带你全面了解有史以来最强大的海上移动堡垒:美国福特级航母

带你全面了解有史以来最强大的海上移动堡垒:美国福特级航母

福特级航空母舰全名为杰拉尔德·R·福特级航空母舰(Gerald R. Ford-class aircraft carriers),在其首舰“福特”号(USS Gerald R. Ford)正式定名之前,本级航空母舰原本被称为CVN21未来航母计划(CVN 21 Future Aircraft Carrier Program,其中“21”意指这是进入21世纪之后的第一个航母设计)。

本级舰首舰“福特”号于2005年8月11日开工建造,2013年11月9日正式下水,2017年7月22日加入现役,系美国海军最大核动力航母。本级舰计划在2058年之前建造10艘,取代尼米兹级成为美国海军舰队的新骨干。

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福特级航空母舰是美国海军最新一代超级航空母舰系列,同时也是美军在二战后建造的第三代核动力航母(前两代为企业级、尼米兹级),福特级航母被称为“世界最强”,是因为其在部分技术装备的应用上比上一级航母尼米兹级有了较大改进。美国海军在设计福特级时,没有采用全新设计,而是自尼米兹级第8艘"杜鲁门"号开始,采用渐进式改良的手法,将许多新技术陆续应用于后续每一艘尼米兹级航母的设计建造中,既做到了性能有提升,也避免了经济和技术风险。这些技术成熟后的集中使用让福特级较尼米兹级更加强大,同时也对其他大国在役或在建的航母具有较强技术优势,比如法国的戴高乐号、俄罗斯的库兹涅佐夫号、中国的辽宁号、英国的伊丽莎白女王号等,说得上拥有部分技术上的“代差”,主要有四个方面:

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1、新型动力系统(先进核动力系统和区域配电系统)动力系统是航母的基础,现代航母由于对自持力的需求、对电力的需求,采用核动力装置是有较大优势的,虽然有经济和技术上的难度,但是超级航母(8万吨以上)只有采用核动力才能符合其战略战术要求。福特级采用2台新型A1B压水堆,有关动力装置的人力减少50%,但发电量为尼米兹级的3倍,现代舰船由于大型相控阵雷达、电磁弹射、电力推进等技术的采用,对电量的需求成几何倍数增加,比如后期的伯克级驱逐舰其电力需求量是早期伯克级的2倍以上。由贝提斯原子力实验室(Bettis Atomic Power Laboratory)设计的A1B压水堆堪称目前世界上最先进的舰船用核反应堆,服役50年不用更换核燃料棒,原尼米兹级每13年更换一次。因为航母在其全寿命期由于入船坞检修、换核反应堆燃料棒会用去约1/3的时间,因此这样的设计能极大提高航母在航率,进一步说,能使美国建造较少数量的福特级航母也能遂行现在11艘尼米兹级航母能完成的任务。

2、电磁弹射系统(EMALS)及先进拦阻系统(AAG)由于现代喷气式飞机起飞距离延长,使得航母舰载机必须有辅助升力装置辅助起飞,美国海军一直使用的蒸汽弹射器,原始设计始于50年代,经过多次技术更新,现有的C-13-2系统弹射器,全长99米,能让舰载机在无风条件下满载弹射,平均每60秒弹射一架飞机,四部弹射器同时启用时,平均20秒可以弹射一架飞机。现有蒸汽弹射器虽然可靠性极高,但仍存在部分缺点,一是最大弹射重量为32吨,限制了更重的舰载机弹射,二是弹射器作用力可调范围有限,无法弹射无人飞机,现代战争无人机的作用越来越大,无法弹射无人机将极大削弱航母战斗力增加人员伤亡。新型的电磁弹射装置相对原有蒸汽弹射器来说,工作人员减少35%;能弹射更重的飞机;能弹射XB-47这样的无人机;改进的峰均加速比还能减少飞机弹射时所受应力,延长飞机使用寿命;由于不消耗淡水和蒸汽,能将尼米兹级航母每天140-160架次的战机出动率提高到每天180-220架次。传统拦阻系统为液压缓冲式,其拦阻能力有限,也不能很好地适应不同机种降落,需要不时更换配重物,影响了战机出动率。先进拦阻系统采用电磁拦阻器,它的控制电脑便能分析拦截索的即时受力情况,并回馈给电动机来给予拦阻索适当的拉力,使舰载机在整个拦阻过程中能获得较为平均的施力。高效率及安全的拦阻系统能为提高战机出动率做出贡献。

3、改良的飞行甲板及武器与物资操作设计福特级对飞行甲板、升降机乃至内部结构进行了全面的改进。相比尼米兹级,甲板面积增加,尤其是停机区面积增加,升降台从四座降为三座。为了安全上的考虑,舰载机在机库之中是无法挂弹和装油的,只有在甲板上进行,所以在一段时间内飞行甲板上的飞机就是一艘航母能够使用的全部作战飞机。增加甲板面积,尤其是停机区的面积,相应地就提高了单位时间内航母能够使用飞机的数量,为提高舰载机出动能力打下基础。进一步改进的甲板还能让左舷的四号弹射器能够满载弹射(之前的尼米兹级只有三个弹射器可以满载弹射)福特级对武器移动线路进行了重新设计,与尼米兹级分散布置相反,将加油、挂弹作业统一集中在右舷舰岛前方的区域。不但减少人力,而且对提高飞机出动架次率作出较大贡献。

4、新型舰岛这点其实与第三点有类似,体积变小并后移的新型舰岛,也是为了提高甲板使用率而变化的。福特级将舰上各种相控阵雷达、卫星和电子战设备系统全部整合到了舰岛上面,并采用开放式的架构,既节省了空间又方便了设备的维护,进一步提高航母的探测和指挥能力。

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发展计划

CVN-21福特级航空母舰起源自1975年尼米兹级航空母舰(CVN-68~70)订购首批三艘时,美国海军展开一系列关于尼米兹级之后未来航空母舰的概念方案,称为CVNX,涵盖小型、中型和大型航空母舰,总共研究15个舰体大小不同的方案的船模水线性能,而起降方式则涵盖传统使用弹射器/拦截索的CTOL、使用滑跃短距起飞/拦截索降落的STOL、使用滑跳起飞/垂直降落的S/VTOL等三种,每一种方向又包含传统甲板布局与新设计之分,当时CVNX总共有约50种设计方案。

1996年美国海军开始正式研究尼米兹航空母舰的后继项目--也就是CVNX项目,在CVNX项目中,美国海军考虑到了多种构型的航母,最后确定新一代航母仍是一种以核动力为推进系统的大甲板弹射航母,满载排水量为10万吨级,载机联队扩展到75架,具备更加强大的出动能力。

美国海军要求新型航母在飞行甲板、航空设施、电力供应及任务系统等方面能够适应新世纪要求,能够配合二到三代舰载机的使用,尤其是要求能使用无人作战飞机,为了体现这些新技术,新变化,CVNX项目也被改称为CVN-21项目。依照1970年代中期以来的研究基础,CVN-21最初曾有不少十分前卫、超脱现今航空母舰设计的构型,不过考虑到成本、风险与实用性,最后还是返璞归真,由小鹰级到尼米兹级一脉相传的美国航空母舰构型进行改良。原本美国海军打算将最后一艘尼米兹级──布什号航空母舰(USS George HW Bush CVN-77)作为CVNX的装备验证舰,不过考虑到开发时程以及经费、风险,最后CVN-77的装备不会与里根号航空母舰(USS Ronald Reagan CVN-76)有太大的差异。

设计特点

福特级是美国第一种利用计算机辅助工具(CAD)设计的航空母舰,应用了虚拟影像技术,在设计过程就能精确模拟每一个设计细节,并且预先解决相关的布局问题,对各部件实际制造的掌握精确度也大幅提高,此外也容许多组团队在同一时间分别进行设计开发,节约时间。乍看之下,福特级的布局似乎与尼米兹级大致相似,不过实际上仍做了相当多的改良。飞行甲板布局方面,如同前述,CVN-21在规划之初曾出现全新的构型,例如一个将降落区、起飞区分于舰身两侧的大胆构想;不过考量成本与风险后,福特级仍以现役美国航空母舰的配置为基础进行改良。

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建造计划

2008年9月10日,美国海军与诺格集团签署价值51.6亿美元的后续合约,全面展开CVN-78“福特”号的建造工作。在2009年11月13日,新港纽波特纽斯造船及船坞公司(纽波特纽斯造船厂)安放了首舰“福特”号的龙骨。依照原订计划,“福特”号应于2015年9月交舰,接替服勤超过半个世纪的企业号(USS Enterprise CVN-65)。总计首舰“福特”号的研发与建造总经费共将耗资137亿美元,其中研发经费为32亿美元,建造费用(含所有先期的规划、准备)则高达105亿美元 ,其中有1/3的经费早在2001年就已编列作为前期武获款项;总计前三艘CVN-21预计耗资360亿美元,其中317亿5000万美元为建造经费,43亿3000万是研发经费,成为美国海军有史以来造价最昂贵的舰艇。

福特级的二号舰(CVN-79)原订于2012年开始建造,不过在2008年9月爆发的全球金融海啸之后,2009年初新上任的奥巴马政府决议将CVN-79的建造工作延至2013年才展开,同时缩减在2010年度的先期投资。在2009年1月15日,美国国防部与纽波特纽斯造船厂签署CVN-21二号舰(CVN-79) 的先期筹备工作,包括设计、规划、采买等,总值3.74亿美元;在同年5月初,美国海军与纽波特纽斯造船厂签署先期备料的修正合约,总值7726万美元,这项先期合约于2010年10月执行完成 ,并紧接着在11月11日签署一个后续的设计与工程发展价值1.892亿美元合约。CVN-79在2011年2月26日于新港纽斯厂切割第一块钢板,于2013年正式开始安放龙骨,计划2018年服役,接替CVN-68尼米兹号(Nimitz)核动力航空母舰。

命名方面,美国众议员Harry Mitchell在2007年12月7日珍珠港事件66周年纪念日时提议将CVN-79命名为亚利桑纳号;在2009年,众议员John Shadegg提议将已故的亚利桑纳州参议员Barry Goldwater用来命名CVN-79或CVN-80;此外,网络也有人发起请愿,希望CVN-79能延续企业号(Enetrprise)这个名字。在2011年5月29日,美国国防部正式宣布,CVN-79命名为小约翰·肯尼迪(John F. Kennedy),接替2007年从美国海军除役(2009年除籍)的同名航空母舰 CV-67。在2012年12月1日CVN-65企业号航空母舰停役当天,美国海军正式宣布,将第三艘福特级航空母舰CVN-80命名为企业号(Enterprise)。

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技术特点

自动化

福特级航空母舰与舰载机队的相关运作大幅改进,加上舰内的设备全面网络化与电脑化,因此它的整体自动化程度较尼米兹级大为增加,有效降低人力需求,航空母舰操作人员将从尼米兹级的3190人减至2000人左右;减少的约1200名人力中,维持航空母舰本身运作的人员占了800名,其余400名是支援舰载机队的相关人员。此外,美国航空母舰新一代舰载机队机型种类也比以往降低许多, 故舰载机联队的人员编制也可能获得相当程度的缩减。由于人员减少,福特级的平均起居水平也有所增加,不仅每个人的空间更有隐私性,每一间住舱都有厕所。

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弹射器

福特级与现役美军航空母舰相同,拥有四具弹射器,两具位于舰艏,另外两具位于斜角甲板;只不过一向被美国航空母舰采用的蒸汽弹射器, 在福特级上将被新研发的电磁弹射器EMALS(Electromagnetic Aircraft Launch System)取代。传统蒸汽弹射器是将由反应炉制造的大量高压蒸汽储存于汽缸中,使用时用蒸汽推动牵引飞机的弹射梭,以270km的时速将飞机弹射升空;可想而知,蒸汽输送时将产生多少损耗,储存高压蒸汽的汽缸或者输送蒸汽的管线亦需颇大的空间,高压弹射系统中的活塞、管路与筏门等零件承受的损耗也十分惊人。现有C-13-2弹射器最常出现故障的部位是调节蒸汽压力的活门以及储存蒸汽的汽缸(两者都需要定期的预防性保养),此外弹射轨与牵引飞机鼻轮的梭车因高温摩擦而失火的情况也时有所闻。

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美国海军为福特级研发弹射器时,便不再走蒸汽弹射器的道路,而改发展革命性的EMALS。电磁弹射器的原理则是载流导线在磁场中受力,利用磁通量巨大的瞬间变化而产生的感应电磁斥力,将飞机弹射升空。电动马达的基本原理是在定子(stator)上通以方向不断改变的电流,利用电流改变造成的磁通量变化而产生磁场,进而使带有磁性的“转子”受力而产生运动。传统马达的定子采用环状排列,使得转子产生原地旋转运动;而电磁弹射器则采用两侧式线性感应马达(Double Sided Linear Induction Motor),定子分为两侧直线排列,充当弹射器的轨道,而转子则在两排定子之间进行直线运动,转子上头便连接了用于牵引飞机鼻轮的梭车(shuttle)。

着舰回收

福特级用先进飞机回收系统AARS(Advanced Aircraft Recovery System)来取代传统式的拦阻索。传统式拦阻索由拦截钢缆与液压缓冲机构成,以尼米兹级的MK-7 Mod3为例,能把一架降落速度130节(240km/hr)、重25吨的飞机在两秒之内于100m之内截停,共吸收64.4MJ的能量;不过这也接近这类系统的性能极限。在以往,美国海军舰载机的武装以廉价无导引武器为主,如果在任务中没有用完,降落前大可将其抛海以减少降落时的重量与风险;然而,现美国舰载机主要都配备精密昂贵的导引武器,如果没有用完就必须携回。因此,美国航空母舰上的拦截回收系统的能耐必须强化,才能有效拦住返航重量日益提高的舰载机。

甲板布局

福特级与尼米兹级相较,在飞行甲板布局方面最主要的改良是油料与弹药补给的动线。后期型尼米兹级拥有三具甲板弹药升降机,分别位于前方弹射器中央、右舷两座靠前方的飞机升降机之间,以及舰岛旁边;进行弹药补给作业时,舰上人员必须先透过弹舱升降机,将武器从水线以下的弹药库(分置于数层舰底甲板)往上送至03甲板(即下甲板机库的再下一层),然后借用位于03甲板的舰上餐厅餐厅空间,在餐桌上完成武器的组装设定,接着透过输送车将弹药运至甲板弹药升降机部位,才能送上飞行甲板。

尼米兹级将甲板弹药升降机设在飞行甲板中间是因为配合弹药库的位置,这使得在透过弹药升降机将武器送上甲板时,所有的飞行起降作业都必须暂停。此外,武器送上甲板后,还需透过甲板运输车个别地送到每一架需要挂弹的飞机位置;相似地,飞机的加油作业也是透过穿梭在甲板各处的加油车直接开到需要补给的飞机旁进行。总而言之,每次尼米兹级的机队进行加油挂弹作业,总共需耗费2小时左右。

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动力系统

福特级引进整合电力系统(IPS)的概念,因为电力系统在分配管理上十分便利,因此尽可能地用其取代原先航空母舰上的蒸汽次系统。然而不仅电磁弹射器、回收系统、升降机、烹饪、热水供应、洗衣及暖气等需要使用电力,各式侦测、作战和指管通情设施也是用电力驱动,因此福特级的动力系统必须提供远高于现役航空母舰的电力,并需配备更全面而完善的电力供应设施。

在核反应堆选用上,长年为美国海军核动力航空母舰提供反应堆的西屋(Westhouse)公司提出新的A5W反应堆方案,然而在1999年的竞标中,西屋公司败给了位于宾夕法尼亚州的属于美国政府的贝蒂斯核子动力实验室(Bettis Atomic Power Laboratory),因此福特级的反应堆便称为A1B(B代表贝蒂斯)。福特级将配备两具A1B反应堆,功率较尼米兹级增加25%以上,同时配备13500V输配电系统,供电能力则高达20万千瓦,几乎是尼米兹级(6万4000千瓦)的三倍,能充分供给EMALS所需的电力;由于有充裕的电力,福特级成为第一种所有机房都设有冷气空调的舰艇,增加了操作人员的舒适性,并降低了机房内设备的维修保养需求。此外A1B反应堆的堆芯使用寿命长达50年,可以使福特级在服役期间的大部分时间都保持正常的动力功率,不需要回到船坞更换堆芯,从而增加了寿命周期内的执勤时间。

除了新反应堆外,福特级使用了全新的整体轮机系统以及配电系统,因此电力的整合、分配架构也重新规划,例如在全舰各处设置分区供电系统,并设置一个电脑控制配电系统,使电力的分配合理化。最初福特级甚至打算连推进系统也采用电力推进,即以反应堆发出的电力驱动由电动马达带动的推进器(例如可转式囊荚推进器),然而由于供10万吨级舰艇使用的电力推进系统尚未发展成熟,因此前三艘福特级仍将以蒸汽涡轮直接驱动四轴螺旋桨推进,推进功率将达到104MW(约280000 马力),略高于尼米兹级。

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船电武装

福特级大量采用先进的侦测、电子战系统以及C4I设备(包括CEC协同接战能力),以符合美国海军未来IT-21联网作战的要求,舰上的指挥管制中枢将是CommonC2System共同作战指挥系统,能整合舰上一切指管通情与武器射控功能。舰上各型相控阵雷达、卫星通讯、资料传输链、电子战系统与联合精确进场暨降落系统的天线整合于舰桥结构内,或置于舰桥顶部的轻量化桅杆上。舰上的作战与指管通情系统将采用开放式的架构,大量使用民间商规组建,以利于服役生涯中的维护与升级作业;而舰上的整合通信系统则由Avaya公司提供。福特级的轻量化桅杆由复合材料制造,强度与钢铁相仿,但重量便显著地降低。在规划阶段,福特级最主要的侦测系统,是与朱姆沃尔特级驱逐舰相同的双频雷达系统(Dual Band Radar,DBR),包括AN/SPY-3 I/J频带多功能雷达(Multi Fuction Radar,MFR),以及AN/SPY-4 S长程广域搜索雷达(Volume Search Radar,VSR),两者都是最先进的数位波形控制主动相控阵雷达。

不过在2010年6月,美国海军宣布DDG-1000取消VSR雷达,未来可能以更晚开发、增加反弹道导弹能力的AMDR相控阵雷达来取代,因此福特级也可能会以AMDR来取代DBR系统。以往美国航空母舰的舰岛都拥有两层舰桥,分别供舰长以及航空母舰战斗群指挥官使用;而福特级的舰岛仅设置一层宽广的主舰桥,并在主舰桥靠近舰岛左侧的上方与下方,各设置一层小型舰桥,上方应为舰载机管制室,下方则用于监视飞行甲板运作。这种较为紧致的空间配置,似乎是基于美国海军长年累积的操作经验,或者是降低雷达截面积等。自卫武装方面, 根据模型的照片,第一批福特级的防卫武器包括MK-15 Block 1B密集阵近程防御武器系统、RAM公羊短程防空导弹发射器、MK-29海麻雀防空导弹发射器(照明射控工作由SPY-3相控阵雷达负责)等,安装于两舷和舰尾外侧的平台上;此外根据想象图,福特级还打算舰尾左侧的舷外平台上安装MK-41垂直发射系统,装填海麻雀ESSM短程防空导弹,不过实际情况仍有待最后确认。未来福特级的武器系统可能会朝向电磁炮甚至直接能量的激光炮的方向发展,而福特级舰上极高的“电力化”程度将为这类高能武器的发展提供良好的先决条件。

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舰体参数

长度:337米

宽度:

41米(船体)

77米(飞行甲板)

吃水:12米

满载排水量:112000吨

乘员:船舰组员1150人,飞行大队600人

动力系统:2 ×A1B核反应堆

续航力:食物可储存60天份

航速:>30节

舰载机:标准75架各型飞机,333×78米的飞行甲板

导弹:2×RIM-162 ESSM,2×RIM-116 RAM

其他:2×密集阵近程防御武器系统

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建造时间线

2005年8月11日,福特级航母首舰CVN-78切割了第一块重达15吨的钢板;

2007年1月16日,美国官方将CVN-78正式命名为“杰拉尔德·R·福特”号;

2009年11月14日,“福特”号铺设龙骨;

2011年2月26日,福特级航母的第二艘-CVN-79切割第一块钢板;

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2011年5月29日,美国官方将CVN-79正式命名为“小约翰·肯尼迪”号;

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2011年8月18日,“福特”号结构完工50%;

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2012年4月16日,“福特”号结构完工75%;

2012年5月24日,“福特”号最后一块舰首分段安装完毕;

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2013年,“肯尼迪”号正式开始安放龙骨;

2013年1月26日,“福特”号安装舰岛;

2013年4月15日,“福特”号舰首上部安装完毕;

2013年5月8日,“福特”号结构完工100%;

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2013年8月15日,“福特”号最后一台飞机升降机完成安装;

2013年10月3日,“福特”号安装30吨的螺旋桨;

2013年10月11日,“福特”号干船坞注水;

2013年11月9日,“福特”号正式下水;

2017年7月22日,“福特”号正式加入美国海军服役。

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辽宁号和美国福特级航母的差距:

1、吨位。辽宁号满载不到六万吨,福特级九万多吨。尺寸差距直接导致载机数量、续航能力等差距。

2、经验。中国没有航母使用经验。而美国从二战开始,历经了舰载机喷气化、舰载机大型化等诸多变革,和各种事故谈笑风声,在战术思想、舰载机调度、损管经验等方面无人能比。

3、动力。福特级作为核动力航母,持续飙高速的能力应当比较好,同时续航能力要强得多。

4、机库布局。据说辽宁号机库层两舷的舱室“厚”于通常水平,所以机库比较窄,面积偏小。

5、辽宁号没有弹射器,重载起飞需要使用长起飞点,不利于发动大型攻击。

不过地球上有航母的国家已经是屈指可数,中国在高速发展当中,虽然距离美帝还有很大差距,不过已经属于第二梯队了。

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