特级右舷也配有二座观景舷台,但其总周长狭小、视野逼仄且舰员承载数量较小,全舰载员量却比18舰更大,在人性化程度上居于落后地位:
五、弹药补给存储转运体系-水火径
0、弹药补给与舰队核心
1、弹药补给2、不同航母的弹药储存转运体系
3、弹药储存转运体系差异影响因素
4、弹药抛弃坡道和防坠网设置
5、甲板调度与弹梯布置-三个不同方向的要求
6、飞行甲板弹药集散区
0、弹药补给与舰队核心
现代航母成为现代远洋海战核心力量的原因在于战斗过程中直升机垂直弹药补给与战斗间隙舰对舰横向弹药补给便捷性。
现代航母的唯一主力舰地位首先源于其高效且适应性强悍的弹药补给转运模式,其次才是强大的态势感知和攻防能力。
至于导弹舰能否凭借垂发竖井吊臂进行海上装填?讨论这一问题之前,首先得解决如何将导弹从补给舰平安转移到吊臂上的问题。
1、弹药补给:
全世界航母都差不多,接受少量航空补给时靠弹药升降机直接收入弹药库、或者靠飞机升降机经由机库中转收入弹药库。
接受大量舰对舰横向补给时,由补给舷窗和飞机升降通道接收弹药,再由机库中转收入弹药库。
某些情况下,甚至可能出现大部分飞行甲板和机库面积都用于堆放弹药的情况。补给时接收的高爆弹药引信和战斗部拆分装箱,安全性较高。
二战时期的海战,很大一部分输出由炮舰承担,但水面舰导弹化后无法像炮舰一样在海上挥霍火力快速补充弹药,不论攻防都堪称用一发少一发,每发舰射导弹都必须慎用。
而航母却凭借海上弹药补给能力成为海战输出主力,因此现代海战中航母的弹药消耗量必然远超旧时代海战中的航母,不会因精确制导武器技术进步而减少。
2、弹药储存转运体系
现代航母的弹药转运体系,其实是一个相当核心,但却极少受到业余军事爱好者关注的话题。
按某些薇博总师的观点:
苏式和美式弹药转运体系有根本不同,苏式航母弹药是从弹药库直接升到甲板,不经过机库中转、只有美式航母会用机库中转弹药,甚至认为魅航必须依靠机库中转弹药,苏航没有弹药中转分配拆装区,美苏航母弹药保障理念有根本不同。
———这类观点其实属误判,下文予以祛魅:
1.弹药升降机/弹梯的种类与对应作用
弹药升降机的主职能是运输弹药,有时也会兼职输送伤员/要员/物资/设备,但运行过程通常禁止将人员和弹药混装。
弹药升降机又简称弹梯、分为从弹药库/机库/弹药中转分配舱等下层舱室连通飞行甲板的飞行甲板弹梯(下文简称甲板弹梯)、从底舱弹药库连通机库的机库弹梯、从弹药库连通弹药中转分配区的中转弹梯,机库弹梯和中转弹梯数量总和通常远远多于甲板弹梯数量。
机库弹梯最重要的任务是在舰对舰横向补给时,将顺着横向补给钢缆滑到机库内部的弹药送入弹药库储存,其次才是将弹药库内的弹药升到机梯/飞行甲板弹梯再升上甲板。
机库弹梯不负责回收从着舰飞机上卸载的弹药,冷战后设计的任何一型航母都配置有机库弹梯,理论上都可将弹药由机库转运提上飞行甲板。
甲板弹梯最重要的任务是收弹入库—将甲板上的弹药收入下层舱室,其次才是升弹上板—将下层舱室内弹药升上飞行甲板。
多数早期航母是以机梯兼职甲板弹梯、一直到尼米兹级,弹药运输依然相当依赖机梯。
苏联的1143.5型库兹涅佐夫号航母则将甲板小面积弹梯数量增至9台,大幅减少了机库转运工作量。
各弹梯分别对应靠近舰艏的前弹药库、靠近浮心/全舰重心/舯部结构的舰底中弹药库、靠近舰艉的后弹药库。
2.不同弹药转运方式的优势与对应用途
弹药保障系统输送模式分为从弹药库直达甲板的直达式、由机库或弹药分配舱中转的分段中转接力式:
两种输送模式优劣如下:
直达式单次输送速度更快,但持续输送效率低于分段中转接力式,由于输送通道笔直段更多、转折较少,防殉爆方面也弱于分段中转接力式升降机。
直达式弹梯适合紧急输送一些数量少、使用量低、殉爆概率和殉爆威力低的高价值弹药,如动能杀伤型反舰导弹和空空导弹,分段中转接力式弹梯则适合输送大量廉价高爆弹药。
3.无法拉开本质区别的两种弹药转运体系:
直达式输送并非是苏联航母特有,也并非只有魅联航母才会使用中转弹梯,因为某些种类的航空弹药不能直接从弹药库提升到甲板,必须通过中转舱室提升。
中转舱的准确全称应该是:
弹药组合装配与拆解分离转运中枢舱室。
——现代空空导弹、以及不少对强度要求极高的空对面导弹,为了保证弹体强度,通常是整体存放,不会拆卸战斗部,最多拆卸部分弹翼,提升到甲板前组装工作量很低,甚至无需进行组装,防殉爆主要依靠导弹自身的安全性,通常储存于不易进水的弹药库上层。
但高爆炸弹、火箭弹等非精确制导武器、以及部分对弹体强度要求较低的对面导弹、制导炸弹、制导鱼雷等殉爆威力强大的弹药,通常是将制导套件、引信、战斗部拆分存放,防水性好、重量沉的战斗部置于最低层,日常可起到压仓作用,战时方便灌水防止殉爆殉燃,不会殉爆的制导套件防水性差、重量轻,通常和空空导弹一起置于弹药库上层。
被拆分的弹药使用前必须先在中转区进行组合装配,然后才可以被提升到甲板挂载,弹药从甲板卸载后也需在中转区完成拆解分离后才可入库。只要航母上还需要这类易殉爆/强殉爆破坏力弹药,那就必须设置弹药中转拆装区。
绝大多数正常国家的航母都不会在飞行甲板表面或机库内部进行高技术含量高危险性的弹药组装和拆分作业,红马甲中也没有对应编制。
现代航母必须以防护严密的装甲隔舱作为弹药拆装区以控制拆装殉爆事故损失。
尼米兹级是将弹药中转拆装区设在弹药库上一层的水兵食堂内、食堂甲板下方即为最上层弹药库。
福特级在飞行甲板下方设置弹药中转拆装区,水兵食堂完全独立,不再兼职弹药中转。
苏式航母的弹药中转拆装区,如果不是在弹药库顶层之上,那么就一定在空空导弹存放层之下、或者在弹药库最底层之下。
上图为俄罗斯获得的尼米兹级舱室情报,22为航空弹药库、20为弹药中转拆装食堂、29为弹药升降机竖井。Б代表机库甲板,即图中标注的V甲板、B代表防雷层顶部甲板,即图中标注的VII甲板。
由上图可得出结论:
库舰的甲板弹梯具备强悍的直达输送能力;
尼米兹级的甲板弹梯同样具备有限的直达输送能力,前部和中部甲板弹梯竖井通道穿过6层甲板、占据6层舱室高度,既连接弹药中转拆装食堂,也可以直通位于黑色吃水线以上的的第五层弹药库。黑色吃水线通常是依据防雷层高度划分,第五层弹药库高于占据5层甲板、4层舱室高度的防雷层。前部和中部甲板弹梯升降通道竖井不会继续向下连通受防雷层保护的4层弹药库,因为继续延深后会导致竖井紧贴防雷层,抗雷击能力下降。
负责交通位置低于黑色水线的第一二三四层底舱弹药库和弹药中转拆装食堂的竖井升降通道,则靠近舰体中部设置,能最大限度缓冲侧舷鱼雷命中造成的影响。
福特级的弹梯竖井可能更容易被雷击损坏:
——福特级的中转弹梯竖井位置不明,未知是从防雷层以下弹药库直通右舷飞行甲板下方弹药中转拆装区、还是和尼米兹的甲板弹梯一样止于防雷层上方然后再通过中部竖井到达底舱。
如果是前者,那么福特级的中转弹梯竖井通道就会连通10层舱室,且只能贴着防雷层设置,在受到雷击时竖井各层的水密舱门更容易受损失效,海水甚至有可能直接从底舱喷到弹药中转拆装区,抗打击能力还不如尼米兹级——尼米兹位于防雷层上方甲板的中转弹梯开口设有坚固的水密舱门,即使底舱进水也不会喷到储存空空导弹的第五层弹药库。
如果是后者,那么福特的弹药需要中转两次、设置高低两个弹药中转区,低层只中转、高处中转拆装,抗打击能力确实可以强于尼米兹,但依然要占据和食堂处于同一高度的空间,考虑到福特级船员数量减少,削减一点食堂面积也说得过去——相当于在尼米兹基础上做加法,更稳妥可靠。
小结:该中转的弹药都必须中转,无需中转的弹药都尽可能不中转。
4.尼米兹级和1143.5型弹药转运体系差别:
尼米兹的后部飞行甲板弹梯只能连通弹药拆装食堂,全甲板攻击模式下这个弹梯的飞行甲板开口可能用于停放舰载机和其它设备或物资,在全甲板回收模式下则保持畅通,代替全甲板回收模式下飞行甲板开口被用于停放舰载机的前部飞行甲板弹梯执行弹药回收任务。
里根号之前的尼米兹日常使用的甲板弹梯数量只有两部、1143.5型(库舰)日常能使用的甲板弹梯则是7部——总计9部甲板弹梯,舰艏4部、舰艉左舷2部、右舷1部、舰岛左侧2部的甲板弹梯开口所在区域常被用于停机。
1143.5型前部甲板弹梯和中部甲板弹梯均具备直达输送能力,理论上也能兼顾机库中转和中转拆装区中转,但舰艉的3部甲板弹梯却只能采用中转接力输送———1143.5型和尼米兹级不能直达、只连通弹药中转拆装区的甲板弹梯数量都是3部。
魅式和苏式弹药转运体系的差别,仅仅是苏式航母甲板弹梯更多、直达升降通道基本连通每一层弹药库,而魅联航母甲板弹梯更少、直达升降通道只连通中转拆装区甲板下的弹药库最上层,仅此而已。
为什么苏俄重型航母的弹药升降机竖井通道会贯通大部分弹药库甲板?因为航母本身弹药库容量更小,为保证舰队防空能力必须消耗更多弹药库层数来装载空空导弹、甚至有可能出现大部分载弹量均用于搭载空空导弹的情况,不像魅联超航可消耗大量空间和载重用于存放铁炸弹。
魅式和苏式航母以其说是弹药保障理念不同,不如说是作战用途不同,不论红海军高层的重型航母派如何向往魅联航母设计,航母建设的初期阶段都必须优先保证舰队防空能力。
苏式航母通常不用飞机升降机提升弹药,但却常在机库内挂载空空导弹,然后用飞机升降机把导弹和载弹飞机一起提升到甲板。
魅联航母虽然很少在机库内挂弹,但却经常用机库转运大量已安装引信的炸弹,这种操作远比苏式航母在机库内挂载空空导弹危险。
5.导弹航母与炸弹航母的弹药库设计
魅联海军最初规划的主力航母是采用四座中置反应堆的肯尼迪级,然而秉持生意人思维的麦克纳马拉防长为极致提升对地攻击投弹量,强制要求核航母优先保证动力舱以外的舰体内部空间以增加燃油和弹药装载量,因此已完成舰体研制的肯尼迪级核动力航母被取消,首舰CVAN-67肯尼迪号换装8台小鹰级同款D型常压燃油锅炉以小鹰级末舰CVA-67的名义投产服役——尽管其舰体尺寸和重量大于小鹰级,除了锅炉型号以外绝大部分设计都与小鹰级截然不同。
同样是为保证舰体容量,尼米兹级基本沿袭了肯尼迪级的线型,但舰体尺寸相比肯尼迪号进一步放大。又因为航空炸弹的贮存密度高于导弹需要尽可能低置,故尼米兹级改用前后双堆布局,压缩反应堆舱面积以扩充低层弹药库容量。
这些改变造就的是一型航速比旧进取号更慢,服役初期满载排水量和弹药装载量略大于旧进取号,但航空炸弹装载量远大于旧进取号的战术轰炸特化型超航。可以认为,尼米兹级实际是一种麦大防长为了多扔炸弹而强塞给魅联海军,高度依据经济学和联邦内部政治学原理但并未严格依据军事科学发展趋势设计的政治正确超航,依据真实性未定的传闻,其导弹装载能力反而可能随服役时间推移而逐渐削弱了:
尼米兹和1143.5和1143.6的空空导弹最大装载能力对比,并不等同于两舰弹药库容量的对比,因为当前的尼米兹级是经过3次增重的型号,船型和增重后的重量分布,决定其部分下层弹药库必须长期保持注水状态,不适合大量装载空空导弹:
底舱布局和尼米兹接近的福特级建造图:
尼米兹的中部弹药库设在船体浮力最强的舱段,而反应堆所在舱段的浮力却弱于中部弹药库舱段,非注水状态下的弹药库重量却低于反应堆,如果中弹药库长期处于未注水状态:那么中部是所受浮力最强的舱段,却不是所受重力最强的舱段,冗余浮力会长期强于前后舰体,可能导致舰体弯曲,舰体在战损后甚至可能从中弹药库折断。
尼米兹时代的舰岛雷达设备外形相对小鹰时代进一步复杂化,产生乱流更强更复杂,为降低舰岛乱流对起降的干扰选择将舰岛进一步后移,为削弱艉弹药库殉爆对舰岛电子设备的冲击,尼米兹级大幅削弱了艉弹药库容量,扩充/增设了在小鹰级和肯尼迪号上容量尚低甚至并不存在的舯弹药库,这种设计对于70年代的轻甲反应堆航母并没什么大问题,然而不谋万世者难免在数十年风光后跌落神坛。
好在现代航弹战斗部黑索金占比极高,允许简单水密处理后或直接靠弹体自身水密性置于水中储存,在炮舰和二战航母上仅能作为应急手段,会导致弹药报废的弹药库注水,在冷战后的魅联航母上反而能成为一种长期安全储存手段,当然,应急注水是注入海水,储存注水则是淡水。
因此,尼米兹为遏制重量浮力分布不对应带来的弯曲力,必须让中部弹药库部分底层舱室长期保持注水状态,最好的情况是只注水最底层、最坏可能是中弹药库5层有3层都必须注水。
尼米兹每一次改进,预留升级空间充足的反应堆舱都会加装更庞大厚重的护甲,弹药库却没有空间进行同比例增重,因此只能增加弹药库注水量维持舰体受力均衡,这会导致空空导弹最大装载量越改越低———虽说空空导弹也可以用水密容器储存于下层注水舱室,但水密容器一定会消耗更多空间和载重,只能起到缓解空空导弹极限装载量下降的作用。
福特级的船体线型、浮力分布接近尼米兹级,反应堆装甲只会比尼米兹更重,中弹药库仍然位于双堆之间的浮力最强舱段,中弹药库底层大概率仍需长期维持注水状态。
弹舱注水传闻即使尚未成为大部分尼米兹级的现状,也是随堆舱装甲增重在未来难以回避的问题。
舰体受力远比尼米兹均衡的1143系列航母就不存在下层弹药库必须长期注水的问题,方便存放防水性差的空空弹,能用小于超级航母的弹药库空间,获得接近魅联超级航母的空空导弹极限装载量。
对于居住空间有限的重型(5~7.9W满排)和中轻型舰队防空航母,多数甲板弹梯竖井通道远离防雷层,可以直达弹药库大部分层级,精简中转弹药所需人力的苏式弹药转运体系就是最佳设计。
福特级甲板弹梯数量和尼米兹级相同,但面积更大,均连通弹药中转分配舱,彻底取消了直达式甲板弹梯,保证空空导弹输送效率的方式是提前在弹药中转拆装区内部堆放大量空空导弹,通过短途快梯迅速升到甲板,在使用超级虫或者F-35C时,无论全甲板攻击、半甲板攻击、还是舰队防空/循环攻击作业模式下挂弹效率都超过蓝星以往任何型号的现代航母,但却会产生其它缺陷,下段另解:
6.福特级弹梯设计解决的问题和新制造的问题
来勘误几张关于航母弹梯的问题军评截图:
勘误:1.福特级的甲板弹梯没有沟通机库甲板,沟通的是位于右舷热机区下方、高于机库甲板的弹药中转分配区甲板。
2.航母不是火炮战巡,携带的导弹和炸弹没有炮弹发射药那么容易殉爆,殉爆威力也低于炮弹、单个弹药库的容积也更低,如果三座弹药库仅殉爆一座,别说全舰烟花,机库甲板都未必会明显变形。
原作者误以为起飞时舰艏弹梯绝对无法输送弹药:
问题:大多数尼米兹级高清照都只能发现3台甲板弹梯,原作者标出的第4台是曾经存在过?还是从未存在过?
小鹰级倒确实安装了4甲板弹梯:
安装4甲板弹梯、2号板未侵入预警机偏航安全线,这是小鹰和福特的两大共同点。
魅联航母的弹射安全线是依据翼展最大的舰载机(鹰眼预警机和灰狗运输机)划定,只有弹射E-2时才一定会影响舰艏弹梯向甲板输送弹药,弹射F-14时都不会影响弹药输送。
1号弹放飞汤姆猫时干扰不到弹梯
2号弹放飞汤姆猫还是不受干扰:
绝大多数情况下尼米兹的E-2日均架次不超10架,而冷战尼米兹级日均弹射上百架次压力不大,高强度实战甚至可上升到120架——尼米兹舰艏1号弹梯受弹射影响其实很小,这个设计之所以被取缔,主要原因其实是舒适度不佳、工作环境恶劣,新一代地勤不愿忍受高温蒸汽、高速气流和噪音折磨,影响二等人征兵部门工作效率而已。
原作者没有发现福特为停机区整体化做出的牺牲:
补充:福特离舰艏最近的1号甲板弹梯,在使用1号起飞通道弹射小翼展战斗机时会受到干扰,弹射大翼展预警机时则完全无法运行;同时最接近舰艉的4号甲板弹梯和舰岛后停机区的距离,福特却比尼米兹远———只有进入把1号起飞通道作为热机区的全甲板出动模式时,此时任何舰载机弹射都不影响1号弹梯,福特的起飞挂弹效率才能明显超过尼米兹,对于不占用1号弹射起飞通道停机的舰队防空模式,挂弹效率并不会有本质区别,如果不考虑地勤舒适性,甚至有可能是尼米兹的布局更合适。
为什么尼米兹的弹药升降机和右舷甲板边缘距离更远?看看汤姆猫和超级虫/F-35C的尺寸对比就知道是怎么回事。
如果福特级依然装备汤姆猫,那么为热机区内的汤姆猫双发之间挂架装卸弹药时,汤姆猫的前机身一定会压在弹梯上方,汤姆猫福特挂弹效率相对汤姆猫尼米兹大概率会暴跌。
福特的甲板弹梯位置变化,从挂弹放飞角度看:以其说是进化,不如说是演化。
福特级上的汤姆猫在对地攻击整备阶段后挂点挂弹作业与弹梯升降作业依然无法同时进行。
福特的甲板弹梯数量、每一台甲板弹梯的面积,相对尼米兹级都有增长,因此福特的挂弹效率提升也并非全是改变中转装配区位置的功劳。
但从卸弹入库角度看,福特级飞行甲板弹梯位置的改变就是重大进化了——福特的弹梯集中在舰载机拦停位置附近,极度有利于增加卸弹速度。
魅联航母将弹药提升到甲板可以毫无顾忌的使用机梯兼职弹梯,但全世界航母回收时都严禁将挂弹飞机送入机库卸弹,因为返航的舰载机所挂弹药已通电,危险远大于起飞前。
福特级有三个弹药库,后三台甲板弹梯接近中部弹药库,前两台中离舰艏最近的1号梯接近前弹药库,2号梯与两个弹药库距离基本相同,艉弹药库为了控制殉爆威力,容量远小于中库和前库。
只有艉弹药库没有对应的甲板弹梯,因为停放于舰艉的战机用途是紧急起飞、执行防空/伙伴加油任务、耗弹量本就不大,舰艉左舷用机梯兼职、舰岛后方靠4号甲板弹梯支援即可。
福特级的中转接力转运设计可能会面临三个问题:
1.福特级的全部4个甲板弹药升降机都由右舷外飘结构内部弹药装配区供弹,庞大的外飘配弹区更容易被攻击、可能需要强化弹药装配区装甲防护,但外飘结构防护增重会拔高重心、降低横稳性,削弱福特的海况适应性,不过福特可以靠电磁弹射器减重降低重心、增加方型系数强化横稳性来抵消外飘配弹区的不利影响。
2.弹梯越靠近舰艏和舷外,高等级海况中受上浪影响越严重。
3.外飘结构内部适合设置弹药中转装配区,但也适合设置燃气轮机,燃气涡轮发电机,在当今人类所有种类发电设备中重量最轻、发电速度最快,底舱发电机瘫痪后只有依靠高置于上层的燃气轮机供电抽水,才能实现最高抽水效率。
——然而弹药中转装配区可能会挤占原本能够用于设置燃气轮机的空间和配重,限制底舱进水时的抽水效率,不利于提升母舰抗沉性,若航母主要发电设备均位于底舱,缺乏位于高层舱室的高效率发电设备,将难以应对未来跨介质鱼雷的威胁。
福特为何硬要把甲板弹梯向外移至机梯前后?这其实是不得已而为之,因为在福特级上,原被尼米兹级作为甲板直达弹梯竖井的空间已被新设计的弹药中转拆装区和中转弹梯占据,保留中转弹梯直达能力会挤占拆装区可用面积,甲板弹梯不想内移靠近斜角跑道,那就只能外移靠近甲板边缘。
3、弹药储存转运体系差异影响因素
1.置于舰岛内部的飞行甲板弹梯
原作者没有发现女王级的甲板弹梯:
女王级实际有三台甲板弹梯,戴高乐确实只有两台,因为戴高乐号反应堆中置,没有空间设置中部弹药库。
女王是全人类第一艘不再搭载无弹舱战斗机的航母,弹舱挂弹的安全性绝佳,返航后快速卸载弹药要求没那么高,但还是很容易看到飞行甲板弹梯的:
另外两台弹梯则隐藏在两个舰岛内部:
双舰岛右前方开门,两个甲板弹药集散区也位于双舰岛前方。
里根号和布什号也将三号弹梯置于舰岛内部:
舰岛内置弹梯好处是分散出库入库几乎不受舰载机调度影响,既适合超航,也相当适合小型航母,但集中入库效率较低,不能彻底取代露天式飞行甲板弹梯。
此外,舰岛弹梯还存在岛内殉爆风险,实质上是一种牺牲舰桥安全换取弹药安全和弹药转运效率的设计。与单小岛超航并不十分般配,故福特级并未沿袭里根布什二舰的岛内弹梯设计:
2.甲板弹梯只存在于不影响降落的停机位附近
下图中原作者以为戴高乐只有两部弹梯是导致出击数量下降的原因:
无需疑似,戴高乐号只有两台甲板弹梯,分别对应两个弹药库,航母只会在不影响降落的常备停机区附近设置甲板弹药升降机,所以戴高乐不可能设置左舷甲板弹梯。
3.不应夸大甲板弹梯与出动效率的关系
对于主要使用精确制导武器(导弹和精确制导炸弹)的任务,弹梯输送能力对出动效率的影响其实不大,因为导弹的安全性良好,各国航母都经常在机库内部进行挂载,整备时间更多消耗在必须在甲板上进行的解锁/通电/整合等步骤上,精确制导炸弹不在机库内挂载但依然要消耗时间解锁。
执行以传统铁炸弹/火箭弹等非精确制导武器为主的任务时,不会在机库内挂载,但在魅联超级航母上也经常通过机库和飞机升降机转运,戴高乐也很有可能使用飞机升降机提升这类弹药,表面上看机梯最大提升量远超弹梯,但为了安全,机梯单次提升弹药量并不会达到机梯的最大提升重量。
戴高乐是2甲板弹梯+2机梯,尼米兹则是4甲板弹梯+4机梯,两舰不同出动模式下,甲板升降能力/热机战机数量比值接近。
非精确制导武器数量繁多但挂载后的整备时间更短,因此从挂载到出动的时间间隔更短。
对于载机量不高的小型航母,弹射和回收作业无法同时进行不会严重影响出动效率,两舰的真实出动能力对比应当和满载排水量对比接近———如果不需顾忌多条小型航母占用人力超过少量大型航母的劣势、也无需用到大型航母的海况适应性优势、抗战损优势、自持力优势、打击半径优势,小型航母的效费比确实有可能超过大型航母。
髪国最新的PANG方案满排接近8万吨,但依然只设置两台飞行甲板弹梯,而且位置还集中到了甲板前方,放弃了戴高乐号的前后分布设计——因为在髪国海军眼里:飞行甲板弹梯的首要任务是回收弹药,集中在前部效率更高。
沙漠风暴行动的统计也不支持把甲板弹梯数量和舰载机出动率划等号的想法:
中途岛号仅有1台甲板弹梯,还经常用于停机,主要靠3台机梯输弹上板,在红海和波斯湾执行舔地任务时的的作战日单机日均架次比超级航母都高:
小甲板航母由于调度转运距离和整备区停机量更小,整备进度反而可能快过大甲板航母,故特定情况下能够以更小的单波次出动量和更多的出动波次让长期累计出动量接近大甲板航母。
中途岛的3中型机梯1弹梯,舔地模式输弹效率或许高于戴高乐的2大型机梯2弹梯,但两舰弹药运输效率的比值,不可能高于两舰满排的比值(海况适应性则可能和满排比值相反)
此处不考虑两舰海况适应性的巨大差别对实战出动效率的影响,否则很有可能是戴高乐大胜中途岛。
珊瑚海号倒是配备了3常用1备用4台甲板弹梯,而两台舰艏甲板弹梯在2号弹射器预警机安全线以外,不受二号弹影响,理论上强于中途岛号,但珊瑚海号因为海战能力远比中途岛强大,保密程度也高于中途岛,为了养护舰体,在海湾战争之前退役封存,查不到舔地记录。
4.弹梯分布与弹药库布局、航母生存能力的联系
下图中原作者认为:甲板弹梯分布应该对应热机区战机分布。
勘误:———仅仅从飞行甲板作业角度考虑这很正确,但航母整体设计中却必须考虑弹药库的位置:
通过繁忙的飞行甲板或者拥挤的机库调度弹药,效率不高也不安全。
如果中部甲板弹梯数量不少,同时各弹药库也必须经过飞行甲板和机库才能交换弹药,那么中部弹药库容量也不能少。
对于大部分整备位和热机位位于飞行甲板中段的航母:完全按照热机区战机分布来设置甲板弹梯,就难免在右舷中段布置大量甲板弹梯。
———如果各弹药库可以不经过飞行甲板和机库交通,可以互相输送弹药,那也会带来更高的调度压力:延长调度路径,必须消耗大量空间设置弹药调度通道、安排大量弹药调度设备和人员,例如尼米兹的前弹药库和中弹药库可以通过弹药拆装食堂交通,但尼米兹的中部弹药库容量依然是最大的。
福特级若将右舷整备区甲板下方的弹药拆装区连通,理论上可以削减中部弹药库容量同时不增加调度难度,代价就是难以在右舷外结构飘内安装燃气轮机发电抽水,牺牲抗沉性。
现实中的福特级为了追求更平稳的技术升级过渡路线,没有缩短前后反应堆间距,因此双堆之间的中弹药库装药量也无法缩减,甚至因为其底舱容积比尼米兹更大、设计时对输出效率也有更高要求,装药量或许还会上升,中弹药库殉爆威力相比尼米兹级大概率是只强不弱———福特级选择后移舰岛,未必没有缓解中弹药库殉爆对舰岛电子设备冲击的考虑。
中部弹药库容量过大不利于航母生存能力:
虽然现代大型航母舰体抗殉爆能力强悍,弹药库殉爆后别说沉船,机库甲板都未必会变形,但很有可能会导致动力损失。
4螺旋桨推进的现代大型航母,中部弹药库通常设在前后动力舱之间,对于拥有机械传动长轴的航母而言,如果只在右舷设置中部弹药库,最右侧长轴一定会紧贴着中部弹药库甲板下方穿过,如果中部弹药库殉爆威力过强,其它邻近舱室的功能未必无法修复,但紧贴库底的长轴有很大可能会遭到无法在海上修复的破坏,然后全舰丧失1/4推力。
如果像尼米兹那样舰体中部左右舷都是弹药库,那么最左侧和最右侧长轴都可能因为中弹药库殉爆失效,中弹药库殉爆最多能损失接近一半推力。
因此从推进系统安全考虑,最明智的选择是让弹药库远离传动轴,将中部弹药库载弹量转移到前后弹药库内,并按照弹药库载弹量设置飞行甲板弹梯,或者让各弹药库能从飞行甲板下方舱室中转沟通——考虑到机库中转需要穿越大量舰载机和其它杂物,最好是让各弹药库共用一条或数条不经过飞行甲板和机库甲板的弹药通道:
后弹药库位于空间狭小的舰艉,不适合设置大容量弹药库,且大多数航母舰艉内部远离螺旋桨和传动轴、有空间设置弹药库的舱室,都过于接近艉舵,所以为迁就空间和推进系统安全,后弹药库通常是航母三个弹药库容量最小的,小到不少航母解析图、结构图、剖视图都无视其存在,懒得去标注它的位置,不少航母干脆取消了后弹药库,只在舰艉设置弹药中转拆装区域或者弹药调度通道,或仅将后弹药库用于临时存放一些殉爆威力较低的弹药。
由于水下殉爆冲击波威力更强,为了避免破坏螺旋桨和艉舵,后弹药库也不宜设在水线下。后弹药库需要远离推进系统布置,因此若要增加后弹药库容量,只能选择前移螺旋桨和艉舵、或者延长舰艉外飘距离。
如果不宜加大后弹药库,那只能加大前弹药库:
———1143.5型前弹药库已大于中弹药库,1143.7型乌里扬诺夫斯克号不但没改,反而再接再励,让前弹药库成为了唯一的主要弹药库,中弹药库和后弹药库则大幅缩小,甚至线图都没标注,有可能取消了,反正乌里杨的编制载机量小,不会出现甲板上和机库内部都停放有大量舰载机的情况,大机群对面攻击时把机库前半部分腾空,用硬式防火门单独隔出作为临时弹药中转组装平台即可。
乌里杨的弹药虽然集中储存于前部弹药库,但前部弹药库其实是分为4个装甲隔舱,4个装甲弹药库并非完全位于最底层舱室,和船底龙骨相隔两层甲板,且装甲弹药库最下层是装药量最低的弹药中转装配舱,其下还有两层舱室,能够杜绝被常规战斗部鱼雷/水雷炸穿主弹药库的可能,集中布置的弹药库反而有利于兼顾控制装甲重量和提升防护水平,和4个集中布置的反应堆一样,看似最冒险,实际最保险。
掠海反舰伴随着现代海军主动防御能力的提升早已式微,二战最具威胁的反舰手段是俯冲轰炸和鱼雷轰炸,而未来最具威胁的反舰手段是高超声速俯冲攻击和跨介质鱼雷攻底,有利于防御俯冲攻击和鱼雷攻底的1143.7思路,更能适应未来高烈度海战需求。
前弹药库本就远离推进系统、后弹药库也可以靠延伸舰艉外飘空间来避开推进系统,前后弹药库都有既能增加储弹量同时还能避免威胁推进系统的方式,唯独中部弹药库对推进系统的威胁只会和装药量呈正比。
因此,从推进系统安全的角度看,舰体中段弹药库装药量当然是越低越好,装药量少,对应的中段弹梯数量也需要减少。
从甲板作业角度考虑,中段甲板弹梯少、那么对应的热机舰载机数量也应该控制。
——这就是18舰的设计思路:
中部仅在舰岛左侧设置1台甲板弹梯,对应舰岛前后的少量舰载机,中部弹药库主要用于存放动能杀伤空空导弹,少量穿甲战斗部反舰弹等殉爆威力较低的弹药、受鱼雷和水雷威胁最严重的最低层则可以存放大量水密性质的舰载机副油箱(尼米兹的机库高于18和1143.6,因此多数副油箱被吊挂在机库天花板下)中部弹药库殉爆威力较低、同时由于采用缺陷舰体侧壁,拉开舰岛基座的弹药库的距离,减轻中部弹药库殉爆对舰岛电子设备的影响。
18舰的弹药储存转运体系,甲板弹梯分布没有完全对应热机区战机数量,却能极致削弱底舱弹药殉爆造成的战力损失,吸收了乌里杨的大部分优势,又缓解了乌里杨弹药分布过于集中的缺陷,属于极致优化高烈度舰队战能力的设计。
福特级也很可能重新调整了前后弹药库载弹量,4个甲板弹梯对应的弹药中转装配区大概率是水平互通的,让两个弹药库的弹药都能输送到任何一个甲板弹梯,这样前中弹药库对应的甲板弹梯数量不如前弹药库,但前弹药库的载弹量却可能小幅超过中弹药库。即使2 3号甲板弹梯所对应配弹区之间无法连通,至少1 2号之间;3 4号之间都能连通,让前弹药库和中弹药库载弹量基本相同。
髪国 的PANG未来航母方案,采用了最害怕机械传动轴损坏的3轴设计,为了让弹药库远离传动长轴,很有可能是向1143.7型乌里杨诺夫斯克号学习,把大多数弹药、甚至是所有弹药集中到前部弹药库储存,因此某些方案中只有前部甲板弹梯。
隐身舰载机弹药安全性良好,着舰后可长期不卸弹,允许航母采用以右舷弹射起飞作业相矛盾,牺牲弹药卸载效率的全前置弹梯设计:
未来航母将具备全电力推进能力,允许不依靠机械传动长轴推进,但如果未来航母对速度有极致要求,那么依然应该保留机械推进长轴,因为机械传动的能量转化效率高于电力推进———从极致追求速度的角度考虑,应该是以电力辅助机械联合推进,将电能和机械能同时加持到每一根长轴上。
对于不极致追求速度,但极致追求能量效率的航母——如髪国 的PANG航母,因为反应堆动力孱弱,即使未来能够实现全电力推进,依然需要保留机械推进能力。
未来大多数航母的主弹药库依然需要避让长轴。
5.起飞通道和甲板弹药升降通道的影响:
下图中原作者误认为1143.5起飞时无法使用位于舰艏的4台甲板弹梯:
勘误:真相是1143.5的两个舰艏起飞位为了不影响舰艏甲板弹梯运行,刻意拉大了间距,导致2号起飞位侵入复飞通道——如果不考虑干扰4台舰艏甲板弹梯运行的问题,库舰未尝不可选择通过压缩起飞位间距来设置两条不阻碍降落复飞的舰艏起飞通道。
下图中原作者也知道,甲板弹梯在绘制航母三视图时往往被忽略:
前脚提醒了读者绘制航母三视图会忽略弹药升降机,后脚提醒者自己就拿了张忽略一半甲板弹梯的单视角草图来批判1143.5型甲板弹梯数量不足——转眼重演自己刚纠完的错误,无语。
补充:福特把舰艏弹梯移动到热机区下外飘结构内部的设计不适合空间不足的库舰,库舰的舰艏弹梯如果非要移动,只能前移,否则就会远离舰艏弹药库,但前移后反倒真的会导致起飞时无法远行。
下图中原作者误认为库舰起飞时弹梯无法运行:
勘误:1143.5型舰艏的4台甲板弹梯并不影响放飞海侧卫,哪怕是放飞翼展更大的汤姆猫,也可以保证其中1~2台不受影响——别在意汤姆猫能不能登上1143.5型,举例而已。
尼米兹需要经常用机梯凑活抬升弹药,甲板弹梯数量更充足的1143.5型防空航母才不需要。
下图原作者误认为库舰最大回收状态时舰载机全部停放于甲板前部,又误认为弹药升降机妨碍机库扩张:
勘误:1143.5型最大回收状态时舰载机可不是全部停于甲板前部,除非只有不足10架舰载机——现实中的库舰或许确实可能出现这种情况,但联盟造舰人设计1143.5时可没考虑过俄联邦养不起舰载机的情况,所以要知道1143.5的最大回收状态,只能用甲板布局形状相似的1143.6(瓦/辽)的停机情况反推。
6.只有基于机库设计的弹梯,没有迁就弹梯的机库:
机库前方就是居住区和反舰导弹,除非1143.5能够拆除反舰导弹并且进一步压缩舰员数量,否则无论怎么设计机库都无法继续扩大,现实中的库舰因为住宿空间不足,不得不在舰岛上设置飞行员宿舍。辽宁拆除了舰艏反舰导弹才缓解了居住问题,山东增加了舰体容量、才算基本解决了居住问题。
即便如此,山东相对16舰缩短了艏弹梯升降竖井所占舰体长度,但艏弹梯却并未明显前移,而是选择继续拓展艏居住区。
从这里也可以看出库舰装弹射器或者反应堆的想法有多离谱,真要强行加装反应堆和弹射器,增加的反应堆和弹射器操作维护人员怕不是得和原来的舰员一起轮流用热铺?
库舰无法将垂发井改为居住区以间接扩充机库的根本原因有2:
苏联没有能挂载足够重型的反舰导弹滑跃起飞的舰载机,或者说没有性能够强还能适应滑跃起飞的反舰导弹,不得不凭借垂发反舰导弹的威慑力拒止载机量更大的魅联超级航母靠近己方舰队——在双方航母编队距离拉进后魅联航母可以凭借舰载机数量优势从多个方向围攻库舰。
同时冷战末期航母的自动化程度有限、过于依赖人力———并非表面上的“设计师不够聪明”,某种装备是不是怪胎没有讨论价值,怪胎诞生的根源才是真正值得讨论的问题。
原作者抨击联盟航母尚可理解,毕竟联盟设计本来就存在不足,但同时抬出中途岛号就很令人迷惑了:
对于库辽山,战斗力仅仅是多少与否的问题,然而对于中途岛号,战斗力却是有没有的问题———高海况环境中库辽二舰依然可以起降飞机,中途岛怕只能靠舰载导弹作战,舰炮都未必能稳定射击。
勘误:且不深究图中这个状态的中途岛号满排(和002型同级的65000吨满排)到底是比1143.5型大了5000吨、8000吨还是10000吨,就说中途岛号因为海况适应性稀烂,在魅联海军内部都拥有“摇滚航母”的耻辱称号,除了擅长进入红海或者波斯湾这类风平浪静的狭窄海域舔地以外干什么都不合适
——原作者要是把同属中途岛级的珊瑚海号抬出来倒还可以理解:
珊瑚海号能力更大,任务也更繁重更劳累,更晚下水却更早退役,所以名声才不如中途岛号响亮。更当得起“6万吨级航母应有的战斗力”的称号,即便如此,珊舰的甲板弹梯数量依然低于库舰。
原作者想象出了甲板弹药升降机避开机库前方扩大机库面积的设计原则:
勘误:福特级取消了尼米兹级的机库前方甲板弹梯,机库面积却增幅不大,因此正确因果关系是“小机库允许弹梯更靠近舰艉”,而不是“弹梯远离舰艏导致只能用小机库”。
福特级扩大机库的主要手段是是提高自动化程度、减少对人力的依赖从而减少舰员数量——但福特的舰员数量虽然减少,却对人均居住面积提出了更高要求,最终机库面积相对尼米兹级提升不大。
无论任何航母,弹药升降机都不会影响机库面积;起飞通道布局能影响但不能决定舰艏飞行甲板弹梯位置。
7.真正具备开创性的弹药储存转运体系设计
苏式航母的弹药储存转运体系设计理念其实很科学,福特级尽可能使用甲板弹梯、减少对机梯输弹的依赖的设计理念,反而在实质上偷师了1143.5型,但似乎尚未偷师到位。
福建的飞行甲板弹梯,目前已知的就有5个,只有中部弹药升降机可以确认是一次直达式输送,另外4个大概率和尼米兹、福特一样具备分段中转接力式输送能力,且每一台的面积都大于福特——因此,不用飞机升降机前提下比弹药输送效率,福舰大概率强于福特。
上下两张大包CG图中:福舰甚至安装了8台甲板弹药升降机,倘若果真如此,那么福舰未来基本不需要用飞机升降机输送弹药,但可能性不大,因为福建不是全甲板攻击优化设计,而是循环出动优化设计,不存在短时间集中挂载或者卸载大量弹药的需求,5台甲板弹梯已经够用——这5大甲板弹梯总面积已经远超1143.5型库舰和1143.6型辽宁舰,也已经超过了全甲板空对面攻击优化的福特。
4、弹药抛弃坡道和防坠网设置:
弹药抛弃坡道分为甲板弹药抛弃坡道、机梯弹药抛弃坡道,用于在甲板发生火灾时跨越防坠网和走廊护栏将来不及入库的弹药抛入海中。
矮阔的华航防坠网↗和高狭的魅航防坠网↙
防坠网面积和安装高度有关,安装高度越低,越需要增加宽度,华式防坠网安装高度低于魅式防坠网,宽度也更大,通过防坠网宽度与舰体比例,能相对准确地判断航母尺寸下限。
上图为正确比例尺,华航防坠网宽于魅航。
下图为华航防坠网宽度接近魅航的错误比例图:
由于航母研发环境-作战构想-设计思路不同,华航对防坠网的重视远在魅航之上,但对弃弹坡的重视程度则低于魅航:
弃弹坡对于甲板弹梯数量不多、且经常需要使用大量炸弹执行攻击任务的航母有生死攸关的意义,对于很少使用大量炸弹的舰队防空航母则不过是锦上添花。
弃弹坡又分为固定式和折叠式,固定式弃弹坡的可靠性优于折叠式,若仅从弹药安全角度考虑,则固定弃弹坡数量多多益善,但目前这种形式的固定弃弹坡方便既抛弃弹药、同时也方便人员坠海,因此固定弃弹坡最佳数量需要结合实际的弹药卸载压力考虑,除非未来的固定弃弹坡能在不影响弹药抛弃效率前提下优化人员安全性。
当前华式航母暂未发现采用折叠式弃弹坡的迹象,所有弃弹坡均为固定式,宽度超过魅式弃弹坡;而魅联航母的跨裙廊弃弹坡均为折叠式,折叠状态不存在人员滑落风险。
福特级和大福舰都安装了10道甲板弃弹坡,右舷5道、左舷3道、舰艉2道,但福特比福建多一台舰艉左舷机梯,因此福特的弃弹坡总数是13道、而福建则是12道。
大福舰的弃弹坡宽度总和占优,且左舷舰艉弹梯可加快弹药紧急入库速度,但少数宽坡与弹梯的组合,弹药清理效率是否能超过更多窄坡需要在实际训练过程中检验。
弃弹坡置于甲板大角度内凹处有助于增大排队空间,而置于大角度外凸处不利于弹药推车排队弃弹效率,福特左舷起飞点弃弹坡甲板外凸度过高,故新型航母相对福特级缩小了左舷起飞点弃弹坡甲板外凸角。
也有说法是福特级安装了14道弃弹坡:一道左舷弃弹坡因为采用折叠式设计而被忽视。
福特级更重视全甲板攻击、弹药中转更依赖机库,因此需要比福舰更多的弹药抛弃坡道——不过从最大停机数量看,两舰的弃弹坡数量依然有些少,且过于向右舷集中,没有充分考虑到右舷大面积起火时火场阻挡弃弹通道的情况,两舰左舷增设1~2道弃弹坡或许更合适。
福建的舰岛前停机区弃弹坡远比岛后停机区稀疏,左舷弃弹坡也不如福特密集,这是福舰的级少数较大缺陷:未充分考虑燃烧战斗部反舰弹的威胁,福舰作为舰队防空航母时这一缺陷或许很难显现,但假设服役数十年后,因为难以适应舰队防空任务被改为攻击型航母,又忘了增加弃弹坡数量,会不会因此导致损失则是未知数。
福舰弃弹坡布局相对同样设置了12坡的尼米兹的确大有进步。
弃弹坡可以设在起飞通道内,但不会设置在降落通道内部:
福特的弃弹坡数量更多,但宽度更窄。
山东舰是我国最先设置弃弹坡的航母,舰艉左弃弹坡位于跑道边界线内线以外,但却有很大部分位于跑道边界线外线上——类似小鹰级和旧肯尼迪号,这一误差在辽宁舰加装弃弹坡时被纠正。
不过山东舰也尚未修正这一误差——虽然要修改很容易,但弃弹坡对于很少在飞行甲板上堆积大量炸弹,即使执行对地支援任务也很少集中出动的舰队防空特化型航母无足轻重,俄联邦至今尚未给库舰安装弃弹坡,山东舰转向轰炸航母是很久以后的事,无需在弃弹坡上耗费过多资源。
16舰后期改进时建造经验进一步增加,故其弃弹坡设在跑道边界线外线以外:
不允许出现降落时无法抛弃弹药的业余设计:
女王级设置了两个固定式弃弹坡,对应两个舰岛弹药集散区,同时为跨裙廊折叠式弃弹坡预留了4个开口,左舷和舰艉各2:
由于大阴的138架F-35B到货数量尚未超过30,目前一条女王级只用右舷停机区即可停放大阴所有F-35B,无需使用舰艉和左舷停机区,因此并未安装4个折叠弃弹坡。
5、甲板调度与弹梯布置-三个不同方向的要求
为避免弹药升降作业阻碍舰载机调度,需要设置远离舰载机调度通道的甲板弹梯,因此苏式航母和华式航母都设有位于热机区末端的舰艉甲板弹梯。
从挂弹效率角度看,弹药需要临时从下层舱室弹药库中调配,提升输送到起飞位附近需要一定时间,而等待挂载弹药的战机则长期停放在甲板上,短时间即可到达起飞位,需要设置比其所服务的待起飞舰载机更加接近起飞位的甲板弹梯;
舰载机被拦停后在调入机库或飞行甲板停机位之前需要卸弹,从保证卸弹效率角度考虑,需要设置接近拦停飞机入库/归位路线的甲板弹梯。
18舰位于舰岛左侧的中部弹药升降机就是遵循上述原则的典范——其所服务的舰载机多停放于舰岛后,离1、2号起飞位的距离比其更远;位于被拦停飞机调入岛后停机区的路线上。
6、飞行甲板弹药集散区:
飞行甲板弹药集散区通常位于舰岛附近,在魅联航母上又被称为“炸弹农场”。
在某些网络笑话中:飞行甲板弹药集散区附近是全世界所有除了福特级以外的航母飞行甲板上唯一能给舰载机挂弹的区域,福特级以外的航母上所有舰载机不管挂什么弹都需要调度到这个区域旁边的挂弹区进行挂载。
然而和笑话中不同:现代航母中的飞行甲板弹药集散区首要任务根本不是挂弹,而是收弹,大多数情况下舰载机也不需要调度到这个区域挂载所有种类弹药,集散区反倒要把弹药分散到各停机区挂弹。
冷战和更早期的航母,挂弹高度消耗人力,在进行人力资源紧张的全甲板攻击准备工作时,部分沉重的炸弹和鱼雷确实需要将舰载机拖动到集中堆放处挂弹,舰载机在舰岛前后停机区之间调度时也会顺路挂弹,但重量较轻的火箭弹和空空导弹多将弹药输送到停机位上挂载,由于精确制导武器整合火控耗时较长,重型导弹/激光制导炸弹也可能在停机位上挂载。
——对于自动化程度更高的现代航母,甲板弹药集散区最重要的任务,是在大机群密集返航后,临时堆放从返航舰载机上卸载的剩余弹药,或者在接受少量航空补给时,临时堆放从补给飞机上卸载的弹药。次要任务才是临时堆放刚刚提升到甲板上,但尚未有人接手的弹药,避免堵塞甲板弹梯开口。
冷战后:
航母的自动化程度与精确制导武器占比大幅提升
大部分提升到甲板的精确制导弹药都会被迅速疏散运送到各个停机位上,不会在飞行甲板弹药集散区长期停放,未来航母的甲板弹药集散区可能需要彻底更名为“甲板弹药集中区”——在甲板弹梯数量超多,以使用精确制导武器为核心设计目的的苏/华舰队防空航母上,并没有设置炸弹农场。
苏联航母虽然自动化程度不高,但主要任务是防空和反潜,武器以导弹、小型反潜鱼雷、小型深水炸弹为主,不存在短期提升大量重磅炸弹的需求,因此主要在停机位上挂弹。
六、起飞复飞离舰通道与甲板规划-浪腾云
1、不同起飞方式对甲板设计和规划的影响
2、起飞、复飞与着舰对舰载机结构重量的影响
3、弹射梭、拦阻索滑轮与起飞复飞通道规划
4、起飞通道长度受制于降落复飞能力
5、起飞通道位置和数量决定因素
6、起飞复飞通道与甲板流场
1、不同起飞方式对甲板设计和规划的影响
早期航母的活塞螺旋桨舰载机可以不依赖弹射器满载短距起飞、也不需要依靠滑跃甲板起飞,起飞时需要向下俯冲而非向上滑跃,进入喷气机时代后,涡桨和桨扇舰载机这类带螺旋桨的喷气机依然具备这一能力,但起降性能更差的涡喷/涡扇舰载机多数只能靠弹射和滑跃装置满载短距起飞。
未来发展出低空低速推重比更高、同时能兼顾高速性的发动机后,高速喷气机或能达到不弱于螺旋桨战斗机的起降性能。
现代喷气式舰载机的主流起飞方式是滑跃和弹射,但古老的滑跑起飞也没有彻底从现代航母甲板上消失,随着喷气机起降能力不断增强与螺旋桨无人机的兴起,甚至有可能在不远的未来再次复兴。
滑跑和滑跃起飞对甲板风依赖性更强,不仅需要母舰具备高航速,还需足够转向速度以适应风向。
滑跃和滑跑起飞都需要高风速或者长跑道,能容忍舰载机以更低速度离舰,适合高起飞推重比低起飞升阻比飞机,但对低起飞推重比高起飞升阻比飞机帮助不大。
弹射起飞可以降低起飞油耗,同时能防止单侧引擎停车导致的舰载机坠海——这对引擎全部/部分失效后无法全员弹射跳伞的现代舰载预警机和运输机尤为重要,在能够全员弹射的未来舰载预警机/运输机列装之前,只有弹射起飞才能保证舰载预警机和运输机的使用安全性。
由于弹射起飞过程中舰载机被固定在加速轨道上,进入弹射器减速段舰载机才能脱离弹射器,自行调整速度矢量拉升,若弹射过程舰体出现艏倾/埋艏现象,弹射动线有可能指向海面。
舰艏外飘段加速轨道越长,则艏倾/埋艏弹射离舰点离海面越近。离舰点越靠近海面、加速段末速度越快,则越容易引发舰载机弹射入水事故。干舷高度相同的航母,舰艏外飘结构外倾角越大则外飘距离越长,减小外倾角可以缩短外飘段长度:
因此需要减短位于舰艏外飘段内部的加速轨道长度,或采用艉倾弹射——艉倾抬艏弹射状态下舰艏外飘段加速轨道越长则离舰点离海面越远,此时加速段末速度越快离舰安全性越高。
艉倾航行性能较弱的魅式超航长期秉持小幅短外飘舰艏设计。艉倾航行性能较强的苏式平板弹射航母早期方案中考虑过大角度长外飘,但后期还是改为了中等外倾角中距离外飘设计。
航母舰体越短、舰体长细比越小则越容易出现大角度埋艏现象,故短水线航母更需要后移弹射轨道使其远离水线艏端点,下图中夏尔戴高乐号的舰艏弹射轨道位置显然比上图中旧进取号更加靠后:
弹射器滑轨加速段末端点离舰艏段飞行甲板前缘越远,越有利于延长减速段,减速段末端点离前缘越远,舰载机在脱离轨道牵引固定装置升空瞬间所受的板面效应升力越强、越有助于快速转入爬升
——转入爬升后喷口后下方的飞行甲板还能起到助推作用,同时脱轨点越靠后,则舰体埋艏状态下升空点离海面越远,有助于规避海浪威胁。
滑跃起飞受舰体埋艏影响较弱,故短舰体中轻型航母采用滑跃起飞有助于延长起飞加速距离、提升高海况放飞能力。
滑跃起飞位或滑跑起飞位结构相当简单,仅仅需要设置升降式轮挡用于固定舰载机蓄力即可,甚至无需轮挡也可进行,无轮挡滑跃依靠舰载机自身刹车装置代替轮挡,能够灵活选择起飞点,但对刹车磨损更严重。
1.滑跃起飞与舰艏飞行甲板外飘幅度
滑跃起飞的概念出现于20世纪70年代,晚于弹射起飞数十年。
滑跃起飞能赋予舰载机与重力方向相反、垂直于水平面的加速度分量,同时提升离舰迎角和高度,减小离舰下坠距离。
因此滑跃式航母的舰艏滑跃飞行甲板外飘尺度即外倾角和外延距离可以超过传统的弹射起飞航母——直观印象即为:外飘距离更远、外倾角更大的舰艏更锋利,设计允许最大外飘距离和外倾角须受滑跃角度限制,但设计允许最大滑跃角度却无需受外飘距离和外倾角度限制。
简洁归纳:允许舰艏远外飘大外倾角-大滑跃角正常设计;也允许选择舰艏近外飘小外倾角-大滑跃角的成熟安全设计;但不允许采用舰艏远外飘大外倾角-小滑跃角/平板的不成熟危险设计。
苏联航母方案演进呈现滑跃角度增大同时舰艏外飘结构外倾角不断缩小的趋势,展现了苏联航母设计思想不断成熟的过程:
2.三种滑跃装置不同特性对甲板规划的影响
实现滑跃起飞的方式有三种:
固定式滑跃跳台、滑跃甲板、活动式滑跃跳板。
1-固定式滑跃跳台:
科技含量最低;
属于舰体上方外部附加搭建结构,便于利用下方空间;结构最轻便、安装在舰艏时对舰艏船体水下部分浮力要求最低,飞行甲板下的船体水上部分可以更庞大沉重;
可以直接安装在平面甲板上,拆除改为平板也很方便,但无法延长舰艏外飘-最影响甲板停机数量。
不属于承力结构,无法参与支撑舰体,其存在无助于提升母舰舰体总纵强度。
2-固定式滑跃甲板:
技术含量较高;
属于舰体承力结构的一部分,结构强度最高、最可靠、最抗打、最重-对舰艏船体水下部分浮力要求最高、安装在舰艏时不利于增加舰艏船体水上部分体积重量;
舰艏前方外飘距离可超过平面弹射甲板航母,但改装为平板却比较困难。
舰艏外飘可以比跳台和跳板延长得更远,延长后需要增大滑跃角避免埋首和上浪。
3-活动式滑跃跳板:
科技含量最高;
属于甲板安装的机械设备,低重量低强度低可靠性,使用时角度可灵活调节,不用时可放平;
对甲板风速影响最弱;滑跃段放平后可停机,几乎不影响甲板停机数量;和滑跃跳台一样不利于延长舰艏前方外飘距离,无需拆卸。
主要缺陷是要求甲板下有充足空间收纳动作机构。
滑跃起飞的下坠距离取决于起飞地点的大气状态,低压缺氧环境会削弱舰载机起飞推重比和升力,使离板下坠轨迹最低点进一步降低。
因此高海拔陆地滑跃训练设施的滑跃角度可能需要大幅超过航母滑跃角度,苏联的陆地滑跃训练最佳角度为14.3度、大阴总结的滑跃起飞最佳角度则是12度,但在任何版本的1143.5、1143.6、以及延续1143.6甲板设计的17舰图纸、模型、照片中测量出的滑跃甲板上表面均在11.5~13.4度之间,只有0舍4入时才能得出14度的结果,无论怎么算都无法达到14.3度,下表面才能勉强测量出14度以上的结果。
1143.7则降至11~12度之间,女王级更是低到不超过11.5度。因此各国宣称的滑跃角度很可能都仅仅是陆地滑跃训练用角度,舰用滑跃角度则因为海面气压和含氧量更高而有所下降。
3.滑跃起飞装置对甲板流场影响-舰艏低压区与弱侧风区
滑跃起飞对气压和风速要求很高,受乱流的影响大于舰载机前轮被牵引飞梭固定的弹射起飞。
抬起的滑跃部分会增加风阻,在后方形成甲板风流速较慢的低压和乱流,起飞位低速乱流会降低发动机起飞初始推力/起飞初始加速度,不利于起飞安全性,低压区内的舰载机起飞乱流消散速度也会慢于高压区。
低压区尺寸和面积与滑跃甲板的挡风面积呈正比、区内压强则呈反比,挡风面积与滑跃段舰艏宽度、长度、滑跃角度呈正比——这是人类建成下水的滑跃航母设计很少兼具大滑跃角度高离舰点和宽舰艏飞行甲板的重要原因。
起飞位距滑跃段最高点越远,受滑跃段低压影响越小,现实中的大多数滑跃航母舰艏起飞位与滑跃段最高点距离不足,为避开友机起飞乱流,需拉宽舰艏起飞位间距以避开低压低速区。
隆起的舰艏滑跃部分还会改变斜角跑道流场,以上图1143.7方案为例:迎面来流倾向于从两侧绕过舰艏滑跃段并在飞行甲板中部汇合,这会削弱复飞舰载机在斜角跑道复飞区末段所受右侧风,使来流流向与跑道中线趋于平行,乃至产生左侧风。
来流流向与跑道中线趋于平行有助于强化复飞舰载机与3号弹射器放飞舰载机的离舰净升力与净推力,提升离舰安全性。
左侧风会导致复飞舰载机产生右转倾向,更容易撞击2号起飞位——这也是大部分斜角跑道滑跃航母都不将舰艏2号起飞位设在复飞区以外的原因,以其在复飞区以外设置无法实现同时起降的起飞位,不如直接将起飞位置于复飞区内部,以避开舰艏低压区,拉大起飞位间距并延长2号起飞通道。
17舰原本可以利用比16舰更大的飞行甲板空间将2号位彻底移至复飞区外,但依然保留了侵入复飞区的2号板设计:
17舰由于飞行甲板延长,2号位飞鲨折叠状态下不会干扰其它飞鲨复飞:
滑跃航母舰艏滑跃段对甲板风的压缩和引导效应,有助于以相对平板弹射航母较短的复飞区长度,获得较快的复飞离舰空速,保证复飞安全性。
4.滑跃甲板/跳台的回收模式停机量、常备热机区容量与同时起降能力
滑跃甲板/跳板滑跃段无法停机的缺陷限制了滑跃航母回收模式下的飞行甲板最大停机数量,进而限制了密集出动和持续密集着舰能力,不易出现在较长时间内不间断持续回收舰载机的情况——换言之:大机群回收过程不易出现降落复飞通道必须长时间保持清空状态,无法作为临时起飞通道的局面。
因此:飞行甲板空间、舰载机尺寸外形与作战排水量接近时,拦阻降落滑跃航母对同时刻起降能力的依赖性和重视度不如拦阻降落弹射航母,故上一节中所述滑跃舰艏流场不利于同时起降的缺陷可以容忍。
但滑跃甲板通常不会影响常备热机区容量,而循环出动能力主要取决于常备热机区容量,应急出动能力取决于可快速启用的起飞通道数量,故常备热机区容量较大的滑跃航母依然有必要配备不干扰降落复飞,可随时启用的起飞通道。
即使同属苏联滑跃航母,载机量和出动量不同也会导致同时刻起降能力不同:例如库瓦二舰搭载苏33时载机量低,但苏33原本是为1143.7型超级航母研制,库瓦二舰原计划搭载的主力舰载机是米格29K和海蛙足这样的小尺寸舰载机,计划载机量和出动量较高,故依然要求同时刻起降。
而巴库号拦阻方案/超日王搭载米格29K时的载机量仅仅相当于库瓦二舰搭载苏33时的载机量,故无论是巴库号拦阻方案还是在此基础上改进的超日王号甚至完全不具备同时段起降能力。
然而苏联滑跃航母依然不具备同时刻进行重载起飞和降落复飞的能力,比苏联航母更加重视重载对地攻击的魅联CVV弹射航母方案,为保证循环出动效率,尽管体量类似瓦良格号,但因为常备热机区容量接近尼米兹级,故设置了一条不干扰降落复飞的重载弹射起飞通道。
5.串联式起飞与挡焰偏流板设计
所有类型的现代航母非螺旋桨舰载机起飞模式中,只有滑跃起飞模式下才会出现具备串联式起飞能力的起飞通道。
串联式起飞——同一条起飞线上具备不止一个起飞位,允许一架以上舰载机同时就位,在短时间内快速先后起飞。
弹射起飞通道未采用串联式弹射在技术上的主因是:1-滑跃起飞不需要消耗时间积蓄蒸汽能、2-滑跃起飞通道上也不存在弹射牵引飞梭这种凸出甲板表面的障碍物、3-在同一条滑跃起飞通道上设置5块挡焰板也远比在同一条弹射器滑轨上布置两块挡焰板更容易。
3大技术问题中3号问题相对容易解决,并不是所有的航母挡焰板都采用规整紧密排列于弹射轨道后方的矩形设计,大阴王室海军就长期采用分散排列的C形王冠状排列式设计——也可以称为C形巨石阵排列式设计。
上图为60年代CVA-01航母方案想象图
上图为90年代伊丽莎白女王级航母某方案想象图
上下图为实际服役的C型挡焰板
细节:
既然C形多段式挡焰板都已经长期服役平稳运行,那么将挡焰板分置于轨道两侧,升起后滑动拼接成整块挡焰板的设计技术上自然也绝对可行。
甚至对于宽间距双发舰载机,即使机体正后方缺少挡焰偏流板也依然可行:
在电磁弹射器出现后1号问题也能轻松解决了,于是就有民间军迷想出了串联式电磁弹射的奇招:只要再设计一个将牵引飞梭收入甲板下的装置:
解决2号问题,并增加牵引梭数量,搭配分置于轨道两侧的滑动拼接式挡焰板:
即可实现一条弹射器4个起飞位的划时代布局。
然而牵引梭复位需要时间,4起飞位串联电弹构想的舰载机只能等到所有牵引梭后才能开始就位,同时前机未完成就位放飞之前后机无法放飞,就位机动空间狭窄只能采用滑行就位距离更长的首尾相接滑行就位,仅仅在第一波放飞时具备效率优势,后续持续放飞效率都不可能赶超传统的单起飞位弹射和串联式滑跃起飞,因此从未有航母强国尝试研发这一技术,就连类似的PPT也同样没有被任何舰船设计单位推出过。
串联式弹射还有一大隐患——挡焰板散热问题:
弹射频率过高有可能导致挡焰板升温速度赶超冷却速度,频繁碾压高温挡焰板会降低战机轮胎寿命,增加维护工作量和起飞事故发生概率。
为减少后机轮胎碾压挡焰板所受热量,需降低前机引擎喷流温度:
弹射器性能越强,战机起飞过程对加力依赖度越低,喷流温度越低。挡焰板与战机引擎喷口距离越远,挡焰板所接触喷流温度越低。引擎涵道比越大则无加力喷流携带热能越低,涵道比越小则加力喷流携带热能越低。
从尽可能提升紧急出动速度角度考虑:
强弹射器/远点滑跃适合搭配大涵道比战机,弱弹射器/近点滑跃适合搭配小涵道比战机。
库辽山三舰的滑跃起飞方式较为依赖挡焰板,因此战机就位放飞效率会收到挡焰板降温效率制约。
女王级滑跃放飞作业无需依赖挡焰板,故更容易实现超越库辽山三舰的放飞效率。
对就位放飞速度要求越高的起飞通道,起飞位和挡焰板的间距越远:
让起飞通道具备不依靠挡焰板放飞的能力,有助于极致强化紧急出动能力。福莱斯特级、女王级、超日王号、维克兰特号、大福舰都能代表这一思路。
6.不同弹射方式的区别及对甲板规划的影响
蒸弹-平庸危险
通过消耗舰用燃料--通常是重油或核燃料,积蓄高温高压蒸汽,在开缝汽缸中爆发推动弹射器滑块,通过调节参与弹射的蒸汽数量、压力适应不同型号载荷的舰载机。
增加弹射蒸汽消耗量、增加弹射蒸汽压力、增加弹射行程三种方式都能增强蒸汽弹射器弹射能力。
蒸弹缺陷:
难以实现闭环控制、汽压无法精准调节、弹射能力无法一直随轨道长度增长而加强,对甲板风速/母舰航速要求最高;
蒸弹适应舰体形变能力较弱,受舰体弯曲和加工精度限制难以延长,越长的舰体越容易发生大幅度形变,蒸弹抗形变能力弱的缺陷甚至可能反过来限制航母舰体长度增长,发展潜力枯竭;
最不可靠、最不清洁、最难维护;
战损后无法抢修,汽缸整体报废;重量和体积最大,且重量集中在顶层甲板和舱室,拔高重心,加剧舰体摇摆、降低海况适应性;
和船员/锅炉/反应堆争淡水、舰用燃料消耗量大,不利于提升全舰作战自持力;
单次弹射能耗最高、在非蒸汽动力航母上甚至可能超过电弹和燃弹百倍,必须依靠锅炉或反应堆提供蒸汽、依赖重油和核燃料等重质燃料,导致蒸弹航母动力系统设计缺乏灵活性;
蓄能慢弹射间隔时间较长,尼米兹级3~4条蒸弹弹射40余架舰载机耗时不短于20分钟,每条蒸弹2~3分钟才能弹射一次。
蒸弹优点:
弹射后绝大部分蒸汽和冷却水可回收利用,用于后续弹射或推进母舰,持续弹射能耗仅为电弹3~5倍;
能量源于重油/重柴油或核燃料,不消耗航空煤油、不和飞机争燃料;
蒸弹危险性:
如果是常规动力航母靠用于推进的主锅炉提供蒸汽,频繁弹射会导致推进母舰的动力大幅下降,降低航母机动性,进而降低生存能力——解决方法:
1.降低弹射频率2.加装辅助锅炉/反应堆用于直接提供弹射所需蒸汽3.加装辅助反应堆/燃气轮机/柴油机用于发电,让锅炉能向弹射器提供更多蒸汽4.加装大量提速快的燃气轮机作为补充动力5.使用综电系统,配合电力助推系统和大容量储电快速放电装置,通过快速消耗电容器能量来补充推进机械能。
如果蒸弹靠反应堆产生蒸汽,频繁弹射不那么容易大幅降低母舰动力,但反应堆受损泄露后会产生大量辐射蒸汽,从弹射器开缝汽缸内涌出后会严重威胁人员安全——解决方法:
1.加装辅助锅炉供应蒸汽2.尽可能避免将蒸汽弹射器设置在人员密集区的上风位、增加位于人员密集区下风位的蒸弹起飞位数量。3.尽可能避免反应堆数量低于弹射器数量4.保证各反应堆之间的蒸汽隔离5.集中布置反应堆同时使用超强装甲集中防护避免战损泄漏6.分散布置反应堆避免全部泄漏。
以上解决方案前5被1143.7型乌里杨诺夫斯克号采用,6被进取号、尼米兹级、戴高乐号和福特级采用。
电弹-灵活坚韧
闭环系统、精确控制、均衡加速 ;
消耗舰用燃料发电,驱动直线电机加速弹射器滑块,可通过精确控制电流精准灵活调节加速度曲线(足够先进的电弹甚至能模拟蒸弹和燃弹的加速度曲线),适应不同型号载荷的舰载机。
电弹优势:
1-对甲板风速/舰体航速要求较低,可见未来内弹射能力随轨道长度延长而加强;
2-理论上可灵活调节加速度、适应不同型号载荷的舰载机;
3-加速度在整个弹射行程内的分布能够更均衡,弹射行程相同时,电弹弹射的舰载机离舰速度和重量均能超越蒸弹;
4-是最能节省航空燃料并减轻机体结构疲劳和损伤从而长期维持舰载机高强度出动的弹射方式;
5-轨道使用和设计更灵活,无需使用全长弹射,即使在部分模块分段故障/战损状态下依然有可能弹射,适应形变能力最强,理论上可采用曲线型轨道兼容滑跃,还有可能开发出反向运行能力-即在由艉→艏向和艏→艉向弹射模式间进行切换;
6-模块化设计,清洁易维护、战损易替换抢修,电机分段报废;
7-位于甲板和顶层舱室的高置部分重量最轻,低置部分的重量理论上也可以比蒸弹更轻,即使系统总重不比蒸弹轻,也能有效降低全舰重心;
8-弹射时间间隔短,储能器电能充足时舰载机就位后无需等待即可弹射,就位时间最短可压缩至25-30秒,储能器储能不足时弹射间隔则取决于电力系统供电能力,福特级电磁弹射间隔时间宣传不超过40秒。
电弹缺陷:
1-冷却困难,需要复杂的冷却散热系统;
2-难以和蒸弹一样使用水刹减速,需要采用电刹,不利于缩短刹车减速行程。
3-峰值耗电量极高,必须在超高功率高敏捷性发电机(目前仅燃气涡轮发电机胜任)和超高功率储能换能装置之间选择一项安装:
——福特级单条电磁弹射器峰值功率122兆瓦~130兆瓦以上,女王级的MT-30燃气涡轮发电机稳定运行功率36、峰值40、4台MT-30稳定运行功率也不过144兆瓦。即使各条弹射器无需同时弹射-无需同时达到峰值功率,同时以储能换能装置作为补充,主要依靠燃气涡轮发电机供能的电弹至少需要3台MT-30级别的大型燃机,或是6~8台弱于MT-30的小型燃气轮机。
加装燃气涡轮发电机不适合设在底舱、燃气轮机高置需要占用机库两侧外飘结构空间、燃机易排放高温废气强化母舰红外特征、如果要求控制母舰红外特征,还需要加装余热锅炉吸收燃气轮机废热;
4-超高功率储能转换装置中飞轮有爆炸风险,检修前需要等待飞轮停止旋转,检修耗时漫长、不会爆炸的超级电容寿命有限,只适合作为飞轮的补充用于调节电压。
5-电弹无需锅炉或反应堆、但很需要燃气轮机、较为依赖昂贵且占空间的轻质燃料,较为依赖综合电力系统——但没有综电系统的航母只要发电量充足同样可以装备电弹。
痼疾难医的交流供电电弹和武德充沛的全直流电弹
交流供电和直流供电:
交流电网需要大量逆变器用于变电,即调节电压、频率和相位,并网麻烦且失败后易崩溃,只能向电机提供恒流电,难以更改弹射重量,反应速度慢不适合现发现用,弹射器供能更依赖储能装置;
直流电网只需调节电压,可向电机提供不同电流,不用担心并网崩溃问题,变电设备占用舰体空间和重量更少。
交流直线电机和直流直线电机:
交流直线电机使用功率和电压逐渐升高的恒流交流电,输出电流不会随负载升高而降低,交流电阻抗比直流电更强,电网和电机能承受的电压和电流更弱,承受电压和电流上限不足会导致加速度达到顶点后缓慢递减,加速度曲线后半段不是直线,而是高度接近直线的下斜线,系统散热压力更大,交感电流还会形成强大的电磁干扰。
直流直线电机使用的直流电电流会随负载而改变,但需要配备更强的变压控制装置才能避免出现输出电流随负载升高而降低,导致舰载机前轮提前脱离牵引器的情况,研发难度高,阻抗较弱,能承受更高电压,加速度曲线后半段可以是直线,也可以是上斜线或者上升曲线,完全成熟的直流直线电机电弹甚至能够轻松模拟交流直线电机电弹、蒸弹、航空发动机的加速度曲线,系统散热压力较低,无电磁干扰。
4类电磁弹射:
交流供电-直线电机交流用电电弹
交流供电电压最稳定,供电过程中能量损失较为严重,供电系统并网过程易崩溃,变压极度困难迟缓,不能轻易改变弹射重量、现实中福特级为了避免并网崩溃,连续数十架次都只能弹射同样重量的飞机,交流电机调速性差,加速稳定而不灵活,加速度曲线平衡缓滑。
弹射过程中可小幅改变电压,交感电流容易在舰体内部和飞行甲板上形成电磁干扰,需要厚重的屏蔽层、交流电电阻高,发热量巨大,无论电网还是弹射器都无法承受太强电压,需要强化散热制冷。
有可能凭借低可靠性、高故障率“优势”,锤炼出一批技术精湛的维修人员。
交流供电-直线电机直流用电电弹
交流供电变压依然困难,系统并网依然易崩溃,依然无法快速更改弹射重量,难以交替弹射不同载荷的飞机,弹射过程中可大幅改变电机电压。
轨道没有交感电流,飞行甲板受电磁干扰不严重,直流直线电机电阻低、发热量小、散热制冷压力低/强化散热制冷系统后可承受更强电压,达到更高加速度。
直流供电-直线电机交流用电电弹
变压相对容易,能做到每一次弹射的飞机重量都有明显差别,弹射过程中可小幅改变电压,需要厚重的飞行甲板屏蔽层、需要强化散热制冷。
直流供电-直线电机直流用电电弹
加速不稳定但灵活,对控制系统要求最高,直流直线电机电阻低、发热量小、散热制冷压力低/强化散热制冷系统后可承受更强电压,达到更高加速度、对舰载机加力推力和甲板风速依赖度很低。
变压最为轻松迅捷,无需厚重屏蔽层,理论上能够在弹射过程中灵活平顺大幅改变电压从而大幅改变弹射加速度,可以达到最接近飞行员人体潜能极限的峰值功率和平均加速度,最能展现飞行员的身体素质,可谓武德充沛,是近未来航母电磁弹射器的最强形式。
弹射器直流供电技术难于交流供电,直流直线电机又难于交流直线电机,电磁弹射依赖综合电力系统,但交流/直流供电交流/直线电机两者,与交流/直流综合电力系统并不存在对应捆绑关系:
交流综电系统能够发出直流电为直流直线电机供电;
直流直线电机尚未实用化前提下,直流综电系统也能发出直流电再转化为交流电为交流直线电机供电;
假设纯粹为给使用者找麻烦而设计,直流综电系统也能发出交流电再转化为直流电对直流直线电机供电。
魅联在90年代论证的是全交流电弹-也就是交流供电-直线电机交流用电,福特号“宣称服役”时的电弹系统可以确认是交流供电、大概率也用过交流直线电机、但无法确认当前的福特号和福特级后续舰是否已经改用直流供电或直流直线电机。
装备直流综电系统的18舰大概率采用直流供电、安装直流用电的直线电机,达到了近未来电磁弹射系统的最高级形态。
燃弹-彪悍柔和
多燃烧室燃汽混合弹射器↑
消耗舰载机航空煤油和从环境中制取的液氧、盐水,在固定在飞行甲板下的火箭发动机燃烧室中燃烧,喷射高温高压燃汽在汽缸内加速弹射器滑块。
闭环系统-精确控制-均衡加速,精确调节各独立燃烧室的燃料和氧化剂流量,根据需要增加或减少处于工作状态的燃烧室数量,可灵活调节加速度曲线、适应不同型号载荷的舰载机;
燃弹优势:
可维护性强于蒸弹;
加速度曲线甚至比交流电弹更平滑柔和,综合性能堪比全直流电弹,近未来内弹射性能随轨道长度增长,对甲板风速和舰载机加力推力要求最低;
对开缝汽缸承压强度和加工精度要求低于蒸弹;
能量转换次数最少、耗损低、极限弹射离舰重量/速度更大,现有技术下弹射能量可达200兆焦、超过蒸弹的95和交流电弹的122,能弹射最重的舰载机;
结构简单,没有电磁弹射的庞大储能装置、无需电弹的强冷却系统;
没有电弹的飞轮爆炸风险;
使用燃汽弹射和蒸弹一样完全不需要综合电力系统。
总体积重量和飞行甲板部分体积重量均为最小;
几乎不消耗淡水 每次冷却和弹射只消耗200余升海水,不会和舰船争抢大量燃料和淡水,有利于提升舰队续航力;
燃汽弹射对汽压要求低,适合蒸汽压力低的核动力航母,因此首艘核动力航母进取号最初下水时装备燃弹,但之后麦克纳马拉取消了原计划建造6艘的进取级航母,为统一弹射器后勤维护又将进取号的C-14型燃弹拆除换为C-13型蒸弹。
燃弹缺陷:
战损后依然难以抢修;燃汽只能充分消耗难以回收利用;
飞行甲板废热残留量大,易影响附近热机位;只能和飞机争燃料,依赖最昂贵的航空煤油,限制持续放飞能力;
7.弹射器选型
燃弹未来上限低于全直流电弹,但当代燃弹综合性能大幅优于蒸弹,小幅优于交流供电电弹和交流用电电弹,和最强形态的全直流电弹互有长短,但在旧进取号之后却从未有任何现代航母安装过燃弹或推出过使用燃弹的航母计划,因为军事装备选型通常不是看各科总分,而是看主科是否全部及格,不像投票选举制,更像是一票否决制——不论一型装备综合性能如何优秀,必须合格的性能没合格就会被淘汰,不论一型装备任务各项能力如何平庸,必须执行的任务都能胜任就会被选中。
燃弹彪悍而柔和,可惜却并非对任何海军都合适。
电弹更适合需要对抗蓝水强权、主要作战区域靠近陆地补给站、对抗战损性-冗余度要求最高的海防/近战航母、燃弹更适合拥有蓝水强权,作战过程需要远离陆地持续高速航行的侵袭/远攻航母。
冷战后期的魅联海军重视发展燃汽弹射,苏联海军则更重视电磁弹射。
冷战后魅联海军迷上了贴近陆地输出支援,于是放弃在90年代已高度成熟、但未来上限较低的燃汽弹射,选择在福特级上装备前途更远大,但并不成熟的电磁弹射,但福特级下水之后,魅联海军却又开始重视远攻,考虑到魅联的蒸弹生产组织已经解体,燃汽弹射器未尝不可能用于尼米兹级的改装。
太平洋西岸古国则和北冰洋第一大国一样,从未投入资源研究燃弹,专注研发的都是不会消耗航空煤油的蒸汽弹射和电磁弹射——即使蒸弹理论研制难度高于燃弹且更落后。
毛熊和猫熊都对燃弹兴趣缺缺。
弹射器长度和蒸改电释疑:
电弹是否短于最大弹射重量和末速度相同的蒸弹,不仅仅和弹射行程有关,还和弹射滑块重量、滑块在弹射行程末端的速度、滑块刹车阻力、电刹/油刹减速性能有关。
同时电弹虽为一寸长一寸强,但依然存在“有限长度内达成最强性能”“有限能量达成最强性能/最大长度”的要求,实际装备的电弹长度依然会收到母舰飞行甲板尺寸和动力系统输出功率的限制。
对于大型舰船建造能力较强的设计国,弹射器属性对航母设计的影响大于航母尺寸和动力,故电弹和蒸弹的性能对比过程不会对长度提出固定要求,只会依据两种弹射器在航母建造能力允许范围内的理论最强技术水平来进行弹射性能对比试验,通过试验结果构建能让两种弹射器完全发挥自身最强性能的航母方案,如果两种航母构造形态差别不大,则可将其整合为能更换弹射器类型(类似装过燃弹后又换回蒸弹的CVAN-65进取号)的同一舰型开始深入设计和建造,建造后期再选择最终装舰的弹射器类型,如果蒸电两种航母方案差别较大,则选择性能更优的方案进行建造。因此蒸弹航母改为电弹航母后就一定会延长弹射轨道的说法并不成立。
电磁弹射器理论上可以实现断续加速——意思是:即使电磁弹射轨道中段部分模块故障或战损,剩余部分依然可以弹射重量较轻的舰载机,这是蒸弹和燃弹无法实现的。因此在掌握了断续加速技术前提下,电磁弹射长长益善。
即使正常状态下最大弹射离舰速度和离舰重量均相同,长加速段电弹由于损管区数量更多,冗余度更大,在局部故障/战损等非正常情况下的弹射能力依然会优于短加速段电弹。
18舰蒸改电大概率不存在,但17舰由弹射改滑跃很可能存在:
8.不同起飞方式对母舰设计的影响:
电弹和燃弹一寸长一寸强、对甲板风速依赖度低、系统重量更轻、有利于改善舰体稳定性的特性,允许航母通过适度牺牲航速、使用更沉重、尺寸更大飞行甲板来布置更长的弹射轨道,获得更长的加速距离、更厚的飞行甲板装甲、更大的载机量。
电弹无需全长弹射的优势,可以允许非全长弹射,即让舰载机前移起飞点从弹射轨道中段起飞,有利于让大翼展舰载机避开复飞区、有利于极致延长起飞通道。
燃弹航母需要设置比同体量电弹/蒸弹航母更大的航空煤油槽,允许选择缩减舰用燃料槽容积或配置油耗更高的护卫舰艇。
电弹航母的舰用燃料槽容积可以介于同体量燃弹航母和蒸弹航母之间,允许选择使用比蒸弹航母更小的航空燃料槽容积来强化损管、或选择不缩减航空燃油槽,提升甲板和机库载机总量/飞行员数量/出动强度。
——电弹更适合弹射少量多次小机群,蒸弹更适合放飞多量少次大机群。燃弹的能量利用率则与机群规模大小无关。
补充:弹射器凹槽形状仅和排水要求直接相关,但与弹射器类型仅为间接相关,通常电弹更加畏水,需要安装在排水性能更强的倒梯型槽上方,而本身作为“水容器”的蒸弹则允许安装在排水性能较差的矩形凹槽上方。
但蒸弹照样可以使用倒梯形排水槽抵御气象干涉技术或自然环境造成的暴雨/上浪,只不过人类现有蒸弹航母设计时均无极端强化排水的需求。
假设某架空国蒸弹航母要求在长期特大暴雨/飞行甲板严重上浪环境中持续作战,那么其蒸弹同样有可能用上倒梯形排水槽。
反之,假设某国航母电弹具备科幻级防水性能,即使长期泡在海水里依然能够高效率无故障运行,那么其电弹也可以使用矩形凹槽。
电磁弹射需要充足的电力供应,因此较为依赖综电系统,但并非必须依靠综电系统,综电系统的作用仅仅是保证将全舰大部分电力及时高效分配给电磁弹射系统,仅此而已。
综电系统只能解决电能分配问题,但无法解决母舰自身电力不足的问题,母舰自身电力供应充足则无需综电系统即可支持电磁弹射:
一艘航母上装备的弹射器型号未必需要统一,CVA-58合众国号装备两条弹射能力45吨级的H-9液压弹射器,由于弹射动能过大无法弹射战斗机,又另外配备了20吨级的战斗机液压弹射器;
CV-67旧肯尼迪号和CV-66美洲号同时装备了C-13和C-13-1弹射器;部分尼米兹级则同时装备C-13-1和C-13-2弹射器,这几种弹射器同属C-13系列,但对蒸汽参数要求截然不同。
哪怕一艘航母同时装备蒸燃电三种弹射器,就技术角度而言也依然可行。
滑跑起飞和滑跃起飞的舰载机不需要消耗时间用于固定牵引飞梭,也无需等待弹射器完成蓄能,有助于提升单位时间最大放飞数量,因此待放飞舰载机数量接近时,滑跃起飞的现代航母对起飞通道数量要求可以低于弹射起飞航母。
例如山舰体量与珊舰接近且常备热机区容量更大,但珊舰配备两条不干扰降落复飞的弹射起飞通道,而山舰仅配备一条不干扰降落复飞的滑跃起飞通道。
体量更大的乌舰4条起飞通道中仅有一滑一弹两条起飞通道能避免就位待起飞作业干扰降落复飞,体量与乌舰接近,同样配备4条起飞通道的福莱斯特级则设有三条不必干扰降落复飞即可让舰载机进入起飞位的弹射起飞通道。
2、起飞、复飞与着舰对舰载机结构重量的影响
弹/拦-滑-撞从易到难:
大部分现代航母的舰载机,着舰时承受的最大撞击载荷强于大角度滑跃起飞所受的最大弯折应力、着舰撞击和大角度滑跃起飞时结构都会承受巨大的垂直方向弯折力,对于结构强度要求高于拦阻过程和弹射过程承受的前后方向力。
拦阻和弹射都属于前后方向受力,拦阻减速度峰值和弹射加速度峰值差距过大会造成结构重量浪费。
对于大部分已经下水的现代蒸汽弹射起飞液压拦阻降落航母,液压拦阻减速度峰值接近蒸汽弹射加速度峰值。
着舰撞击过程机体既承受垂直方向加速度也承受前后方向加速度。所以加强滑跃适应性可同时让撞击适应性受益,加强撞击适应性附带能让弹射拦阻适应性受益。
复飞时的加速模式:
舰载机以最大限制速度和限制重量着舰时,需要让发动机处于军用推力即非加力最大推力状态,拦阻失败后复飞才能最快速度进入最大加力推力状态。
小涵道比发动机的“最大加力推力/军用推力”值低于大涵道比发动机,因此舰载机其它属性和最大加力推力相同时,小涵道比舰载机着舰撞击和钩索瞬间速度理论会更快,机体结构需要承受更高的拦阻加速度峰值——以必须用最大加力推力复飞、且最大加力推力给定的设计要求作为前提:削弱军用推力为代价增加发动机涵道比的方案,比增加军用推力削弱最大加力推力的方案更有利于降低舰载机的结构重量。
涵道比差异其实也是苏33结构重量超过汤姆猫的原因之一。
汤姆猫曾经计划中的陆基型空重甚至超过舰载型。
不同类型舰载机增重:
舰载机为适应弹射起飞进行的强化集中在机首部分,主要是起落架及附近的机体结构,造成的结构增重最低,最大起飞重量在40吨以下的舰载机只为适应蒸汽弹射所需增重很难超过300kg,只考虑适应电磁弹射时甚至可以将弹射强化增重控制在150kg内。
适应拦阻的结构强化增重则和适应弹射的结构强化增重接近,大涵道比战斗机的拦阻强化增重更可能略小于弹射强化增重,小涵道比战斗机则更可能略大于弹射强化增重。
适应大角度滑跃的结构强化增重又略大于适应蒸汽弹射的结构强化增重、远大于适应电磁弹射的结构强化增重,对于干空重18-18吨的旧标三代/新标四代舰载非隐身战斗机,滑跃适应性增重很难低于500kg。
甚至存在空重11吨级的舰载机为适应滑跃增重超过1吨的极端案例:麦道从YF-17后期阶段就开始主导研发,诺斯罗普挂名设计的F-18舰载型,F-18设计时间刚好紧接大阴陆地滑跃试验结束时间,陆地滑跃起飞和航母滑跃概念风头正盛,诺斯罗普没有舰载机设计经验,麦道公司不清楚魅联及其北约盟友未来会装备多少陆基滑跃设施或滑跃航母,更不知道各国航母会选择多大滑跃角度,大概率是按起飞能力最强、对结构强度要求最高的20度滑跃角来进行滑跃适应性设计。
经典虫实际是一种主承力结构过度补强的舰载机。
如果不考虑大角度滑跃,虫子空重减到9.5吨对于弹射起飞依然是过度补强,同期诺斯罗普主导研发的F-18L陆基型,形状尺寸设备和舰载型相同,空重才8吨上下,大概率低于8吨,也就是舰载型比陆基型多出近3吨结构重量,这个增幅甚至远超苏33相对苏27的空重增幅。
由滑跃型改为兼容弹射的型号,保证寿命前提下增重会小于由弹射型改为兼容滑跃的型号。
假设舰擅武隐身舰载机不兼顾大角度滑跃和蒸弹,只考虑电弹,基本可排除空重超过14吨的可能,若兼顾蒸弹和大角度滑跃,使用空重可能不易压缩到14吨以下。
适应着舰撞击造成的结构增重最大,对于干空重18~19吨级的旧标三代/新标四代舰载非隐身战机,撞击适应增重很难低于0.6吨,有可能超过1吨。
相对陆基型号增重最轻的舰载机,应该是电磁弹射起飞-垂直降落舰载机,垂直降落不需要撞击适应结构强化和拦阻适应结构强化,电磁弹射型结构增重可以控制在200kg内,F-35B理论上只需要更换起落架即可改出电磁弹射起飞型号,因为大阴是F-35B唯二的核心研发国,一开始构想的也是电磁弹射起飞-垂直降落型舰载机,现有F-35B空重14.7吨,其起落架以外的机首部分已经为电磁弹射强化过,若取消滑跃适应性强化,将电磁弹射-垂直降落的F-35B干空重控制在13吨以下并不困难。
增重最严重的舰载机,则是蒸汽弹射-滑跃接合起飞-拦阻降落舰载机,1143.7型乌里杨诺夫斯克号曾经计划在舰艏滑跃段之前安装蒸汽弹射器,使用弹射-滑跃接合起飞模式,然而苏霍伊、安东诺夫、雅克等各大航空设计局纷纷表示其舰载机机体结构在弹滑接合起飞模式下难以兼顾低空重和高强度,除非减小舰艏滑跃角度,
但为保证舰载机高海况远点滑跃起飞重量,舰艏滑跃甲板角度不可缩小,最终乌舰只能选择在左舷安装两台使用平板弹射起飞模式的弹射器。
3、弹射梭、拦阻索滑轮与起飞复飞通道规划
弹射牵引器凸起对复飞/起飞的威胁:
弹射牵引器/弹射飞梭/弹射滑靴的作用是将舰载机前轮固定在弹射轨道上,从后方推动舰载机前轮加速,飞梭连接弹射轨道下方庞大的弹射滑车,所有现役航母弹射梭飞行甲板凸起部分既不能收入弹射器盖板、也不能降低高度或快速拆装。
如果弹射梭凸起部分位于降落复飞通道、滑跃起飞通道内,就存在机轮撞击弹射梭的可能,威胁舰载机的起降复飞安全。
解决弹射梭安全问题有如下方案:
1.尽可能让弹射梭能够停在舰载机起降时的机轮碾压区域之外,也就是弹射轨道上必须存在远离降落复飞跑道中线和滑跃起飞中线的点——这会让斜角夹角和跑道中线位置迁就弹射梭,不利于极致优化降落复飞能力,还会导致两个左舷弹射起飞位过于靠近,互相干扰,影响两个起飞位上舰载机的就位和放飞效率。
2.为了降低着舰难度、极致提升复飞安全性,干脆直接取消左舷内侧弹射器——这是已经被福建舰采用的解决方案。
3.还有人提出把弹射梭做成贴合滑跃甲板的形状,直接收入滑跃甲板内——这会导致轨道末端埋在滑跃甲板下,增加弹射轨道维护难度。
4.或者让整个弹射轨道末端能够下沉或向下弯折,这样弹射梭就能收入弹射器盖板内——这需要占用更多重量和空间。
5.把弹射轨道做成曲线——技术难度太高。
6.最粗暴的方式是使用快拆弹射梭——这会带来结构强度问题。
如果某国航母极端重视高海况回收能力,那么弹射梭凸起部分位于跑道内部的弹射器就会被取消:
可以想见,在飞梭收纳问题解决之前,第四条弹射器在华式超航上是永远不会出现的,魅联计划用于接替福特级的CVN-8X和CVN-LX也计划改用3弹布局。
俄联邦暴风雨航母方案的部分电磁弹射轨道和滑跃起飞线重合,尚不清楚其采用以上何种方式解决飞梭威胁舰载机前轮问题——如果是第6种,那么这些与飞梭重合的起飞线很可能只在弹射器故障/战损后发挥作用。
拦阻索滑轮凸起对起飞的威胁
滑轮位于拦阻区两侧,非电磁拦阻系统的滑轮通常只能平行于跑道等距对称布置,凸起面积比弹射梭更大,且基本不存在降至与甲板相同高度的可能。
相当于起飞路障,规划滑跃/滑跑起飞通道时,需要避免舰载机机轮碾压轨迹接触滑轮,最简单省事的办法就是让起飞线避开滑轮连线。
4、起飞通道长度受制于降落复飞能力:
1.重载着舰复飞
复飞区跑道长度与舰机适配性有关-复飞跑道更长的航母才能配备更重型舰载机,更重型的舰载机需要更长复飞区跑道来保证载荷带回复飞能力。
陆基战术飞机的最大起飞重量接近最大着陆重量,通常能带多重挂载起飞,就能带多重挂载着陆。
但舰载机要考虑阻拦失败后在不到200米的复飞区甲板上凭借自身动力重新起飞,(斜角甲板中线长不低于250米的福舰复飞区跑道中线长度也不超160米,斜角跑道中线长度略短仅240米的福特级,复飞区跑道中线长度不超过150米)
还要考虑机体结构是否能承受各等级海况中母舰横摇和纵摇增加的着舰撞击载荷、以及不同离舰速度和载荷导致的离舰下坠距离差异、不同离舰下坠距离的海浪打击风险,因此舰载机在各海况等级下的最大着舰复飞重量都远低于该海况等级下的最大起飞重量。
如果载荷超过最大复飞/着舰载荷,那就需要抛弃超出最大复飞/着舰载荷那一部分的载荷才能安全着舰,如果可以抛弃燃油,那就需要放油,如果只能抛弃弹药,那也只能把弹药扔到海里。
现代航母弹药库中的精确制导武器占比远高于不死鸟时代,成本高昂的现代精确制导武器不可以随意抛弃,因此舰载机必须尽可能避免携带无法带回的精确制导武器升空,这就限制了最大起飞重量。
又因为舰载机在不同海况等级下的复飞能力不同,因此提升舰机起飞性能必须同步提升舰机复飞性能,只提升起飞性能意义不大。
如果一艘航母配套的舰载机复飞性能大幅改善,同时弹射器性能却进步迟缓,那么航母设计师大概率会在弹射器末端接上一段小角度滑跃甲板或者滑跃跳台,通过采用弹射接合滑跃的起飞模式可以改变离舰状态、增加最大起飞重量,从而配合最大复飞重量的提升。
想增加舰载机载弹量,如何改善复飞性能,是比如何提升弹射器性能更基础的问题。
2.提升复飞性能可用措施
由于复飞无法依靠弹射器,因此近未来历史时期内要提升航母复飞性能都只能从增加甲板风速、改变舰载机离舰状态(离舰高度、速度、加速度矢量、迎角)等方面着手。
改变离舰状态可以通过舰载机自带的矢量喷口,但在航母设计领域范围内,改变舰载机离舰状态的主要手段就是滑跃复飞和延长复飞区。
滑跃复飞能赋予舰载机更高离舰高度、向上的离舰加速度矢量、更大的离舰迎(风)角:
复飞作业高度依赖甲板风,考虑到抬起的滑跃甲板后会形成低气压缓流区,固定式滑跃复飞装置需要采用高度更低的小角度设计,保证甲板空气流速;可调节离舰高度和滑跃角度的活动式滑跃跳板是更理想的滑跃复飞装置。
复飞其实比起飞更需要滑跃装置的辅助,但大多数弹射型航母复飞区末端通常被用于紧急起飞的左舷弹射轨道所占据,缺乏设置暴风雨式滑跃复飞甲板的空间,甚至也很难设置类似CVNX ECBL方案装备的活动式滑跃跳板的空间。
解决这一问题需要修改左舷紧急起飞弹射器的位置/缩短弹射器长度、或者延长斜角甲板末端让固定式滑跃甲板/活动式滑跃跳板避开弹射通道:
延长复飞区即延长复飞加速距离,复飞通道越长复飞作业越轻松安全。
长复飞区现实榜样则是003型和戴高乐号,戴高乐的复飞区长度超过满排更重的埃塞克斯级,003的复飞区长度也超过了满排大上1.5万吨的尼米兹级。
女王级斜角方案跑道同样不短:
苏联航母由于计划装备特大翼展预警机,故斜角跑道在宽度上消耗重量较大,同时战场机动性要求苏航必须控制艏部浮力占比,导致跑道长度与水线长度比值相对魅联航母差距不大。
魅联航母则是跑道长度与水线长度比的反面教材。
只能评价联邦超航虽然战力规模冠绝蓝星,但设计水平却是五常垫底,甚至赶不上源于魅航的髪航。
髪航独苗戴高乐号采用短甲板长跑道的科学设计,符合未来航母追求弹药带回能力的发展趋势。
改变风速则可采用气流引导和吸气吹风两种手段:
气流引导手段——通过设置固定乃至活动式整流设施引导甲板风,对其进行加速:
俄联邦的koktebel三舰体超级航母方案,最接近舰艏的两个舰岛采用镜像对称设计,镜像双岛舰艏方向狭窄、舰艉方向宽大,双岛之间的通道向舰艉方向逐渐变窄,能够压缩迎面来流,提高甲板气压和风速——镜岛整流设计只适合轴线贯通跑道航母。
滑跃航母舰艏起飞通道平面部分两侧的弧线舷台同样是一种气流引导设施:
和两舷都设置主整备区的koktebel轴线贯通跑道航母不同,主整备区在右舷的斜角甲板航母则更适合吸气喷流吹风:
吸气喷流吹风原理和喷气发动机类似,可采用专业的甲板吸气吹风特种车辆,安装特制的喷气式发动机,在保证喷流温度和含氧量符合复飞要求的前提下,吸收低速空气、排放高压高速喷流,来提高降落复飞通道内部的局部甲板风速和气压
——高风速带来高风阻—飞机升力源于阻力—风阻提升后舰载机所受升力也会提升——着舰撞击瞬间升力提升可降低舰载机所承受着舰撞击冲量——机体结构强度要求降低、最大带回重量上升;
海况越恶劣,升沉摇摆导致甲板垂直移动影响着舰撞击精度的现象越严重,需要采用更大的着舰下滑角保证撞击精度,但大下滑角会增大撞击载荷,飞行甲板高压喷流有助于平衡“降低着舰冲量”与“提高着舰精度”二者间的矛盾,提升海况适应性。
风速提升会增加燃气轮机进气量——进而提升舰载机引擎推力——增加推力即为增加加速度——更高加速度带来更快离舰速度——舰载机复飞离舰速度与复飞安全性呈正比。
吸气可以小幅提升进气口前方的甲板局部风速、而喷气则能够大幅提升排气口后方的甲板局部风速。
若主力舰载机发动机喷流温度、含氧量、速度均符合复飞要求,直接用舰载机引擎吹风对复飞舰载机进行提速是最佳方案。
喷流吹风设计要求尽可能避免喷流影响停机整备区、同时还要求尽可能增加喷流覆盖的跑道长度和面积,喷管越靠近跑道中线越易于兼顾以上两条则喷流吹风效果越强——无论是否依赖矢量喷管。
魅狄CVNX项目 ECBL方案的2号起飞位舰载机喷流影响区域(蓝色曲线内部)完全避开常备热机区:
然而适合喷流吹风的0.7以上涵道比双中推舰载机和ECBL因为物美价昂都被国会老爷否了,CVNX项目最终选择了现在这个凑合设计的福特级。
003型基本相当于小型化的简配ECBL,福建舰2号起飞位舰载机喷流影响区域基本避开常用停机区:
由于斜角夹角比003更大、满排13万吨的ECBL即使得以实现,喷流吹风提速效果也不会比满排低于9万吨的003好太多。
依据下图中跑道中线长度相等时ECBL和福舰喷流对比,福舰弹射器延长线与跑道夹角更加优化,起飞位更靠前且离跑道更近,故能用更细的喷流实现更高的跑道覆盖率:
吸气喷流吹风要求起飞位靠近跑道中线、要求弹射器与跑道中线呈现适当的夹角,对弹射器斜角度数、跑道斜角度数要求较为苛刻,既不适应大斜角跑道,也难以适应超小斜角跑道和贯通跑道,因为无论斜角和斜角夹角过大还是过小,都会削弱吸气喷流吹风效率、吹风车辆和舰载机安全性,乃至让喷流威胁整备区。
还有一个改变空速的办法是缩小斜角夹角、并且让跑道中线更接近舰体中轴线:
斜角夹角越小,复飞过程受侧风影响越小,舰载机空速越快;
跑道中线越接近舰体中轴线,则着舰速度上限越大、滑跑稳定性越强、复飞加速距离越长——最好是斜角等于0度,跑道中线和舰体中轴线完全重合,笔直贯通整个飞行甲板,也就是轴线直通跑道设计。
类似上图福莱斯特原案的轴线直通跑道对舰体横稳性要求更低,因此允许采用长细比更大的舰体线型以改善纵稳性并进一步延长跑道复飞区。
滑跃复飞更适合与轴线直通跑道搭配,因为直通滑跃甲板形成的乱流弱于斜角滑跃复飞甲板。
无论滑跃复飞、导流提速、吸气喷流提速、改斜归直,都只适合那些对高海况复飞性能或者重载复飞性能存在极高要求的航母,因此在福建舰之前长期未有采用上述设计的航母服役。
福舰采用吸气喷流流提速但并未采用弹滑接合和滑跃复飞是考虑到固定式滑跃设施对甲板风的影响,和现有技术下舰体缺少容纳ECBL式活动滑跃跳板动作机构配重和空间的现实。
5、起飞通道位置和数量决定因素:
1.复飞区、甲板弹梯、热机区、机梯、弹射控制室五者夹缝中的舰艏起飞通道
避免起飞通道占用热机区,有利于提高出动效率。
避免起飞通道占用复飞区,有利于同时刻起降。
飞行甲板够宽的航母,才能兼顾以上两条。
飞行甲板狭小的航母只能取其一。
弹射起飞时弹射控制室必须升起,故弹射起飞通道的舰载机机轮碾压轨迹不能设在弹射控制室上方,机翼及翼下挂载活动轨迹也必须高于弹射控制室。
戴高乐号的弹射控制室为简单的方盒设计:
近距离视角:
弹射控制室的雏形可追溯至拦阻索先驱贝亚恩号的升降式舰岛-但其作用并非用于控制起飞,而是用于指引降落:
起飞通道之间的甲板弹梯,可以和两条起飞通道距离相等,两条起飞通道放飞小翼展舰载机时都不影响弹梯运行,放飞大翼展舰载机时都可能影响弹梯运行。
小鹰级和尼米兹级弹梯与左右弹射器等距布置↑↓
甲板弹梯更靠近“其中一条”,则其中另一条放飞大翼展舰载机时不影响弹梯运行,代价是“其中一条”放飞小翼展舰载机时弹梯无法远行。
对于甲板宽度有限的航母,舰艏左侧起飞通道可能需要在避免影响复飞、和避免影响弹梯运行之间做出选择。
甲板宽度有限的航母,还可能需要在避免起飞通道影响复飞、和避免机梯破坏起飞就位通道完整性之间做出选择。
2.起飞方向和起飞通道位置的优劣
起飞方向与母舰巡航航向完全平行,有助于减少机身侧面迎风带来的空速损失,如果仅考虑提升起飞重量和高海况起飞安全性,那么平行于舰体中轴线布置弹射滑轨即为最佳选择;
但将部分起飞通道斜角布置可能获得诸如改善甲板流场、削弱或强化舰载机尾流影响、优化甲板调度、增加起飞通道数量提升甲板利用率、延长起飞通道、改善降落复飞安全性、避免离舰事故中落水的舰载机遭到母舰舰艏撞击等优势。
当然弹射器斜置也有坏处:若弹射器向左前方倾斜,则舰体左倾时加速动线-舰载机弹射离舰动线可能指向水面。
起飞位尽可能靠近横摇中轴线或纵摇中轴线,有利于舰载机快速平稳精确就位,起飞/复飞离舰点远离舰艏、靠近纵摇中线则可减轻纵摇/埋艏/艏倾对离舰高度的影响、避免起飞通道末端上浪——不易上浪的左舷弹射器:
左舷弹射起飞通道离舰点位于飞行甲板中段,离舰路径远离容易上浪和埋艏的舰首飞行甲板,海况适应性强于舰艏弹射起飞通道——这是1143.7型两条弹射器均位于左舷的原因之一。
暴风雨航母方案的斜角滑跃甲板设计也存在提防末端上浪的因素。
在福特级与之前所有魅联超航上,左舷外侧弹射起飞通道也都是加速距离最长的弹射起飞通道,舰载机脱离左舷外侧弹射器后还能在甲板上滑跑一段距离,高海况重载起飞能力强于舰艏和左舷内侧弹射起飞通道。
与弹射器指向类似小鹰级的福建不同,福特级和尼米兹级不存在斜指右舷的弹射通道,在舰体左倾时无法保证弹射安全性:
尼米兹级左倾实拍:
中途岛级中途岛号和CVF近平行斜角弹射方案主要作为攻击型航母使用,对高海况作业要求不高,故不设左舷弹射器,同属中途岛级的珊瑚海号作为多用途航母则安装一条左舷弹射器。
下为优化了高海况起降性能的CVF斜角滑跃方案:
瓦兰巨蜥级两栖攻击通用航空舰同样只设两条舰艏弹射器:
起飞通道间距主要和舰载机翼展及航空作业要求有关:
设计阶段定位为攻击型航母的福莱斯特级存在短时间内放飞4架宽间距双发大翼展攻击机(空中勇士A-3)的需要,起飞位间距宽于后续魅联超级航母:
舰艏起飞位间距对比:
大福舰的舰艏起飞位间距介于福莱斯特级和福特级之间,理论上可以在短时间内放飞三架最大翼展介于A-3和F-14之间的舰载机。
3.航母任务和用途-持久防御和爆发攻击对起飞通道数量的不同要求
对于斜角甲板航母的全甲板攻击、起飞通道多多益善,增加起飞通道数量对于放飞作业也没有什么负面影响,但通常认为4条起飞通道是效费比最高的全甲板攻击设计。
对于斜角甲板航母的循环出击模式,也就是在使用降落复飞通道的同时保留尽可能多的可用起飞位的前提下,10万吨级超级航母也只能使用3个起飞位。计划接替福特级的“福特级飞行甲板简化方案”——CVN-8X只设置3条福特级同款电弹,但日均最大出动率相对福特级并未降低。
对于优先考虑本土海防需求的弹射起飞斜角甲板航母,因为背靠大量陆基战机支援,不需要强调大机群全甲板攻击,反而需要极致强化舰队防空的持续性,需要极致强调小机群循环出击能力,需要重视“起降作业同时段进行”时的安全性。
所以只需要考虑把常备停机区内的三条弹射器位置优化到极致即可,常备停机区外的第四条弹射器不仅没用,反而因为滑靴式弹射牵引飞梭作为凸起部件位于降落复飞通道内部,存在影响降落复飞安全,妨碍循环出击的隐患。非全甲板出动模式下,4号弹即使对于半甲板攻击也是相当多余的存在。
即使4号弹在不进行使用时拆除弹射牵引飞梭,整条轨道剩余部分依然需要占用维护工作量,对于不常使用全甲板攻击模式的航母而言弊大于利,且电磁弹射器分段损管、模块化组合替换、允许断续接力加速的特性导致电弹航母不再需要以整条弹射器作为战损备份。
两条左舷弹射器间距过近易遭致集中战损的问题会严重削弱第四条蒸弹的战损备份价值,但对于分段损管、分段报废的电弹则无需顾忌,新超航和未来超航左舷只设一条电弹的首因就是飞梭路障削弱回收效率问题。
电磁弹射滑轨冗余度原则:横众短难敌纵少长
4.临时起飞通道
承担舰队防空职能的航母需要增加临时起飞通道数量,在紧急情况下,可以不依赖弹射器和滑跃装置直接滑跑起飞轻载状态的战斗机,临时起飞通道和滑跃起飞同样需要起飞线的辅助,飞行甲板上的牵引梭过多同样不利于增加临时起飞通道数量。
暴风雨的临时起飞通道数量拓展潜力堪称空前:
上下图中天蓝色为临时起飞位,绿色为临时起飞通道中线,紫色为舰载机起飞过程机体移动空间,红色为喷流覆盖范围。
暴风雨9~10万满排方案紧急出动模式下飞行甲板可排列27架战机,一轮可放飞9架。
暴风雨11~12万满排方案紧急出动模式下飞行甲板可排列30架战机,一轮可放飞10架。
是应急出动效率最接近野战机场的现代航母。
5.左舷切角、地面效应与起飞复飞通道指向:
舰载机沿斜角跑道中线滑跑过程中右翼会长期处于迎甲板风面,导致右翼升力强于左翼产生左转倾向,舰载机滑跑过程需要主动克服左转倾向,但克服左转倾向的过程又可能导致离舰瞬间产生右转倾向,导致离舰轨迹向右偏移。
地面效应会影响离舰轨迹,斜角甲板复飞区末端切角,会导致复飞舰载机离舰时两翼地面效应不对称,让左翼地面效应先于右翼骤然削弱,也就是导致此时右翼升力强于左翼,赋予舰载机极强的左转倾向,避免左舷起飞复飞离舰轨迹和舰艏离舰轨迹交叉。
对于尼米兹和福特这类两条舰艏弹射器均指向左舷的航母,大切角设计是刚需,非如此则不能保证“弹射起降复飞作业同时刻进行”的安全性——当然即使使用了大切角,魅联航母也很少使用同时刻起降性能,同时刻起降这个功能是为了应急,必须保留,但尽可能避免使用,大部分情况下使用的是降落复飞时准备弹射,在每次降落复飞开始前或者结束后进行弹射的“弹射起降复飞作业同时段进行”
对于“koktebel”↗这样的三舰体贯通跑道航母,为避免舰载机复飞失败落水后被卷入主副舰体间空隙内,必须利用大切角不对称地面效应以尽可能让舰载机向舰体外侧坠落:
假设不考虑双机同时刻降落需求,科舰完全可以改用交叉式斜角跑道解决离舰转向问题同时拓展常备停机区面积:
上图右下方案采用舰艏交叉式滑跃起飞跑道设计↑
舰载机复飞过程中在甲板上加速行驶的距离就越远,离舰速度就越快,斜角甲板末端左右平齐、没有采用切角设计、或切角极小的航母,舰载机离舰时不需要提前拉起,整个复飞区甲板都能让后轮用来加速。
某些斜角甲板末端采用切角设计的航母,舰载机复飞离舰时需要提前拉起,后轮并不会碾过斜角甲板末端切角部分,这既是为了防止切角让左后轮先于右后轮离舰导致舰载机失去平衡,也是为了防止离舰瞬间出现纵摇让斜角甲板小角度指向下方海面,进而让复飞舰载机左转后的复飞动线和加速度矢量大角度指向海面的危险情况。
切角角度越大,越需要提前更远距离拉起,后轮不能驶过的甲板距离就越长,所以当中线长度确定时,切角越小越有助于缩短提前拉起距离从而提升复飞离舰速度,最好是彻底无切角。
为了减少上下图中尾钩的发火现象,延长着舰钩寿命,日常触舰复飞训练不会放下着舰钩。
但类似小鹰级和乌里杨诺夫斯克号的无切角设计的结构强度不如肯尼迪/尼米兹/福特的大切角设计,大切角设计能在控制结构增重,保证结构强度的同时极致增加跑道面积,最先使用大切角的肯尼迪号跑道末端相对小鹰实际是大幅延长了中线长度和右侧跑道长度。
人类最早建成的超级航母——福莱斯特号和萨拉托加号斜角跑道末端进行了切角设计,但福莱斯特号和萨拉托加号是直接在为轴线贯通跑道设计的舰体基础上改建而来的斜角跑道超航,两舰大水线长宽比-弱横稳性的设计不利于降低斜角着舰冲量-保证舰载机机体寿命、出勤率和着舰安全。
游骑兵和独立号作为第一批舰体彻底为斜角跑道优化设计的超航,改用了略短粗的强横稳舰体线型,水线长度从309米收缩到300~301米,艏机梯被迫后移,难以在兼顾横稳性的同时继续支持CV59福瑞斯塔号和CV60萨拉托加号的长跑道设计。
上下图为福莱斯特级-首舰福莱斯特号长度与福莱斯特级-游骑兵分级-独立号长度。
因此CV61和CV62为缩短跑道并拓宽跑道末端机梯面积而取消了切角,艏左舷机梯面积大于右舷机梯,好处是着舰后需立即入库的飞机无需大幅调整姿态,代价是牺牲跑道长度。
综上所述,切角角度不是越大越好、也不是越小越好,需要依据全舰外形、结构和配重整体权衡。
即使舰载机复飞过程不会驶过斜角甲板末端,但对斜角甲板末端切角部分进行延长可以强化拉起后的地面效应,故延长跑道末端依然有用。
如果舰艏起飞通道没有全部/没有指向左舷,同时中线长度确定,那么小切角或者无切角设计才是最优解。减小斜角夹角有助于兼顾延长中线、减小切角、保证结构强度和重量平衡。
福舰的舰艏左舷2号弹射器指向右舷、斜角夹角小于任何魅联航母、还巧妙利用细长的舰艏近防炮舷台取代了大倾角的结构连接作用,因此福舰的斜角甲板选择了小切角设计。
当然这并不意味着福特级的设计人员没想到发掘舷台的结构强化作用,而是由于福特级起源于合众国号的古旧船型无法提供足够的稳性用于支持小切角长跑道和细长舷台设计带来的配重平衡问题,反之采用了更先进船型的福舰则可用更轻的体量获得更强稳性以支持小切角长跑道重型舷台设计。
福特级左舷4号弹射器末端甲板宽度增加,就有强化左翼地面效应,避免左转力矩过于剧烈、提升离舰升力的作用:
斜置弹射器/起飞通道会导致舰载机受侧风影响,降低起飞空速——进而降低发动机进气速度—降低发动机推力——降低加速度——降低离舰速度——降低最大弹射重量。
单纯从保证最大弹射重量的角度,弹射器/起飞通道与舰体中轴线夹角越小越好,最好应该让所有起飞通道直指正前方,夹角角度为0——二战航母的飞行甲板弹射器都是这样布置,但冷战期间的斜角甲板航母却因为飞行甲板空间限制,不得不改用斜置弹射器的妥协设计。
6.舰尾飞行甲板切角与LSO站位。
舰尾飞行甲板内凹切角是为适应LSO着舰指挥站位的说法其实是对两者关系的误解,LSO其实无需置于飞行甲板边缘,LSO位置主要取决于甲板形状,而非甲板形状决定LSO位置。
女王级斜角方案的舰尾飞行甲板外形饱满,没有魅联航母风格的内凹切角,因为女王级的舰艉浮力更充沛,舰艉浮力占比介于福特级和女王级之间的18舰,舰尾飞行甲板饱满程度也介于两者之间。
从保证观测精度的角度考虑:
LSO站位越远离跑道中线越需要增加高度,LSO站位越远离舰尾、越靠近舰首则越需要降低高度。LSO靠近跑道撞击区的设计有助于控制站位高度并兼顾观测精度。
LSO站位设在斜角跑道撞击区左侧飞行甲板外是一种权衡设计,也是一种历史习惯,并非是唯一的选择,在不同航母上也未必是最佳选择,理论上航母斜角跑道右侧、跑道末端附近、舰岛上层等任何视野良好的位置都允许设置LSO站位。
LSO站位对着舰危险性不大的航母是一种非必需品:
女王级弹射型飞行甲板安全冗余空间较大、高海况拦阻着舰要求较低、不具备同时起降能力,同时第二舰岛一定程度上也能取代LSO,故飞行甲板不设LSO站位。
甲板安全冗余空间稀缺、高海况拦阻着舰要求较高的戴高乐号和PA-2航母(CVF弹射方案法国版)、及飞行甲板安全冗余空间较大,但高海况拦阻着舰要求极高、还要求同时刻起降的魅、苏/俄、华三大国现役航母则都设置了LSO站位。
山舰的LSO为舷侧开放式与封闭式兼备
上图中库舰LSO为封闭潜望式。
上图为戴高乐号的舷外开放式LSO,下图为PA-2方案的舷内LSO:
PA-2的内置LSO艏向↑和艉向↓视角
PA-2内置LSO左舷视角:
毫无LSO的女王级:
要求同时刻起降和高海况拦阻着舰同时甲板安全冗余空间奇大、舰体稳性强悍的俄联邦暴风雨航母方案则不设飞行甲板LSO站位。
上下图为暴风雨的飞行甲板和LSO分布情况-LSO?有必要吗?不存在的。
暴风KM要求同时刻起降、飞行甲板安全冗余空间巨大,但舰体稳性不佳且存在靠近跑道的起飞位,故设置LSO:
上图中米格29后方形似机枪碉堡的低矮物体即为潜望式LSO。
国内某军博超航模型的LSO:
6、起飞复飞通道与甲板流场:
1.作为增升提速与增阻减速手段的舰载机喷气引擎
舰载机尾流主要类型有:翼身涡流、喷流、滑流。翼身涡流指机翼和机身产生的不稳定强涡流,机翼产生的翼尖涡流被航空引擎吸入后会导致引擎喘振,现代舰载机都被已被优化为甲板停放状态不会产生强翼身涡流的外形。飞机喷流指航空引擎喷射出的高速气流,高速喷流后方的流场相当稳定,能提高流场中飞机的当地空速,气流通过飞机翼身时有利于增加升力。
喷流含氧量低于环境空气含氧量,喷流温度和喷流气压远高于环境温度和环境气压,航空引擎吸入喷流后,既可能因为高温缺氧气流而降低推力乃至喘振,也有可能因为高速高压气流而提升推力
——适合飞机引擎吸收的喷流是高速富氧低温喷流,现代战斗机在陆地机场跑道列队进行“大象漫步”密集起飞时,后机会吸收近前方战机引擎慢车状态及远前方战机加速滑跑状态的喷流,但由于三/四代战斗机多使用只能排放低温低速富氧喷流或高温高速贫氧喷流的小涵道比引擎,增升增推效果相当有限。
现代喷气战斗机的大象漫步式起飞已无法在航母甲板上进行,只能期待引擎技术进步让未来舰载机恢复这一甲板起飞方式。
使用大象漫步式热机时,航母全甲板攻击最大出动数量将不再取决于热机区承载上限,而是取决于回收区承载上限——回收区承载上限等于单次全甲板攻击出动数量理论上限,而除大福舰以外,人类所有已建成超航都容易出现热机区承载上限小于回收区承载上限的情况。
尽可能让更多高速气流流经舰载机翼身上表面,有利于获得更强升力——安72、A-10的高置引擎、战斗机前机高于后机的雁阵编队都遵循了这一原则。
活塞螺旋桨发动机、燃气涡轮发动机都属于吸气式发动机,吸气过程中同样会增加进气口附近的空气流速,消弭低速乱流,改变甲板流场。
喷流、滑流和吸流的流向会改变甲板风的速度矢量,位于起飞位上待起飞的舰载机,喷流/滑流/吸流流向取决于起飞线/弹射滑轨指向。
仅从提升舰载机着舰升力和复飞推力考虑,应当尽可能让起飞位上的舰载机喷流/滑流/吸流速度矢量与跑道接近平行且后延线略微指向跑道中线/降落复飞动线——也就是让起飞线/弹射轨道后延线以接近平行的小夹角指向复飞区/撞击区跑道中线。
但更多时候还要考虑吸流/喷流的高温、贫氧、高速属性对人员和发动机的威胁,以及侧前方风风速过快导致的偏航力矩因素,起飞通道设计如果极致优化风速提升效率,难免会削弱其它性能:
例如效仿CV43珊瑚海号,将左舷最外侧弹射通道适度内移让弹射动线适度斜指左前方,吸流流向与跑道中线的夹角会更接近0度,但斜指左前的弹射器放飞性能会弱于轨道直指向正前方的设计,且不利于让弹射牵引梭远离跑道中线。
弹射器/起飞线后延线未指向撞击拦阻区跑道中线时,也可以采用矢量喷管引擎调整喷流指向,但使用矢量喷管喷流不利于兼顾高速与低温富氧,也不利于舰载机机体固定和喷流区流场稳定,通过矢量喷管调整喷流方向的效率和安全性都不如让弹射器/起飞线后向延长线指向撞击拦阻区跑道中线的设计。
舰载机航空引擎同样能用于增阻减速:
现代航母相对二战航母存在拦阻索/网数量不足易集中报销的缺陷,因此未来航母可能需要具备风力拦阻能力作为战损备份。
风力拦阻模式下被拦阻舰载机不再采用携带大量备降燃料-高速着舰-拦阻失败加速复飞的降落模式,转而采用排空余油减重-低速着舰-着舰后立即关闭引擎并展开所有阻力面和能增加风阻的设备减速滑行,可能还需要使用反推发动机-最终刹车制动-失败后直接坠海的降落模式。
风力拦阻全过程中,负责制造拦阻风力的舰载机引擎需要对被拦阻舰载机进行喷流吹风以强化风阻,风力拦阻要求被拦阻舰载机具备足够强大的增阻效率和制动能力,要求负责风力拦阻的舰载机具备足够的喷流速度和流量,但对喷流含氧量要求较低。
至于风力拦阻为什么需要前方舰载机制造拦阻风力而不能全靠舰载机自身喷气反推——因为与能够增强升力和甲板风速的向舰艉喷气吹风相反,启动反推装置向舰艏喷气会削弱舰载机升力同时减慢甲板风速,在着舰撞击前使用会导致着舰撞击冲量暴增,只能在所有起落架全部完成撞击后才可以使用;由于现代航母跑道长度有限,引擎反推推力有限,舰载机在着舰撞击后也无法仅凭自身引擎反推减速;
在拦阻索和拦阻网未战损时的钢索拦阻模式下,舰载机在撞击到成功钩索这段时间内必须加速滑跑,以备钩索失败后快速复飞,钢索拦阻模式下反推装置仅仅能够在成功钩索后用于减速,所以反推装置对于现代舰载机而言实际是一个相当机肋的存在,仅在暂时无法实现的风力拦阻模式下有较大作用,故冷战期间并无任何舰载机装备喷气反推装置。
21世纪20年代前期人类各航空强国的引擎技术很可能已经允许部分重量较轻的大型无乘员舰载机实现风力拦阻,在30年代后期让大型载人舰载战斗机实现风力拦阻也很有可能,届时才有可能出现带喷气反推装置的舰载机。
2.挡焰板的负面作用-低流速低气压区
航母飞行甲板上的任何凸起物都会改变甲板流场,
而竖起的挡焰板是对甲板流场干扰最大的物体——其所形成的乱流强度与面积呈正比,为减弱挡焰板乱流,每块挡焰板都拥有不止一个可独立竖起和放平的分块,能根据喷流范围调整升起面积。
其次则是舰载机。
2号弹射器挡焰板紧贴着复飞区布置,这种设计在福莱斯特级,这型人类历史上最早的超级航母上已经被证明为是一种影响降落安全的设计。
福莱斯特级航母曾经被披露过复飞的F-18莫名其妙失控撞上停在2号弹射位上的F-18的事故,至于之前具体还有多少次类似事故、以及所有福莱斯特级服役期间发生同类事故的概率是多少,则不为公众所知。当然也可能是因为F-18之前的舰载机窄间距引擎偏航力矩没那么弱/翼展也没那么大,所以只有碰撞险情但没出现过碰撞事故。
因为2号板紧贴复飞区布置、但没有入侵复飞区,这样看上去2号位待起飞战机不会影响阻拦失败的舰载机复飞。
然而当2号板立起时,它相当于一块超大号减速板,会减慢流过此处的甲板风的风速,减慢后的甲板风会继续流过复飞区,一段距离后流速才会重新恢复到甲板平均风速,这段距离,或者说“挡焰板后方形成的低速流场形状和尺寸”会随甲板风速变化而变化。
如果2号板处于放下状态,那么2号位上的待起飞舰载机同样相当于一块中型减速板。当复飞舰载机的右侧机翼进入位于2号位后的风速减缓区时,右翼的升力会突然降低,在未降低的左翼升力作用下、战机会出现向右拐飞向2号位的倾向。很多情况下这种右转倾向会被飞控配平,但只要飞控稍有迟缓、外加风势不利,事故就难以避免了,福莱斯特多次出现这样的险情乃至事故之后,新建造的小鹰、肯尼迪、尼米兹、福特等小辈超级航母,都改用了让2号板稍微远离复飞区边线的设计,甚至尼米兹和福特为此还不惜让2号弹射器大幅向右斜置,这都是为了避免让复飞区右侧的风速减缓。
3.魅联超航为迁就复飞安全做出的妥协
但尼米兹级将弹射器挡焰板向右斜置后,2号弹射器弹射方向会指向左舷,让2号位待弹射舰载机的左翼展开后更接近复飞区,在同时刻起降时,会增加和左舷复飞舰载机碰撞的风险,在同时段起降时,也会增加复飞舰载机撞击2号位展开机翼停放的舰载机的风险。因此尼米兹相对进取号和之前2号弹指向右舷和肯尼迪号这样2号弹直指正前的魅联航母,更少使用同时刻起降功能——展开机翼同时刻起降的安全性降低了,但折叠机翼就位停机-同时段起降的安全性却得到了改善。
这种妥协设计是在飞行甲板面积不足时的最优解,飞行甲板更大的18舰则无需妥协,故其复飞区和弹射器布局得以采用大面积飞行甲板最优解。
除减速板效应外,F-18的大展弦比对着舰过程两翼风速变化更敏感,窄间距引擎力学特性间距单引擎导致偏航力矩弱、静稳定布局反应速度慢、翼展不够小易碰撞的设计特点也是同时刻起降事故的重要根源。
即使在尼米兹级上部署的F-18依然比其它舰载机更容易碰撞,故此事故发生后Us Navy为稳定军心长期规避进行F-18同时刻起降作业。
直到21世纪00年代末期静不稳定设计的超级大黄蜂全面形成战斗力后,魅联海军在福莱斯特级碰撞事故后长期避免进行的窄间距双引擎战机舰面同时刻起降训练才开始全面恢复。
4.作为防火墙与彭牌的挡焰板
除本职的挡焰偏流工作外,一些航母的舰艏挡焰板还有在起火时临时充任防火墙分割舰艏卸弹区与三角形整备区的作用。另一大作用则是作为彭牌遮蔽舰艏弹梯,在发生着舰偏航事故时抵挡舰载机撞击。
所有苏联航母和魅联福莱斯特级、旧进取号的挡焰板彭牌效果都较差,而大部分魅联攻击型超航和多用途炸弹超航的舰艏挡焰板位置分布都能有效阻碍肇事舰载机直接撞击舰艏弹梯。
彭牌效果最差的是苏联1143系列航母,其次是旧进取号,再次则是福莱斯特级。背后原因在于:
福莱斯特级舰艏必须采用宽间距起飞位以便让A-3展开机翼,翼展较小的肇事舰载机有可能通过双板空隙命中弹梯。
小鹰级则缩小了双板间距,放弃快速弹射大量大型舰载机的要求从而改善弹梯安全。
更晚的旧进取号由于舰底核堆庞大,大量在小鹰级上位于机库甲板以下的舱室须提高到机库前方,将舰艏飞行甲板弹梯挤退到了靠近双板空隙的位置,易被肇事机直接命中。
旧进取号没有福莱斯特级的舰艏左舷升降通道,而舰艏弹药升降竖井兼顾机库弹药转运,为保证弹药转运效率须靠近舰载机升降通道,因此福莱斯特级舰艏弹梯左置以靠近左机梯,旧进取号舰艏弹梯右置以靠近右机梯。
1143系列动力更紧凑,但狭小的舰体导致其比旧进取号更缺空间,弹梯直接被挤得后移到了双板之间,肇事舰载机与弹梯间可谓毫无障碍。
虽然三类航母挡焰板彭牌强弱不同,但预设作战模式下安全性差异其实不大,原因在于主要使用的弹药属性不同:旧进取号实质上是一艘顶着CVA攻击航母编号的舰队防御航母,反应堆挤占大量空间致使舰体舱容有限,故其较少使用且难以搭载大量炸弹和火箭弹等殉爆威力巨大的弹种,CVA编号仅只是用于编列预算而已-攻击比防御更容易在国会争取军费。
苏航则可去掉多用途称号直接称为舰队防御航母,其主弹种是空空导弹和反潜鱼雷,受制于技术和理念连高爆/燃烧战斗部的空射反舰导弹都少有装备。空空导弹爆燃威力低最大风险来自误射、鱼雷威力高但使用量低,且长期高速飞行易报废故通常挂载在弹舱内部。因此1143系列航母预设作战模式下的弹药整体安全性高于使用大量航空炸弹的魅联超航。
旧肯尼迪无论核动力原案还是常规动力实船空间都比旧进取号充裕,故前移弹梯。
尼米兹级斜角减小故收缩双板间距保证遮蔽效果。福特级加宽了双板间距,但凭借更强舰体稳性在外飘结构内设置弹梯,故挡焰板对返航舰载机卸弹点的遮蔽效果依然不错。
到旧大陆首艘超航建成时,虽然高爆/燃烧战斗部的滑翔炸弹和反舰导弹使用量较大,但由于舰载机弹舱化、卸弹装弹自动化、炸药技术的进步,撞击殉爆概率远低于新大陆炸弹超航,喷流吹风带来的高起降安全性则降低了彭牌的存在意义,吹风过程放平2号板的要求则让其难以发挥彭牌作用,故允许使用遮蔽效果仅略强于旧进取号的弱彭牌设计,减少舰艏上浪对弹梯运行的干扰。
5.挡焰板尺寸与舰载机引擎的关联
航空引擎涵道比越大则无加力喷流烧蚀力越弱,同时加力喷流烧蚀力越强。
舰载机选择减小引擎涵道比有助于降低加力喷流杀伤力,但也会增强非加力状态的喷流杀伤力。
密集排列热车对舰载机引擎可靠性与舰载机牵引技术也有较高要求。
海牛航母方案模型中舰载机采用首尾相接密集排列热机模式:
乌舰模型上的海侧卫密集排列热机:
“喷流流量”与“喷流和冷空气接触面积”比值越小,换热效率越高,因此使用中推缩小喷流直径、使用矩形喷管改变喷流截面形状使之更扁平乃至内凹、用数量更多的中型引擎替换少量大型引擎、加宽引擎间距避免高温喷流汇合等设计都有助于降低喷流温度。
挡焰板的作用是防止舰载机喷流毁伤起飞通道后方的人员和设备,只有后方不存在人员和易毁伤设备的起飞通道,才可以不设挡焰板,如早期福莱斯特级的4号起飞位、超日王号和维克兰特号的所有起飞位。
挡焰板需要执行的任务不存在于超日王,故挡焰板不存在于超日王。
一型航母最宽的挡焰板,对应的是航母需要用挡焰板放飞的舰载机中大威力喷流影响范围最宽的型号——通常是拥有不止一个强喷流引擎,最左侧引擎和最右侧引擎间距最大的型号。
——在冷战前期该型号为A-3核攻击机。
小鹰号最开始使用矮阔的挡焰板以适配引擎间距超宽但喷口低矮的A-3攻击机,如上图。
上图经过现代化改造后的小鹰号将1号挡焰板更换为更窄更高的mk-7型,外移1号机梯使其与挡焰板并列,这一时期的小鹰号同时装备三型挡焰板。
上图中CV-66魅洲号选择将1号弹整体前移,如此一来无需外移1号机梯,有助于强化舰体稳性,但稳性更强的舰体更容易疲劳,魅洲号的舰体寿命在小鹰级中最早耗尽沦为靶船。
——在冷战中后期魅联航母上这个型号是宽间距双发的汤姆猫。
汤姆猫由于喷流威力过强、喷流宽度过宽,只有用MK-7型挡焰板才能完全挡住引擎尾焰,因此除福莱斯特级以外的魅联超级航母左舷停机区未清空时均无法在4号起飞位上加力起飞汤姆猫。
4号起飞位早期不需要挡焰板、不设挡焰板的福瑞斯塔级,是魅联海军唯一一型能在实战中短时间放飞4架汤姆猫的航母:
此后魅联所有在冷战期间设计的新型航母,4号位用的都是MK-6型挡焰板,冷战后新设计的福字号后辈将4号位左侧飞行甲板加宽,挡焰板终于改为了MK-7型,理论上能轻松让大猫全加力起飞,但有福特级时大猫已经没了。
用TF-30引擎的汤姆猫在4号位上起飞时要清空起飞位后方停机区。
用F-110引擎的汤姆猫更容易实现无加力起飞,但4号位起飞依然少见,因为4号弹主要用于紧急起飞执行截击任务,进入4号位的路线经常被执行这一任务的舰载机堵塞。
重载起飞任务进入3号位比进入4号位容易调度。
装TF-30的汤姆猫在小鹰级、进取号、肯尼迪号、尼米兹级的4号起飞位上都不具备有实战价值的重载起飞能力,换装F110-GE-400后也未必有,以至于冷战时期几乎所有飞行员和甲板工作人员直到退役都没见过汤姆猫在上述超级航母的4号位上起飞。冷战后汤姆猫故去,海侧卫作为硕果仅存的宽间距双发舰载战斗机,接替全人类强威力喷流影响范围最宽的在役舰载机头衔。
机首前倾、引擎喷管斜指高空的海侧卫↘↖:
装备海太行引擎的飞鲨,发动机间距比F-14略窄,但起飞过程单台引擎喷流威力更强,即使用电磁弹射重载起飞,喷流宽度也不会大幅窄于F-14D,在喷流指向人员密集区/停机位的起飞通道上起飞时,需要的挡焰板宽度自然也不能比魅联MK-7型挡焰板窄太多。
库辽山三舰的挡焰板宽度比尼米兹的MK-7挡焰板略窄,但高度却超过MK-7,约为MK7的8/7,因为海侧卫发动机喷管高于汤姆猫,需要加高挡焰板阻挡喷流,挡焰板纵向框架比MK-7的7格多一格,长宽比低于MK-7一大截
与库辽山三舰挡焰板相比,升起后的MK-7挡焰板明显更矮宽:
——这就是为什么库辽山三舰的挡焰板视觉上比MK-7小很多的原因。只要是需要在挡焰板前方放飞海侧卫舰载机的航母,用于放飞海侧卫的挡焰板宽度是不可能比尼米兹级的挡焰板小很多的,挡焰板高度则必然超过MK-7挡焰板。
升起的挡焰板宽度和高度越小,对飞行甲板流场的干扰越弱,假设山舰的舰载制空机并非只有飞鲨,其实也允许增设一条具备同时刻起降能力的短距紧急起飞通道,如下图:
新增起飞点放飞作业与艏飞行甲板弹梯升降作业冲突,但不会像直接右移2号起飞点一样让飞鲨就位后展开的机翼覆盖所有弹梯开口,因此这一缺陷可以接受——18舰的艏弹梯门也是贴着起飞碾压轨迹布置。该点最大的问题是:
挡焰板全部升起后会对斜角跑道流场产生不利干扰,而飞鲨这样的宽间距双发重战在该点需要升起全部挡板加力起飞,因此该点只有在无需升起全部挡板乃至无需升起挡板即可放飞战机时才能安全进行同时刻起降放飞作业。
这要求宽间距双发战机具备有空战价值的短距离无加力滑跃起飞能力-即可无需升起挡焰板、或采用矮喷口的窄间距双发/单发布局-可采用更低矮狭窄的挡板减弱飞行甲板乱流——前者实现难度更大。
窄间距双发和单发舰载制空战斗机在红海军装备发展规划中是存在的,若山舰是红海军航母则该起飞点绝对可行:
但窄间距双发和单发制空战机海战生存能力低下,不适用于非垂直降落型号,故并不符合PLAN的作战需求。辽山二舰在服役初期并不会装备垂直降落制空舰载机,非制空舰载机则没有同时刻起降的必要性,因而暂时用不到上图构想的第二个支持同时刻起降的紧急起飞点。
宽间距双引擎是未来航母舰载机的发展趋势,因此新型航母缩减挡焰板宽度的可能性很小,挡焰板宽度和高度必然不小于乃至超过库辽山三舰——依据这一结论能准确判断新型航母的尺寸下限:
上下图为太平洋两岸推出的下一代隐身舰载机概念
6.偏流挡焰板助推作用:
上下图中的斜板偏流效果优于主流的直板,挡焰气密性优于之后的C型板,但助推效果不仅远远不如C型板,甚至也比不上直板,因此很快被C型板所取代。多年后王室海军在规划女王级时考虑了C板和直板,却也再未考虑过斜板。
批判以下蝗言乱语:
(根据毛子使用Mig-29K的经验——即2017年的叙利亚部署时流出的Mig-29K从库舰的重载起飞跑道起飞的视频——来看,它需要的发动机加力时间更长,甚至因此而不敢打开挡焰板,怕挡焰板无法承受尾焰过长时间的炙烤。同样根据2017年叙利亚部署的资料来看,似乎没有Mig-29K从轻载起飞跑道起飞画面这两个问题都说明,Mig-29K可能根本就没有用短短的105米起飞的能力)
对以上斜体蝗言乱语的解毒:
上图为超日王号远点起飞的海支点,下图为库舰远点起飞的海支点,都未使用挡焰板,区别在于超日王无板而库舰未升板、超日王起飞通道短而库舰起飞通道长。
后方无人员设备、也无需助推,则无需升起挡焰板,挡焰板作为昂贵消耗品只应在必要场合使用,小涵道比涡扇RD33的加力喷流对挡焰板的损伤远不如大涵道比涡扇AL-31F,但重型舰载机起飞比中型舰载机更需要助推。
短点滑跃起飞通道为执行生死攸关的紧急起飞拦截任务服务,从来不会为需要重载起飞的远航程/长航时/大载弹量等任务而启用。苏33因为库舰滑跃起飞角度过大,对机体结构强度要求高于蒸汽弹射,为了避免损伤寿命,几乎不进行“海侧卫标准重载起飞”,轻载滑跃起飞仅能用于在叙利亚基本不存在的紧急制空任务,轻载起飞前也很少需要长时间蓄力。
米格29K机体短粗,结构强度优于苏33,可以频繁进行“海支点标准重载起飞”,重载滑跃起飞前必然需要延长蓄力时间,重载滑跃起飞需要使用远点,使用远点起飞的米格29K加速距离过长,且支点系列作为前线战斗机,起飞性能本就优于侧卫系列,非顺风环境正常放飞并不需要升起挡焰板助推。1143.5和1143.6型航母一开始预定的主力舰载机本就是海支点,采用原计划搭配1143.7型的苏33作为舰载机纯属联盟解散的结果,挡焰板设计上也不存在不兼容支点的可能。
7.起飞位靠近跑道布置的得失
起飞位贴近跑道布置能够获得的好处是:
提高覆盖跑道的喷流/滑流强度,吹风增升提速效率最高;同时还能减少喷流/滑流对人员活动区的影响。
坏处则是:
挡焰板过于靠近复飞区,左侧部分板块甚至会侵入预警机偏航安全线,预警机复飞时需要放平挡焰板——只有只有起飞位上未停放有“不具备喷流吹风提速能力的热车舰载机”时才允许这样做;起飞位上停放大翼展飞机时,大翼展舰载机复飞会受到影响——这一问题对于弹射时无需使用整条弹射轨道的电磁弹射航母而言可用前移起飞位解决,以降低最大起飞重量为代价即可避免弹射作业干扰复飞。
事实上福特级进行预警机复飞作业时2号位预警机也缺乏完全展开机翼的空间,毕竟大部分情况下现代航母都不存在同时刻起降两架预警机的必要性。18舰采用2号弹射器弹射方向轻微指向右舷的设计,证明其更倾向于频繁进行同时刻起降作业,在降落复飞时1、2号弹射器都有一条可安全弹射(1、2号弹射器不可同时弹射)。
18舰的弹射起飞喷流方向则指向阻拦区复飞区,挡焰板紧贴复飞区设置,看似竖起后会像福莱斯特的2号板一样变成威胁复飞安全的大号减速板,但如果不竖起2号板,那复飞通道大部分区域都会被笼罩在2号位待起飞舰载机喷流内,因此实际上这块挡板只有在有人员通过2号位后方时才会立起,在同时刻起降时则处于放平状态,这样2号位舰载机的低温高速富氧喷流就会对2号弹射器正后方的局部甲板风进行加速、高风速有利于扫平低速乱流,改善甲板流场,对着舰复飞的舰载机进行增推、增升、提高空速,强化着舰复飞性能。
这种设计得以实现的前提要求是:2号位舰载机的喷流温度必须够低、含氧量必须够高,还要保证足够的喷流速度,因此没有装备能够排放低温高速富氧喷流的舰载机的魅联福特级航母,并不适合采用这种方式设置2号起飞位。不过,电磁弹射航母修改弹射器指向相对容易,未来换装符合喷流吹风提速要求的舰载机后要改造甲板布局也不算困难,由于斜角夹角较大的原因,改造后的吹风提速效果依然会弱于18舰。
相比魅联超航,18舰左舷电弹轨道整体位置相当靠前,左舷3号弹射器工棚与3号挡焰板间距相比舰艏弹射器与舰艏挡焰板间距增大了半块挡焰板长度。
弹射器未继续向后延伸可能暗示现有电弹长度已达到舰体供能或人类科技水平能够支持的极限,也可能是出于统一弹射器型号便于维护的考虑,但这并不能解释为什么要整体前移弹射器——左舷弹射起飞通道分为挡焰板、起飞位、弹射加速段、滑跑加速段共四部分,前移弹射器会缩短弹射段之后的滑跑段长度,不利于提升弹射离舰速度。弹射器前移后起飞位长度有所增加,但仅仅半个挡焰板的长度增量并不足以让3号位获得所谓的“更长尺寸舰载机重载起飞”优势。
故只能从飞行甲板流场和着舰复飞效率两方面寻找答案:
弹射器未向舰艉移动靠近挡焰偏流板可能是为保证3号位战机的吸气吹风提速效率与安全性:
3号位处于全力吸气状态的待起飞舰载机进气道口前移有助于提升吸流对斜角跑道末端的覆盖强度,增大复飞离舰空速,也有助于让吸流与2号位喷流构成有利干扰;此外一部分喷流会在3号板上向右侧折射流入复飞区,增大尾喷管离板距离有助于降低喷流折射后气流的剩余温度,提高复飞安全性。
同时待起飞舰载机前移而挡焰偏流板后移,也有助于避免偏流板遮挡光学助降灯平台射界,使其灯光从舰载机左翼和挡焰偏流板间射过。
助降装置本身具备一定的升降能力,即使3号板后的助降灯光被遮蔽,福舰3号板前的倾斜耳台依然有助降装置可作为备份:
上合集正文至此竣工