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逼死強迫癥,酷似七巧板,航母甲板為什么不對稱?

作者 :正文注明 2024-05-15 14:43:06 圍觀 : 評論

5月8日,我國第三艘航空母艦福建艦成功完成首次航行試驗任務,順利返回上海。福建艦是我國完全自主設計建造的首艘彈射型航空母艦。從外觀上看,它與山東艦和遼寧艦的最大區別就是采用了平直通長飛行甲板。

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這是首航試驗中的中國海軍福建艦(2024年5月7日攝,無人機照片)。新華社發(丁子羽 攝)

航空母艦,英文名是Aircraft Carrier,直譯為“飛機搭載艦”,這正是航母與其他水面艦艇的最大不同點。如何在狹小的飛行甲板上滿足艦載機的起降作戰需求,是航母設計的基本出發點和關鍵點。因此,飛行甲板也就成為了航母整艦設計中的重要一項。

作為海軍艦艇中最大的艦種,航母的甲板是不對稱結構,有的艦艏還是上翹的,例如我國的遼寧艦和山東艦。實際上航母甲板的形狀并不是一開始就固定不變的,它是怎么演變的?為何會如此演變?

文丨田碩 瞭望智庫
本文為瞭望智庫原創文章,如需轉載請在文前注明來源瞭望智庫(zhczyj)及作者信息,否則將嚴格追究法律責任。

1
早期嘗試


航母發展的初期,對甲板的設計也處于摸索之中。由于當時的飛機很輕,起飛速度低,起飛需要的跑道很短,一般都是改裝戰列艦或巡洋艦的前甲板。1910年11月14日,美國海軍航空先驅尤金·伊利(Eugene Ely)就駕駛著一架雙翼飛機從“伯明翰”號巡洋艦改裝過的前甲板上起飛,飛機飛行了一段距離后安全降落在附近的一片海灘上。這是人類第一次駕駛飛機從軍艦上起飛。兩個月后的1911年1月18日,他從附近的陸地上起飛,并在“賓夕法尼亞”號巡洋艦改裝過的后甲板上完成了降落,創下了人類首次從軍艦上起降飛機的紀錄。

1912年5月9日,英國海軍航空先驅查爾斯·薩姆森(Charles Rumney Samson)駕駛飛機從行駛的“愛爾蘭”號戰列艦上起飛,成為第一個從行駛軍艦上起飛的人。因為早期飛機的起飛速度很低,所以從迎風航行中的軍艦前甲板上起飛相對容易。

1917年6月,英國以“暴怒”號巡洋艦為基礎,在艦體前身加裝大型飛行甲板,改裝成航空母艦。同年8月2日,英國海軍上校愛德溫·鄧寧(Edwin Harris Dunning)駕駛“幼犬”式戰斗機成功降落在航行中的“暴怒”號上,成為了第一個降落在行駛軍艦的人。然而,在之后的降落嘗試中,他不幸身亡,成為第一位死于航空母艦降落意外事故的飛行員。

在“暴怒”號上著陸,飛機必須要繞過艦體中部的艦橋,著陸條件不能滿足需求。因此,“暴怒”號在1917年11月被送回船廠進行改裝,在后甲板新增加了91米長的甲板。設計師的想法是飛機在前甲板上起飛,在后甲板上降落,起降的飛機可以互不影響。然而中部艦橋和煙囪仍然存在,在軍艦行駛中引起的亂流嚴重影響了飛機著陸,并且無法高效調度艦載機。因此“暴怒”號又不得不進廠改造,把中間的建筑去掉,連通前甲板和后甲板。航空母艦甲板前后貫通的形式這才確定下來。

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改裝完成的“暴怒”號。圖源:美國海軍歷史與遺產司令部

早期航母甲板的改裝不限于單層。英國就曾改造過雙層飛行甲板的航母。日本的“加賀”號和“赤城”號航母也曾嘗試過三層甲板。下兩層是起飛甲板,最上層是起降兩用。看似成功實現分流,并且艦載機的出動架次頻率可以翻倍,然而現實證明這并不是一種好方法。

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三層甲板的“加賀”號。圖源:日本吳市海事歷史科學館

首先是起飛問題。即使有了雙層乃至三層甲板,為了增加升力,艦載機起飛也只能朝著航母的行進方向。上下甲板同時起飛,飛機在空中相撞的風險很大,所以只能采取交替起飛方式。這種情況下,起飛效率并無明顯變化。

其次,在不占用機庫空間情況下,增設新的起飛甲板將導致船體重心上移,影響全船穩定性,對整體性能產生很大影響。而且多層甲板對升降機的要求也太高。因此雙層乃至多層甲板的方案很快就被廢棄了。

2
全通式平直甲板


通過對“暴怒”號的改裝摸索,世界上第一艘擁有全通式平直甲板的航空母艦“百眼巨人”號于1918年9月正式服役。它是英國皇家海軍從郵輪改造而來的,采用了覆蓋整個船體、可供飛機起降的木制全通甲板,沒有指揮塔,也沒有煙囪。但這樣的設計仍有弊端:第一,她的廢氣從船尾排出,這使得飛機降落時會受到額外的氣流影響,同時也會阻礙視線。第二,甲板上沒有艦島,不利于飛機的起降調度。

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1918年的“百眼巨人”號。圖源: 美國海軍歷史與遺產司令部

為了消除這些弊端,英國正式建造的第一艘航空母艦“競技神”號建造了直通式甲板和艦體右側的艦島。此后,這種布局漸漸成為二戰前后航母的主要形式,例如美國的“埃塞克斯”級航母、“約克城”級航母、“列克星敦”級航母,日本的“赤城”號、“加賀”號等。

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1924年的“競技神”號航母。圖源:美國海軍歷史與遺產司令部

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“列克星敦”號。圖源:美國海軍歷史與遺產司令部

這個時期航母的最大缺陷是艦載機無法同時起飛和降落,起降效率極低。盡管從理論上來說,在攔阻索和攔阻網充分發揮作用的前提下,直通式甲板的起飛作業和降落作業可同時進行。但實際上大多數航母飛行甲板長度有限,導致前后兩個作業區緩沖距離過短,起飛和降落難以同時進行,影響了航母作戰效能的發揮。

中途島戰役時,日軍的航母戰斗群就遇到了這種情況。攻擊完美軍的日機返回后盤旋等待降落,而航母上的飛機則等待起飛。由于無法同時起降,如果先讓航母上的飛機起飛,返航的飛機就會燃油耗盡墜入大海。日軍指揮南云忠一不想承受這個損失,決定先收回飛機再起飛。結果這段時間航母幾乎毫無戰斗力,讓美軍打了個時間差,這成為日軍中途島戰役失敗的一個因素。

3
斜角甲板的誕生


20世紀50年代初,噴氣式飛機時代到來。由于噴氣式飛機降落時速度過快,留給飛行員的操縱反應時間和容錯率都大幅減少;為了安全考慮,艦艏區域要盡量清空,以免降落失敗后發生碰撞等更大事故,這些都對航母的飛行甲板提出了新要求。直通式飛行甲板的缺陷越來越明顯,即使延長也難以滿足實際需求。

朝鮮戰爭中,美軍先后派遣了11艘航母參戰。這些航母并沒有在戰斗中受損,相反,卻出現了多次因艦載機降落引發的嚴重事故。例如在1951年9月16日,“埃塞克斯”號的F2H女妖式艦載機降落時尾鉤未能鉤上攔阻索,隨后直接沖向了艦艏的飛機,引發大火和爆炸,造成7人喪生。

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直通式甲板示意圖。圖源:Wikipedia

針對直通式甲板的缺陷,1951年8月7日,英國皇家海軍上校、資深專家丹尼斯·坎貝爾(Dennis Campbell)首次在海軍研討會上提出了斜角甲板的設想,現場卻反應平平。但是這個設想給參會的劉易斯·伯丁頓(Lewis Boddington)留下了深刻印象。1952年2月,在兩人的積極推動下,皇家航空研究院經過進一步討論,同意進行試驗。這種斜角甲板創造性地將整個甲板分為了兩部分——前部的起飛區和后部的降落區。起飛區與船的縱軸一致,降落區與縱軸成一定角度,向左舷偏轉,兩個區域之間形成的三角區用來停放戰機。這就是現代航空母艦飛行甲板的典型特征。

英國于1952年在巨人級航母“凱旋”號上進行斜角飛行甲板試驗。盡管測試并未對“凱旋”號航母的甲板本身進行任何改造,只是在航母的后端甲板上,劃出一條與軸線成10度角的降落跑道,構成一個斜角降落區,結果試驗相當成功。隨后英國又在“光輝”號航母上進行了進一步的實驗測試,也達到了預期效果。但由于財政吃緊,英國在1954年才在半人馬級航母“半人馬”號上正式加裝了5.5度的斜角甲板。1955年完工的英國“皇家方舟”號航母,是世界上第一艘服役時就采用斜角甲板的航母。

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斜角甲板試驗示意圖。圖源:Wikipedia

美國在英國提出斜角甲板構想的一開始就敏銳地捕捉到了其價值,也在“中途島”號航母上進行了類似的測試,最后于1952年率先在“埃塞克斯”級“安提坦”號航母上進行了10.5度的斜角甲板改裝,成為全球第一個擁有斜角甲板航母的國家。從50年代中后期開始,美國對14艘“埃塞克斯”級航母和3艘“中途島”級航母進行了改造,增加了斜角甲板。之后的“福萊斯特”級、“小鷹”級(夾角都是10.5度)直至現在的“尼米茲”級(9.5度)、福特級,均全部采用了斜角甲板的設計。

圖片斜角甲板設計示意圖。圖源:Wikipedia

“福萊斯特”級是美國第一種建造時即帶有斜角甲板的航母,引領了航母甲板從戰后至今的發展方向,也標志著美軍航母的發展進入了一個全新的時代。此后的大中型航母,如中國、俄羅斯、法國,印度的航母均采用了這種設計。

斜角甲板設置的最大特點是對艦載機的起飛、降落和停放進行了分區。好處第一是艦載機的起飛和降落作業可同時進行,兩者互不干擾,極大地提高了作戰效率。第二,由于降落區的盡頭伸出航母側邊緣,在著艦飛機未能鉤住攔阻索時,可馬上拉起復飛而不至于與前甲板停放的飛機相撞。第三,斜角甲板的使用還增加了甲板的寬度和使用面積,減少艦載機之間的相互干擾,同時也增加了可攜帶的艦載機數量。第四,因為航母的艦島都在右側,增加的斜角甲板不但有利于平衡艦島的重量,還可以讓甲板下新增的艦體空間裝載更多的武器設備。最后,斜角甲板的設置巧妙地將起飛區、著陸區、停機區、升降機、彈射器、攔阻索、指揮塔等進行了有序的安排。

從世界航母的發展史來看,斜角甲板的傾斜角度保持在6-14度之間。度數小于這個范圍,降落區就會占據較多的飛行甲板面積,相應地會減少起飛區和停機區的面積;要想起飛降落互不干擾還需要增加艦的長度。度數大于這個范圍,起飛與降落之間的相互干擾會小,但艦載機降落時,更易受艦艉氣流的影響,同時也增大飛行員對準降落區的操作難度。

4
滑躍式甲板


現在世界各國的大中型航母幾乎都采用了斜角甲板的設計。但從外觀上看,有些航母的艦艏甲板的設計不是平直的,而是弧形上翹的結構,使戰機沿上翹的曲線跑道起飛,從而獲得向上的動量,這便是滑躍起飛甲板。它可使飛機在較短的距離上完成在平直跑道上需較長距離才能完成的起飛。滑躍起飛甲板的設置又可細分為整體式滑躍甲板和部分式滑躍甲板。

整體式滑躍甲板

整體式滑躍甲板,也就是航母的滑躍起飛甲板的寬度占據了整個艦艏的甲板。俄羅斯的“庫茲涅佐夫”號,印度的“維克拉瑪蒂亞”號和新下水的“維克蘭特”號、我國的遼寧艦和山東艦就采用了整體式滑躍+斜角甲板的布局。

和平直通長甲板相比,滑躍式甲板在起飛區結構上的不同,導致其甲板停放飛機的數量減少,造成了一個波次出動飛機能力的差異。此外,滑躍式起飛的艦載機武器和燃油的攜帶能力低于在平直通長甲板上采用彈射式起飛的艦載機。這最終限制了重型艦載機在作戰半徑和武器掛載能力上的優勢不能完全發揮。此外,像預警機這樣的固定翼飛機也無法在滑躍式甲板上起飛,只能用直升機來代替,這大大削弱了航母自身的空中預警能力。

圖片俄羅斯“庫茲涅佐夫”號航空母艦。圖源:新華社

部分式滑躍甲板

部分式滑躍甲板,顧名思義,其寬度只占據了艦艏甲板的部分寬度,或者也可以說在艦艏甲板安裝了一座滑躍起飛跳臺。上世紀60年代,英國率先提出了滑躍式起飛的概念,此后在70年代建造、80年代服役的三艘“無敵”級航母均采用了部分式滑躍起飛甲板。不過更確切地說,應該是滑躍起飛+長方形直通式甲板。

為什么不采用斜角甲板?

盡管英國是很多航母創新先進理念的首創者,包括蒸汽彈射器和光學助降裝置皆由其率先提出。但由于二戰后其國力迅速下降,國防預算不斷縮減,重型航母的巨額建造和維持費用承擔不了,導致其心有余而力不足。再加上英國開發出了“鷂式”(AV-8B)短距/垂直起降(STOVL)戰斗機,對斜角甲板就沒有太大需求了。三艘“無敵”級航母全部退役后,近幾年先后服役的兩艘“伊麗莎白女王”級航母(英國皇家海軍有史以來最大的服役艦艇),均采用了部分式滑躍+全通式甲板布局,艦載機也是短距/垂直起降戰機F-35B。

圖片“伊麗莎白女王”號(資料照片)。新華社/路透

相較于垂直起飛,滑躍起飛較節省油料,但缺點是以此種方式起飛的飛機所能攜帶的彈藥更少及作戰半徑更小。此外,部分式滑躍甲板的寬度,只有艦艏甲板寬度的一半,一般只能設置一條滑躍起飛跑道,這顯然進一步壓縮了艦載機的出動率。不過,此消彼長下的另一面是甲板預留出了更多的艦載機停機區域,增加了艦載機的停放數量和其他甲板作業空間。并且,憑借“鷂式”和F-35B優異的短距起降性能,英國對滑躍起飛跑道的數量需求并不那么迫切。

在1982年的馬島戰爭中,盡管“無敵”號因為沒有搭載預警機而造成英軍艦船的損失,但還是證明了其存在價值,在阿根廷空軍戰機作戰半徑的邊緣,為整個艦隊提供部分保護。“無敵”級航母日后也影響了其他中小型、資源與成本較少的國家發展類似的輕型航母。

圖片英國“無敵”級航母“卓越”號(右)和美國“尼米茲”級核動力航母“斯坦尼斯”號。圖源:美國國防部

例如,意大利、西班牙等對航母有需求但國力卻不支持建造美國那樣具有斜角甲板的重型航空母艦的國家也采用了部分式滑躍+直通甲板的輕型航母甲板布局。對于輕型航母來說,其主要的功能特點就是適用和多功能化,既可以應對局部地區一定強度作戰的需要,又滿足一些多元化任務(如人道主義救援、運輸物資等等),并不是像大型航空母艦那樣強調制海權與制空權。

盡管其搭載的作戰飛機并沒有大型航母那么多樣,通常只是一些如F-35B、鷂式等短距/垂直起降戰斗機與大量執行反潛、預警、救援等等輔助任務的直升機,但卻使航母這種“高大上”的武器變得“平民化”。

各國在航母的發展上通常要綜合考慮自身的技術能力和國防預算等因素。畢竟從艦體結構上來看,滑躍式起飛甲板不需要更多的技術支持,簡單耐用;而采用彈射起飛方式的斜角甲板則涉及飛機彈射器的設計,以及彈射器與起飛甲板的結合,技術難度大,且需要更多的維修保養。所以,選擇適合自身的艦載機起飛方式,研制適合自身發展階段和能力需求的航母,是各國最現實的選擇。

參考資料
1. 環球網,《航母甲板為啥要拼成一塊“七巧板”?》
2. 侯建軍,《為什么有的航母設置斜角甲板?》,科普中國
3. 侯建軍,《為什么現代航母放棄了雙層飛行甲板?》,科普中國
4. 李磊,吳鵬飛,劉常春,《航母甲板:托舉戰機翱翔》,解放軍報
5. 希弦,《微觀航母之飛行甲板的功能設計》,兵器知識
6. 希弦,《微觀航母之斜角甲板發展簡史》,兵器知識
7. 兵器知識,《航母斜角甲板的普及——<現代航空母艦的三大發明>》
8.神鳥知訊,《早期航母形態各異,根本沒有完整飛行甲板,不少都用民用船只改裝》
9. ROYAL AUSTRALIAN NAVY, The angled flight deck,
https://www.navy.gov.au/history/angled-flight-deck
10. Thomas C. Hone, Norman Friedman, Mark D. Mandeles, The Development of the Angled-Deck Aircraft Carrier—Innovation and Adaptation, Naval War College Review



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