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之前有过一次发表,余暇之际完善后,再供关心航母的网友共同探讨。

根据个人的一些思考,借鉴一些作品理念(如三体航母),并考虑我国对航母发展的前瞻需求,设计了一种半三体结构的重型航母,以期提供一个先进且可行的新型方案。

一、设计方案

主体概念为采用半三体低阻力宽船体(增大甲板宽度)、甲板中线布置舰岛和两侧并行布置直角起降跑道、舰艏布置半敞式下层斜角起飞跑道的复合式布局。

设计要点如下:

1、采用半三体低阻力宽船体的结构设计

一种半三体结构航母的完善设计

(1)舰艏段采用三体船的结构形式(A-A截面),主体舱段截面渐变为倒“凸”字形的阶梯结构(C-C截面)。该总体结构介于常规单体船和三体船之间(即本文“半三体”称呼的缘由),在保证具有良好地平稳性和获得宽甲板这一核心要求的前提下,相较于大型三体船而言极大地减少了结构设计难度,相较于相同宽度的常规单体船而言,大大减少了舰体的横截面积(航行阻力)和排水体积(吨位);

(2)两侧阶梯副船底面采用气幕依附减阻设计(类似超空泡原理)。具体拟在阶梯副船底面前端,横向布置溢气孔排,航行时输入的气流在水压作用下,将紧贴船底面,形成气幕隔离附层,达到大幅减少减小船湿表面积(亦即减少航行阻力)的目的。为减少气幕紊流,副船底面可加工为纵向分布的密布排槽。

(3)船体结构尺寸:中间主舱体吃水线宽度38m(同辽宁号宽度),两侧副舱体宽度11m,总体宽度拟60m;副舱体吃水深度5~6m,主舱体吃水深度约10m(辽宁号吃水深度为10.5m)。

2、采用中线舰岛布置和两侧并行布置双直角起降跑道的主甲板布局形式

一种半三体结构航母的完善设计

(1)甲板布局:在主甲板中轴线区域设为中间隔离区,布置舰岛、升降机等设施;在中间隔离区两侧对称布置两条直角起降跑道,从而可形成“一条降落,一条停放(在后端)和起飞(在前端)”的布局。该布局较之常规斜角甲板有着更为优异的功能分区,能够带来更高效的调配循环和更大的停放空间;

另外,两条起降跑道的配置相同,互为备份,以确保在发生故障、战损等紧急情况时能够迅速实现对换运转,从而具备常规斜角甲板所无法实现的甲板备份功能,形成极强的战损恢复能力和再战潜力;

(2)舰岛、升降机等设施:在中间隔离区,在主舰岛前端布置一座主升降机(单机升降,主要用作载机的入库操作),主、副舰岛之间布置一座辅助升降机(主要用作武器、机载油料调配);在两条起降跑道的后端各布置一座舷侧升降机(双机升降,主要用作出库操作),作业时由位于停放区侧的舷侧升降机作业;

(3)弹射位:在每条起降跑道的前端平行设置2个弹射起飞位,使起飞区能够具备完全的双机并飞能力;另外在甲板尾端,垂直船轴线方向再布置一条电磁弹射的双向起飞位(即通过两端相同配置和即时转换,实现左右两端均可弹射),以保证在特殊情况时仍可迅速的提供紧急起飞能力(如前部起飞位均损修致无法起飞时),从而进一步增强补充战力,当然由于没有船体航速的助飞,起飞重量将较正常情况有所减少;

(4)主甲板尺寸:长度245m(尼米兹级的降落跑道长度237m);基准宽度100m,其中2条起降跑道的利用宽度各40m,中间缓冲区宽度20m;另在前起飞区段的左右舷侧均增宽2.5m(提供起飞作业宽度),在尾部双向起飞位的两侧舷端也均增宽2.5m(改善起飞条件);主、副舰岛基座宽度均约10m,沿中轴线左右对称设计;每条起降跑道前端对称跑道中心线布置2条弹射轨道位,弹射间距25m。

3、利用舰艏下层甲板布置半敞式“X”型起飞跑道

一种半三体结构航母的完善设计

一种半三体结构航母的完善设计

(1)半敞式“X”型起飞跑道设计:主舱段的舰艏段在主甲板前端伸长约60m(副舱段的长度保障主甲板长度即可),舰艏甲板高度较主甲板低3个舱层高度(管线层+ 2个舱层),舰艏甲板尾端沿主甲板下部空间向后及两外侧斜向延伸,布置2条呈“X”形左右对称的半敞式斜角跑道。跑道起点与两侧舷壳相邻相通(以使飞机尾喷气流斜朝舰体外喷),交叉点前为弹射段,交叉点后为滑跃段,终点从舷沿起飞(由于滑跃方式使舷沿抬高,提升了防浪能力)。同时,由于斜向起飞与主甲板直向起飞的轨迹错开,保证了上、下甲板之间的起飞安全。

采用“弹射+滑跃”起飞方式,可专用于轻型无人机等起飞。由于无人机的低重量、可高过载和滑跃增效,可采用较短跑道。跑道总长度设计70~80m,其中滑跃段长度按15m保障,水平段的敞露分段按30m保障(敞露的水平段可兼作直升机的起降平台)。

(2)机库设计:为配合舰艏甲板的设计,机库划设为前、后机库;后机库占据主甲板下的中、后段,按3个舱层高度正常设计;前机库占据主甲板下前段的中间区域(两侧为跑道,跑道与前机库隔离防护),按2个舱层高度设计,库地面与“X”型起飞跑道面一致,尽量简化前机库的出库调配,并能满足轻型无人机等机高的要求。另外,前机库的下部也可再设一相同高度和尺寸的机库,以增加无人机等的库容能力,充分做到设计的前瞻性。

4、船体吨位的设计控制

总体设想,中间主舱体参照辽宁号航母的基本尺寸,使可以充分利用其现有设计成果;而副舱体尺寸满足主甲板的布置要求即可。船体设计总长度305m,吃水线宽度60m,其它部分参数见前所述。对比尼米兹级航母的尺寸,舰长缩短约30m,舰宽增宽20余m。

辽宁号航母的标排为4.7万吨,以其作为中间主舱结构的吨位;每侧副舱结构新增排水量≈“副舱吃水深度(按5.5m)×副舱底宽(11m)×副舱水下均算长度(按220m)”≈1.33万吨,计算得总吨位为4.7+2×1.33=7.36万吨(标排)。考虑各种误差因素,该半三体结构的航母标排可控制在7.0~8.0万吨之间。

二、设计说明及重要意义

1.直角降落甲板是对我航母起降效能提升的现实需要

降落,是航母上难度最大、风险最高、技术最复杂的操作之一。常规的斜角降落甲板布局形式,由于斜角差,飞行员在降落过程中,必须不断适应跑道角度,调整飞行偏距,其间细微的角度偏差都有可能导致偏离撞机或落水事故,此点技能需飞行员长期坚持训练。而采用直角甲板,由于跑道中心线与中轴线平行,飞行员在降落中只须简单对准,从而降低了操作难度,减轻了飞行员操作中的精神负荷,将明显提高降落作业效能。

目前,尽管斜角甲板降落技术并不存在大的障碍,我国飞行员也已在辽宁号上成功掌握;但无疑,我们仍只是处于初期阶段,无论经验与技术与美军仍差之很远,有待大量的人员训练和技术摸索;想要追上美军的领先步伐,仍有很长的路要走!而若采用直角降落甲板,可起到减小训练难度、提高出勤效能、降低作业事故率的目的,从而实现“弯道超车”,尽快弥补与美军之战力差距;因此,直角降落甲板的运用,对我军有着极强的现实意义,这既是捷径和阳谋,也是未来航母的必然返归方向!

2.双飞行甲板的战略意义

双飞行甲板的布置,看似重复多余,实则有着重要的战略价值:

第一,提高了跑道损坏、设备故障后的应急起降和继续作战能力。无庸置疑,我们的弹射器、拦阻索等设备技术的成熟性尚有待长期检验,故障多发在所难免;而在战争中,甲板及其设施战损的后果将是难以承受。而通过两条跑道的紧急变换,可确保战力的迅速恢复,并为受创甲板、设备的维修提供宝贵时间。

第二,可更合理分区规划,优化飞行调度。在主甲板面积较尼米兹级仅略有增加的条件下,双飞行甲板的布局形式,不仅使起飞区和停放区、降落区充分分隔,飞机停放也可进行更佳的规划。其形成的“飞机降落→舷中主升降机入库→机库中转→舷侧升降机(停放区侧)出库→停放区停放→油料、武器加装→起飞准备”的天然最优循环,相较于美式斜角甲板布局条件下的分区管理 (其分区设计至今仍在不断的改进调整中),调度更为便利,效率也更高。

3.半三体船结构的创新与减阻优势

(1)结构减阻方面

该型半三体的横截结构,既对较宽甲板提供了架构支撑,又增强了船体的横向稳定性;而水线下阶梯式的收窄设计,也有效减小了横截面积,降低了航行阻力。

在舰艏段,采用类似三体船的结构特征,不仅减小了舰艏航行阻力,也使得主舰艏两侧的空气流,在航行时经两侧凹槽结构的惯性挤入进入两副舱底,从而形成乘波效应,进一步产生减阻、增稳等综合性效果。

为何不采用减阻更理想的三体船结构?三体船的结构受力十分复杂并随吨位增加而增加,故多用于小型船舶和在低海浪的近岸区使用,对于防护性能要求极高、结构强度要求极严的大型航母来说,难度巨大;而半三体结构绕过了这一关卡,实现宽船体和低阻船体的折中融合,且副舱船底的气幕垫层设计较三体船的乘波通道更简单、可行。

(2)气幕减阻方面

船底气幕的设计运用,等同于减少了船湿表面积,使之与单体船的湿表面积增加不大(估约10%上下),从而大大减少航行阻力。同时,气幕还能改善舱底的防爆效果(如鱼雷击中爆炸产生的高压气流可沿气幕这一应力弱面释放,从而对船体的破坏减轻)。

4.双层起飞甲板可实现舰机编队的前瞻性需求

双层起飞甲板的设计缘由,是拟充分利用主甲板前端的舰艏空间,专职提供轻型无人机的起飞跑道,达到扩展航母作战能力、改善主甲板运转、简化舰载机种调度管理的目的,从而确保满足未来舰机编队向“有人机+无人机”全面组合的发展趋势需求。

相较于只采用单层主甲板的方式,想要实现远期潜能(扩充无人机队),就必须延长主甲板,也即副舱体延长,其结构设计、建造难度及排水量均得增加,且无上述双层甲板的机种分离调度优势。

下层甲板采用斜角度起飞通道,除解决了起飞时尾喷气流在主甲板下的散排问题,也给前机库前端的气流提供了疏导通道,减小了航行风阻。

5.舰尾双向弹射器的战备功能

利用主甲板的大宽度优势(≥100m),在尾部布置双向电磁弹射器,即充分利用了主甲板的尾部空间,又建立了第二重的备份起飞功能,充分激发了航母的应战潜力。

三、总结

(一)需面临的难题

1.半三体船型结构的适宜性研究。新型船体将涉及更复杂的结构设计和力学分析,尤其对仍欠缺航母设计经验的我国设计人员,将带来重大的技术挑战;因此,在努力开发瓦良格级航母技术的基础上,需要对该结构尽快进行全面研究。

2.中间舰岛离降落跑道过近对降落的不利影响。中间隔离区的宽度较小,设计中虽已采取“双舰岛(小舰岛)”的措施;但舰岛建筑边沿与降落跑道边线仅间隔5m,飞机降落时会对飞行员带来一定的心理压力(害怕撞到舰岛建筑),这是本设计中一个难以避免的问题。可采取的措施有:增大主甲板宽度、缩减降落跑道宽度、采用更小尺寸的舰岛结构、将舰岛设计为可左右横移、将舰岛上层建筑设计为可左右偏移的形式等。其中舰岛横移的方式相对最佳,即利用甲板和管线层空间设计复合移动轨道和固定机构。

3.副舱船底的气幕流体在到达船尾后的浮升过程中,难以避免如腐蚀螺旋桨、增大噪声等问题。故设想可在尾端采用导气槽对气流汇集导排处理,或以孔洞吸纳后再采用“∧”坎形通道使气、水分离,从而排出气流。

(二)展望

本方案中的双直角飞行甲板、半三体船结构、双层飞行甲板设计,实为相辅相扣,迎面未来发展;虽有设计与建造的难度,但在加快训练进度、提高作战效率、增强持续战力等方面,能够合力形成较现有常规结构航母更强的综合优势。

战机编队设想:“中华F-35”战斗机平台24架(战斗机18架、侦察机2架、电战机4架),“中华E-2”辅助机平台16架(预警机4架、反潜机8架、加油/运输机4架),无人机24架,教练/攻击机6架,直升机6-8架。其中“中华F-35”的设计见附文。

我航母的关键对手,只能是也终将是以尼米兹/福特级航母为核心的美国航母舰队,而目前依照瓦良格/乌里级航母为母本建设的国产航母,不管我们是否愿意承认,在结构、容量、经验和技术等任何方面,无论我们如何改进,几乎都不可能超越我们这一对手。与美军航母之间能否避战,非由我们单向意愿能定,“能打仗,打胜仗”才是我们想要真正崛起的必须依持。我们的航母数量需求有限,因此,我们在充分掌握瓦良格级等现有航母技术的基础后,必须要发展具有平台优势的新型航母,使舰队具有超越“一对一”的战力;若以搭配“轻型+两栖”多功能航母(以无人机、垂直起降战机为主),可达到进一步迅速扩充载机规模的目的。这是我们最艰难也最上佳的选项。

附文:“中华F-35”通用战斗机的设想

F-35战斗机具备三军通用(机体)、简化后勤和维护、优化成本等诸多优点,值得我们合理借鉴。因此,依照类同的思路,满足我军的多方需求,并形成对该机的性能优势,初步设计了中华版“三军战斗机通用平台”,要点如下:

(1)气动设计:两侧进气,鸭式布局,主机翼采用前掠翼设计。前掠翼的机动性、隐身性均比F-35常规翼形更优秀;而其超音速性能方面的不足,相较F-35较低的最大速度也无明显劣势。

该设计可充分发挥“成飞”在鸭式布局设计上的熟练经验,利用歼20的现成技术,并攻克前掠翼的设计难题(美、俄均有现成研究,无须过多理论预研),即可迅速成军。

(2)动力设计:以1台WS15发动机为主动力,以2台RD-41升力发动机(单台推力41.68千牛)的垂喷或平喷改型为辅助推力,从而获得更大的总推力或多向推力。WS15发动机的原型机据推测即为雅克141战斗机的主动力,与RD-41升力发动机配套设计,且部分部件进行了共用设计,使得RD-41发动机的重量只有很小(290kg)。

F-35获得成功的一个重要前提是有强大先进的动力基础,我们最好的WS15仍显逊色;想要满足四代机的要求,只有另辟蹊径一途。WS15的性能接近F-35的动力参数,若配加辅动力,可满足总推力不低于F-35,从而为大机体设计和较高推比提供基本保障。

(3)三军型号设计:空军型仅采用WS15为推力,以简化结构设计,尽快可以成军,并推向市场。垂直起降型可直接参照雅克141战斗机的动力组成。舰载型将RD-41升力发动机改为水平推力布置,以增大总体推力;RD-41发动机设计为矢量,因喷口处于机身中段,将使飞机在平飞状态中即可完成上、下、左、右方向的瞬时机动,从而具备极大的机动躲避价值[鸭式布局的飞机也具备水平状态中的上、下机动能力,但只是依赖主、鸭翼气动实现,受气动效率影响较大,高速躲避时尤甚],且可改善着舰失利后顺利复飞的条件(辅动力向下喷射以增加升力,减少因升力不足造成的坠机概率)。

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