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    (深度)曾经的辉煌—英国航母关键技术发展研究

    2017年7月21日 作者:环球军事

    英国是传统的海军强国,也曾经是航母大国。世界上第一艘航母诞生于英国,迄今为止,英国的航母发展历史已近90年,共建造和改装各型航母70多艘。目前,在2011年英国无敌级轻型航母皇家方舟号退役及卓越号改装成直升机航母后,英国正式成为无航母可用的国家。

    1999年,英国正式宣布将研制2艘下一代航母CVF。两艘新航母将分别于2018年和2019年服役。200873日,英国国防部授出了CVF的建造合同,200977日,伊丽莎白女王级航母正式开始建造。CVF的研制,标志着英国重新向具备独立制海能力的海军大国迈进。

    虽然从目前来看,英国航母装备情况处于非常尴尬的境地,但从历史上看,英国在航母发展中发挥了非常重要的作用,可以说正是英国人对航母的理解和创新,引领着航母的技术变革,为航母的萌芽孕育、创生出世、发展壮大做出了巨大贡献。在世界航母发展的百年历程中,几乎所有的关键性技术难关,都是由英国作为开拓者、领航员率先攻克或指引了方向。1912年末,英国海军将老旧的巡洋舰竞技神号改造成了水上飞机母舰,标志着航母时代的来临。1924年,英国率先发明了舰载机液压阻拦装置,解决了航母降落问题,该阻拦装置与美国海军航母使用的液压阻拦装置原理是一致的。二战后,随着喷气式飞机上舰,对航母发展提出了新的挑战,又是英国,发明了斜角甲板、蒸汽弹射器、光学助降系统,奠定了现代航母的雏形,对现代航母的发展居功至伟。

    21世纪,英国发展了航母CVF,该航母排水量6万吨,是近半世纪以来英国建造的最大的海军舰艇,该航母又创新性地采用了综合电力系统,再次引领了航母发展的潮流。

    动力技术

    英国无敌级航母采用全燃联合动力装置,新的伊莉莎白女王级航母原动机则包括燃气轮机和柴油机,采用综合电力系统,是首艘采用综合电力系统的航母,相对于其它动力装置,综合电力系统具有无机械齿轮传动、装置布置灵活、燃油经济性好、人员少、维护简易等优点。虽然采用综合电力系统初始投资和复杂性高,但伊丽莎白女王级航母是效费比最优的方案。

    综合电力系统是指舰船原动机全部用于发电,整个舰船的所有用电负载均由同一电网分配和输送的动力系统,其涵盖了发电、输电、配电、电力推进等多个子系统。该系统有两个特征:一是推进完全采用电力;二是全部用电设备和武器(如电磁轨道炮、电磁弹射器、雷达等)均由一个电网供电。航母采用综合电力系统有以下优势。一是提高航母机动能力。综合电力系统中,由电机驱动螺旋桨,可在不改变原动机及发电机工况的情况下,利用变换器调节电机转速和方向,实现航母航速调整及正倒车控制。二是节省燃油,增大航程。采用综合电力系统的海军战舰比采用相同的原动机的战舰能节约10%25%的燃油,而像航母这类舰船能节约15%19%的燃油。在相同的燃油储备情况下,采用综合电力系统的航母可以提高续航力。三是更利于高能耗设备上舰。综合电力系统最大的优势是可以实现推进用电和日用电(包括作战系统用电)之间的调配使用,当日用电不足以支持高能耗设备(如电磁弹射器)用电时,可以调用推进用电,而不需要另外增加专用的发电机组。

    舰载机起飞技术

    蒸汽弹射器二战后,喷气式舰载机出现,起飞重量增加,对弹射末速度的要求也提高了,当时采用的液压弹射器的能力已发挥到了极限。

    尽管液压弹射器的能力已达极限,但航母对弹射能力的需求却没有终止。1950年,英国皇家海军后备役军官、爱丁堡MESSRS BROWNBROTHER&CO有限公司的科林C.米切尔完成了蒸汽弹射器的研发,其基本原理是将高温高压蒸汽储存在储汽罐内,弹射时,将高压蒸汽从储汽罐内迅速释放出来,推动汽缸内的活塞,带动舰载机加速到起飞速度。科林强调,由于供活塞运动的汽缸必须开槽,使活塞能通过特定机构与舰载机相连,从而将力传导至舰载机上,活塞经过后,必须立即密封汽缸,密封条的构思是他的独创。

    第一部蒸汽弹射器安装于英国英仙座号航母上,并前往美国诺福克海军基地,由两国海军进行联合试验。英仙座号对蒸汽弹射器进行了140次静载荷与最新型舰载机的弹射试验。试验证明,即使顺风行驶或在码头,弹射器也能将飞机弹射起飞。

    1952年,美国确认蒸汽弹射器是液压弹射器的理想替代品,因此安排从英国获得该弹射器的制造权,并获得了设计图纸。随后,美国根据自身标准对弹射器进行了重新设计,以满足美国海军的需求。1954年,美国航母装上了自己研制的蒸汽弹射器。

    但英国仅发展了2型蒸汽弹射器,由于国力衰退,大型航母相继退役,蒸汽弹射器反而停止了发展。

    电磁弹射器英国科孚德公司2001年开始研发用于弹射陆军无人机的小型电磁弹射器电磁动力综合技术样机,20054月正式获得英国国防部的合同开始样机研发,2007年成功完成试验。这种弹射器轨道长15米,峰值功率3兆瓦,最大弹射重量仅524千克。

    在研发小型弹射器基础上,科孚德公司2009年获得英国国防部授予的65万英镑(100万美元)合同,用于研发全尺寸电磁弹射器(EMCAT)的高能电力系统,该工作已完成。EMCAT项目的后续工作是进一步验证直线感应电机,并进行全功能演示验证,但由于缺乏经费支持,进展缓慢。EMCAT全长100米,弹射能量为6080兆焦(美国电磁弹射器为122兆焦)。2011年美国电磁弹射器技术趋于成熟,英国决定从美国采购,放弃了继续研制计划。

    滑跃起飞技术英国是率先发明并应用航母滑跃甲板的国家。1978年,英国率先在无敌号航母舰首加装了一个上翘角度为7度的滑跃甲板,飞行试验结果表明,滑跃式甲板可降低飞机起飞时所需的推力,机身有效载荷也可增加20%,或者,在同样载荷情况下飞机滑跑距离缩短40%。后来,英国甚至把竞技神号航母的弹射器拆除,将舰首换成12度的滑跃甲板,改装后该航母可搭载海鹞式战机。

    在当前发展的航母CVF上,英国再次采用了滑跃甲板。但CVF的滑越甲板与无敌级相比存在一定差异,无敌级舰首整体采用滑越式甲板,而CVF舰首仅有一部分采用滑越式甲板。

    舰载机着舰技术

    液压阻拦装置 1924年,英国人诺登和巴思两人同本国海军签订合同,设计成功了较为完善的液压式阻拦装置。1927年,美国驻英国大使将这一成果引进到了美国,最先安装在列克星敦号上进行试验。这种阻拦装置除部分零部件的结构外,其基本原理与今天的阻拦装置基本一致。

    但此后,英国并未将该技术发扬光大,反而由美国航空局航空部在诺福克海军船厂设计并建造了第一代真正的液压阻拦装置,其由两套独立的制动机构组成,阻拦索两端各连结一套,其设计阻拦力为35.3千牛,着舰速度为97千米/小时,它替换了列克星敦号上的阻拦装置,并安装在突击者号航母上,这种阻拦索已具备现有阻拦装置的雏形。

    关于此后英国是否继续研发阻拦装置的信息不得而知,但二战后随着其大型航母的纷纷退役,英国航母就未安装阻拦装置。

    垂直起降舰载机20世纪60年代初,英国率先研制出了首型具有实用价值的鹞式垂直起降战斗机。70年代,英国在鹞式的基础上发展了舰载型海鹞,成为世界上首型垂直起降型舰载机,使得小型航母也拥有了搭载固定翼舰载机的能力。

    21世纪后,英国提出了“全球抵达,世界一流”的海军建军目标,计划发展排水量6万吨的2艘中型航母代替无敌级轻型航母,即未来CVF。该型航母原设计为滑跃起飞形式,搭载F-35B舰载机,首舰2009年开始建造。F-35B是美国海军陆战队正在研发的联合攻击机(F-35)中的垂短起降型舰载机。此外,F-35还包括海军航母舰载型(F-35C)和空军的常规起降型(F-35A)飞机,在设计上保持着高度的共同性,能同时分别满足美国各军种及各盟国的独特需求。

    在设计之初,英国即考虑了CVF型航母的可改装性,预留了加装弹射器和阻拦装置的空间,在未来需求发生变化时可通过改装,加装弹射器和阻拦装置,以搭载常规起降型舰载机。

    未来,在需要改装的情况下,英国将从美国购买电磁弹射器与涡轮电力阻拦装置。

    光学助降系统1950年代以前,航母着舰主要依靠站在飞行甲板左端的着舰信号官双手持旗发送信号指挥飞机着舰。但随着喷气式飞机上舰,这种方法已不适用。1952年,英国海军中校格特哈特从女秘书对着镜子搽口红的动作中得到启发,设计出了早期的光学助降装置—助降镜。它是一面大曲率反射镜,设在舰尾的灯光射向镜面再反射到空中,给飞行员提供一个光的下降坡面(与海平面夹角为3.54度),飞行员沿着这个坡面并以飞机在镜中的位置修正误差,直到安全降落。

    但是,这种光学助降镜只是一定程度上起了作用,新的问题又来了:航母的舰体会因海涛涌浪的起伏而升沉摇摆,反射镜射出的光很不稳定,因此仍免不了时有事故发生。20世纪60年代,英国又发明了更先进的菲涅尔透镜光学助降系统,它在原理上与助降镜相似,但其可在波浪下保持角度不变,可向空中提供一个稳定光的下滑坡面,提供的信号更利于飞行员判断方位,修正误差。

    菲涅尔透镜式助降镜使用简单可靠、目视直观,一问世便为英美等国航母普遍使用,目前美国航母上普遍使用改进型菲涅尔透镜系统。

    随着二战后英国航母凋零,其相关技术发展也陷入停滞。

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