当年一个关于CVN21的访谈

2006年8月
记:兰德公司在今年3月推出报告,建议到2036年美国航母舰队全部更新为CVN21,比原计划提前了22年。“尼米兹”在一般人印象中已趋完美,为何要加速其退役?

海庆(以下简称海):主要是他们认为“尼米兹”级有两个重大缺陷。首先是电力不足,全舰正常发电量为64兆瓦,无法装电磁弹射系统和激光等高能武器。我们可以算算电磁弹射所需要的功率。美国海军设计中的电磁弹射系统的核心是直线感应电动机,它能使舰载机3秒内在91米弹射器冲程内达到55节到200节的起飞速度,具体速度取决于实际需求和飞机重量。为简化计算,忽略舰载机发动机在弹射过程中做的功以及其它阻力,由于电磁弹射系统的最大峰均推力比为1.05,可以视为对舰载机的作用力是均衡的。
若45吨的舰载机在91米冲程内达到130节(66.88米/秒),这是美国海军对电磁弹射的要求,根据高中物理就可换算出,整个过程中的加速时间为2.73秒,加速度为24.46米/秒2,对舰载机的推力为1 109.3千牛,整个过程中做功101.4兆焦,平均净输出功率为37兆瓦。由于功率等于推力与速度的乘积,推力恒定,故舰载机速度最大的时候,功率最大,为74兆瓦,如果电磁弹射系统的效率为60%,则此时电磁弹射系统的功率应为123.6兆瓦,“尼米兹”满足不了。

记:蒸汽弹射已很成熟了,为什么非要换成电磁弹射?

海:蒸汽弹射不能满足美国海军对未来航母的要求。主要因为高性能无人机登上航母是肯定的,由于有人舰载机和无人机大小不一,而蒸汽弹射器又没法调节弹射功率,而且效率太低,一次弹射一般要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排除,带走大量能量,其效率一般在4%～6%之间。而电磁弹射系统的效率约为60%左右,对能量的需求大为降低。
另外从下面两图能看出来,蒸汽弹射器由于功率无法精确控制,在弹射舰载机的过程中,对舰载机的推力上下波动比较大。据美国海军称,实测过程中,推力的峰均值之比甚至会达到2.0左右,而电磁弹射系统能够对弹射过程中的力进行精确控制,从图中可以看出,它对舰载机的推力很快就稳定在一个值上了。另外,蒸汽弹射器在飞机脱钩后仍然会维持很高的汽缸压强,对弹射器末端造成极大的冲击,而电磁弹射系统在与飞机脱钩后作用力立刻反向,对弹射系统末端的冲击力远远低于蒸汽弹射器。
董欣(以下简称董):电磁弹射系统可以做到在几百微秒内不断修正加速度偏差,将峰均加速比控制在1.05以内,大幅降低飞机应力,延长舰载机寿命,这也是为美国海军省钱。

记:若蒸汽弹射器的推力能稳定下来,就可以弹射无人机了?

董:首先,从理论上讲,蒸汽弹射器也可以设计闭环控制系统,从而将其对舰载机的推力变得稳定些,但效果如何不得而知,而且这种系统将极其复杂,本来蒸汽弹射器的维护已经够麻烦的了,如再加上这套系统怕不好办。
其次,蒸汽弹射器不能弹射无人机主要是因为它无法较大幅度调节对舰载机的推力。还是简单算一下吧,如果蒸汽弹射器对舰载机的推力为700千牛,假设无人机的重量为4吨的话,则弹射过程中加速度为175米/秒2,约18个g,如果它采用与现役有人舰载机类似弹射方式的话,这700千牛力的着力点将在前起落架上,无人机在这种情况下恐怕就散架了,因而人们一般认为,蒸汽弹射器在弹射无人机上存在着不可逾越的障碍。当然,对于重量较大的无人机,蒸汽弹射器似乎不存在很大问题,如接近或超过20吨的无人机。

记:蒸汽弹射器为何不能把推力调小?比如减小汽缸压强。

海:理论上行,事实上行不通。假设现在要弹射无人机,操作人员赶紧放掉一些蒸汽,把其压强降低,而下一架要弹射有人舰载机时,又不得不将蒸汽压强再次提高到原来的水平。这些蒸汽都是储存在很大的储汽罐内的,只要想一想,在蒸汽向弹射汽缸内充汽的时候,其压强不会怎么下降就可以知道,这个储汽罐的体积必定非常大,为体积庞大的储汽罐减压或加压是耗时的,这样折腾,美国的航母一天恐怕出动不了多少架次舰载机。

记:如果让一部蒸汽弹射器用作弹射无人机,其余的弹射有人舰载机,是否效果更好?

董:从美国海军对弹射器的可用性要求来看,这种方案也不会被接受。美国航母都安装四部弹射器是为了几乎在任何时刻都有弹射器可用,并考虑到使用强度和故障情况。你说的方案似乎能解决弹射无人机的问题,但可用性问题又出来了。

记:CVN21的堆功率只比“尼米兹”大30%左右,就能彻底解决供电问题了?

海:这得从两个方面说,一是CVN21和“尼米兹”级采用的都不是综合电力系统,因此,并不是说核反应堆功率多大,其发电功率就有多大。CVN21的发电功率将为“尼米兹”级的2.5~3倍,CVN21堆功率大是一方面,另一方面是因为CVN21的轴带发电机功率更大。第二个方面的原因是,CVN21不会也不可能向电磁弹射系统这样的“用电大户” 直接供电,电磁弹射系统的用电直接来源是它的储能系统,每部电磁弹射系统都有自己的飞轮储能系统。
董:必须要用储能系统。因为100多兆瓦的脉冲功率即便对CVN21这样电力充足的航母来说仍然是个“恐龙”,64兆瓦的3倍也就192兆瓦,飞机弹射时航母上的其它系统就别想用电了,雷达也别开机了。
海:美国海军对电磁弹射系统的储能系统是这样要求的:在45秒内充满所需要的能量。舰载机起飞一般需要消耗的能量不会超过120兆焦,就算储能系统要储存140兆焦的能量,按照美国海军的要求来计算,在45秒内充满140兆焦电能的充电功率为3.1兆瓦,算上效率,5兆瓦足够了吧?就算四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率为20兆瓦,就算CVN21的发电总功率为“尼米兹”级的2.5倍,即160兆瓦,这种最大充电功率占其发电总功率的12.5%,虽然是个大户,但还不足以影响其它系统用电。

记:您认为电磁弹射系统赶得上CVN-78么?

海:CVN-78于2014年服役,目前的电磁弹射系统将于2007～2008年全面测试,虽然还需完善,毕竟还有这么长的时间,很可能装上。

记:如果不搞CVN21,将“尼米兹”加装大功率发电机组能否满足换装电磁弹射系统的需要?

董:加装发电机会较大改变“尼米兹”的舱室布置,难度较大。事实上,在电磁弹射系统设计的需求书中,美国海军明确表示其必须方便安装到“尼米兹”级上,虽然电磁弹射系统是为CVN21设计的,但考虑了与“尼米兹”级的兼容。例如,美国海军规定,电磁弹射系统的弹射电机应能在目前蒸汽弹射器汽缸所占据的空间内安装。

记:电磁弹射还有无别的好处?

海:它体积小、重量轻。每个蒸汽弹射器和相关的加强结构重量超过500吨,体积约1 133米3。而电磁弹射系统体积和重量都约为蒸汽弹射器的一半甚至更少。电磁弹射系统的弹射电机安装在略微改动的现有的蒸汽弹射槽内,因此,这部分并不会有体积上的节约,主要的体积节省在甲板以下的设备,蒸汽弹射器的蒸汽管道需要占据大量空间,而电磁弹射系统将用电缆代替这些管道。电磁弹射系统也没有蒸汽弹射器所必需的那些分系统,例如加热系统、阀门等等,布置起来非常灵活,舱室利用率高。
董:电磁弹射系统构成相对简单。它只用直线电动机进行弹射、制动和使往复车复位,不需要保持常备状态,在完全关闭的冷态条件下不到15分钟内就能达到待用状态。而蒸汽弹射器要依靠大量的系统和分系统,有液压泵、蒸汽、水力刹车、蓄压器等等,需要你不断给弹射槽加热,蒸汽弹射器的机械磨损严重,可靠性较低。而电磁弹射系统使用的电力电子元件用无接触的瞬时电磁力,无磨损,可靠性在民用领域已得到检验,寿命都在几万小时,且具容错能力。
海:电磁弹射系统还有一个蒸汽弹射器不具备的优点,那就是它很容易简化为满足短距起降飞机起飞的助跑系统,能很好地与滑跃跑道形状配合,可用于轻型航母或两栖攻击舰上,甚至能够用在任何采用综合电力系统的舰艇上。而蒸汽弹射器的汽缸必须保持直线,不可能装在滑跃甲板上。

记:如果电磁弹射取代蒸汽弹射,那么核动力航母的优势将只剩下续航力？

董:从“尼米兹”级过渡到CVN21,还顺应了全电化趋势。比如厨房、供暖等设备现在用的是蒸汽,在CVN21上都用电力实现,电力系统的维护比蒸汽系统相对简单多了。蒸汽系统是“尼米兹”多年来被认为是“劳动密集型”的原因。蒸汽系统发生泄漏后,密密麻麻的管道检查起来麻烦,而且高温高压蒸汽系统的维修也不容易,被美海军维护人员称为“梦魇”。而电磁弹射系统等所有电力系统可自动运行并提供故障和维护信息,维修工作量和对人员数量的需求比蒸汽弹射器减少30%左右,直接减少全寿期费用。
海:接着说“尼米兹”不能被美国海军继续接受的第二点,就是其重量、重心余量不足,改装余地不大。CVN21的重量裕度起码要达到5%,也就是说,即使在CVN21今后的改装过程中,其重量增加了5%,其稳性仍不会出现问题。另外,CVN21的重心裕度要在“尼米兹”级的基础上提高1.5英尺,假如说“尼米兹”的两心高度差是15英尺,则CVN21就是16.5英尺,比“尼米兹”有更大的稳性。舰艇的稳心一定要高于重心才行,当然也不能高得太多,否则就会导致舰艇摇摆的时候纠正力矩过大,船稍一倾斜就立刻回正,使摇摆周期过短,舒适性太差。

记:CVN21满载排水量约为95 000吨,比“尼米兹”后几艘小了7 000吨,改装裕度反而更大,CVN21是否有那么多重量大的系统要待将来加装?

海:我个人认为美国海军说“尼米兹”级的改装余地小,部分站得住脚,部分牵强。站得住脚的部分是“尼米兹”级的电力的确不足,而担心改装会出现重量和重心方面的问题我觉得有点牵强。电磁弹射的重量比蒸汽弹射小了一半多,利于航母重心下移。从“里根”号约97 000吨的满载排水量来看,“尼米兹”级自身的重量也在降低,与102 000吨的同级航母相比,“里根”号有5000吨的重量裕度,改装过程中出现重量重心方面的问题可能性不是很大.

记:美国是否真的会按兰德报告中建议的步骤进行更换?

董:我觉得可能不会。首先,CVN21还没出来,它有12项特征技术没成熟,虽然CVN21号称有很多优点,但毕竟还没成现实,美国海军没真实地感受到这些,未来的发展说不准还会有什么变数。 另外,我感觉兰德的分析有问题。比如兰德公司在报告中说,“‘尼米兹’级在每个23年的使用期内每隔16个月就要进行1次为期6个月的常规维护”,但美国海军和总审计署的报告就认为是18个月或24个月才需要进行这种常规维护,所以兰德可能带有倾向性。
还有,关于换料大修费用,兰德说“尼米兹”级的大修费用接近CVN21建造费的一半。实际上,CVN72“林肯”的换料大修用了15亿美元,按兰德的说法,三四十亿美元够造1艘CVN21了,而现在估算CVN78的费用将超过80亿美元,以后每艘也大致是这个数,这和兰德的说法对不上。美国历来的争论都是利益集团间的争论,比如美国船厂很想为台造潜艇,美海军坚决反对,因为一旦造了以后,国会一看这么便宜,可能就会逼着美国海军重新使用常规潜艇,核反应堆的厂家就会受影响,而他们势力很大,他们会影响海军在国会游说,这件事情如果美海军现在捂不住,可能就无法挡住常规潜艇进入美国海军服役了。
兰德是优秀的智囊机构,有过惊人准确的预测,但这不表示它每个报告都那么中肯和正确。
海:兰德这个建议可操作性比较差。它是以12艘航母为背景研究的,而现在美海军只打算保留11艘,为什么?一是它认为每艘航母的能力强了,不需要那么多,另外就是经费原因,而且我认为这是主要原因。美国总审计署估计,CVN78设计建造费将达137亿美元,CVN21前3艘设计建造总费用(非全寿期费用)将达360亿美元左右。其它如DD(X)打算2007年开工,原计划采购8艘,考虑到它们的设计建造费将超过170亿美元,美国海军将其数量削至5艘。还有诸如LHA(R)两栖攻击舰、未来海上预置部队船以及太多的网络中心战电子系统等,都需要大量经费投入,尽管执行兰德的建议加速CVN21采办在长期上更有利,但美国海军这么做的可能性不大。

记:CVN21比“尼米兹”还有优点么?

海:探测能力更强,“尼米兹”级没装相控阵雷达,而CVN21将装备有源相控阵雷达,对隐身和掠海目标的探测力有较大提高。当然,对于掠海目标来说,航母自身雷达性能的提高并不会有质的飞跃,因为受视距的影响,其探测距离不可能太远。它的耳目主要来自E-2D,会比E-2C的能力更强。

记:相控阵雷达应该只装在驱逐舰上,而且要和区域防空导弹搭配。

董:美国目前的确是用相控阵雷达搭配“标准2”。以前不将相控阵雷达推广到所有舰艇上一个原因是成本太高,现在,由于微波集成电路的应用,加上微电子工艺技术进步及大批量生产等,使有源相控阵雷达的成本更低、可靠性更好,美国海军已决定在未来航母上装备有源相控阵雷达。航母是美国海军价值最高的武器装备,这对美国海军来说是值得的。有源相控阵雷达是平面阵,装备航母之后能取代多部雷达,对隐身性能的提高有好处。需要说明的是,相控阵与“标准2”搭配不表示装备相控阵雷达都要装备区域防空导弹,舰艇的功能决定配备什么武器。还有,美国的一些“宙斯盾”舰艇现在已经装备“标准3”导弹,将用于弹道导弹防御。

记:CVN21有必要做隐身处理么?舰岛变小对减小编队目标贡献很小。

海:隐身是美国海军极看重的指标,只要有助于提高隐身,哪怕提高的不是很多,美国海军都会去做,况且,CVN21还将采取什么其它隐身措施目前还没透露。隐身需要综合采用各种技术和措施,我们不能孤立地拿某项技术或措施来看。另外,航母编队在作战时舰艇间隔起码在十几千米,具体环境中,航母完全可能单独面对威胁,所以隐身还是必要的。苏-27掠过“小鹰”号的例子中,尽管航母当时处于补给状态,但还是说明航母编队的防御体系并非无懈可击,航母对掠海目标的探测存在漏洞。当然,并不能因此否定航母编队的力量,任何极端的看法都不可取。另外一个例子是,今年5月30日,伊朗宣布其一架无人机在“里根”号附近盘旋25分钟后才被发现,美国出动舰载机拦截却被无人机成功逃脱。当然,这只是伊朗单方面的说法,根据掌握的资料,伊朗现有的无人机长宽约在3米以内,飞行速度不超过300千米/小时,如果在航母编队处于戒备状态的情况下,让它在“里根”号附近盘旋25分钟几乎是不可能的。对此,我个人觉得,如果伊朗没有撒谎,当时的情形可能,一是“里根”号雷达没开机,因为伊朗说这件事情发生在波斯湾,相对于航母编队的活动来说,波斯湾是很狭窄的,其最宽处约360千米,最窄处可能就几千米,航母编队在这种海域中的活动是受限的,加上编队司令在不同情况下对威胁的判断不同,或者出于其它需要,雷达当时不开机并非不可能。二是伊朗的无人机当时可能离“里根”号较远,如果美国航母上的超音速舰载机紧急起飞都追不上的话,较远的距离可能会是个合理的解释。但无论如何,都说明航母的态势感知能力仍需提高,另一方面,隐身性能也必须进一步提高,否则威胁悄然而至的时候,你再有那么大的目标特征,那不是送给别人揍吗?


记:舰岛变小,将来天线的升级是否会受限制?

海:这种担心的依据是天线体积和重量会变大,或者数量会明显增多,我觉得,这种担心不符合电子信息系统发展趋势。举例说,美国SPY-1D相控阵雷达体积和重量很庞大,所以安装在舰艇上层建筑较低的位置,再看看德国的“萨克森”级驱逐舰,它采用的是有源相控阵雷达,技术的进步使其体积和重量都大为减小,所以它能装在上层建筑顶部,看上去极为紧凑。另外,雷达天线的发展趋势是从多变少,逐渐实现高度集成和多功能化,所以雷达天线数量会越来越少,体积和重量也不用担心会增加,因而CVN21的天线升级不会受到限制。


记:CVN21舰载机的出动能力为160架次/日,必要时可达220架次/日,“尼米兹”级为140架次/日,这种提高是怎么来的?去掉岛后升降机(图中可见)是否说明甲板面积更重要?

海:主要通过两方面实现。一是改变飞行甲板布局,使舰载机作业更方便,增大飞行甲板面积,增加停机空间。二是改变弹药提升的通道,采用更加自动化的弹药处理措施,加快弹药提升和装备至舰载机的速度。
董:去掉岛后升降机并不能说甲板面积更重要,其实二者都重要,飞行甲板上的停机区面积和飞机升降机数量之间的协调关系要根据舰载机出动架次率来决定。舰载机起飞前首先要停在飞行甲板上,而舰载机降落后会需要维护,有些需要马上回到机库检修,这要通过飞机升降机,为了维持一定的舰载机出动架次率,必须有相应数量的舰载机通过飞机升降机回到飞行甲板上,所以不能简单说甲板停机面积更重要。

记:从图中看,“尼米兹”级最前面一个弹药升降机出口正好在前两条弹射器中间,明知道会与舰载机起飞冲突为什么还要这么设计?

董:这是冷战思维的产物,当时非常看重安全。从图中会发现,“尼米兹”的弹药升降口都设在了比较靠近航母中部的位置,以多层隔舱阻挡导弹攻击。我想设计人员肯定知道前面那部弹药升降机出口放在那里会影响舰载机的作业,但安全考虑使其仍然这么做。飞机升降机设置多部也有安全这类考虑因素。当然,你也可以说,这部弹药升降机提升的弹药可以就近装到旁边待飞的舰载机上,不过从效率上讲是得不偿失的。从CVN21的布置图中可以看出,弹药升降机全都设在了靠近舷侧的位置,这样就不会像以往那样对舰载机的弹射造成影响了。

记:CVN21的“一站式”综合补给能加快弹药提升速度,“尼米兹”级当时为什么没采用这种方法?

董:当时苏联的导弹攻击令人忌惮,出于安全考虑,航母弹药提升必须经过很多水平和垂直通道才能抵达飞行甲板。弹药通道如果搞成垂直的固然方便,但一颗导弹可能也就顺着这个通道钻到弹药库的最底层。而现在的CVN21不过分考虑这些威胁了,在弹药通道设计中大幅度减少了弹药的横向移动,因而弹药提升速度将得到提高。另外,“尼米兹”级的弹药提升过程实现了部分机械化作业,更多工作靠人力,CVN21采用更多的自动化弹药处理设备。“尼米兹”级所以没用“一站式”补给,当时他们可能认为弹药和油料一起补给有安全隐患。

记:CVN21的上层建筑挪动一下就能提高舰载机作业效率吗?

董:CVN21变更上层建筑位置并取消尾部飞机升降机是有道理的,对于挪动上层建筑,这是设计人员听从美国海军飞行甲板上的舰载机调度员建议的结果。在长期工作中,舰载机调度员发现,“尼米兹”级的上层建筑经常造成舰载机调度中“堵塞”,从图中看,舰载机从“尼米兹”级的岛后升降机升上飞行甲板后,它必须滑到各个补给站位去加油、装弹,完了之后再滑到弹射阵位。在舰载机起降较频繁的时候,斜角甲板上的着舰跑道是必须留出来的,从尾部岛后升降机上来的舰载机不能滑入这条跑道,而上层建筑又挡在前面,所以剩下的通道就很窄了,如果中间还有什么车辆、舰载机的,很容易造成“堵塞”。
2006年8月
记:兰德公司在今年3月推出报告,建议到2036年美国航母舰队全部更新为CVN21,比原计划提前了22年。“尼米兹”在一般人印象中已趋完美,为何要加速其退役?

海庆(以下简称海):主要是他们认为“尼米兹”级有两个重大缺陷。首先是电力不足,全舰正常发电量为64兆瓦,无法装电磁弹射系统和激光等高能武器。我们可以算算电磁弹射所需要的功率。美国海军设计中的电磁弹射系统的核心是直线感应电动机,它能使舰载机3秒内在91米弹射器冲程内达到55节到200节的起飞速度,具体速度取决于实际需求和飞机重量。为简化计算,忽略舰载机发动机在弹射过程中做的功以及其它阻力,由于电磁弹射系统的最大峰均推力比为1.05,可以视为对舰载机的作用力是均衡的。
若45吨的舰载机在91米冲程内达到130节(66.88米/秒),这是美国海军对电磁弹射的要求,根据高中物理就可换算出,整个过程中的加速时间为2.73秒,加速度为24.46米/秒2,对舰载机的推力为1 109.3千牛,整个过程中做功101.4兆焦,平均净输出功率为37兆瓦。由于功率等于推力与速度的乘积,推力恒定,故舰载机速度最大的时候,功率最大,为74兆瓦,如果电磁弹射系统的效率为60%,则此时电磁弹射系统的功率应为123.6兆瓦,“尼米兹”满足不了。

记:蒸汽弹射已很成熟了,为什么非要换成电磁弹射?

海:蒸汽弹射不能满足美国海军对未来航母的要求。主要因为高性能无人机登上航母是肯定的,由于有人舰载机和无人机大小不一,而蒸汽弹射器又没法调节弹射功率,而且效率太低,一次弹射一般要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排除,带走大量能量,其效率一般在4%～6%之间。而电磁弹射系统的效率约为60%左右,对能量的需求大为降低。
另外从下面两图能看出来,蒸汽弹射器由于功率无法精确控制,在弹射舰载机的过程中,对舰载机的推力上下波动比较大。据美国海军称,实测过程中,推力的峰均值之比甚至会达到2.0左右,而电磁弹射系统能够对弹射过程中的力进行精确控制,从图中可以看出,它对舰载机的推力很快就稳定在一个值上了。另外,蒸汽弹射器在飞机脱钩后仍然会维持很高的汽缸压强,对弹射器末端造成极大的冲击,而电磁弹射系统在与飞机脱钩后作用力立刻反向,对弹射系统末端的冲击力远远低于蒸汽弹射器。
董欣(以下简称董):电磁弹射系统可以做到在几百微秒内不断修正加速度偏差,将峰均加速比控制在1.05以内,大幅降低飞机应力,延长舰载机寿命,这也是为美国海军省钱。

记:若蒸汽弹射器的推力能稳定下来,就可以弹射无人机了?

董:首先,从理论上讲,蒸汽弹射器也可以设计闭环控制系统,从而将其对舰载机的推力变得稳定些,但效果如何不得而知,而且这种系统将极其复杂,本来蒸汽弹射器的维护已经够麻烦的了,如再加上这套系统怕不好办。
其次,蒸汽弹射器不能弹射无人机主要是因为它无法较大幅度调节对舰载机的推力。还是简单算一下吧,如果蒸汽弹射器对舰载机的推力为700千牛,假设无人机的重量为4吨的话,则弹射过程中加速度为175米/秒2,约18个g,如果它采用与现役有人舰载机类似弹射方式的话,这700千牛力的着力点将在前起落架上,无人机在这种情况下恐怕就散架了,因而人们一般认为,蒸汽弹射器在弹射无人机上存在着不可逾越的障碍。当然,对于重量较大的无人机,蒸汽弹射器似乎不存在很大问题,如接近或超过20吨的无人机。

记:蒸汽弹射器为何不能把推力调小?比如减小汽缸压强。

海:理论上行,事实上行不通。假设现在要弹射无人机,操作人员赶紧放掉一些蒸汽,把其压强降低,而下一架要弹射有人舰载机时,又不得不将蒸汽压强再次提高到原来的水平。这些蒸汽都是储存在很大的储汽罐内的,只要想一想,在蒸汽向弹射汽缸内充汽的时候,其压强不会怎么下降就可以知道,这个储汽罐的体积必定非常大,为体积庞大的储汽罐减压或加压是耗时的,这样折腾,美国的航母一天恐怕出动不了多少架次舰载机。

记:如果让一部蒸汽弹射器用作弹射无人机,其余的弹射有人舰载机,是否效果更好?

董:从美国海军对弹射器的可用性要求来看,这种方案也不会被接受。美国航母都安装四部弹射器是为了几乎在任何时刻都有弹射器可用,并考虑到使用强度和故障情况。你说的方案似乎能解决弹射无人机的问题,但可用性问题又出来了。

记:CVN21的堆功率只比“尼米兹”大30%左右,就能彻底解决供电问题了?

海:这得从两个方面说,一是CVN21和“尼米兹”级采用的都不是综合电力系统,因此,并不是说核反应堆功率多大,其发电功率就有多大。CVN21的发电功率将为“尼米兹”级的2.5~3倍,CVN21堆功率大是一方面,另一方面是因为CVN21的轴带发电机功率更大。第二个方面的原因是,CVN21不会也不可能向电磁弹射系统这样的“用电大户” 直接供电,电磁弹射系统的用电直接来源是它的储能系统,每部电磁弹射系统都有自己的飞轮储能系统。
董:必须要用储能系统。因为100多兆瓦的脉冲功率即便对CVN21这样电力充足的航母来说仍然是个“恐龙”,64兆瓦的3倍也就192兆瓦,飞机弹射时航母上的其它系统就别想用电了,雷达也别开机了。
海:美国海军对电磁弹射系统的储能系统是这样要求的:在45秒内充满所需要的能量。舰载机起飞一般需要消耗的能量不会超过120兆焦,就算储能系统要储存140兆焦的能量,按照美国海军的要求来计算,在45秒内充满140兆焦电能的充电功率为3.1兆瓦,算上效率,5兆瓦足够了吧?就算四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率为20兆瓦,就算CVN21的发电总功率为“尼米兹”级的2.5倍,即160兆瓦,这种最大充电功率占其发电总功率的12.5%,虽然是个大户,但还不足以影响其它系统用电。

记:您认为电磁弹射系统赶得上CVN-78么?

海:CVN-78于2014年服役,目前的电磁弹射系统将于2007～2008年全面测试,虽然还需完善,毕竟还有这么长的时间,很可能装上。

记:如果不搞CVN21,将“尼米兹”加装大功率发电机组能否满足换装电磁弹射系统的需要?

董:加装发电机会较大改变“尼米兹”的舱室布置,难度较大。事实上,在电磁弹射系统设计的需求书中,美国海军明确表示其必须方便安装到“尼米兹”级上,虽然电磁弹射系统是为CVN21设计的,但考虑了与“尼米兹”级的兼容。例如,美国海军规定,电磁弹射系统的弹射电机应能在目前蒸汽弹射器汽缸所占据的空间内安装。

记:电磁弹射还有无别的好处?

海:它体积小、重量轻。每个蒸汽弹射器和相关的加强结构重量超过500吨,体积约1 133米3。而电磁弹射系统体积和重量都约为蒸汽弹射器的一半甚至更少。电磁弹射系统的弹射电机安装在略微改动的现有的蒸汽弹射槽内,因此,这部分并不会有体积上的节约,主要的体积节省在甲板以下的设备,蒸汽弹射器的蒸汽管道需要占据大量空间,而电磁弹射系统将用电缆代替这些管道。电磁弹射系统也没有蒸汽弹射器所必需的那些分系统,例如加热系统、阀门等等,布置起来非常灵活,舱室利用率高。
董:电磁弹射系统构成相对简单。它只用直线电动机进行弹射、制动和使往复车复位,不需要保持常备状态,在完全关闭的冷态条件下不到15分钟内就能达到待用状态。而蒸汽弹射器要依靠大量的系统和分系统,有液压泵、蒸汽、水力刹车、蓄压器等等,需要你不断给弹射槽加热,蒸汽弹射器的机械磨损严重,可靠性较低。而电磁弹射系统使用的电力电子元件用无接触的瞬时电磁力,无磨损,可靠性在民用领域已得到检验,寿命都在几万小时,且具容错能力。
海:电磁弹射系统还有一个蒸汽弹射器不具备的优点,那就是它很容易简化为满足短距起降飞机起飞的助跑系统,能很好地与滑跃跑道形状配合,可用于轻型航母或两栖攻击舰上,甚至能够用在任何采用综合电力系统的舰艇上。而蒸汽弹射器的汽缸必须保持直线,不可能装在滑跃甲板上。

记:如果电磁弹射取代蒸汽弹射,那么核动力航母的优势将只剩下续航力？

董:从“尼米兹”级过渡到CVN21,还顺应了全电化趋势。比如厨房、供暖等设备现在用的是蒸汽,在CVN21上都用电力实现,电力系统的维护比蒸汽系统相对简单多了。蒸汽系统是“尼米兹”多年来被认为是“劳动密集型”的原因。蒸汽系统发生泄漏后,密密麻麻的管道检查起来麻烦,而且高温高压蒸汽系统的维修也不容易,被美海军维护人员称为“梦魇”。而电磁弹射系统等所有电力系统可自动运行并提供故障和维护信息,维修工作量和对人员数量的需求比蒸汽弹射器减少30%左右,直接减少全寿期费用。
海:接着说“尼米兹”不能被美国海军继续接受的第二点,就是其重量、重心余量不足,改装余地不大。CVN21的重量裕度起码要达到5%,也就是说,即使在CVN21今后的改装过程中,其重量增加了5%,其稳性仍不会出现问题。另外,CVN21的重心裕度要在“尼米兹”级的基础上提高1.5英尺,假如说“尼米兹”的两心高度差是15英尺,则CVN21就是16.5英尺,比“尼米兹”有更大的稳性。舰艇的稳心一定要高于重心才行,当然也不能高得太多,否则就会导致舰艇摇摆的时候纠正力矩过大,船稍一倾斜就立刻回正,使摇摆周期过短,舒适性太差。

记:CVN21满载排水量约为95 000吨,比“尼米兹”后几艘小了7 000吨,改装裕度反而更大,CVN21是否有那么多重量大的系统要待将来加装?

海:我个人认为美国海军说“尼米兹”级的改装余地小,部分站得住脚,部分牵强。站得住脚的部分是“尼米兹”级的电力的确不足,而担心改装会出现重量和重心方面的问题我觉得有点牵强。电磁弹射的重量比蒸汽弹射小了一半多,利于航母重心下移。从“里根”号约97 000吨的满载排水量来看,“尼米兹”级自身的重量也在降低,与102 000吨的同级航母相比,“里根”号有5000吨的重量裕度,改装过程中出现重量重心方面的问题可能性不是很大.

记:美国是否真的会按兰德报告中建议的步骤进行更换?

董:我觉得可能不会。首先,CVN21还没出来,它有12项特征技术没成熟,虽然CVN21号称有很多优点,但毕竟还没成现实,美国海军没真实地感受到这些,未来的发展说不准还会有什么变数。 另外,我感觉兰德的分析有问题。比如兰德公司在报告中说,“‘尼米兹’级在每个23年的使用期内每隔16个月就要进行1次为期6个月的常规维护”,但美国海军和总审计署的报告就认为是18个月或24个月才需要进行这种常规维护,所以兰德可能带有倾向性。
还有,关于换料大修费用,兰德说“尼米兹”级的大修费用接近CVN21建造费的一半。实际上,CVN72“林肯”的换料大修用了15亿美元,按兰德的说法,三四十亿美元够造1艘CVN21了,而现在估算CVN78的费用将超过80亿美元,以后每艘也大致是这个数,这和兰德的说法对不上。美国历来的争论都是利益集团间的争论,比如美国船厂很想为台造潜艇,美海军坚决反对,因为一旦造了以后,国会一看这么便宜,可能就会逼着美国海军重新使用常规潜艇,核反应堆的厂家就会受影响,而他们势力很大,他们会影响海军在国会游说,这件事情如果美海军现在捂不住,可能就无法挡住常规潜艇进入美国海军服役了。
兰德是优秀的智囊机构,有过惊人准确的预测,但这不表示它每个报告都那么中肯和正确。
海:兰德这个建议可操作性比较差。它是以12艘航母为背景研究的,而现在美海军只打算保留11艘,为什么?一是它认为每艘航母的能力强了,不需要那么多,另外就是经费原因,而且我认为这是主要原因。美国总审计署估计,CVN78设计建造费将达137亿美元,CVN21前3艘设计建造总费用(非全寿期费用)将达360亿美元左右。其它如DD(X)打算2007年开工,原计划采购8艘,考虑到它们的设计建造费将超过170亿美元,美国海军将其数量削至5艘。还有诸如LHA(R)两栖攻击舰、未来海上预置部队船以及太多的网络中心战电子系统等,都需要大量经费投入,尽管执行兰德的建议加速CVN21采办在长期上更有利,但美国海军这么做的可能性不大。

记:CVN21比“尼米兹”还有优点么?

海:探测能力更强,“尼米兹”级没装相控阵雷达,而CVN21将装备有源相控阵雷达,对隐身和掠海目标的探测力有较大提高。当然,对于掠海目标来说,航母自身雷达性能的提高并不会有质的飞跃,因为受视距的影响,其探测距离不可能太远。它的耳目主要来自E-2D,会比E-2C的能力更强。

记:相控阵雷达应该只装在驱逐舰上,而且要和区域防空导弹搭配。

董:美国目前的确是用相控阵雷达搭配“标准2”。以前不将相控阵雷达推广到所有舰艇上一个原因是成本太高,现在,由于微波集成电路的应用,加上微电子工艺技术进步及大批量生产等,使有源相控阵雷达的成本更低、可靠性更好,美国海军已决定在未来航母上装备有源相控阵雷达。航母是美国海军价值最高的武器装备,这对美国海军来说是值得的。有源相控阵雷达是平面阵,装备航母之后能取代多部雷达,对隐身性能的提高有好处。需要说明的是,相控阵与“标准2”搭配不表示装备相控阵雷达都要装备区域防空导弹,舰艇的功能决定配备什么武器。还有,美国的一些“宙斯盾”舰艇现在已经装备“标准3”导弹,将用于弹道导弹防御。

记:CVN21有必要做隐身处理么?舰岛变小对减小编队目标贡献很小。

海:隐身是美国海军极看重的指标,只要有助于提高隐身,哪怕提高的不是很多,美国海军都会去做,况且,CVN21还将采取什么其它隐身措施目前还没透露。隐身需要综合采用各种技术和措施,我们不能孤立地拿某项技术或措施来看。另外,航母编队在作战时舰艇间隔起码在十几千米,具体环境中,航母完全可能单独面对威胁,所以隐身还是必要的。苏-27掠过“小鹰”号的例子中,尽管航母当时处于补给状态,但还是说明航母编队的防御体系并非无懈可击,航母对掠海目标的探测存在漏洞。当然,并不能因此否定航母编队的力量,任何极端的看法都不可取。另外一个例子是,今年5月30日,伊朗宣布其一架无人机在“里根”号附近盘旋25分钟后才被发现,美国出动舰载机拦截却被无人机成功逃脱。当然,这只是伊朗单方面的说法,根据掌握的资料,伊朗现有的无人机长宽约在3米以内,飞行速度不超过300千米/小时,如果在航母编队处于戒备状态的情况下,让它在“里根”号附近盘旋25分钟几乎是不可能的。对此,我个人觉得,如果伊朗没有撒谎,当时的情形可能,一是“里根”号雷达没开机,因为伊朗说这件事情发生在波斯湾,相对于航母编队的活动来说,波斯湾是很狭窄的,其最宽处约360千米,最窄处可能就几千米,航母编队在这种海域中的活动是受限的,加上编队司令在不同情况下对威胁的判断不同,或者出于其它需要,雷达当时不开机并非不可能。二是伊朗的无人机当时可能离“里根”号较远,如果美国航母上的超音速舰载机紧急起飞都追不上的话,较远的距离可能会是个合理的解释。但无论如何,都说明航母的态势感知能力仍需提高,另一方面,隐身性能也必须进一步提高,否则威胁悄然而至的时候,你再有那么大的目标特征,那不是送给别人揍吗?


记:舰岛变小,将来天线的升级是否会受限制?

海:这种担心的依据是天线体积和重量会变大,或者数量会明显增多,我觉得,这种担心不符合电子信息系统发展趋势。举例说,美国SPY-1D相控阵雷达体积和重量很庞大,所以安装在舰艇上层建筑较低的位置,再看看德国的“萨克森”级驱逐舰,它采用的是有源相控阵雷达,技术的进步使其体积和重量都大为减小,所以它能装在上层建筑顶部,看上去极为紧凑。另外,雷达天线的发展趋势是从多变少,逐渐实现高度集成和多功能化,所以雷达天线数量会越来越少,体积和重量也不用担心会增加,因而CVN21的天线升级不会受到限制。


记:CVN21舰载机的出动能力为160架次/日,必要时可达220架次/日,“尼米兹”级为140架次/日,这种提高是怎么来的?去掉岛后升降机(图中可见)是否说明甲板面积更重要?

海:主要通过两方面实现。一是改变飞行甲板布局,使舰载机作业更方便,增大飞行甲板面积,增加停机空间。二是改变弹药提升的通道,采用更加自动化的弹药处理措施,加快弹药提升和装备至舰载机的速度。
董:去掉岛后升降机并不能说甲板面积更重要,其实二者都重要,飞行甲板上的停机区面积和飞机升降机数量之间的协调关系要根据舰载机出动架次率来决定。舰载机起飞前首先要停在飞行甲板上,而舰载机降落后会需要维护,有些需要马上回到机库检修,这要通过飞机升降机,为了维持一定的舰载机出动架次率,必须有相应数量的舰载机通过飞机升降机回到飞行甲板上,所以不能简单说甲板停机面积更重要。

记:从图中看,“尼米兹”级最前面一个弹药升降机出口正好在前两条弹射器中间,明知道会与舰载机起飞冲突为什么还要这么设计?

董:这是冷战思维的产物,当时非常看重安全。从图中会发现,“尼米兹”的弹药升降口都设在了比较靠近航母中部的位置,以多层隔舱阻挡导弹攻击。我想设计人员肯定知道前面那部弹药升降机出口放在那里会影响舰载机的作业,但安全考虑使其仍然这么做。飞机升降机设置多部也有安全这类考虑因素。当然,你也可以说,这部弹药升降机提升的弹药可以就近装到旁边待飞的舰载机上,不过从效率上讲是得不偿失的。从CVN21的布置图中可以看出,弹药升降机全都设在了靠近舷侧的位置,这样就不会像以往那样对舰载机的弹射造成影响了。

记:CVN21的“一站式”综合补给能加快弹药提升速度,“尼米兹”级当时为什么没采用这种方法?

董:当时苏联的导弹攻击令人忌惮,出于安全考虑,航母弹药提升必须经过很多水平和垂直通道才能抵达飞行甲板。弹药通道如果搞成垂直的固然方便,但一颗导弹可能也就顺着这个通道钻到弹药库的最底层。而现在的CVN21不过分考虑这些威胁了,在弹药通道设计中大幅度减少了弹药的横向移动,因而弹药提升速度将得到提高。另外,“尼米兹”级的弹药提升过程实现了部分机械化作业,更多工作靠人力,CVN21采用更多的自动化弹药处理设备。“尼米兹”级所以没用“一站式”补给,当时他们可能认为弹药和油料一起补给有安全隐患。

记:CVN21的上层建筑挪动一下就能提高舰载机作业效率吗?

董:CVN21变更上层建筑位置并取消尾部飞机升降机是有道理的,对于挪动上层建筑,这是设计人员听从美国海军飞行甲板上的舰载机调度员建议的结果。在长期工作中,舰载机调度员发现,“尼米兹”级的上层建筑经常造成舰载机调度中“堵塞”,从图中看,舰载机从“尼米兹”级的岛后升降机升上飞行甲板后,它必须滑到各个补给站位去加油、装弹,完了之后再滑到弹射阵位。在舰载机起降较频繁的时候,斜角甲板上的着舰跑道是必须留出来的,从尾部岛后升降机上来的舰载机不能滑入这条跑道,而上层建筑又挡在前面,所以剩下的通道就很窄了,如果中间还有什么车辆、舰载机的,很容易造成“堵塞”。