转发“军武次位面”:全解003型航空母舰!中国“首艘电磁弹射航母”究竟有多先进?

辛志荣         
2022-06-18 08:04:06
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全解003型航空母舰!中国“首艘电磁弹射航母”究竟有多先进?

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军武次位面

2022-06-17 20:20北京军武次位面官方帐号,优质军事领域创作者

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注:本篇文章的视频版,已发布在《杨叔洞察》B站号

等了好几个月,锣鼓喧天,鞭炮齐鸣,万众瞩目的中国003型航母终于下水啦!该舰正式命名为“中国人民解放军海军福建舰”,舷号18,中国也就此正式步入三航母时代。如果说此前辽宁舰和山东舰的双航母阵容,相比英国两艘伊丽莎白女王级,在某些方面还有差距,那随着003的下水,中国毫无疑问已成为仅次于美国的世界第二航母大国。

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002型山东舰是在辽宁舰,也就是原苏联1143.5型重型载机巡洋舰基础上,有限改进的产物,严格来说还是苏联血统。而采用平直甲板、3部电磁弹射器的003型,则完全中国第一次完全自主设计的航母。8万吨级的满载排水量也打破了大和号保持了82年的亚洲最大军舰记录。

那么003航母身上到底有哪些黑科技?流传已久的电磁弹射器、四代隐身舰载机、弹射型歼15,关于003航母的一切,你们想知道的,这次统统满足你们。

首先动力,官方已经一锤定音啦,看到舰岛这大大的烟囱就知道肯定是常规动力啦。在003下水之前,“核党”和“常党”已经在网上争得脸红脖子粗啦。

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大家期盼核航母的心情可以理解,但技术问题还是得一步一个脚印:核航母最关键的就是小型化的舰用核反应堆,由于潜舰用堆的主机锅炉蒸汽压力上只有舰用堆的三分之一甚至四分之一,导致功率不足,强行上马的结果就是戴高乐号。航母舰用核反应堆就是要专门研制,在模式堆或大型核动力船舶没造出来之前,核航母是不会出来的。那有关中国核航母的技术猜想、核反应堆的相关内容,我之前已经详细做过一期内容了,大家可以翻往期。

不过,尽管是常规动力,但除了续航力,003航母的其他性能,尤其在直接决定战斗力的甲板最大出动效率上,其实不一定比更大吨位的核航母差:3部电磁弹射器配合两座重型升降机,所带来的的舰载机运作效率,已经相当接近4部蒸汽弹射器的尼米兹了。而能支撑电磁弹射器上舰的最关键技术、也是003航母最核心的黑科技之一就是舰船综合电力系统。

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下面简单说说航母动力演变吧。其实,无论是常规动力航母还是核航母,本质都是烧开水。核航母就是通过调节控制棒插入的深度,来控制反应堆的热功率输出,再用这些热量烧开水产生高压蒸汽,驱动蒸汽轮机,然后通过传动轴带动螺旋桨推动前进。只不过常规航母用重油烧,核航母用核反应堆烧。

那这种蒸汽轮机航母从二战就定型了,辽宁舰和山东舰都配了8个蒸汽锅炉,两两一组分别驱动4台蒸汽轮机。4个螺旋桨,总共20万轴马力。从熄火状态到启动,先重油点火,把锅炉水烧沸腾,直到变成400度以上的高温高压蒸汽,才能驱动蒸汽轮机。

所以辽宁舰每次冷启动出航,都要先烧十几个小时烧开水。即使美国的核航母也少不了这一步,只不过它用核,烧得更快。蒸汽轮机启动后,长时间不熄火,反正轮机兵永远是军舰上最苦的兵种。

针对蒸汽轮机体积重量大、维护保养麻烦的缺点,现在也有先进航母直接用燃气轮机的。燃气轮机体积小,启动速度快,从点火到驱动一般只有几十分钟。印度国产航母,用的就是4台美国通用LM-2500-G4燃气轮机。只不过,四台流氓2500一般都是伯克驱逐舰的动力,印度放到满排4.5万吨的航母上,也不知道是怎么想的。

不过,无论蒸汽轮机航母还是燃气轮机航母,推进系统都是直接用原动机带动主轴,整个传动系统需要有一根长长的驱动轴贯穿舰体,会占据大量空间。另外再加上几台柴油发电机,供给全舰用电。

而003航母用的综合电力系统,将此前航母分开设计的动力和发电系统整合到一起。航母采用4台改进型TB-12蒸汽轮机作为原用机发电:蒸汽锅炉产生高压蒸汽,驱动轮机带动发电机发电。电力全部输送到航母中央电网,负责全舰用电。由于不同设备:如雷达、电磁弹射器、导弹的工作电压差别很大,通过一套智能配电装置,为不同设备输送符合其需求的电力。

同时整艘船的功率都在动态变化,还需要一套稳压系统,保证低功率时电压不会过高,高功率时不会过低。而把这些子系统都整合到一起,统一管理,统一调度,实现自动化智能化,就是马伟明教授搞的舰船综合电力系统。

不过,和此前很多人猜想的:直接在舰体后部安装推进电机,用电力推动航行不一样的是,003航母大概率和美国福特级一样,也是用蒸汽轮机直接驱动主轴航行,通过变速箱分出部分动力连接综合电力系统。

而推进系统推测是用8个蒸汽锅炉,两两一组分别配4台蒸汽轮机,直接驱动四轴螺旋桨推进。而根据此前我统计的世界上各国航母吨位、马力配置,8万吨的003航母要达到30节的舰队航速,轴功率推测应不低于26万轴马力。

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但这样的设计:长长的驱动轴贯穿舰体,无疑会占据大量空间。而之所以没用最先进的全电推进,主要是因为能够驱动8万吨、10万吨级航母航行的超大功率电力推进系统,目前尚未发展成熟,就连美国的福特级都没搞定。步子太大,风险太高,因此这方面我相对保守,但很期待被打脸。

003动力系统猜想

综合电力系统是保证003航母在常规动力的情况下,也能使用电磁弹射器的关键。因为电磁弹射器是个电老虎,可能之前很多人都有误解:认为要上电弹就必须用核动力。但事实并非如此:以美国福特级为例:4台电磁弹射器全功率运行的发电功率是65MW。

美国福特级电磁弹射系统

而老迈的尼米兹级,发电功率只有64MW,因为尼米兹级和之前航母一样:动力系统和发电系统是分开的,根本无法支撑电磁弹射上舰。为此福特级才用了新的A1B反应堆和综合电力系统,发电能力足足比尼米兹级提高了三倍,192MW。

要上电弹必须用综合电力系统,它只需要一个原动机发电,美国用的是核动力发电,我们用常规动力发电,也一样能支撑电磁弹射上舰,真正考验的是你的综合电力系统怎么样。

那搞定了最关键的动力系统,下面就来说说甲板布局和舰岛设计,从这你就能看出这10年来,中国航母设计水平的飞跃。003航母总体甲板布局,是在吸收辽宁舰、山东舰使用经验基础上,并在很大程度上参考了美国航母的设计。

根据此前商业卫星照片推测:003航母全长约320米,宽度约76米,甲板面积差不多相当于3个半足球场前后相连。整个甲板分为起飞区、着舰区和停机区。1号、2号弹射起飞位位于前甲板,距离舰首约100米处位置;3号起飞位,位于舰体中后部,距离斜角甲板前端约100米处。出于甲板强度设计考虑,3部电磁弹射器并非完全水平布置,而是和甲板中线呈一定偏角。同时在起飞区和左侧舷边,各布置了一座弹射器控制室。

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电磁弹射器是003航母最显眼的黑科技之一,其实按照最初的规划,003原本计划用的是蒸汽弹射器,后来因为马伟明教授搞出了电弹。为了进行蒸弹和电弹的对比测试,咱们还推迟了3号舰的开工。最终经过PK,电射完胜蒸射。为此咱们还修改了设计,用电弹取代了蒸弹,宁可承担一定的时间和经济上的代价,让新航母一步就用上最先进的电磁弹射,高瞻远瞩。

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那蒸汽弹射之所以落选,除了弹射效率、可靠性不如电弹,另外我认为还有一个蒸汽压力的问题。蒸汽弹射器的原理,就是是从航母的主机锅炉导入高压蒸汽放入储压罐,然后通过管线把蒸汽引入甲板上的弹射气缸。

蒸汽弹射器原理

弹射飞机的时候,通过蒸汽的瞬间释放,把飞机弹射升空,所以蒸汽压力对弹射器的性能就至关重要。咱们航母现在用的TB-12蒸汽轮机的蒸汽锅炉压力是6.1Mpa,美国是8.45Mpa。如果咱们也用蒸弹,那舰载机最大起飞重量就不如美国。

那之前网上有这样一种观点:说,咱们在发展弹射型航母时要稳一点,先搞定成熟的蒸汽弹射器,再上电磁弹射。但是从原理上看:蒸弹和电弹没有技术继承性,不是说你非得搞定蒸弹,然后才能上电弹。对咱们来说:这俩都是第一次尝试。既然如此,那还不如直接跨过蒸弹,一步到位上电弹,这就叫换道超车,一步抹平美国在弹射器方面几十年的技术优势。

电磁弹射从原理上讲相当于大型直线电机,你可以理解为把一个普通电机沿半径方向展开:定子相当于初级,放在弹射轨道之下;弹射滑梭相当于转子,通过弹射牵引杆连接舰载机。

003航母电磁弹射想象图

电磁弹射耗电巨大,由航母中央配电系统供电。弹射飞机前,先给储能装置充电。福特级航母用的是飞轮储能系统;003航母则有可能使用更先进的超级电容。飞机弹射时,电容在2—3秒内瞬间输出蓄积的电能,产生巨大的电磁力。弹射滑轨上的每一级线圈接力加速,将舰载机弹射升空。

相比蒸汽弹射器的力大飞砖,影响舰载机寿命;电弹弹射的加速可调,同时弹射飞机种类更多。航母左舷,有一块和甲板中线呈7度夹角的斜角甲板,这块长约200米的直通甲板是舰载机着舰区,在后部布置了4道拦阻索。

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飞机着舰时,由舰岛后部的着舰引导雷达、左侧舷边的光学助降系统和舰尾的着舰信号官站位共同配合,指挥舰载机完成。

不过由于3号弹射器大部分与着舰区重合,所以飞机着舰时,这部弹射器是不能用的。这点,美国航母也是一样的。

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在起飞区和着舰区之外,围绕舰岛部分,这里是舰载机停机区。每个停机位都有相应的黄色标识线,主停机区可停放8-10架飞机;另外在斜角甲板左侧还有一块三角形副停机区,这里最多可停放5架。那以上,只是航母进行弹射起飞时的停放布置,日常航行时,其余空闲区域会被充分利用。

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和采用滑跃甲板的前2艘不同,平直甲板的003,舰首部分也可停放8架飞机,大大提高了甲板利用率。再加上其余零碎空间,003宽阔的甲板可同时运作近20架各型舰载机。

另外,主副停机区和起飞区,各设置了一部航空弹药升降机,可直接将安放于内部装甲区的弹药提升至机库和甲板,舰载机挂弹之后就能直接推上起飞位。

和前2艘航母一样,003也是在舰岛前后个布置了一台升降机。但更大的甲板空间,使得这两部重型升降机可同时运作4架舰载机,作业效率2倍于山东舰。而之所以没有采用福特级的3部升降机,一方面003较福特级舰载机数量少,2部已经够用了;而且通过优化设计,完善舰载机出库流程,合理规划甲板牵引路线等措施,三部电磁弹射器,加两部可同时运作4架歼15的重型升降机的甲板设计,也能达到相当高的甲板出击效率,对我们来说已经足够了。

其余在近防火力配置上,003和山东舰类似,都是在四个舷边布置了海红旗10加1130,但具体数量组合,目前003目前还在舾装当中,尚未可知。

而相比其他黑科技,003航母舰岛的优化设计,我觉得是最能体现中国航母设计水平的。那由于山东舰和辽宁舰的甲板布局相差无几,山东舰的舰岛只是辽宁舰基础上有限改进:通过优化相控阵雷达布局、增加一层指挥舰桥、扩大航空舰桥内部空间,有限提高了指挥运作效率。

003和山东舰舰岛对比

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而003的舰岛则是彻底的脱胎换骨,吨位更大了,但舰岛体积相比002的舰岛反而更小,进一步提高甲板利用空间。同时:我们能看到055大驱高度集成的一体化上层建筑设计,同样用到了航母身上。

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S和X的双相控阵双波段雷达布局,一步追上了福特级而且003的雷达采用四斜面布置,相比福特级直接把雷达对着正面,隐身性更好。另外没有福特级一大堆凌乱的天线,一体化的桅杆上集成了塔康天线、微波侦测天线、电子侦察综合射频天线、敌我识别辅助天线、短波数据天线、通讯数据天线、着舰引导雷达等一大堆电子设备。

而相比辽宁舰、山东舰,003舰岛最大的突破就是直接取消了舰岛后部的航空指挥舰桥,全部功能都集成到前部的大视角宽场司令、航空舰桥当中。两层舰桥,下面一层管开船,上面一层负责指挥全舰的航空作业;

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向外突出的部分,观察视角可覆盖整个甲板。如此一来进一步缩小体积,再加上各种细节优化,003的舰岛设计已经达到了常规动力航母的最高水平。下一步如果要造核航母,直接把中间的大烟囱去掉就行。

那说完了003航母的总体设计,另一个大家很关心的当然是舰载机配置啦!可以肯定的是:弹射型歼15肯定是会上舰的。严格来说:目前辽宁舰、山东舰上搭载的歼15,在各国现役的舰载机中是相对比较落后的。歼15直接的技术样板,是09年前后,咱们通过特殊渠道从乌克兰搞到的一架苏33的原型机T-10K。

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在总体设计上:歼15基本上就是照搬了歼11B的雷达航电,而且移植了飞豹的对海攻击能力。动力也用了从俄罗斯进口的AL-31F(改)发动机。09年立项,11就首飞了,整个研制过程只有2年,所以趁着这次滑跃改弹射,歼15大概率是要有重大升降的。具体内容呢,估计有三点:首先是机体结构重新设计,用新材料、新工艺,最大程度减重。同时为了适应弹射起飞,在关键部位增强机体结构,增强前起落架。

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那第二是换新发动机,就是咱们的涡扇10“太行”。目前歼16和歼20已经开始大规模换装太行了,无论是推力、可靠性、寿命,太行基本已经达到了美国F110后期改的水平了。如果用它替换老的AL-31F,再加上重新设计的机体,而且就算考虑到为了适应弹射起飞而增强的机体结构,歼15的航程、载弹量、机动性也会有不小的提高。

当然和现在三代机主流的升降模式一样,歼15改进的重点应该还是航电火控方面。那作为歼15的东家,沈飞这些年在苏27的魔改方面积累了大量经验,歼15完全可以直接移植歼16或者歼11D很多成熟的货架产品。

比如用新的相控阵雷达替换原来的脉冲多普勒;升降火控系统,可以挂载歼20同款的霹雳15和霹雳10,那这样一来:弹射型歼15肯定将一跃成为当今最先进的三代半重型舰载机。

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甚至想:如果当年F-14没有退役,美军也一直在升降用到现在,歼15和F-14真的可以堪称一瑜亮。而且凭借大机身带来的大载弹量:未来研制一款由歼15携带的空射型高超音速反舰导弹,射程800公里以上,将极大提高我海军的远程反舰能力。

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当然,仅仅是弹射型歼15肯定是不能满足咱们大猪蹄子军迷的胃口的。大家对关心的,肯定还是的“海四代”啦。作为在FC-31基础上研制的中型舰载机,为了适应上舰的短距起飞和低速操作要求。海四代的机翼和垂尾面积,预计会在FC-31基础上放大40%左右:翼展由11.5米增加到13米;机长也至少增加1米左右;而且为了在面积有限的航母甲板上停更多的飞机,海四代和F-35C一样,主翼应该会采用折叠设计。另外襟翼,海四代的后缘襟翼应该会由FC-31的单翼改为分开设计,而且面积会更大,前缘襟翼也采用分开设计。

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因为舰载机相比陆基飞机一个很大的不同就是:降落的时候要求更加精准,对低速操作性要求更高。另外还有起落架:为了满足弹射起飞瞬间的应力,海四代肯定会设计更加粗壮的前起落架,而且安装弹射牵引杆,在机尾增加着舰拦阻钩。

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但不同于歼20的全动垂尾,海四代应该会是固定垂尾加可动舵面。而在航电配置上,机头放大采用和歼20同款,甚至更先进的有源相控阵雷达和光电感应窗口,是大概率的事。

在气动设计上,相比FC-31,海四代的座舱进行了抬高设计,外形上有点驼背,这样的气动设计可以使这个区域的流场形成一个低压区,飞行速度较大时可减小阻力,加上DSI进气道,更加优化了跨音速阶段的飞行性能,配合理想中的新一代中推力涡扇,海四代具备2.2马赫的最大飞行速度,并且可以超音速巡航。

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在这一通操作下,海四代相比现有的FC-31肯定会增加好几吨,FC-31目前最大起飞重量28吨,作战半径1250公里。那放大的海四代肯定会是一款起飞重量超过30吨的舰载机,作战半径至少在1300公里以上,要超过F-35C的1100公里。

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至于大家很关心的发动机,据猜测:目前咱们正在研制一款新的第四代中推力涡扇——涡扇19,最大推力10吨以上,推重比接近10,应该是海四代的理想动力。如果用两台,总推力20吨以上,在最大起飞重量差不多的情况下,海四代的推重比甚至可以超过F-35C。

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在武器配置上,海四代大概率会像歼20那样,机腹主弹仓配4枚霹雳15,但不太可能设计用于挂载近距格斗弹的侧弹仓。至于其他的,像航电、雷达、飞控系统,可以直接照搬歼20现有的成熟设计。

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除此之外,003配套的固定翼舰载预警机、直升机、电子战机,也都相继曝光了。8万吨的排水量,003同样可以仿照美国航母的作战编制,未来的舰载机配置差不多是这样的:2个歼35、2个歼15,每个中队12架飞机。再加一个预警机中队,配4—5架空警600;一个电子战中队,配5架咆哮鲨,其余还有若干搜救、反潜的直20,总的载机量应该接近70架。

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而进一步的发展:大型隐身无人攻击机、无人加油机,这些未来都有可能出现在003的甲板上,所有的一切,就让我们拭目以待吧。

刚刚下水的003只是走完了第一步,接下来还要用2到3年的时间完成舾装、海试,直至交接入列。

一艘航母、一支海军,对一个国家到底意味着什么?我们这一代人是幸运的,万吨大驱、超级航母,这些象征伟大强国骄傲与威严的镇国重器,我们有幸亲眼见证:一支强大的中国海上力量,正在世界东方崛起!

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渔船上的萧劲光司令、在美军航母上踮起脚尖的刘华清将军、不再归航的81192,这大国海军终如你所愿!


   


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