主页 < 舰船常识 < 设备构造

分享到:

航空母舰的构造是怎样的?

舰体和舰岛

现代的航空母舰基本由一具船体上平直的甲板和位于一侧岛式舰桥(舰岛)所构成,甲板下设有廊式夹层,并另有多个水密隔舱、机库、武器库和船员住舱,大型航母的甲板甚至可达6层之多,而舰体侧边则有二到四座升降机,用于将机库飞机升起与卸下甲板飞机。舰首则采用封闭式设计,从飞行甲板到船头皆一体成形,以往二战时期的航母除了少部份如列克星敦级者外,皆是直接于上甲板再铺上飞行甲板,这种被称之为开放式舰首,有着防空机枪位置设立和起放船锚方便的优点,却有着强度的问题,像是埃塞克斯级的大黄蜂号就于1944年因为台风而使舰首一带的飞行甲板严重损毁(因此后来美军在战后设计该级航母时借照福莱斯特级而全面采用封闭式舰首,往后也一直沿用下去)由于改用封闭式舰首,起锚装置由舰首甲板改移到舰内操作。自尼米兹级9号舰里根号起,美国航母舰首下方开始采用球形鼻首来建造,苏联基辅级、西班牙阿斯图里亚斯亲王级也采用此设计,据计算最高航速可相差一节,目前已成为航母的趋势。航母侧舷通常为其供油处,大型的斜角式甲板航母之舷侧甲板下即设有额外的露天甲板进行作业,与补给船只补充船舰油料与航空燃料;舰尾则为舰载机维修与测试的地区,为开放式。

图:以美国海军小鹰级星座号航空母舰来说明现代航母各结构位置:A为喷流挡板;B为光学助降装置;C为蒸气弹射器;D为升降机;E为岛式舰桥(舰岛);F为雷达桅;G为降落制动钢缆;H为八联装海麻雀舰对空导弹;I为密集阵近程武器系统

舰岛方面,现代航母力求其外型简洁以减少雷达反射截面积,但其中技术非常复杂,发展至今已实现了上层建筑的集结化,包括多功能相控阵雷达、封闭式桅杆(AME/S)、电磁辐射系统(MERS)和多功能射频系统(AMRFS)。早期的全通式航母因为设计还在摸索阶段而有省略过舰岛,如英军的百眼巨人号、暴怒号,但后来发现此规划对导航与航空管制不利而作罢。目前所有的航母舰岛皆配置于右侧,这是源于早期英国设计时基于大多数飞行员于起飞或是进行攻击时习惯往左弯的关系(这是因为飞行操纵杆为右撇子设计,设置于右侧,若要转弯,飞行员向左拉动远比向右要来的顺手)且飞机降落过程中要逆时针旋转(即左弯)进入环绕母舰的环型航线,在二战时期大部分战斗机追击轰炸机时亦是由右至左,直到今日也是飞机起飞后向左拐;还有一个重要原因是当时英军航母设计前预计使用的骆驼式舰载战斗机在右转时因为技术问题,机体会下栽,造成许多新人飞行员罹难。日本海军的飞龙号即是极少数将舰岛配置于左侧的航母之一。未来航母可能如英国与法国现在正计划建造者双舰岛配置于同一侧的设计,前段舰岛负责航行,后段者则负责飞航管制,两座舰岛皆比单舰岛之设计来的低矮。

升降机、机库与武器库

图:小鹰号上的升降机

机库为储存和整备航空母舰舰载机的地方,有分成开放式封闭式两种。采用开放式结构的航母舰体为机库甲板上方再额外建造机库墙壁、甲板支撑柱等结构,再加上飞行甲板。开放式机库的优点为通风良好、伤害管制佳、炸弹若击入机库中爆炸造成的冲击波会宣泄到外面、结构较轻、容纳飞机多以及可依舰载机尺寸作修正,航母自启蒙时期一直到二战中期多为开放式。封闭式机库则为机库与船体结构整个一体成形,飞行甲板为强化结构。封闭式机库的优点有防御力强、结构坚固、核生化防护佳等。由于封闭式机库容易累积易挥发的气体、受到攻击或者是意外而着火的舰载机不能直接丢入海中等问题,一度很难被船舰设计师所接受,然而当舰载机喷气化后,航空燃料变得相当安全,加上后来发展的消防灭火与监控装置协助,这样的设计因而成为目前的主流。机库内除了航空飞行联队的维修人员外,还有属于航母的飞机中期维修部门AIMD),可负责进行较大工程的维修作业,并分作引擎部门(维修舰载机的引擎)、综合部门(修补破损的机体结构或机翼)、电子零件部门(整备精密电子设备,如雷达、感应器)和救难装备部门(维修飞机驾驶员的安全设备),若是美国海军的航母,还可在机库内进行引擎喷气的试验。

升降机则是将从舰载机自机库运输至飞行甲板的装置,早期配置于全通式甲板的舰身中线的前、中或后方,通常为23具,也是甲板上最脆弱的部份,如果升降机故障或是遭到破坏会导致航母飞机无法起降,进而丧失战斗力。此外,炸弹也可能被击穿升降机,直接进入机库中,该区又与堆积弹药与燃料的隔舱接近,一旦引爆将导致严重的后果,因此自胡蜂号航母起,开始将升降机位置调整到舰侧,这除了不妨碍起降作业以及安全外,还有着飞机翼展超过升降机宽度时亦能使用的优点。值得一提的是,第一代超级航母的福莱斯特级曾在斜角甲板前方设置一个升降机,为的是要让飞机降落后立刻收入机库,然而后来发现这样的机会其实很少,另外航母航行时泼上来的浪会波及到舰载机,故自将小鹰级起又将该处升降机位置调整至舰舷侧。现代大型航母之升降机约宽20多米、深达15米、可负重100吨,升降速度约为一分钟自机库搬上一架飞机至甲板。

武器库是用来储备各式炸弹、鱼雷、导弹与火箭的区域,位于船舰底部、水线之下,为船头尾各一处,中间则为机库,这些武器多以半组装方式收纳著。为了将其送至甲板,武器库有着比飞机升降机更小的专用升降机(以尼米兹级为例,共有九个武器升降机,其外型如一个从甲板向上开启的门,若为不需用到的情况则可盖起来,成为甲板的一部份),将武器从库中升到上一层甲板,由各层作业员进行阶段性的组装,再由该甲板的其他升降机往上送(部份通到机库),以防止弹药意外诱爆的情况,另外还有连结到舰岛右侧后方的一个武器集中区域,此处被称作武器牧场,若弹药爆炸可利用舰岛作遮掩、降低甲板上飞机的损害。二次世界大战之后的美国航母,还需要另外设计与区隔存放与组装核子武器的弹药库,被称为特殊飞机维护储存区Special Aircraft Services Stores,简称“SASS”)这些弹药库虽然也能够存放一般弹药,然而,冷战时期基于核子武器的机密和敏感性,这些弹药库的使用,人员进出管制与保安都有特别的处理和操作程序、没有受到相关训练验证或者是无关的人员,一概不得靠近。第一款安装SASS的航母是透过《27A改装案》来加装相关设备与空间的埃塞克斯级,在设计阶段就将SASS融入舰身结构的则是福莱斯特级。

飞行甲板与勤务人员

图:全通式甲板,冷战前所有航母的设计样式,其作业单一,起降无法同时进行、甲板面积拥挤,容易发生如本动画飞机降落失误而破坏停放的飞机之情况。

图:现代化的斜角式甲板航母,显示侧向角度更大的斜向甲板除了能够避免降落失败的飞机撞击甲板上的其他飞机,同时斜向甲板在加装弹射器后可兼具起飞与降落的功能。

航母的一大特征即是巨大的平直甲板,供飞机起降之用,有海上机场之称。不同于陆基飞机在起飞速度不足时仅需延长起飞时间,航母甲板上的空间十分有限,因此甲板设计对航母的战斗能力有很重要的影响。最初,飞行甲板仅是在军舰舰尾处装上一条长直钢板,但因为跑道长度有限而起飞速度不足,加上甲板末端的舰岛构造亦产生不利于飞行的气流,这种设计很快被屏弃,因而出现全通式甲板,外观为长直的矩形,拦阻网将甲板分为前后两部份,前段为舰载机起飞区,后为降落区,而舰桥构造设置于舰舷侧。全通式甲板一直到二次大战结束的1950年代初期是大部分航母的主流,但进入冷战后,由于喷气飞机时代的来临,以往可满足螺旋桨飞机起飞的前段跑道长度无法令其起飞,其自后段甲板起飞的跑道长度令其他舰载机在这时无法降落,降低起降效率,直通式甲板也存在着着舰失败会撞毁跑道飞机的问题。英国曾试过在甲板铺设橡皮的作法,让飞机在没有开动起落架的情况下降落,但这造成飞机降落后难以移动的问题。

由于上述缘故,英国的丹尼斯·坎贝尔上校(Dennis Cambell)提出将甲板自舰身中心线左偏10度、前段甲板就可用来安全地停机和进行起飞的设计概念,若飞机在斜角区降落失败也不会撞到起飞区与停机区之飞机。后来美军也于1952526日至29日从中途岛号的斜角甲板上试验过起降螺旋桨与喷气飞机,效果皆令人满意,因此在斜角式甲板概念得到发扬后,喷气舰载机才正式于1950年代中期大量使用,大量二战旧式航母如埃塞克斯级者也被改成斜角式。现今只有轻型航母仍采用全通式甲板,并结合滑跳式甲板的设计,舰载机为直升机与短距起降飞机的话仍可满足起降效率,通常舰身左侧为起飞区,右侧舰岛前后处为停机区。中型乃至大型航母皆采用斜角式甲板,舰前方的直通式部份用于飞机起飞,长约70100米,斜角式部份则位于主甲板左侧,用于飞机降落,约长220270米,两部份夹角613度。

为了让航空母舰发挥其功能,在作战期间时甲板上需要大量的勤务人员来加以操作,由于甲板上噪音声响大,人员必须带着安全帽与通信设备沟通,并以身着不同颜色的衣服和配件来区分彼此的工作。以美国海军来说,甲板人员由舰桥飞航管制室航空长Air Boss)所指挥、移动和整理停放之舰载机则交给甲板指导员(黄色头盔、黄色套衫)、弹射组员(绿色头盔、绿色背心)进行弹射器作业、制动索长(绿色头盔、黄色套衫)则控制制动索系统、制动组员(绿色头盔、绿色套衫)、燃料补给员(紫色头盔、紫色套衫)、武器工作员(红色头盔、红色套衫)、医疗救护员(白色头盔、白色套衫)、维修消防员(棕色头盔、棕色套衫)、负责舰载机战备就绪的飞机长(棕色头盔、棕色背心)、降落指挥官(白色背心)等等。指挥甲板舰载机配置、作战、整备等各事宜于舰桥的飞行甲板控制室进行。甲板上除了停放的舰载机外,还有各式工作车辆、舰桥、弹射器、拦阻网、拦阻索、喷流挡板和弹射器综合控制系统等设备。

起飞

飞机起飞需仰赖升力,升力与飞机起飞之加速度成正比,在航母空间有限的甲板中如何让舰载机达到足够的速度即是一个重要的问题,以300米长甲板的航母来说,仅有100米能用于起飞,远低于绝大多数现代舰载机的滑跑距离。目前其起飞方式的方式分为三种:自力起飞弹射起飞滑跳起飞(滑跃起飞)。若以起降方式分类,舰载直升机与垂直/短程起降机以短程或垂直起降的航母,其起降形式称作垂直/短程起降V/STOL,若专指短程起飞、垂直降落则为“STOVL”),若借由弹射器起飞与以拦阻索降落则称作弹射起飞/拦阻索回收CATOBAR)方式,另外还有短程起飞/拦阻索回收STOBAR)的配置方式。

弹射起飞

图:尼米兹号上的F-18起飞影片,进行了标准的蒸气前轮牵引式弹射起飞。

1911年美国的西奥多·戈登·埃利森上尉(Theodore Gordon Ellyson)发明了重锤与滑轮结合的加速弹射器装置,而后又改进为压缩空气推动活塞的弹射器,并于191510月装设于北卡罗来纳号装甲巡洋舰上,为最初实用化的弹射器,而后又出现了油压式的弹射器。早期由于螺旋桨飞机重量轻和起飞速度不大的缘故,一般都以自力起飞,只有重量较重的水上飞机和无甲板空间可滑行的战列舰舰载机才需要用到弹射器。到了喷气飞机的时代,舰载机重量大幅提升(二战时美军主力舰载战斗机—“F6F地狱猫5.7吨,而现代美军舰载战斗机“F-14雄猫式重达27.5吨),自力起飞和原先的弹射器设备已不足以应付其需求,于是1951年,英国柯林·米切尔中校(Colin C. Mitchell)提出将航母蒸气轮机的蒸气连动到弹射器上,进而发明了航母用的蒸气弹射器(值得注意的是,第一个发明以蒸气作为弹射器动力源的国家是德国,用于1944年发射V-1导弹之用),并在伯修斯号航空母舰(Perseus)上首次安装试验,美国也于1960年研制出内燃式弹射器,但其效果不令人满意,日后被淘汰。到了现代,弹射器形式分成两种:拖索式前轮牵引式,前者是以钢索将舰载机挂载于滑块上,再以其快速向前移动,将飞机沿着甲板上的轨道拖曳加速,进而起飞,目前仅有巴西的圣保罗号航母为此种弹射方式;后者则是将飞机前轮上的弹射杆挂载于甲板上弹射器的滑块中,经由弹射的拖曳达到加速之效,后者比前者省下大量的人力,弹射时间也更短,但舰载机需要经过专门设计,目前这种弹射法为主流。

现代的弹射器一般以蒸气作动力,其管线铺设于飞行甲板下,并在甲板的沟槽上连结一滑块,在前轮牵引式的情况下,飞机会将弹射杆勾住于滑块,当弹射器充气完成后,甲板会立起阻挡热蒸气、保护甲板作业人员的喷流挡板(分成耐热砖和流水冷却式两种,目前新建航母采用前者,在不需进行弹射作业的情况下可盖起来成为甲板的一部份),飞机再借由蒸气的强大推力驱动滑块前进而起飞,多余的蒸气再于管线末端排出,若天候恶劣、甲板勤务人员不好进行作业时,可以自甲板的弹射器综合控制系统操作,其为甲板上的一个半圆形透明操作室,可于该处操作弹射系统,不使用时可关闭而成为甲板的一部份。蒸气弹射器造价昂贵、设计、制造和安装技术均复杂、保养非常费工夫、占用航母空间过大和过重(以尼米兹级来说,4台蒸气弹射器重量就有2280吨,体积则有2265立方米),一般大型航母上都有两部以上的弹射器,可以在2秒内将飞机自0加速到每小时300千米,大约每20秒即可让一架飞机升空。目前世界上只有美国的蒸气弹射器于航母上使用着,为C-13型,C-13型除了供给美国海军使用外,法国海军也使用此型。美国海军目前正尝试采用新式的电磁弹射器,其原理类似磁浮列车,能有效降低维护和发射成本,并能提升航母自动化程度。

短程、滑跳起飞

图:库兹涅佐夫号航空母舰,前方的滑跳式甲板为其明显的特征

另一种主流起飞方式为滑跳式起飞,须借由特殊的滑跳式甲板。由英国的道格拉斯·泰勒(Douglas Taylor)所发明,最早于1970年代应用在无敌级航母上。原理为飞机贴著甲板进行滑行加速时,经由向上抬升约415度的飞行甲板获得正轨迹角、俯仰角速度和一定的初始高度。滑跳式起飞和弹射起飞相比的优势是成本低、技术简单和甲板人力少,缺点是飞机载重比弹射起飞者轻(载重中包括油料,影响其航程),也会降低飞机离舰速度、增加起飞所需跑道距离、起飞时需额外加速,使得飞机要耗更多油,导致飞机作战时间较短、起飞效率也比弹射起飞低(后者约为其四倍以上)。这种离舰方式一次只能让一架飞机起飞,要执行大规模机群的行动时颇花时间,俄罗斯的库兹涅佐夫号为了弥补这问题而设有两条跑道。

目前除了美国、法国和巴西外,各国航母皆使用这种甲板,虽然短程/垂直起降机有能力不借由滑跳甲板而进行起降,但这样武器载重量就必须有所牺牲,故一般作战时仍会尽可能以满载的状态进行滑跳起飞,等到弹药消耗完后再以垂直的方式着舰,亦有以拦阻网降落的类型。

降落

降落程序

正常降落过程为舰载机先以平行于航母前进的相反方向之右舷飞行,再转弯进入进入顺风段,并放下阻拦钩与起降架,再沿着3.5°下滑线进场着舰,以拦阻钩勾住拦阻索(若舰载机飞得太高会勾不到拦阻索,飞太低又会撞到舰尾),以其吸收飞机动能,起落架与尾部的拦阻钩同时放下,这时若为螺旋桨飞机要将油门减小,并采取平飞,而喷气飞机则以上两者动作都不需要。

着舰通常会有以下四种情况:安全着舰、复飞(Wave Off)、逃逸(Bolter)和撞舰(例如撞到舰岛),这四种状况中,复飞占了40%50%,指的是未接触甲板而着舰失败的情况,倘若油门功率、反应时间和纵向加速度许可,仍可重新进入降落程序;逃逸则指的是飞机已接触甲板,但降落失败的情形,通常是拦阻钩没有勾住拦阻索,这时飞行员必须于甲板着舰区加速滑跑,倘若该机短程起降和引擎加速性能不足很容易失败。 舰载机降落技术远比起飞困难,失事率也比陆基飞机高的多。航母飞行甲板若为300米,一般仅有100米可腾出用于降落(若为斜角处跑道,约有200米,仅为陆基降落跑道长的1/10),加上航母本身纵摇、横摇、上下起伏的运动、舰上干扰气流,如通过甲板表面而至尾部向下沉再往上升的公鸡尾气流和自右舷舰桥形成的乱流、风速限制(一般情况下,舰载机要降落必须要有25节以上的相对风,为了让降落顺利,航空母舰需要适时调整其航速)与可见度等都增加了着舰的难度,美国海军规定舰载机着舰时,航母纵摇不得超过2度,横摇不得超过7度,舰尾下沉不得超过1.5米。

助降设备

早期,航母降落作业困难,发生事故伤亡多,因而最早在美军航母兰利号上出现了两种革命性辅助降落之制度:设置降落指挥官与使用拦阻网,前者于甲板上判断降落条件、飞机高度等来挥动旗帜打信号,一般由技术纯熟的飞行员担任,而后此制度传入英国。至于拦阻网则是让降落的飞机免于意外的一项保险,最初当飞机要降落时甲板人员要上前挂住钩索,而后进步成飞机降落时会开动下方的着舰钩来勾住甲板上并排的拦阻索,拦阻索两端连入甲板下的液压制动器,吸收飞机剩余的动能,进而让其在甲板上停下。如果没有挂到拦阻索,拦阻网可以避免飞机撞上甲板停放的飞机或是摔出飞行甲板,亦不会毁损机体,还可以调整降落位置,因此拦阻网的发明大幅提升了飞机的降落效率,在1923年未使用拦阻网时美国海军最佳的成绩是7分钟降落3架飞机,使用后则是420秒降落了6架。

图:肯尼迪号航空母舰上的菲涅耳式光学着陆系统

进入喷气舰载机时代后,由于其速度过快、降落指挥官和飞行员皆反应不及,原先制度已不能保证安全降落。50年代时,英国出现了由尼可拉斯·古德哈特中校(Nicholas Goodhart)所发明的光学助降装置(但值得一提的是,利用灯号装置来协助降落的方式于日本在建造凤翔号时就已采用),其以一个凹面镜反射灯光至空中,为飞行员提供一个指示降落路线的光柱(与海平面夹角为3.54度)。然而此装置仍受制于海面状况造成的舰体摇摆式光学助降装置彻底前者解决了光柱不稳定的问题,其外型为三种灯号组合而成,虽然会因型号而外观有所差别,但使用方法相同,中间直条灯号表示飞机目前位置过高或过低,让驾驶员将飞机调整为横条灯号位置,红色灯亮起表示飞机需要重新降落。菲涅耳式助降装置并非没有缺点,它有着易受天气云雾影响以及作用距离太短、以致于来不及调整误差的缺点,后来于60年代还出现了自动着舰系统(ACLS),由电脑控制其甲板运动着舰误差修正和飞行高度,并结合全天候型的雷达助降系统,其分别装载于舰载机和船舰上,以连动资讯来随时修正、调整为最适当的位置,由于其有着可能受电磁波影响的疑虑,因此现今航母降落装置多半是混合使用,包括光学装置、雷达助降系统以及降落指挥官,光学装置通常位于左舷,操作其装置的指挥官则在左舷后方。

动力

史上最初的三艘核动力军舰,由近至远分别是世界上第一艘核动力航空母舰企业号、第一艘核动力导弹巡洋舰长滩号和第一艘核动力导弹驱逐舰、驱逐指挥舰班布里奇号”。

航母的轮机舱是整艘船的动力中枢,也是决定其重量与体积的关键之一,一般来说主机形式分作柴油机、燃气涡轮机、蒸气轮机和核反应炉,由于航母属大型舰,以柴油机为主动力推力不足,而燃气涡轮则燃料耗量大,故现在大型航母多用后两者,小型者如无敌级、阿斯图里亚斯亲王级等则使用燃气涡轮机(有些外加柴油机辅助),而中大型传统起降航母则使用蒸气轮机,如戴高乐号、库兹涅佐夫号,这些蒸气可用于推进涡轮、发电机帮浦、灭火和注入蒸气弹射器,若其蒸气来源为核反应炉者则为核动力航空母舰,否则即被称作常规动力航空母舰,核反应炉也分作压水式沸水式以及游泳池式,现在大部分使用压水式。

核动力航母相比传统动力者的优势极为显著,拥有后者难以比拟的航程,以尼米兹级来说就可连续航行约20年(单以舰上物资来看,自持力则有90天之久),一克的铀可产生两吨重油燃烧出来的热量,能量转换效率极高。核动力航母在其它方面也有许多优势,它去除了以往设计师需费工夫排设的烟囱与排气道等诸多管线,后者总是占去舰上许多宝贵的空间,除了令舰体本身强度降低外,也让排出的废气腐蚀了设备与伤害了乘员的健康,突出的烟囱也让航母雷达反射截面积增加,其排出热流多少也会危及到飞机的降落,前者本身也成了红外线制导导弹的目标,也因为暴露于外的排气道令该舰的三防(防核子、化学、生物攻击)性能大打折扣。核动力航母可制造大量的淡水和充沛的电能,可用于空调和大量电器品,改善乘员的生活环境,也因为排除管线和储存油料的舱房等空间而使可装载之物资(如航空燃油、补给品、炸弹)更多、人员起居空间变得更大、自持战斗能力更久。

缺点方面,核反应炉造价极高,美军企业号仅八座核反应炉安装费用就要6,400万美金,运行三年后换一次炉心要价2,000万美金;1976年的尼米兹号则要价18.81亿美金、同级的后续舰里根号则要40亿美金。