霸权的“铁爪”——美国航母技术扫描
霸权的“铁爪”——美国航母技术扫描
本文由军事文摘（ID:mildig）授权发布
作者：柳正龙
美国拥有世界上最强大的航母舰队，在当前世界上不到20艘的航母中，美国拥有10艘，均为尼米兹级航母，是排水量达10万吨的巨无霸，并且正在发展的新一代福特级航母，性能将进一步提升。
在航母技术方面，美国自二战以后就执航母技术发展之牛耳，在航母弹射与回收、进近着舰等方面均拥有世界最先进的技术。
福特号航母构造图
弹射技术
蒸汽弹射器 蒸汽弹射器由英国在20世纪50年代发明，后由美国引进并不断改进，当前的应用对象包括美国尼米兹级航母、法国的戴高乐号航母、巴西的圣保罗号航母，共12艘。
美国海军目前应用的最先进蒸汽弹射器是C-13-2型（低压蒸汽弹射器）。C-13-1型比C-13-0型增加了汽缸长度，C-13-2型比C-13-1型增大了汽缸内径。C-13-1型可将约27吨的舰载我机加速至175千米／小时，C-13-2型可将约27吨的舰载机加速至254千米／小时。
电磁弹射器 蒸汽弹射器的装舰时间长，技术发展成熟，对航母的发展和能力提高作出了巨大的贡献，但是，蒸汽弹射器自身也存在许多不可克服的缺点：一是蒸汽弹射器维护困难，蒸汽弹射器的结构非常复杂，而且多由不规则构件组成，特别是蒸汽和水压设备，其维护工作历来都被认为是“恶梦”；二是蒸汽弹射系统需要大量的维护人员并且劳动强度很大，运行起来费用高昂；三是蒸汽弹射器能够弹射的飞机类型有限，虽然蒸汽弹射器最大弹射能力足够当前飞机使用，但它在低能范围内受到极大的限制，很难弹射较轻的无人机；四是蒸汽弹射器用高压推动飞机起飞，会对飞机产生不必要的应力，使飞机的结构受到破坏，影响飞机的使用寿命。
美军日常维护蒸汽弹射器
由于蒸汽弹射器存在以上缺陷，美国海军开始研发电磁弹射器，安装于新一代福特级航母上。电磁弹射器是利用直线电机产生的电磁力，带动飞机加速到起飞速度的装置。
美国在20世纪40年代曾探索电磁弹射器技术，如威斯汀豪斯公司研发了“电力弹射装置”样机，但由于当时技术不成熟且成本过高而无法工程化。20世纪80年代，美国重新开始研制电磁弹射器。
电磁弹射器项目组于2012年前共进行了129次飞机弹射试验（包括F/A-18E超级大黄蜂战斗机、T-45C苍鹰舰载机、C-2A灰狗运输机和E-2D先进鹰眼预警机），完成了第1阶段舰机适配性试验。2013年美海军开始第2阶段的飞机弹射试验，该阶段试验模拟不同航母工况，包括偏心弹射和设定系统故障弹射，从而验证飞机能否达到起飞末速度，验证临界弹射可靠性。6月25日，成功弹射EA-18G咆哮者电子战机。2013年电磁弹射器技术成熟度达到6级，在完成舰载机适配性和环境试验后，2014财年计划达到7级。
美国电磁弹射器的最大能力约为122兆焦，比C-13-2型蒸汽弹射器的101.69兆焦大20%，峰-均推力比可控制在1.05以内，并能够通过调节电流，对弹射力进行大幅度调节，满足弹射重型舰载机和轻质舰载机的需要。但美国电磁弹射器体积已达1061.4立方米，重量达630吨，未能达到美国海军体积不超过425立方米，重量不超过225吨的要求。
阻拦技术
液压阻拦装置 舰载机阻拦装置经历了重力型、弹簧型和液压型的发展，直到今天的美国Mk7型阻拦装置，Mk7型阻拦装置包括正常使用的阻拦索和应急的拦机网，其功用是吸收和耗散着舰飞机的动能。
液压阻拦装置工作时，着舰舰载机通过阻拦索把柱塞推入阻拦机的液压缸，迫使液压缸中的流体通过定长冲跑控制阀流入蓄液缸，直至舰载机完成平稳及可控的着舰回收。
美国航母采用的是Mk7型阻拦装置，其航母上配备的型号有Mk7 Mod2型、Mk7 Mod3型、Mk7 Mod4型以及“先进回收控制”系统。Mk7 Mod3型、Mk7 Mod4型阻拦能力较强，拥有64.4兆焦的吸能能力。Mk7 Mod2设计可阻拦重22吨、接合速度为120节的飞机，阻拦距离约94.49米。Mk7 Mod3（Mod4）设计可阻拦22吨重，接合速度为130节的飞机，阻拦距离为约103.62米。
2007年，美国在里根号航母上安装了先进回收控制系统，该系统在Mk7 Mod4型阻拦装置的基础上加入了计算机控制，这是美国在航母上配备的第一套数字控制的飞机回收系统。
先进回收控制系统利用精确的数字控制替代目前维护工作量繁重的系统，具备计算机反馈、增强型图显、可编程阻拦剖面和冗余的电子控制执行机构，可精确控制阻拦过程。该装置将显著改进美国海军舰载机阻拦自动化程度和控制，将使阻拦过程更精确，并改善系统性能，以满足舰队未来的需求。
涡轮电力阻拦装置 Mk7型阻拦机存在机械化时代的笨重、能耗高、可承受性差、需要维护运行人员多等特征。进入21世纪信息化时代后，新研制航母需要克服机械化时代的缺点，发展具有信息化时代灵活性高、智能化、省人省力、可承受性好、通用性佳等特征的飞机回收系统。因此，美国海军研制了自动化、电气化程度更好的涡轮电力阻拦装置，并安装于福特级航母。
涡轮阻拦装置是一种涡轮电力系统，最重要的构件是阻拦机和软件控制系统。其中阻拦机由水力涡轮、带一定惯量的锥形鼓轮、机械制动装置、感应电机和连接以上部件的旋转轴构成；软件控制系统能够对阻拦过程实施精确控制，使飞机获得恒定的受力，并控制飞机停留在甲板上的位置。先进阻拦装置能够回收轻质无人机，运行更可靠。此外，还具备人员需求少、维护工作量少、保障费用低、安全性更高等优点。
涡轮阻拦装置发由美国通用原子公司领导的团队进行，2003年，美国海军正式授予该公司研发合同。2005年2月，美国海军授予先进阻拦装置主承包商合同，预示先进阻拦装置的研制取得重大突破，有望取代液压阻拦装置。美国海军计划将这种装置安装到福特级和尼米兹级航母上。涡轮电力阻拦装置可在舰载机以45～87米/秒(162～313千米/小时)的速度着舰时，以12～95兆焦的能量将其减速。
涡轮阻拦装置拥有如下优点：可靠性更高，有助于提高舰载机的安全性；更适合于阻拦更重的舰载机和轻质无人机；降低舰载机阻拦过程中受到的应力波动，延长舰载机寿命；嵌入维修辅助系统，可以更及时、方便地实施维修。
随着未来航母向电气化方向发展，阻拦技术也将逐步摆脱液压时代的典型特征，向电气化、自动化方向发展，涡轮阻拦装置可能代表着未来的发展方向。
涡轮阻拦装置具备阻拦更轻质舰载机的能力，符合未来轻质无人机上舰的需要，满足未来的作战需求。
助降技术
着舰引导技术是航母舰载机进场和安全着舰的重要保障，包括光学助降技术和电子助降技术。这两种技术中，电子助降的作用范围更远，光学助降仅在飞行员可视范围内作用。当舰载机到达两个系统作用范围重叠区内后，电子助降信息和光学助降信息可以为飞机安全着舰提供“双保险”。
光学助降系统 光学助降技术是航母帮助飞行员准确定位进场和着舰路线，使舰载机安全着舰的目视保障技术。
20世纪60年代美国研制了菲涅耳透镜光学助降系统，后者广泛应用在国外航母上。20世纪90年代末，美国研制了改进型菲涅耳透镜光学助降系统，用于替代菲涅耳透镜光学助降系统，并于2001年—2004年安装到美国海军各艘航母上。美国还研制了作用距离较远的激光助降系统，于2001年—2003年期间安装到各艘航母上，成为改进型透镜光学助降系统的重要补充。
菲涅尔透镜光学助降系统
改进型菲涅耳透镜光学助降系统与菲涅耳透镜光学助降系统相比，主要优点是使驾驶员在离触舰点更远处（白天为1.61千米，夜间通常为1.93～2.41千米）就能收到更准确的下滑坡道信息。这通过将透镜高度从1.27米增加到1.83米、灯箱由5个增加到12个，并采用光学纤维和印刷电路板实现，使同样距离内下滑坡道信息更敏感，使驾驶员更精确和更早看到光球的移动，从而能更快地做出修正动作。改进型菲涅耳透镜光学助降系统的另外一项改进是提高了系统内部稳定性，用透镜运动去补偿舰的运动，而不需要整个平台运动。
菲涅耳透镜光学助降系统的作用距离只有约0.75海里（改进型菲涅耳透镜光学助降系统有效作用距离约为1.25海里），当得到这些系统的指示时，飞行员调整飞机的时间较短，约为18秒左右，尤其在夜晚和能见度差的白天特别容易产生较大的下滑角偏差，仅依靠光学助降系统调整舰载机更显仓促。
激光助降系统可提供远程精确目视进场引导，特别是夜间飞行时，可在距离航母10海里处（最远甚至可达15海里）开始为舰载机飞行员提供光学对中和下滑信息，使飞行员有充足的时间调整舰载机，大幅度提高了着舰安全性和成功率。该系统使用激光作为光源，激光束衍射非常少，形成的进场航路边缘非常清晰，有利于飞行员辨认，可以迅速判别舰载机是否偏离航道。
电子助降系统 电子助降系统包括战术无线电导航系统、进场雷达和进场着舰系统。
美国海军航母的进场与着舰系统配置为：1部塔康战术无线电导航系统、1部SPN-41进场雷达、2部SPN-43交通管制雷达、1部SPN-44测速雷达、2部SPN-46着舰控制雷达。塔康为飞机提供无线电返航的方位和距离信息；SPN-43C航母进场雷达将归航的飞机引导到距航母舰尾7～93千米之间的某个集合点处，根据飞机燃油和安全状态确定着舰优先次序，然后再将其引导至距航母7千米处的着舰雷达（SPN-42或SPN-46雷达）捕获窗处。
美国现有的进场与着舰系统存在以下问题：精度不够高，不能很好的解决舰载机与航母飞行甲板精确同步的问题，不利于舰载机稳定、精确的着舰；舰载雷达系统体积庞大，不能很好的利用舰上空间，不利于装载上舰；抗干扰，特别是抗电子战能力差，在要求无线电静默状态下不能工作。因此，美国海军开始研制新的进场与着舰系统——联合精确进场与着舰系统。
联合精确进场与着舰系统于2001年7月利用F/A-18飞机对该系统进行了首次自动着舰试验。据称，海军型联合精确进场与着舰系统性能已经赶上或者超过了目前相应的系统。美国将在福特级航母上采用该系统，北约也正在考虑采用联合精确进场与着舰系统。
联合精确进场与着舰系统是一个军用的、全天候的精确着舰系统，它使用差分GPS为飞机提供全世界范围内的陆地或者海上降落的能力。联合精确进场与着舰系统有助于提高美国部队的联合作战能力，使其在不同气象条件下完成固定基地、战术、特殊任务和舰载着陆。此外，它还能满足作战无人机的着舰引导需求。
动力技术
美国航母核动力装置经过半个多世纪的发展，技术已经比较成熟。目前10艘尼米兹级航母均采用核动力。其中，（CVN68～77）采用A4W/A1G型压水堆，每舰2堆，4轴，总轴功率280000马力。
A4W、A1G型压水堆
美国福特级航母也采用核动力，但现有A4W/A1G型反应堆难以满足新的电力需求；另外现用反应堆需要维护人员较多，全寿期费用较高。因此，美国为福特级航母研制了新型A1B型反应堆。
A1B型反应堆布置更紧凑，功率比尼米兹级航母反应堆提高25%，整艘航母发电能力为尼米兹级航母的2.5～3倍，达160兆瓦以上（尼米兹级航母发电能力为64兆瓦），能提供更充足的电力，满足电磁弹射器以及未来高能武器上舰的需求。新反应堆简化了结构，提高了可靠性和自动化程度，可大幅减少维护工作量。该级航母计划把舰员从尼米兹级的3000余名削减至2500人，主要削减反应堆部门与航空部门，其中反应堆部门人员将削减至尼米兹级航母的一半。
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