華僑網 科技教育 003与中国航母 | 晨枫

003与中国航母 | 晨枫

导言:

中国海军正在走向远洋,但目的不是到全世界征服和控制,而是与危害中国国家安全的敌人舰队进行海上决战,在可预见的将来以西太平洋和南太平洋为主,可能远及北印度洋。

003的建造一直在紧锣密鼓地进行,现在终于下水了。据推测,003的水线长度约300米,水线宽度约40米,全长318米,和美国的“小鹰”级十分相似。不出意料的话,满载排水量约82000吨级,采用常规动力,同样和美国的“小鹰”级十分相似。但采用电磁弹射,在这一点上又与“福特”级相似。这不是巧合。003既得益于摸着鹰酱过河,又结合了中国的实际,更是体现了中国海军战略。

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003的建造还在进行中,估计全长318米,这还是2021年7月12日的状态

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这是2022年2月21日的图,完成度已经很高了

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这个据说是近日的,就等下水了

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关于003,各种传说满天飞

关于003,各种传闻满天飞,尤其是10万吨级、核动力。不能说这绝不可能,只能说基本上不可能。82000吨级常规动力可能低于人们的期望,但实际上不仅符合中国的技术现实,也够用了。

中国海军正在走向远洋,但目的不是到全世界征服和控制,而是与危害中国国家安全的敌人舰队进行海上决战,在可预见的将来以西太平洋和南太平洋为主,可能远及北印度洋。常规动力航母不具备核动力航母那样的无限航程,但对于这些预定作战海域,航程够用了。以“小鹰”级航母为例,自带燃油的航程超过10000海里,至少两倍于典型的大型驱逐舰(“伯克”级为4400海里,055为5000海里),够用了。

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大甲板常规动力航母以“肯尼迪”号(“小鹰”级最后一艘,但改进较大,有时候单列一级)为巅峰

“伊丽莎白女王”级最后是STOVL的,在设计的时候则是考虑电弹的,最后放弃有很多原因,但常规动力发电能力不足不是问题

003与“辽宁”号、“山东”号最大的不同当然在于电磁弹射(简称电弹)。弹射起飞帮助舰载飞机获得远远超过自身所能提供的加速度,在动力条件不变的情况下,起飞重量大大增加,燃油和弹药的携带量大大增加,战斗力也大大增加。弹射起飞是航母提高战斗力的不二法门,也是STOVL甚至滑跃起飞最终都不可能做到战斗力最大化的关键。

蒸汽弹射技术成熟,但那是对美国而言。蒸汽弹射需要大量淡水,海上颠簸环境长期使用中的高压管路防泄漏、防侵蚀很麻烦,汽包重新加压时间长,不宜反复密集出动,美国新一代的“福特”级已经采用电弹了。中国弯道超车,一步到位,直接采用电弹。

电弹原理近似磁悬浮列车的驱动,由直线电动机直接拉动舰载飞机。电弹的弹射功率可调,便于在重型战斗机、舰载预警机和重量轻得多的无人机之间最优适配。常规动力不足以驱动电弹是误传。电弹的峰值用电量很高,这应该靠擅长瞬时大电流放电的储能装置解决,而不是靠发电机直接解决。发电机和船舶动力(不管是核动力还是常规动力)是无法及时跟上急剧升降的峰值用电要求的。储能装置与拦阻索的能量回收相结合后,在为降落的舰载飞机减速的同时,快速为储能装置充电,降低发电机的出力要求,也有利于反复出动。

英国“伊丽莎白女王”级航母在设计时就考虑了STOVL和CATOBAR两种可能,后者采用与“福特”级相同的电弹。最后选择STOVL的F-35B而不是CATOBAR的F-35C,一部分原因是电弹的成本和技术风险,另一部分是时间。“伊丽莎白女王”号“和 “威尔士亲王号”分别在2014年和2017年下水,“福特“号本来应该在这时已经完成验证电弹和电拦技术,但大大推迟了。F-35C也迟迟没有达到IOC。英国无法接受两艘全新航母只能长期当作直升机航母使用的尴尬,索性改STOVL了。但常规动力和发电能力从来不是原因,从侧面证明了常规动力是胜任电弹的。

“辽宁”号是从苏联的“瓦良格”号改装而来,很多先天缺陷无法在改装中妥善解决,是有遗憾的。比如说,前甲板的重型反舰导弹发射装置拆除了,但甲板下的高度不够用于机库,现在是作为军人小卖部用的。这或许是世界上最奢侈的舰上军人小卖部了。“辽宁”号的舰桥也太大。“山东”号是小步快跑的结果,但在“辽宁”号的基本吨位和格局限制下,还是留有遗憾。

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“辽宁”号和“山东”号是了不起的成就,但还是有遗憾的

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歼-15有太大、太重的问题,舰上占地过度,需要弹射才能发挥全部潜力

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长起飞点(“1”)可以重载起飞,但影响同时着陆,“2”起飞点也不能用了

最大的遗憾当然是滑跃起飞。

在弹射技术没有准备好的情况下,滑跃起飞是及早形成战斗力的有效途径。滑跃起飞、拦阻索降落(简称STOBAR)使得重型的歼-15得以上舰。对“辽宁”号和“山东”号来说,歼-15有太大、太重、舰上过度占地的问题,但这也是性能强大、具有巨大发展潜力的舰载战斗机。舰载的歼-15与陆基的歼-16将比翼齐飞,在可预见的将来,继续作为中国的海上空中力量的重拳。

但滑跃起飞也限制了起飞重量。在常用的前起飞点起飞时,只能减油或者减载起飞。用很靠后的长起飞点可以满油、满载起飞,但这时斜甲板不能用于降落,2号起飞点也不能使用。所以,3个起飞点在任何时间都只有2个能用,适合重载起飞的长起飞点则只有1个。使用1号长起飞点时,也影响三角形停机区的甲板上的飞机调动,很影响持续出动率。

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在“尼米兹”级起飞时,飞机沿黄色部份(只用了1、3、4号弹射器)起飞,粉红色区域作为待命区,沿蓝色路线进入起飞位置,其余甲板面积用作其他飞机的加油、装弹、待命。3号、4号起飞点交替使用。2号起飞点只在紧急起飞、最大数量出动的时候使用,这时舰艏左侧的粉红区域不能停机,增加瞬时出动数量,但减少可持续出动的数量

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着陆时,从黄色的斜甲板着陆后,迅速离开,到粉红色的停机区等待,然后沿蓝色路线下机库

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回收状态(上)和出动状态(下)

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但上翘的滑跃甲板不便停机,大大减少甲板上可立刻出动的飞机数量

滑跃起飞所需要的缓缓升起的艏甲板也不便停放已经回收和正在进行再次出动准备的飞机,大大减少了可以随时出动的飞机数量。

另一方面,舰艉两侧没有利用起来,额外的外飘甲板本来可以增加停机面积的。

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英国“伊丽莎白女王”级早期方案,可以看到饱满的舰艉,有利于增加停机位置,还有弹射器的位置和升降机位置的各种方案

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但因为吨位限制,“辽宁”号和“山东”号的左舷舰艉外飘不足,勉强停机就要探入斜甲板的滑行道了,实际上没法用于停机

人们常对航母搭载飞机的数量很注重,这当然是对的。搭载数量越大,可实现的战斗力就越强。但这是静态的。在实际作战中,出动率才是最关键的。搭载了很多飞机,但不能快速出动(包括快速回收和再出动),是谈不上强大战斗力的。较高的出动率还要求便于对飞机装弹和维修,缺油少弹的飞机是没用的,飞机也是高维修项目,管飞不管修是持续不了多久的。

航母是有机库的,但航母的机库与其说是日常使用飞机的主要停放处,不如说是维修空间和增援待命飞机的停放处。飞机在机库与飞行甲板之间需要用升降机运送,时间长,进出路线和操作复杂,都要从机库出动的话,很影响出动率。在日常使用中,待出动飞机基本上都是停放在飞行甲板上的,以减少紧急出动和再次出动所需要的时间。另外,为了安全,加油和装弹也都是在甲板上进行的,而不是在机库里。因此,影响航母战斗力最大的设计要素是飞行甲板。

对于弹射起飞、拦阻索降落(简称CATOBAR)的舰载飞机来说,前甲板用于起飞。美国海军的C-13蒸弹的动力行程为95米,需要能将40000磅的飞机加速到170节,这就规定了前甲板的尺度。这在以后成为弹射器、飞机动力、航母甲板设计的参照基准。

斜甲板用于降落,分着舰段、拦阻段、减速滑跑段、脱离段。美国海军根据历史经验,规定各需要230英尺(约70米)、60英尺(约18米)、350英尺(约106.5米)、100英尺(约30.5米),因此斜甲板需要740英尺(折合225米)长。

斜甲板还有角度问题。角度增大可以适当减小占舰全长的长度,但飞机的下滑和滑跑路线与航母前进方向的角度越大,受到前进方向的侧风影响越大。角度还受到斜甲板宽度的影响,斜甲板前段应该以不侵入前甲板侧后为准,避免互相干扰。但在舰尾可以从右舷起始,以尽可能减小左舷的外飘,也可从更接近中线的位置起始,降低斜甲板的角度。一般取8-11度,具体设计的时候会根据全舰尺度和飞行甲板面积精细优化,常常会为了半度角度而反复斟酌。

“福莱斯特”级到“福特”级的演变。所有细节都是精雕细琢的结果,比如说,斜甲板前端本来比较平直,但从“小鹰”级的“美国”号开始,加大“后掠角”,减少甲板风的影响,这个设计一直沿用到“尼米兹”级和“福特”级。“福莱斯特”级升降机左一右前一后二到“小鹰”级和“企业”级、“尼米兹”级的右前二后一到“福特”级的右二,也是高度优化的结果

左右舷的外飘较大,可提供更多的甲板面积,也有足够宽度可安装舷侧升降机。美国“小鹰”级和“尼米兹”级的右舷外飘宽度与左舷斜甲板外飘宽度大体相当,“辽宁”号和“山东”号的右舷外飘明显较小,停机面积很紧张。左舷外飘不够,既无法提供有意义的停机面积,也无法安装左舷升降机,只有右舷能安装升降机,如果右舷风浪太大或者在战斗中战损,就将严重影响机库与甲板之间的飞机转运。但大外飘也显著增加重量和排水量,还加高重心,带来一系列难题。“辽宁”号和“山东”号由于吨位限制,没有办法解决这些问题。

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吨位限制对左右舷外飘的影响显著。与“小鹰”号(下)相比,“辽宁”号(上)的由于舰岛重量而右舷外飘较小。左舷外飘看起来差不多,但这只是前端,后段切角更多,影响舰艉停机面积

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“尼米兹”的吨位更大,但同样必须舰艉左舷切角,不切角停机面积更大,但加上右舷的平衡重量和恢复重心所需要的吨位,吨位就要12万吨了

吨位限制甚至对10万吨级的“尼米兹”级也一样。饱满的舰尾甲板能进一步增加甲板上的停机位,但为了限制重量,10万吨的“尼米兹”级依然需要在舰尾“两颊”(尤其是左侧)削掉一块,牺牲貌似“垂手可得”的额外停机面积。在确定“福特”级最终设计之前的ECBL设计中,舰尾是饱满的,但吨位要增加到12万吨以上了。这是美国海军最心仪的下一代航母设计,但最后还是因为种种原因没有采纳。

在理想情况下,前甲板后端(以挡焰板后侧为界)与斜甲板前端应该重合,但为了缩短舰长,前甲板后端也可在斜甲板前端之后,只要两者运作不冲突。为此前甲板的左起飞路线(2号弹射器)会略微向左扭转,以便挡焰板与斜甲板的跑道错开。

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为了前甲板和斜甲板的弹射器不冲突,弹射器的滑行路线都有一点角度,“尼米兹”级只有左舷的4号弹射器是完全与中轴线平行的。这也是高度优化的结果,在10万吨的航母上,依然每一寸空间都要力争

这样下来,CATOBAR航母的基本尺度就决定了,正好在约300米水线长、40米水线宽、305米全长、85米全宽的大体尺度,对应于约82000吨满载排水量。中国海军不见得照搬美国海军的航母设计标准,但已经高度优化的舰体和飞行甲板设计没有理由不拿来主义,这也决定了从头开始的003并非巧合地也定位于80000吨级。

美国海军的研究表明,更大的飞行甲板在理论上可以增加载机量,但实际上增加有限。航空燃油和机载弹药的数量也有增加,但动力要求增加,航海燃油也要增加,造价更是大大增加,实际收益有限。美国的“福莱斯特”级、“小鹰”级刚好在这个尺度范围。10万吨的“尼米兹”级的斜甲板并没有实质性的加长,前甲板有所加长,但可以起飞的飞机类型和起飞重量没有变化,搭载舰载机的数量也没有增加,机库实际上还缩小了一点。

最重要的是,这是可以搭载全规格航母舰载机联队的尺度。也就是说,除了战斗机和直升机,还可以从容运作预警机、加油机、反潜机、运输机。完整的舰载空中力量是航母战斗力的关键,而不是能搭载战斗机就行。这样的甲板面积也可以从容调度舰载飞机的甲板运作。舰上能搭载的飞机数量有限,较高的峰值和持续出动率非常关键,高效的甲板运作是航母战斗力的要素之二。

另一方面,美国海军的研究也表明,8万吨级是常规动力航母的上限,更大吨位对动力要求太高。“尼米兹”级的核反应堆能提供26万马力,“福莱斯特”级、“小鹰”级的动力系统最大功率实际上达到28万马力,但核反应堆能长时间满负荷连续工作,锅炉就不宜这样用了。

003到底是常规动力还是核动力,这是坊间争论的一个焦点。这可能根本不是一个问题,因为对003来说,核动力并非选项。

中国有核动力的技术基础,中国的核电建设也是世界上最活跃的,具有丰富的设计、施工和使用经验,但这只是对核电而言的。舰用与核电具有很大的不同。反应堆的一回路是包围在保护壳体内的,基本上无法维修,所以对可靠性具有变态的要求。这对固定的核电站已经是严峻的考验了,对于在海上颠簸的舰用核动力来说,要确保几十年没有任何跑冒滴漏,不经过长期严格的装船测试的无法做到的。

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核电站的反应堆对高度没有特别的要求,为了强化自然循环,一般很高大,在航母上,这就不可能了

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这是俄罗斯新一代核动力破冰船上用的RITM200反应堆,依然比较高大,但破冰船的整个船体深度都可以用于安装反应堆,航母的反应堆不能探入机库

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航母的反应堆舱有严厉的高度限制,上层要用于机库和其他用处

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潜艇用的反应堆限制更大,必须是水平的,这是美国的,有可能是“弗吉尼亚”级使用的

另一个问题是堆型。核电站的反应堆对尺寸和形状没有太大的要求,但舰用有要求。不仅需要重量轻、体积小,还需要形状低矮。过于高大的反应堆可能侵入机库空间,或者使得舰体异常高大,两者都是不可接受的。但低矮的反应堆难以利用自然循环,对传热和可靠性的要求都更高。正是由于核动力的热工参数受到限制,“尼米兹”级的蒸汽压力只有550psi(约3.8MPa或者38个大气压),而“小鹰”级可达到1100psi(约7.6MPa或者76个大气压),减半的蒸汽压力对蒸弹的影响还一度成为核动力航母的设计挑战之一,当然后来解决了。

美国在最后采用航母核动力前,已经有很长时间的舰船核动力历史。中国没有,也没有已经装船测试的报导,而这一步是跳不过去的。这不是弯道超车的地方,在这样的情况下直接上马核动力航母只能说是基本不可能。

对于使用蒸汽弹射的美国海军来说,核动力解决了高压蒸汽的大量供应问题。核动力的无限航程的优点在开始时很重视,但很快就淡出了。核动力航母要实现无限航程,当然需要护航舰队也是核动力的。美国在60年代建造了核动力的“班布里奇”级驱逐领舰(具有编队指挥能力的超级驱逐舰)、“长滩”级巡洋舰,后来还建造了“加利福尼亚”级巡洋舰,用于和“企业”级(只有1艘)匹配,并组成全核舰队环球不加油远航,大出风头。但很快发现,核动力的巡洋舰、驱逐舰不仅造价高、运作费用高,沉重的核反应堆还占用了大量的吨位,舰上作战系统可用吨位受到挤占,得不偿失。

核动力的无限航程在可预见的将来对中国海军并非必要,核动力容许搭载更多航空燃油和弹药的优点也不是决定性的,还可以通过适当增加海上补给来补偿,与海上加油的时候一起进行。事实上,不管航母是否需要加油装弹,护航舰队是免不了的。

全核动力舰队美国玩过,玩不起,不玩了。在没有突破性的技术革命之前,中国没有必要去重踩一遍坑。另外,核动力航母不需要在每次出动前加油,但中期更换燃料需要动辄4、5年,全寿命的可出动率受很大影响。如果换燃料的周期不凑巧正好在战争时期,未必等得起。拖着不换,在海上出击到一半没有动力了,更是坏大事了。

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美国玩过全核舰队,玩脱了,不玩了

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“加利福尼亚”级巡洋舰可能是历史上最简约派的巡洋舰,空旷的甲板实际上反映的是无奈:反应堆太重了,留给作战系统的吨位太少了

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核动力航母换燃料是大动干戈的事情,没有3-4年完不成,在战时就碍事了

另一方面,003本身的技术挑战已经够多了。与核动力相比,电弹是更需要优先攻克的技术挑战。实际上,不光是电弹,还有电拦。“福特”号的悲惨经验表明,电弹和电拦都是不小的技术挑战。这也是从002到003的最大跳跃。

002还是STOBAR,只解决了有无问题,并非航母的理想模式。CATOBAR用外动力帮助重型舰载飞机达到起飞速度,降低了对飞机自身动力的要求,也增加了起飞重量。在技术条件相同的情况下,起飞重量就是战斗力。起飞重量越大,载油载弹越多。而STOBAR最大的问题,就是在高出动率条件下,起飞重量受到的限制太大。短距起飞、垂直降落(简称STOVL)的限制更大,所以STOVL航母尽管有种种优越性,很难成为CATOBAR航母的真正替代。

电弹的另一个好处是降低对航母航速的要求。航母航速对舰载飞机的弹射起飞是额外加成,但代价也很大。对于相同吨位的船舶,马力与航速大体成三次方关系。也就是说,从25节增加到30节,航速只增加20%,但马力可能需要增加70%以上。反过来说,速度从“小鹰”级的32节降低到26.5节,在理论上舰载动力可从28万马力降低到16万马力,这样003的动力选择就灵活多了。比如说,055的4台QC280燃气轮机就差不多16万马力,可以用来推动003。如果055第二批次真如传闻所说为综合电推,共用的价值更大。

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航母未必需要30节航速,“伊丽莎白女王”级就只有25节,在设计时就考虑了STOVL和CATOBAR两种可能,最后走STOVL路线是因为电弹的成本和时间问题,不是因为航速达不到30节

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法国“戴高乐”级也不过27节

26.5节比一般认知的“航母必须要30节以上”要低,但用更加给力的电弹帮助,重型舰载飞机一样能顺利起飞。英国“伊丽莎白女王”级就是最高航速25节,这是在设计中同时考虑STOVL和CATOBAR两种可能的,容许在开工之后再锁定,最后也确实是在开工后锁定的,但航速从来不是最终选择STOVL的理由。

“航母必须要30节以上”的另一个理由是反潜。传统潜艇用直航鱼雷反舰,水面舰艇速度越快,生存力越高。但对于常规潜艇,航母还可能用“疯跑”甩掉潜艇的追击。二战中“玛丽女王”号和“伊丽莎白女王”号豪华邮轮成为英国最成功的运兵船,很大原因就是经常能用40节的高航速直接甩掉伏击的德国潜艇。但现代潜艇早就过了这个坎了,航母更是不可能跑得过制导鱼雷和反舰导弹,核潜艇的航速则至少和航母一样高。为反潜而追求高航速已无必要。

舰用燃气轮机体积小、启动快、加速快,满功率运转的油耗也较低,采用中冷回热等电厂已经成熟使用的节能技术可进一步提高热效率,是综合电推的理想搭档。但英国综合电推掉链子已经成为舰船界的驰名丑闻了,说明要成熟化并不容易。

燃气轮机更有进排气量很大的问题,需要很大的烟道。核动力航母不需要烟道,解决了航母舰岛设计的一个大问题。反过来,“伊丽莎白女王”级采用双舰岛,正是考虑到了两台罗尔斯-罗伊斯MT30燃气轮机的烟道需要,增加战时生存力只是副产品。

双舰岛增加了甲板上的占地,但也便于航行指挥和航空指挥分离,还有充足的空间安装电子设备和雷达天线,改善电磁环境。

但003最后采用的更加成熟的锅炉和蒸汽轮机动力,技术成熟可靠,还有002的成熟经验可以借鉴。如果直接采用“山东”号的动力系统,可有20万马力,比055的燃气轮机组合更加强悍,与综合电推所需要的发电机配合更是驾轻就熟。但吨位从65000吨增加到82000吨后,假定海军部系数不变,航速由31节降低到29.5节。

海军部系数是舰船性能估算的经验公式:

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一般舰船的海军部系数不会超过500,常见货轮和邮轮大约为400~450之间,军舰在180~250之间。海军部系数越大,阻力越小,高速性越好,但这只适用于描述局部现象,适合同类舰船类比,在不同类型的舰船之间相比,可能会引起误导。这是因为民船要求经济性达到最大化,发动机、螺旋桨转速、航速都达到最优匹配。军舰的航速要求高得多,发动机和螺旋桨都达到极端出力,大大超过了最经济点,螺旋桨甚至在“打滑”的边缘,推进效率降低,导致海军部系数下降。但同类舰船之间,海军部系数方法还是适用的。对于“辽宁”号来说,吨位为65000吨,航速为31节,公里为20万马力,可得出海军部系数约为240,可假定003也基本相同。

由于003是全新设计舰体,动力舱更加宽大,锅炉和蒸汽轮机也容易增加功率,要保持31节航速的话,马力需要增加到23.3万马力。“小鹰”号有28万马力,额外的功率除了提高加速性外,主要是用于在短时间内产生足够高压蒸汽的。003的电弹也要吃掉一点功率,但储能装置也降低峰值功率的要求。

所以与上述按照海军部系数计算的理想情况相比,保持20万马力的话,实际航速要有所降低,否则就需要增加马力。实际情况可能是折中,航速只要29.5-30节就够用了,但马力也需要比“山东”号有所增加。

蒸汽动力的进排气要求低于燃气轮机,依然很可观,但可采用单舰岛。由于前后动力舱的距离较近,甲板下舰体内的水平排气导管不长,对散热的影响不大。

舰岛是航母飞行甲板设计的重点之一。舰岛是航母上航海和航空指挥中心,也是各种传感器的安装位置。对于常规动力航母,还是排烟的烟囱所在。舰岛越大,各种空间越宽敞,但占用飞行甲板的面积也越大。

前舰岛有利于航海指挥,便于观察前进方向。后舰岛便于航空指挥,便于指挥降落中的飞机,这是舰载飞机运作最复杂、艰险的部份,也便于观察整个飞行甲板的运作。在光电辅助观察发达的现在,后舰岛航海指挥不便的限制越来越小,但后舰岛便于航空指挥、有利于及时应对着陆中的观察指挥的优点更加突出。“福特”级和法国规划中的下一代航母都采用后舰岛。中舰岛两者兼顾,也两者都牺牲一点。双舰岛两者兼顾,但占地最大。

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各种航母的舰岛大小差别很大,趋势是占地越来越小,003的舰岛尺寸已经与“尼米兹”级相当,但由于需要留有烟道空间,舰岛不可能小到与不需要烟道的“福特”级相当的程度。图中004是想象,真实的004应该与003很相似,要到005才能跃变

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“福特”级是后舰岛

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“戴高乐”号是前舰岛,舰艏右侧、舰岛前方是停机位,没有弹射器

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法国的下一代航母构想也是后舰岛

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003是中舰岛

舰岛的位置很重要。双舰岛一前一后,比较简单。单舰岛占地更小,但前舰岛有利于航海指挥,还可完整地腾出三角区;后舰岛便于航空指挥,也能完整地腾出三角区;唯独对烟道位置最友好的中舰岛在航空和航海指挥方面都要打折扣,还对三角区相对不友好。

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航母上的“黄金地段”是中间的三角区

三角区是斜甲板右方、前弹射系统挡焰板后方与舰桥之间的区域。这是航母上难得的完整停机和调度区,不与前甲板或者斜甲板共用,也不受舰岛阻挡。因此,在同时连续放飞、连续回收的高强度出击模式下,这是最主要的回收中转和出击准备区。尤其是靠前的地段,这是着舰后脱离斜甲板最便利的位置,这里也是前移到弹射位置最近便的位置,所以是黄金地段。也因为这个原因,三角区(尤其是黄金地段)需要两台舷侧升降机配合。

”福莱斯特”级的舰岛位置中置偏前,对应于黄金地段的舰岛前只有一台升降机的位置,两台在舰岛后,另一台在斜甲板左前端。这是从直甲板原始设计改过来时留下的遗憾。在高强度作业时,斜甲板侧的左舷升降机没法用,只有舰岛前的右舷升降机可以不受阻碍地使用,舰岛后的两台则进出路线太远,使用不便。

“小鹰”级纠正了这个问题,舰岛位置中置偏后,舰岛前有两台升降机,舰岛后一台,对应的斜甲板左侧后也有一台。这样,对应于黄金地段就有两台升降机,斜甲板左侧后的升降机也避开了滑行道,在有飞机降落的时候依然可以使用,甲板运作效率大大提高。这以后成为定制,“企业”级(单舰成级)和“尼米兹”级也采用这个形制。

“福特”级更进一步,舰岛后移,取消舰岛后升降机,舰岛前有空间安装三台升降机,但依然只安装了两台,因为已经够用了。原来的舰岛后升降机利用率不高,取消了也就取消了。减少一台升降机不仅降低重量和造价,也减少舰员定员。但斜甲板左后侧的升降机必须保留,避免在右侧风浪强烈的时候没有升降机可用,更是避免在战斗中一侧受到战损后就没有升降机可用。

但对常规动力来说,后舰岛就比较难了,烟道水平段太长,带来一系列问题。但牺牲一点效率和可靠性的话,用强制排烟,甚至将部分烟道设置在水线以下,用海水降温后再通过舰岛出烟口排放,也不是完全没有优点的。

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003则不同,舰桥朝向飞行甲板一侧有较大的翼桥,而且是不对称的,舷侧一侧并没有显著的翼桥。大型悬空翼桥不仅赢得很大的使用面积,还降低了重心,并把重量分布向中轴线移动,有助于稳定性

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003翼桥上的前向视界毫无遮挡,后向视界也比美国航母好得多,有利于航空指挥

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相对来说,“福特”级的航空指挥台的后向视界就没有那么好

003采用的是相对保守的中舰岛设计,除了采用占地小、“头冠”大的“蘑菇形”,还独出心裁地采用大翼桥设计,向飞行甲板一侧大幅度悬挑,既减少舰岛的占地,又提供充足的使用面积,还因为重量分布向中轴线方向移动,增加了横摇稳定性。同时,翼桥上无与伦比的前后视界极大地便利了航空指挥和甲板调度。

代价是对结构强度的要求极大提高了。大悬挑、无支撑的翼桥不仅要在正常航行时承受自身的重量,还需要在大风浪里不能出现断裂,在战斗中也必须不易因为战损而坍塌。这是很高的要求,也只有003做到了。

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003只有右舷两台升降机,左舷取消;也只有3台弹射器,不像“福特”级有4台

003只有右舷两台升降机,左舷取消。这是综合权衡的结果。中舰岛使得右舷前方设置两台升降机不实际,勉强挤进去的话,也影响停机位。升降机升起时,是可以兼做停机位的,但那样也就不能用作升降机了。

后升降机由于舰岛位置居中,反而使得斜跑道和舰岛侧面的间距增大,有利于在不影响降落作业的时候继续使用和移动飞机,利用率比“小鹰”级和“尼米兹”级上要高。实际上,003上的后升降机的作用可能比美国航母上更大。与“尼米兹”级相比,右左舷各取消一台升降机后,节约的重量可以用于更大的飞行甲板面积,增加停机位,对提高出动率的贡献更大。

前升降机与右挡焰板的位置齐平,使得右滑行道在运作时,有可能影响前升降机的运作。在低出动率的时候,舰艏右侧用作停机位,这个问题不大。在紧急出动的时候,舰艏左右滑行道都要使用,前升降机的使用就要受到影响,这时就要靠后升降机加紧运作了。“戴高乐”号上这个问题更大,两台弹射器和滑行道都侵入斜跑道,使得起飞与降落同时作业实际上不可能,斜跑道的作用降级为避免着陆失败时冲撞前方停放的飞机和更大的停机面积。这是吨位造成的尺度限制,没有办法的,航母确实是吨位为王。

两台升降机都集中在右舷,在右侧风浪很大的时候,可能都不能使用。不过在右舷风浪大到影响升降机使用的时候,正常的飞行运作可能已经停止,升降机能不能继续工作并不重要。另一个问题是,在强烈侧风侧浪时,舰船一般要转向迎风方向前进,才能保持稳定,所以强烈的右舷风浪中右舷升降机不便使用在实际中并不是太大的问题。

右舷升降机受到战损而不能使用是另一个问题,美国航母上左舷升降机实际上在不小程度上是因为这个原因而必须保留的。但“福特”级因为右舷两台升降机都在舰岛前方,间距相对较近,同时受到战损的可能性较大,必须保留左舷升降机,尽管在日常运作中使用不多。“尼米兹”级的间距更小,好在右舷舰岛后还有一台升降机,进出不便,但不至于没有升降机可用。左舷保留升降机还有机械可靠性的考虑,这是早期设计传统的遗留影响。

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003只有2台右舷升降机,取消的升降机的重量可用于更大甲板,所以003的左右舷的后尾都非常饱满,增加了停机位

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相比之下,右3左1升降机的“尼米兹”级的左后都要切掉一块,以平衡左右舷的重量,这是“布什”号

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“福特”号的升降机右2左1,右舷后甲板加大面积,但左舷还是要切掉一块。低于甲板的盒形结构是中空的,重量比实心、厚重的飞行甲板要轻得多

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但003不是没有遗憾的,右舷弹射器的挡焰板位置与右舷前升降机平行,使用时可能互相干扰

003则不一样,由于中舰岛,前后升降机的间距很大,同时受到战损的可能性较低。中国也可能对升降机的机械可靠性有足够的信心,所以没有左舷升降机的问题并不大。

左舷升降机使用不便,主要是作为备用升降机而存在的。003的吨位比002大有增加,但再增加也是不够用的。左舷取消升降机后,可以节约很多重量,这重量转用于左舷甲板可以增加舰艉左舷的外飘和停机面积。事实上,右舷节约一台升降机也同样节约重量,重量可转用于舰艉右舷的外飘和停机面积。权衡下来,对增加出动率的好处更大。

003的另一个独特的地方是采用3台弹射器,舰艏左右各一条滑行道,斜跑道上还有一条滑行道,这是世界上唯一的。“小鹰”、“尼米兹”、“福特”级都是4台(舰艏左右,斜跑道左右),“戴高乐”是2台(舰艏左舷和斜跑道左舷各一)。

弹射器越多,瞬时出动率越高。在蒸汽弹射的时代,弹射器的故障率较高,一定的冗余十分必要。另一个问题是,高温高压的蒸汽使得弹射器在反复使用后容易过热,需要冷却的时间,这也要求具有一定的冗余。

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4台弹射器日常用得上的其实只有3台

4台弹射器在理论上可以提供更高的瞬时出动率,但在实际上,斜甲板上的3号、4号滑行道在前端有所交叉,只能交替使用。在正常情况下,其中一个是作为备用弹射器使用的。因此,如果电弹的可靠性足够高,4个弹射器的出动率并不比3个增加1/3,而是相对有限。而减少一个弹射器的成本、重量效益是显著的。

另一个问题是实际需要出动的飞机数量,出动能力高于搭载飞机的数量就缺乏意义了。这牵涉到舰载飞机的选择了。

中国现有的主力舰载战斗机是歼-15,事实上,在可预见的将来,这也是中国唯一的舰载战斗机。但歼-15也是世界上最大的舰载战斗机,重量与F-14相当,但长度竟然还要增加3米。重量和尺度导致舰上占地较大,影响搭载数量和甲板上的调动,最终影响出动率。歼-15并不理想,但这里即有无奈,也是选择。

中国已经对苏-27的设计具有深入理解,也建立了完整的供应链,俄罗斯同源的苏-33已经上舰,中国以此为基础研制歼-15是自然的。但中国也需要能打的舰载战斗机,而不只是能飞的舰载战斗机。

中国航母要冲向大洋,首先要突破第一岛链,这意味着以“适用性能”为基调的中型战斗机并不能担任主力,只有性能最大化的重型战斗机才堪大用。这不仅是歼-15这一代的问题,下一代舰载战斗机也有同样的问题。中国航母不仅需要冲破F-15、F-16的封锁线,还需要冲破F-22、F-35的封锁线。这是与美国航母截然不同的。在遇到强敌的时候,美国航母有避战的选择,中国航母避战就直接放弃生存的必要了。

不断有传说“鹘鹰”要上舰,甚至有貌似“鹘鹰”的模型在武汉的“陆地航母”上进行甲板调动研究的图片流传。从理解航母设计和运作的角度来说,这些都是必要的,即使锁定重型战斗机,中型战斗机在航母运作中对出动率的影响也只有实践一下才能准确评估。但中型战斗机在中国航母上也是难当主力的。气动布局类似“鹘鹰”但放大一圈而实际重量和动力接近歼-20的“超级鹘鹰”是另一回事,这也是重型战斗机了。常规布局的“超级鹘鹰”与鸭式的海歼-20哪个更适合上舰,这是另外的话题,但中国舰载战斗机的主力始终应该是重型的。因此,搭载质量优先于搭载数量,三台弹射器的出动能力够用了。

这正是003的选择。“小鹰”级也好,“福特”级也好,该借鉴的地方都借鉴,但003最终是中国海军技术和海军战略的结果,体现的是中国特色。

003是中国航母发展历程中的里程碑,但这不是终点。003之后有004。按照002的先例,004大概率是003的小步改进,吨位和基本构型不会有太大的变化。但005就是另一个台阶了。

唯一可以确定是,005将继续采用CATOBAR和电弹,但吨位和动力就海阔天空了。

003的吨位比002有了显著的增加,但飞行甲板设计还是受到吨位的限制。比如说,挡焰板最好位于前升降机之前,这样较少互相影响。比照“福特”级,这需要把吨位增加到10万吨级。如果实际使用中验证了003的作战能力,弹射器和升降机的数量可以保持不变,但动力会有所改变。

假定相同的海军部系数,吨位增加到10万吨后,要保持29.5节的航速,功率需要增加到23万马力。考虑到电弹的发电需要,实际上以25-26万马力为宜。参照同样为10万吨级的“尼米兹”级的26万马力,这个估算是符合实际的。

这依然可以用锅炉和蒸汽轮机推进,常规动力的“小鹰”级的功率达到28万马力,甚至超过“尼米兹”级和“福特”级的26万马力,也就是说,并不存在只有核动力才能达到足够功率的问题。但锅炉的烟道决定了这可能依然需要采用中舰岛,因此是003的放大。

核动力当然是另一个选项,但航母堆的动力的门槛太高,很难与潜艇共用。“俄亥俄”级的S8G堆只能提供35000轴马力的推进功率,对于10万吨级的航母来说,40000马力级的潜艇堆也需要至少4个才能达到25节,这是不够的,必须全新研制。核动力的好处是便于采用前舰岛或者后舰岛,腾出更加完整的三角区,进一步改善甲板上的飞机调动和出动率。

但这都是下一步的问题。当务之急是003和004尽快下水,在实践中检验和优化新技术、新战术,并形成以航母为核心的水面战斗力。在万众期待中,003下水了。004应该也在路上了。

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■ 背景简介:本文来自西西河、爱吱声、观察者网的自由撰稿人晨枫,文章2022年6月17发表于微信公众号 晨枫老苑(003与中国航母),风云之声获授权转载。

■ 责任编辑:SS

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