福特级核动力航空母舰 美国海军新巨兽——福特级核动力航空母舰

在“危机时刻”，美国总统的第一句话是“我们的航母在哪里？”航空母舰在美国全球战略中扮演着极其重要的角色。作为21世纪的主力舰空，福特级肩负着维护美国乃至整个西方集团利益的使命。福特级飞机空航母建造计划最初源于CVNX计划，后发展为CVN21计划。“21”是指21世纪美国的第一架飞机空航母计划。第一款CVNX叫CVNX1，沿用了CVN77综合作战系统的设计，采用了全新的核动力系统和动力系统设计。由于CVNX1使用的尼米兹级航母舰体造价高达100亿美元，美国国防部转而开发CVNX2计划。2002年，CVNX正式更名为CVN21。新航母采用新型压水堆、新型电磁起降系统、先进自动化系统、新型甲板和舰岛设计。美国海军计划建造三艘福特级航母，即CVN78、CVN79和CVN80。基本技术参数为:满载排水量10万吨左右，船长333米，船宽41米，飞行甲板面积333×78平方米，航速30节以上，人员4660人，使用年限50年。

第一，电力系统

当前运营商空的电力系统分为核电和常规电力两种模式。传统动力方式之一是由锅炉和汽轮机组成的蒸汽动力系统，另一种是主要由燃气轮机组成的燃气动力系统。核电系统由核反应堆和汽轮机组成。目前，美国和法国的飞机空航母使用核动力。俄罗斯航空空号航母采用蒸汽动力系统，英国新伊丽莎白级航母采用燃气轮机-全电推进系统。

航母空的动力系统与其他大型船舶有很大不同，航母空也为舰载机起飞提供动力，因此需要分析不同舰载机起飞方式对航母动力系统的要求。飞行空舰载机起飞方式分为弹射起飞、滑跑起飞和垂直起飞。滑橇起飞和垂直起降利用舰载机自身动力获得足够的升力，实现正常飞行。弹射起飞需要动力源提供能量，加速舰载机，使其达到要求的起飞速度。对于固定翼舰载机，不仅要通过航母弹射器将其加速到一定速度，还要利用甲板风来满足起飞条件。这样就需要航母空的逆风速度在30节左右，无论是高速航行还是蒸汽喷射都需要消耗大量的高压蒸汽。满足这两个条件，对载波功率系统提出了更高的要求。舰载机有很高的着陆速度。为了保证安全着陆，需要航母保持高速，这样两者之间的相对速度就会降低。大型舰载机的起降对航母的动力提出了很高的要求，因此美国选择了核动力作为其航母的动力来源。

福特级航母的一个重要改进是将使用两个新的A1B压水反应堆。福特号航母的动力方式是核反应堆-汽轮机-综合动力系统。该反应堆的13800伏配电系统提供60兆瓦以上的电能，比尼米兹级反应堆高25%，是尼米兹级反应堆的3倍。满足福特级航母电磁弹射器和未来高能武器的需求。此外，船上A1B反应堆的维修人员仅为尼米兹级航母反应堆的一半，使用寿命更长，因此在50年的全寿命周期内无需更换堆芯，相当于福特理论上的无限续航。采用DC区域配电结构，使其具有高传输功率、高可靠性、良好的灵活性和通用性，能够满足航母全电推进、电磁弹射器和高能武器系统的需求。

二、起降系统

由于舰甲板长度有限，舰载机需要借助母舰上的弹射器或滑跃、垂直起降等方式起飞。弹射起飞是利用弹射装置对舰载机施加外力，使其加速离舰空。获得起飞许可后，飞行员应加大马力，在获得起飞信号的同时松开刹车，启动起飞装置，将飞机弹出跑道。整个过程大约需要1.5秒。起飞时，在自身发动机推力和弹射力的共同作用下，飞机只要滑行几十米就能飞离甲板。这种起飞技术具有弹射能量高、加速性好的特点，可以在几十米的距离内将舰载机的速度从零加速到离舰速度。过去，舰空母舰使用的是蒸汽弹射器，但这种弹射器存在很多缺陷，比如弹射器占用舰空之间的空间较大，建造技术难度大，战时损坏难以修复，使用时需要大量的淡水自行制造。与滑橇起飞相比，舰载机在弹射起飞时的飞行速率至少超过三分之一，舰载机的油弹载荷也会有很大的提升，这意味着可以最大限度地实现战斗力。

舰载机以高速运动状态从空降落在甲板上，这是在船的有限长度内没有特殊装置无法实现的。这个着陆过程必须借助于阻挡系统来完成。液压闭锁系统广泛应用于现代航空母舰，由制动设备、液压缓冲系统和冷却系统组成。其中，制动设备包括:用于产生制动力的闭锁机构、用于保持制动缸压力的控制阀、以及用于确保闭锁飞机后快速返回的蓄压器；液压缓冲系统主要用于减少制动初始时刻的过载，延长系统的使用寿命；冷却系统用于冷却舰载机在拦截过程中巨大动能转化而来的热能。当舰载机尾钩挂有拦阻索时，拦阻索将通过滑轮阻尼器在减缓飞机速度的同时，不断向压缩空空气罐传递动能。此时隐藏在甲板下的整个阻断系统同时工作，将撞击带来的巨大动能转化为液压油的热能和压缩空气体的势能，使飞机得到缓冲和制动。

福特级航母在起降系统上实现了革命性的飞跃，首次装备了电磁弹射系统和先进拦阻系统。电磁弹射器主要由储能系统、电力电子转换系统、弹射直线电机和控制系统组成，其中弹射直线电机是核心。其工作原理是载流导线在磁场中受力，利用磁通量瞬间巨大变化产生的感应电磁斥力将飞行器弹射出去。与目前航母配备的蒸汽弹射装置相比，电磁弹射器的优点是:

体积小，便于整理。与庞大复杂的蒸汽弹射器系统相比，电磁弹射器的结构要简单得多，其体积有望比蒸汽弹射器缩小一半。目前蒸汽弹射器的体积约为1132.8立方米，而电磁弹射器的体积可能不足425立方米。这种简单便携的系统在航母布局上更加灵活，不仅对布局位置没有限制，而且有利于优化航母设计，有效利用船上的空房间。

可靠性好，维护方便，能效高。蒸汽喷射器工作时，机械磨损比较严重，需要经常维护。而电磁弹射器采用直线电机对舰载机进行加速，结构简单，其动力电子转换系统和控制系统是在民用成熟技术的基础上开发的，可靠性高。蒸汽喷射器的平均非临界失效间隔为405个周期，而电磁弹射器的目标间隔为1300个周期。

电磁弹射器不仅结构简单，还配备了自动监测和检测设备，提供故障和维护信息，大大降低了对操作人员和维护人员的需求，将降低20%的生命周期成本。

能量利用方面，一台蒸汽喷射器通常在一次喷射操作中消耗614 kg蒸汽，每次喷射结束时排出大量蒸汽，浪费大量能量，其效率一般在4%-6%之间。电磁弹射器的效率可以达到60%甚至更高，弹射作业时的能量需求大大降低。

能量范围宽，易于控制和调整，弹射舰载机范围广。蒸汽喷射器的弹射能力可以满足在役固定翼飞机的弹射需求，但限制了未来舰载机的起飞性能，缺乏精确控制能力，无法满足轻型飞机特别是无人机的低能弹射需求。但电磁弹射器可以弹射起飞速度更高的较重飞机空，并可以通过调节电流等措施大幅调节弹射力，满足轻型舰载机的弹射需求。

弹射性能稳定，对舰载机的作用力均衡，延长了舰载机的使用寿命。由于缺乏反馈/闭环控制系统，主动蒸汽弹射器对舰载机机身施加了极不平衡的力。在整个弹射过程中，电磁弹射器可以在几百微秒内不断修正推力偏差，对舰载机施加的力是平衡的，可以延长舰载机的使用寿命。

与液压拦阻系统相比，先进拦阻系统有了很大的进步。在这个系统中，滑轮阻尼器还有两个用于测量张力的传感器。它可以直接将不同的张力信号传输到中央集中控制器，提醒其启动相应的控制程序，有效防止过载。此外，钢丝绳卷筒取代了压缩气缸，通过控制初始电流和最终电流，可以达到均匀过载的效果。

先进的阻挡系统控制起来更灵活，尤其是不同重量的飞机依次降落时，只需按下按钮，一切都由自动调节装置完成。这就好比称重时，秤需要手动改变重量，而电子秤只需要调整测量状态就可以连续工作。

EMALS和AAG取代了传统的蒸汽喷射器和液压制动装置。这种新的电磁系统将降低运行成本，减少维护工作量，提高运行性能，并扩大航母发射和回收载人飞机和无气飞机的范围。与蒸汽弹射器相比，电磁弹射器体积更小，重量更轻，不需要提前预热，在各种紧急情况下都能快速启动。它可以精确控制推力的输出，弹射不同型号的飞机，这是蒸汽喷射器无法实现的。与蒸汽喷射器相比，所需的维护工作量和操作员减少了30%。与目前的液压堵塞系统相比，先进的堵塞系统简单轻便，调节方便，易于操作，不仅缩短了反应时间，而且优化了堵塞效果。新起降系统应用后，福特级航母正常每天出动160架次，高峰上座率从每天220-240架次提高到每天270架次，远高于美国其他航母正常每天出动120架次。

第三，舰载机

航母空动力充足，采用先进的起降系统，优化甲板、船岛等设计。，所有这些都为舰载机服务。没有优秀的舰载机来完成相应的作战任务，实现军事指挥机构的作战意图。优秀没有意义。

福特级航母将配备美国第四代战斗机F-35和X-47B无人攻击机。这是无人攻击机首次作为主战飞机部署在舰上的飞行中空航母上。无人攻击机具有成本低、体积小、智能化、隐身、远距离等特点。它可以执行综合任务，精度高，全天候，可以独立作战或与有人战斗机配合，大大增加了航母的打击能力和打击距离。无人机将改变未来海空作战模式，对世界军事战略格局产生深远影响。F-35战斗机具有很强的隐身能力、高速巡航能力、超信息能力和超机动性，其作战能力已经超过了F-18、苏-33等第三代战机。

四.综合评价法

舰载机充分体现了航空母舰在军事行动中的重要性。舰载机的作战需求如何满足，取决于舰载机的起降系统，而舰载机的起降系统必须依靠舰载机动力系统的支持，才能最大限度发挥其效能。由此可见福特级航母保障舰载机作战效能的全链条:舰载机-起降系统-动力系统。先进的战斗机本身不仅可以携带更多的带弹油料，还具有出色的飞行性能和航电设备，必须在有限的舰艇之间顺利上升空和安全降落空。而作为战斗组织的航空兵空部队应该能够在最短的时间内集结成型，快速赶往战斗区域。多频次、高强度的作战任务，要求舰载机在最短时间内在战区与平台之间来回加油、挂弹。福特级航母空遵循这一思路，从基础动力源到各种保障保障装备，利用最新的科技成果，尽可能最大限度地发挥舰载机的战斗力。

福特级航母空采用尼米兹级成熟的舰体设计，既节约了研制成本又缩短了周期，充分体现了经济性与战斗力的最佳平衡。福特级在大型船舶上首次使用全电集成系统，功耗和设备消耗分配合理，大大提高了电力资源的有效利用率。并与新型A1B压水堆合作，实现全电推进、电磁弹射等一系列新概念、新技术的应用。全电力推进减少了动力输出损失，提高了航行的安静性。电磁弹射节约了宝贵的淡水资源，大大提高了作战飞机的出动率。弹射类型可以大范围调整，从重型运输机到简单的无人机。作为大型舰载机平台，包括先进拦阻系统在内的创新起降设备的应用，必将提高舰载机的作战效率。可以说，福特级新技术的应用完全是围绕舰载机进行的，对平台的要求非常明确，从而保证了舰载机安全高效地完成作战任务。与尼米兹级相比，福特级自动化程度更高，人员更少，生活环境更好，战斗人员执行任务时的心理和身体状态更好。福特级是美国航母发展中的全优化航母空。它以作战任务为中心，运用新技术不断提升核心战斗力，以满足美国海军的作战需求。可以说，福特级航母打通了与其他国家航母的代差，航程巨大。同时，这一级航母也标志着没有人会动摇美国航母从概念和理论到技术和作战领域的“霸主”地位。