航空母舰的选型与结构 [摘自NAAS]

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导读:航空母舰的选型与结构 [摘自NAAS]
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现代航母是一种复杂昂贵的海洋浮动堡垒,是现代海军作战的核心,每一个航母国家和即将成为航母国家都会非常仔细认真地面对这种海战武器之王。建造航母需要倾一国之力,从策划到设计选型,到技术研发,到建造,到训练成军需要15-20年的时间,航母决定一国海军在未来30到50年以内的海洋作战能力和战略威慑力,因此,世界各国发展航空母舰时的一举一动都会受到民众、国会、军队甚至国外媒体和政府的高度关注,航母这种高度敏感的武器还容易导致周边军备竞争升级。因此不管从国计民生还是对外政策来说发展航母都不是一件容易作出的决策。本文从中国当前的环境和技术基础出发探讨中国未来建造航空母舰的策略。中国在进入2000年以后经济实力不断增长,在军事装备现代化方面也开始大胆开明地更替。由于中国全球工厂地位的确立,海上运输线对中国的经济开始起决定性的作用中国生产的产品有85%以上通过海洋运输销售到世界各地j有70%的石油、钢铁、铜等原材料通过海洋运输从世界各地运到中国海洋利益已经可以决定中国的发展和生存,因此中国最近10年中都在大力更换海军装备,从江南4舰到大连的115, 116,还有从俄罗斯购买的现代级军舰,中国海军开始从原有的沿岸防御的近海海军走向远洋作战的蓝水海军的道路。航空母舰是这条道路的顶端,也是发展蓝水海军的必由之路。国外媒体从20世纪90年代起就在不断猜测中国会发展航空母舰,各类小道消息满天飞,各种可能都被推敲了一遍。这种猜测大多都是捕风捉影,只要中国建造大一点的船舶都有可能会被说成是航母,海外对中国航母问题的高度敏感实际上说明了周边国家对中国发展航母的策略非常紧张,他们不希望中国海军强大希望用媒体的力量警示和监督,制造“中国威胁论”。中国实际上是一个大陆性国家在国家意识方面海洋意识一直都不够重视尽管中国有着巨大的海洋版图但这些版图大部分都不在中国的控制范围内中国海军在2000年以前只具备对大陆海岸线外50km的控制力和100km的作战能力,连宽度不到300km的台湾海峡都不能覆盖,作战水平和作战实力在全球海军中排名大约被排在34名,连美国海岸警卫队的实力都不如。正因有着巨大的差距,中国在2000年以后重点建设海军装备现代化,希望能在一定程度上弥补当初发展失衡的缺陷。中国航母问题再度成为关注的焦点。


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经济因素决定一切


是否发展航母是由一个国家的国家意志和军事需求来决定的,但能不能发展航母,可以发展多大的航母,则是国家经济因素决定的。目前国际上出现的航空母舰大约有大型、中型、轻型这三种级别,以2008年的币值计算,美国建造的CV-77乔治·布什号航母排水量10万吨,全寿命费用预算约为12。亿美金;法国计划发展的PA2黎塞留号航母排水量6.5万吨,全寿命费用预算约为55亿—65亿美金;英国发展的CVF伊丽莎白一世号排水量7.5万吨,全寿命费用预算约为40亿美金;意大利加富尔伯爵号排水量2.8万吨,全寿命费用预算约22亿美金;最廉价的航母是泰国的差克里·纳吕贝特公主号排水量1.1万吨,航母建造费用仅2.85亿美金,飞机采购费用9架AV-8S总计9000万美金,6架S-70B海鹰直升机1.38亿美金,全寿命费用总计约7亿美金,比一艘排水量9000吨的阿利伯克级导弹驱逐舰还要低30%以上;印度从俄罗斯获得的维克拉马蒂亚号目前花费了大约22亿美元在航母改造上,飞机花费了7.4亿美金,总费用预计30亿-35亿美元;新建造的蓝天卫士号全寿命费用预算22亿一28亿美金;性价比最差的当数法国核动力航母夏尔·戴高乐号,排水量4.2万吨,目前全寿命费用预算已经达到75亿美金。


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从费用来说,通常全寿命20亿美金以下的都是轻型航母,比如英国的无敌级、西班牙的阿斯图里亚斯号、意大利的加里波第号、泰国的差克里.纳吕贝特公主号、印度的维克兰特号,这些航母排水量在2万吨上下,使用鹞/AV-8系列飞机和直升机,作战能力局限性很大,大多数航母都只有极为有限的防空能力,不能组织有效地远洋舰队制空防御。不过他们还是基本具备航空母舰的基本要素,具有很强的攻击能力,一艘载9架鹞式战斗机的轻型航母一个波次可以向200km外投掷大约30吨弹药,而一个现代化的导弹驱逐舰编队最多只能做到10吨左右;鹞还能向700km以外投掷12吨弹药,这种能力只有搭载美国战斧式导弹的驱逐舰才有。这种驱逐舰一艘的价格就超过无敌级航母,而三艘以上的投掷能力总和连无敌级一个波次投掷量的一半都不到。


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由此可见,即便是轻型航母作战威力也是非常惊人的。轻型航母的作战性能很大程度上取决于飞机系统,它的费用构成中一大半也是由飞机构成的。由于垂直起降型战斗机是特殊装备,没有哪个国家把它当做主力装备发展,因此可选择的余地非常小,从20世纪60年代末到2010年,世界各国唯一可选的垂直起降型战斗机是英国生产的鹞式战斗机这种亚音速飞机很大程度上只能被称为一种轻型攻.击机叫做战斗机颇为名不副实•1982年英.阿马岛战争英国的鹞虽然取得决定性胜利,但是它构建的防空体系漏洞百出。1982年以后,英国虽然在FGR2上增强了飞机的中距拦截能力,但很快就放弃了这个型号,转而专心增强航母的攻击特性,由空车专业攻击机GR7/GR9取代了FGR2。由于可选择余地小,鹞的价格决定轻型航母的造价和全寿命费用。新一代战斗机里,美国海军陆战队发展的F-35B是唯一的希望,这一种超音速飞机最大的优点是攻防兼备,它能让轻型航母在真正意义上满足一艘航空母舰的防空与攻击的双重任务要求。以欧洲各国来看,年度国防预算达到20亿美金一是可以装备轻型航母的临界点,这个国防预算可以容忍一艘全寿命费用不超过12亿美金的轻型航母。泰国国防预算不足这个数目,它虽然建造了一艘新航母,却只能购买二手飞机来建设舰载机机队,同时预一算不足导致这艘航母缺乏足够的战斗巡航从时间,大部分时候这艘航母停留在港口休憩,出海时,也主要使用费用较低廉的直升机,操作较为复杂的AV-8S鹞式战斗机很少在海上操作。泰国海军仅保留最低限度的飞行员训练飞行小时,尽管拥有威力强大的航母,但他们没有足够的经费运行它。国防预算达到28亿一35亿美金的国家可以支持1-3艘轻型航母的运作或者可以支持一艘简易的中型航母,印度和巴西就是这样的国家。巴西通过购买法国退役的富熙号中型航母在米纳斯吉拉斯退役后获得中型航母圣保罗号,不过非常令人匪夷所思的是巴西竟然用已经停产接近30年的A-4M作为圣保罗号的舰载机,这种中型航母和落后的舰载机搭配获得的战斗力还达不到普通的轻型航母搭配鹞式战机的作战能力。二手航母的选择余地过小是巴西不得不这样做的原因,费用低廉是最大的好处。巴西获得圣保罗号总体费用预算不超过5亿美元仪与建造一艘中型导弹护卫舰差不多。巴西曾与西班牙联合研制轻型航母SCN-220,这种23000吨的常规航母造价约12亿美金,需要向美国购买弹射器和拦阻器,还需要单独为其研制一种专用舰载机总费用预计将达到40亿美金,超出巴西的承受能力,因止 “圣保罗”号的存在还是一个相当合理的方案。当国防预算达到400-800亿美金时,海军有实力建造一艘大型航母或者2-3艘中型航母。印度海军每年军费大约460了乙美金,他们还有单独的大型装备采购费,这导致印度海军一直期望建设三支航母海军舰队日前印度海军的航母在沿着轻型化的维克兰特号(2万吨)—维兰特号(2.8万吨)一维克拉马蒂亚号(4.5万吨}一蓝天卫士号(4万吨)这样的中型化道路前进。在俄罗斯建造的维克拉马蒂亚号2004年时全寿命预算达到22亿美元,后来经过两次涨价风波,现在预算达到37亿美金,比之前运作维克兰特号和维兰特号两艘航母的费用总和还要高,但是以印度海军的预算水平,这样的费用还是可以承担的,只不过会导致挤压另一艘在建航母的经费。蓝天卫士号的建造会受涨价风波的影响,需要更多的财政年度拨款来抵消影响。印度为发展两艘航母总共准备了约65亿美金,这是与这两艘航母吨位相当的。法国海军一年国防预算在500亿~600亿美元之间,他们有能力和有技术独立发展航母。戴高乐号原预算全寿命费用为45亿美金,但是过多地集成新技术导致这艘航母严重超支,特别是法国海军连年采购费用被议会削减,被迫拖延建造时间来积累更多财政的拨款,导致航母原定4年的建造一期被拖到11年,大量的船坞占用费和人工维护费让军舰建造费用上涨了70%,最为不幸的是,在试航阶段出现了螺旋桨断落的重大事故,又额外花费了一笔巨款用于更换和维修,实际花费恶性膨胀到无法控一制的地步。同样的噩耗也出现在海军的阵风M战斗机上,这种先进的舰载机发展并不顺利,由于一直无法得到外销的成绩,阵风战斗机的研制费用只能由法国政府独一自承担,预算不足也同样导致研发延期,飞机费用恶性膨胀,到2009年,法国海军仅装了不足11架F2标准的阵风M,和原定的32架差距巨大,航母一直无法形成完善的战斗一力,而费用已经超过早期克莱蒙梭与福熙两艘航母的总和,预计夏尔戴高乐航母的总费用会与一艘美国大型常规航母持平,达到75亿一80亿美金。鉴于夏尔戴高乐的灾难,法国海军在长达20年的时间内没有办法再提第二艘航母的建造计划。2008年,PA2黎塞留号航母的计划提出,已经不再是建造第二艘戴高乐级航母了,他们吸收为英国设计CVF航母时在可接受费用方面的创新和努力的经验,提出与英国联合研制,共用部分资源和设备,节约建造开支。实际上这是一向奉行独立自主的法国人负担不起昂贵的航母开销,在向经济低头。英国是全球排名第二的军费开支国,每年预算可达800亿美金,英国传统非常重视海军的建设,CVF是英国海军一个伟大的创举,他们利用50年来积累的革命性的新技术实现了航母建造费用和作战能力的新的综合,让英国海军重新有能力返回大型航母的海军行列。CVF计划历经15年的设计研究,最终选择了了5万吨的短距起飞垂直降落平台,两艘航母的全寿命费用预算仪为8。亿美元,还不到一艘美国尼米兹级航母的2/3,2008-2010年,中国国防预算大约处于印度和法国军费水平之间的程度,基本达到可以使用航母的门槛。由于中国无法从西方获得鹞式战斗机和F-35B闪电11战斗机,建造轻型航母的可能性基本不存在。中型航母方面,印度的维克拉马蒂亚号是一个很好的示例,它使用中型的米格29K舰载机,军舰建造费用在20亿一30亿美金间,飞机的采购费用在10亿一16亿美元之间。也就是说,建造一艘中型航母的花费在35亿-40亿美金。


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中国目前的经济水平和军费水平与世界发达国家相比还是比较低下的,比如中国海军年度军费支出总额在全球排名只居于34位,也就是说我们的海军支出比很多不发达国家还要低,建造航母这种巨额投资并不是轻易可以作出的。所幸的是,中一国经济在最近的10年中还处于高速发展的阶段,每年GDP还在以8%一10%的速度增长,大多数西方观察家认为中国在10年以后经济水平就能超越英国成为世界第三,军费也会慢慢增长到全球前7位的水平。富国强军,这是一个很好的良性循环。经济的良性发展是中国实现建造航母的最坚实的基础,现在最基本的门槛已经迈过,也就是说发展的基本条件已经具备,只要政治和经济时机成熟,发展航母是非常有可一能的。


什么决定航母的大小?


很长的时间里,我们都认为航母的大小是由采购的经费所决定的,在只有弹射器和拦阻器构筑的常规航母时代,这个理论是成立的。最新的科学技术总是改变着我们的传统观念,在过去的50年中,飞机的技术在日新月异地发展,航母的技术也同样飞速进步着,由于垂直起降战斗机技术和短距起降技术的普及与斜板起一飞技术的出现,新式航母降临了,尽管有着这样那样的不足,新式航母能够最大程度地避免传统航母技术日益大型化和复杂化的趋势,简单意味着廉价,建造费用与航母的大小之间开始出现比较复杂的关系。设计一艘航母,首先是起飞降落的基本方式决定航母的最小尺度,比如常规航母中.航母飞行甲板的长度由弹射器长度和斜角甲板长度所决定,美国尼米兹级航母弹射起飞区长约100米,斜角降落跑道长238来,全长333米,基本等同于起飞区长度和降落区长度之和。如果建造一艘正常起降当前所有舰载机的航母,蒸汽弹射器长约100米,降落跑道最短大约需要200米,航母甲板最低长度不小于300米,排水量约为7.5万吨,如果允许舰载机性能较低,比如不起飞较重的飞机,蒸汽弹射器长度可以缩短到75米,航母长度可以缩短到270米,排水量大约为4.5万吨。常规航母在4万吨左右会遇到一个实用化瓶颈,如果想再缩小航母尺度,就必须让飞机性能进一步折中,比如限制飞机起飞降落重量低于20吨,重叠起飞和降落区,让航母运行效率降低,这样的航母最小可以降低到2.5万吨左右。美国的研究表明,过度航母排水量并不能大幅度降低航母的造价,反而会让航母的战效能大幅度降1低,比如3万吨的常规航母造价和4.5万吨}的航母价格相差不足7%,而作战性能差距1可能会达到50%以上。采用斜板起飞机技术的航母目前有两种类型。一种是采用常规规拦阻降落的,由于起飞区需要一个接近一200米起飞跑道,同时也需要一个长度大约为200米的降落跑道,如果按照传统的设计方法需要有一个长度大约200米的飞行甲板,这个尺度让航母的排水量达到15万—20万吨,显然这是不经济的。因此,目前斜板起飞技术的航母大多数会让起飞跑道和降落跑道进行一定程度的重叠,或者平行于降落跑道设计起飞跑道,这样可以将长度控制在270-300米以内。垂直降落型的航母,它只需要25x17米的一个降落区域,航母尺度最小可以达到200米以内。传统的航母设计方法是飞行甲板设计第一,他们先布置好甲板的各项功能和满足起飞降落的各项要求后,再为这样的甲板配一个舰体。


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但是航母的大小需要考虑很多限制条件。首先是吃水深度,海军的各种港口和近海驳岸以及必须交通的河流、峡谷等地区的最小通航深度决定航母的吃水深度,比如在二战后美国海军研究发现,二战中美国主力的舰队航母排水量在2万吨到4万吨之间,美国国内有67个港口可以直接靠泊,全球大约有200多个港口可以靠泊,而当9万多吨的尼米兹级航母出世以后,全球可以直接靠泊的港口降低到不足25个,其中的17个还是美国海军特意修建的。就中国国内港口来说,军港和民港发展严重不平衡。民用港口在1990年以后数度大兴土木进行扩建,在上海、湛江、海口、大连、青岛、连云港等地建设了许多可以直接靠泊5万一8万吨级散装货船的深水港,部分港口甚至可以提供15万吨的散装货船的直接靠泊。而军港方面,中国从未建造过吃水较深的大型军用船舶,目前最大的军舰排水量仅接近1万吨。中国海军目前最大的船舶是船型与民用船舶接近的大型综合补给船,排水量约4万吨。目前全国军港基本没有能够直接使用的排水量超过6万吨的码头,这对发展航空母舰是一个巨大的限制。幸运的是,中国海军在1995年以后就认识到按照以前苏联的简易港口的发展方法不适合现代化海军舰艇,已经在仿照西方发展功能齐全完善的大型海军基地。目前,正在建设中的数个海军基地已经拥有8万一10万吨级船舶直接靠泊的能力。


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航母的大小还受到建造国工业实力的限制,特别是关键技术构件,比如动力系统。目前最好的航母动力系统是核动力系统,但是除了美国以外,没有任何一个国家为航空母舰专门发展专用的核反应堆法国在夏尔戴高乐号上使用8座核潜艇的核反应堆,不仅动力不足,而且建造总价格比同样功率的美国反应堆贵了3倍以上,占用航母容积也大了35倍,非常不经济和不实用。蒸汽动力是最容易获得的,中国旅大级驱逐舰使用的蒸汽动力系统,单轴输出最大功率大约5万马力。航空母舰一般会采用4轴驱动系统,4轴总共可以获得20万马力的驱动力,大约可以推动5万吨级航母达到33节或者了5万吨级航母这到30节,8万吨级航母达到28节以上航速。蒸汽动力系统是对中国建造航母限制最小、最廉价最易获得的动力系统。最近几年,燃气轮机在大多数军用船舶上取代了蒸汽系统的地位,英国海军未来的伊丽莎白一世号将使用先进的燃一电驱动方式,比蒸汽机加速性提高400%,节省燃油50%以上。中国海军目前仅拥有从俄罗斯引进的燃气轮机G丁025000,输出功率3.6万-4万马力。如果采用燃一电系统,可以采用6-8机组驱动的方式,总功率可达22万一30万马力,足够驱动8万一10万吨级的航母;如果采用直接机械驱动,4机组最大输出功率约5万马力,只够驱动4万一5万吨级的航母,或者只能满足6万一8万吨航母最大航速26-28节。目前最佳的燃气轮机是美国的W R-21,这种最新最先进的燃气轮机是目前油耗最低的。而英国罗伊斯罗尔斯MT-30则是目前最适合航母使用的燃气轮机,MT-30输出功率大约36兆瓦,油耗比LM2500低15%-30%,配套的大功率发电机和电动机4轴可以驱动10吨以下的航母。英国CVF采用两台MT-30双轴驱动可以让7.5万吨的航母达到26-28节航速。综合而言,对于中国来说,目前最容易、最有可能的动力系统还是在蒸汽动力系统进行发展,中国从俄罗斯引进的现代级的TB-12蒸汽动力系统是中国军用船舶动力系统中功率最大的机组,目前已经应用在大连建造的115, 116大型导弹驱逐舰卜,这一套蒸汽动力系统和库兹涅佐夫号以及瓦良格号仁的蒸汽动力系统有血缘关系,输出功率较库兹涅佐夫号上的略小。基于海军动力系统统一的意义,使用这一套蒸汽系统是很有意义的,它可以与现代级以及大连建造的115、116这类使用蒸汽动力的驱逐舰组成航母编队,动力组件同一型号可以使用同品种的燃油和同一个零备件库,便于维护保养,简化维护训练和支援。


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船厂的干船坞也决定航母建造的尺度大小。通常的干船坞主要是为民用船舶设计,长宽都较小,一般的民用船舶的长宽比大约为6: 1左右,而航母的长宽比小于5: 1,现代航母的长宽比有些达到3.5: 1,因此,干船坞的宽度决定航母建造的尺度。有时候我们在国外媒体看到中国在建设30万吨级干船坞时,国外媒体上会提到这个船坞的航母建造可能性。一艘30吨的油船长大约300米,宽约65米,一艘6.5万一7.5万吨航母通常的尺度是长300米,宽72米,目前中国在大连和上海各有一个30万吨级干船坞,都具备航母建造的潜力。


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网上流传的上海江南造船厂长兴岛厂址模型中,2号线的船坞中赫然摆放着一个航母模型,似乎表明这个船坞具有航母建造能力,而江南造船厂民兴岛最大的干船坞并不是2号线,还有一个更大的船坞,中国已经有条件建造6万一10万吨级的航母了。


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在中国,建造航母有两种思路。一种是以俄罗斯目前建造的航母为依托,以测绘大连的瓦良格号为基础,建造一艘库兹涅佐夫的仿制品,这是一种比较稳妥和保守的方案,航母的船型和水线性能、动力系统、甲板布局、舱室分配都不用花太多精力,这些都是设计好了的,有俄罗斯大量实际使用经验可供参考,除掉那一被证实无用的反舰导弹和远程防空导弹,大部分设备都是现成的或者可以从俄罗斯购买,研发和设计的费用最低,以这个一准发展一艘6.5万吨的航母大约会花费30—0亿美金。另一种声音则希望完全自主研发,库兹涅佐夫号设计有大多地方不合理和过于保守,中国可以聘请法国DCN或者意大利专家做设计咨询、甚至俄罗斯涅瓦设计局也可以,用最新的设计思想和}优化的方式仿照英国CVF的樟式i4计新航母,新航母排水量8万吨,综合CVF和CVNXmod3的布局设计,综合发展费用大约50亿美金。现在可以确定的是,中国并不急于发展航空母舰技术,而希望转为把各项事务和基础研究做得更扎实一点一同时,中国建造航母的尺度应该会不小于目前唯一可供参考的瓦良格号,以前国内媒体支持的中型常规航母的提法是不科学也不现实的。


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航母的几个参数


航母是一种复杂的功能性船舶,有许多特殊要求决定了航母作为船舶的基本性能和设计取值,建造设计航母的难度主要也体现在这些特殊要求方面。


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首先是航母的耐波性。航空母舰在海上行驶,飞机在甲板表面露天操作,风浪 对航母有着非常直接和严重的影响。航母在航行中会产生6个自由度的摇摆,其中又 飞机操作有最直接影响的是航母的纵摇、横摇和垂直方向的运动(升降幅度、速度和加速度)。其中横摇是与甲板飞机和人员移动直接相关的,通常,可以比较正常平稳地进行甲板操作、飞机移动、装卸弹药、加注燃油等需要航母的横摇角在1度以内,能够操作飞机的极限不大于3度。而纵摇方面则和飞机的起飞和降落有关,对于常规弹射起飞和拦阻降落来说,通常不大于1度,最大不能超过1.5度,否则起飞是,遇到埋首飞机可能会直接掉进海里;使用斜板起飞的飞机对纵摇没有那么敏感,因为上翘的斜板将飞机抛向空中,比弹射器的下沉安全虚度,可以耐受3度的纵摇。航母时时刻刻都在运动中,纵摇和横摇一直都存在,不同的情况下对飞行员技术的考验非常大。美国海军发现,在4一5级浪的情况下,航母纵横摇幅度不大,普通的飞行员可以正常操作;而如果达到6-7级海浪、8级风时,仅有极少数顶尖飞行员可以完成起飞降落任务。航母的设计稳性和对应期望的可操作海情直接相关。通常,航母设计的运作海情是以5-6级海浪为基准,尽量降低指定海浪高度下稳心的高度。航空母舰是一种舰体高大的船舶,大幅度外飘的甲板以及甲板敷设重甲都会导致稳心 上移。稳心距离水面的高度决定航母的稳定性,而稳性的好坏直接决定航母在大风浪时的操作能力,以及日常高效率操作气候的耐受度。法国航母克莱蒙梭号稳心高度设计在距离水面2.5米高,横摇周期16秒;在夏尔戴高乐号上,法国人大幅度降低了稳心的高度,从2.5米降低到1.5米,横摇周期降低到24秒,不仅避开了5-6级海浪中最 常见的11秒海浪周期,还对海浪的诱生力矩更迟钝,比克莱蒙梭号横摇幅度减小了60%,纵摇幅度也减小了10%,全效率操作海情日比克莱蒙梭号提高了34%,在许多以前不可操作的海情下,戴高乐号还能保持一定的可用操作效率,大大提高了恶劣气候下的战斗力,其海洋作战适应性获得提高。排水量较大的船舶因惯性原理的影响,纵摇和横摇周期较较小的平台长,比如5万吨的船舶比3万吨的船横摇周期大25%,因此,在同样的设计标准情况下,排水量较大的船舶允许把稳心的设计高度适度提高。比如美国航母从中途岛级的6万吨到尼米兹级的9万吨的发展过程中,稳一七心高度从3米逐渐提高到3.4米,稳心的提高幅度产生的横摇增幅小于排水量增加减小横摇的增幅,实际上,9.68万吨的斯坦尼斯号横摇水平和戴高乐号基本处于同样的水平。显然,大型航母较高的稳心设计起来较为容易,抗浪性更容易做得更好。法国戴高乐号航母为了减小纵摇和横摇花费了很大的精力,设计了复杂的滑动平衡块、减摇鳍和减摇舵,比大型航母花费了更多的经费用于复杂的设备。


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航母的纵横摇性能是操作飞机所必须的,现代航母长度从240米到330米不等,巨大的排水量与纵横摇时舰体浮力差会产生巨大的力矩,这对航母结构刚性提出很高的要求。在二战期间,航母大多采用瘦长的高速船形,最大弯矩37万吨/米,最大弯矩处挠度达44mm o蒸汽弹射器的出现导致对舰体刚性提出了更高的要求,它的汽缸精度要求非常高,不允许有任何的弯曲变形。通常美国航母把弹射器设计在舰舷这类弯矩和挠度应力较小的区域,但是舷侧的弹射器往往会出现在最大弯矩处,选择较小的长宽比和较大的排水量可以保证更好的结构刚度,选择更高强度的钢材和优化结构设计能获得更好的结构设计。最新的尼米兹级航母最大弯矩增大到89万吨米,而最大弯矩处挠度仅28mm。早期航母长宽比大约在9.5,二战末期达到8.5,最新的尼米兹级航母长宽比大约为7.6,最新的英国CVF航母水线长宽比仅6.40



航母的长宽比与航母的航速要求有着直接的关系,不同的航速下有对应不同的长宽比,通常,16-22节的船舶最佳长宽比大约为6,而33节以上的船舶最佳长宽比为讨,航空母舰是需要高速航行和长期巡航远航的船舶,在上述那些稳性和刚性的要求约束下,长宽比日益倾向于中速巡航的效率。但是较小的长宽比要想实现高速航行需要付出更大的输出功率,燃烧更多的燃料。二战期间的舰队航母通常都具有33节以上的航速,一些功率强大的美国航母甚至能跑到35节以上,当时的舰载机基本靠自身动力短滑跑起飞,军舰航速越快,越有利于飞机起飞。喷气机时代军舰的航速产生的甲板风也有同样的作用,但是与二战时期相比,当时舰载机起飞速度大约只有60-70节,航母跑30-35节可以达到起飞速度的一半,可以缩小滑跑距离的3/4喷气机时代,飞机起飞速度超过140节,甲板风的贡献从75%降低到20%以内,特别是后来设计的航母大多有弹射器帮助,不需要特别高速的甲板风或要求顺风起飞,斜板航母则大多数要求零速起飞,因此,航母对航速的要求降低了。另外,航速降低还有人机工程学方面的问题。二战期间,飞机放飞基本不需要太多的甲板操作人员跟随,而现代航母则必须有三十几名工作人员全程服务,35节以上的甲板风对人员的影响非常巨大,特别是还有喷气发动机的高速尾流。较低的航速有利于减小甲板工作人员的体力负荷,提高甲板操作效率。美国海军研究发现,同样的船型}下,航速与功率的关系是非线性的,最大航速的功率与航母的长宽比有着直接的关系,通常最大航速30节与35节时所需的功率至少需要增加一倍以上,比如美国埃塞一克斯级航母总功率15.7万马力,最大航速32节,同样排水量的戴高乐号,总功率只有7.7万马力,最大航速也有27节。有趣的是,航母的排水量和动力的功率没有直接的比例关系,比如在35节时,10万吨航母一所需要的功率和3万吨航母相比相差不足10%。英国CVF航母排水量达到7.5万吨,比一戴高乐级大了近一倍,总功率仅8万马力,最大航速也有26节。航母最大航速降低有许多好处,最直接的好处是燃油消耗率大大降低了,27节时航行的航母耗油量只有33节时的一半,从巡航速度18节加速到最大航速所用的燃油消耗只有1/40燃油消耗量降低能够直接提高航母远洋作战的航程,减少补给次数和对补给的需求程度,后勤配置费用可以降低一半以上;同时,航母航速降低也降低了对护航舰艇的航速要求,降低了整个舰队的燃油消耗,导致后勤需求费用节约的倍增效应。航速降低后,航母主机的功率要求大幅度降低,小功率的机组也可以用于航母设计了,比如设计最大航速从33节降低到28节,可以在6万吨以下的航母上直接使用当前驱逐舰级别的动力,不需要单独研制动力系统,这可以节约大量的费用。英国CVF项目则选择新的燃气轮机,而只用2轴输出代替以往航母的4轴输出,大大简化了动力系统以及轴系设计,简化了舰体结构设计,释放了许多空间,同样大幅度节约了航母的建造费用。最大航速的降低还减小了航母结构所承受的海浪动载荷的强度,减少了动力系统的震动,整体结构设计要求也大幅度降低,结构建造费用可节省15%以上。航母航速降低还有个好处,就是甲板工作人员的舒适度会增加,35节的甲板风可以对站立的人产生 20-30千克的迎风推力,而27节只有10-12千克,甲板工作人员的体力消耗有很大的区别,有利于提高航母的操作效率,减少甲板工作人员数量。航速降低也有很明显的缺点,它会让甲板风速度降低至少5节,5节的甲板风至少可以让飞机少携带200~500千克载荷,对于斜板滑跃起飞的航母来说,5节甲板风对起飞载荷和起飞安全性有很正面的作用,但是出于安全性和操作可靠性方面的考虑,通常设计舰载机的甲板风上限只有25节,仅有早期航母因蒸汽弹射器功率不足,部分飞机需要35节甲板风才能最大重量起飞。鉴于降低航速好处多干缺点,现代航母除美国核动力航母动力充足有现成成熟的设备不需要考虑外,都一定程度考虑减低航母速度。现在主流的意见还是认为航母速度不宜低于30节,但是许多海军在建造新一代护卫舰时,设计最大航速仅27节,因此,舰队最大航速降低到27-28节也是合理的,否则将不能整合整个海军的系统,无法获得最大的战斗力调度。


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现代航空母舰体型巨大,要求极高。它与普通船舶不同的是有很高的破损安全要求和强度刚度要求,二战时期建造军用船舶的钢材屈服强度只有250-450兆帕,现在的民用船舶沿用这种类型的钢材。50年代,现代航空母舰开始使用550兆帕的特殊高强度钢;60年代以后含钛镍钒高强度合金钢取得突破,出现了HY80,屈服强度高达800兆帕,广泛用于美国建造的潜艇和航空母舰;80年代以后性能更好的HY100钢屈服强度已经达到1000兆帕,很快就取代了HY80成为航母主要用钢。除美国外,能批量生产HY80以上牌号钢材的国家只有英国、法国、俄罗斯,英国建造无敌级航母是从法国采购的550兆帕的钢材,而法国自己建造戴高乐航母主要使用的还是从美国采购的800兆帕的HY80钢。通常来说3万吨以下的轻型航母弯矩值小,不一定需要最好的高强度钢,而大型航母使用高强度钢可以节约上万吨的结构重量,高强度钢是必需的。中国在2000年前后冶炼出类似于HY80和HY100钢的品种,但是这两类高强度特种钢产量非常少,高强度钢的厚轧板材品种极少,薄轧板材几乎没有,如果要设计航母,这个问题恐怕还需要努力弥补。


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英国设计CVF航母的时候引入了许多民用船舶的设计技术和建造技术。英国人特别在意航母的建造价格,他们仍然没有使用性能最好的HY100钢,只是在主要龙骨和框架上采用了HY80, HY80的价格仅有HY100的1/2。其余结构则应用了强度为450-650兆帕的其他牌号钢材,大部分材料都是近年来民用船舶采纳的。这种设计方法虽然会造成船体结构较重,但是CVF航母本身取消了许多传统常规航母笨重的部件,增加了排水量,有较大的排水量余度,足以抵消结构增重。


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现代航空母舰从舰体底到飞行甲板高度为20-25米,有7-9层甲板。水线下有三层甲板。舰体两侧为贯通的多层纵壁,纵壁间是航母的油水存放的舱室,通常,考虑纵壁的层数和设置主要与舰体设计防鱼雷和水雷的程度有关。美国埃塞克斯级航母在二战期间设计,当时美国航母在太平洋上与日本恶战,曾多次中雷,鱼雷战斗部装药从200千克到340千克不等,埃塞克斯级设计希望防御能力达到单侧舷2-3次500千克级鱼雷水平,设置了5道防水纵壁,而中途岛级设置了6道。此后弗莱克斯和小鹰级都基本沿用这个标准。70年代,美国从苏联情报中发现苏联在发展更大口径的鱼雷,预计650毫米口径的鱼雷装药会达到750-1000千克,因此尼米兹级核动力航母防雷要求提高到lOOO千克级别,单舷侧防雷纵壁设计了9道,其中外侧三道双层高强度钢板水密侧壁,采用小分舱设计,内6道纵壁采用普通分舱方式。英国航母在1970年以后放宽了航母防雷设计标准。考虑到新一代鱼雷战斗部基本在250千克左右,英国设计防鱼雷标准以此为准, 单侧只设计了4道小分舱纵壁,但都采用了双层水密壁板设计,提高纵壁耐爆标准。新-代的CVF同样只考虑单侧2次250千克级鱼雷防护力,仍然只设计4道防雷纵壁,采用大小分舱结合的方式布置,吸收了现代油船设计的防渗漏油舱的设计,一旦破损,燃油不会快速泄露,船体浮力丧失慢,污染小,造价也较低廉。


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和现代航母逐渐放宽鱼雷防御水平不同,水雷的危害在增大,各种先进技术武装的水水雷威力大,排除困难,已经成为水线下最大的威胁来源之一。二战期间航母船底防雷结构主要还是基于防鱼雷设计的,爆炸都是在较近、较直接作用的区域发生,通常采用双层钢扳构筑的双层船底来实现防雷;新一伐航母越来越倾向于三层防雷底和弱化龙骨的整体结构设计,传统船体舰体中央的主龙骨通常最先建造,都放在船最底部,这个部分恰好是水雷作用效果最明显的位置,一旦爆炸,主龙骨大多会出现扭曲、断裂等致命性伤害。现代设计技术允许结构计算更复杂,尼米兹级已经尝试采用将整个底层舱完全结构化的设计,整个船底采用强力板框架设计,并且进行可控分区塑性变形控制,可以防备1000千克级深水水雷的攻击。水雷攻击的防御主要特点在于控制船底的破损,可以允许一定的变形,但不允许破损,对于动力系统底部和轴系底部,变形许可也是较小的,通常会采用提高龙骨强度和增设多层隔板来提高防护力。英国CVF航母的动力系统和传统的蒸汽系统不同,它的燃气轮机体积小、重量轻,转动惯量对航母影响小,因此偏置在右舷,没有布置在水线下,而是布置在水线上,这样可以减少燃气轮机庞大的进排气管道的通路长度;驱动主轴的电动机与传统的蒸汽轮机相比采用短轴布置,位置更靠舰艇后部,并且采用全封闭水密设计。与传统的航母相比,CVF在水线下舱段全部进水的情况下可以保持动力系统的正常运行,航行速度不受明显影响,燃气轮机的高置和短轴设计让CVF的水下防沪面积比传;统航母减少了8lc/o,可以大大减轻结构重量。


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本文内容于 2011/2/19 21:46:03 被ipec编辑

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