军用机场一般都设有跑道、滑行道、停机坪、加油坪、防吹坪、塔台、进场监视雷达,也有供飞机及其发动机维护的机库或掩体等。正是有这么多的建筑物和构筑物,一个中等规模的机场占地面积至少在1.5平方公里以上,而更大些的机场占地则有4~15平方公里。
与之相比,美国的超级航空母舰相当于把陆上机场浓缩为飞行甲板只有3个足球场那么大、排水量超过八九万吨的立体海上机动平台。这个只及陆上机场长度1/6甚至更小的大型水面舰艇,几乎具有陆上机场的所有功能,包括飞机停放、维修、起降,以及与之相关的指挥、引导、加油、飞行员住宿、中短程防空等。飞行甲板是航空母舰区别于其他水面舰艇的重要设施,没有飞行甲板也就没有航空母舰。和陆上机场一样,寸土寸金的航母飞行甲板上也有功能分区,甚至在某些地方更为严格。美国的超级航空母舰历经数十年发展,其总体布局和外形尺寸已经基本稳定。之所以如此,是有一定科学道理的。本文将要为大家讲述的,就是美国自20世纪50年代以来建成的几种超级航母的飞行甲板及其附属设施的分布情况和技战术特点。
飞机弹射装置
在航空母舰上,舰载飞机的起飞与降落是两件头等大事。下面先介绍与飞机起飞相关的甲板设施—蒸汽弹射器。
航空母舰诞生不久便装备了依赖压缩空气、火药或液压装置的多种形式的飞机弹射器。直到二战期间,航母舰载飞机在大部分时间都采取自由起飞方式,只是在个别情况下才采取弹射起飞。二战以后,喷气式舰载飞机的重量比二战时期的活塞式飞机大了许多。比如二战时期的F6F-3战斗机翼展13.06米,机长10.24米,空重4128公斤,最大起飞重量7025公斤;F4U-1A翼展12.49米,机长10.16米,空重4074公斤,最大起飞重量6350公斤。较早的舰载喷气式战斗机F2H-3翼展13.67米,机长14.48米,空重5800公斤,最大起飞重量10270公斤;FJ-4翼展11.91米,机长11.09米,空重5992公斤,最大起飞重量10750公斤。正是因为重量增加许多的缘故,为了增加升力,导致喷气式飞机的起飞速度增加不少,需要滑跑相当长的距离后,方能达到起飞速度。陆上机场的跑道长度不成问题,但航空母舰的长度则非常有限。为了帮助作战飞机从航母上正常起飞,必须想法为其加速到可以正常起飞的速度,其办法就是借助功率更大的弹射装置,将飞机加速到离舰起飞速度。
1950年,英国海军志愿兵预备司令部米切尔中校率先提出蒸汽弹射器的设想。1951年,英国人研制成功蒸汽弹射装置,并安装在“英仙座”号维修航空母舰(属于“巨人”级)上试用。从外部看,这种弹射装置就是一条数十米长的轨道,通过连接装置和飞机相连。蒸汽弹射装置基于往复式蒸汽机的原理,即锅炉里的蒸汽通过储气筒蓄压,在使用时,高压蒸汽进入汽缸,在极短的时间内推动活塞组件和往复车高速运动,以此带动飞机加速。1955年,该种蒸汽弹射装置正式安装到英国“皇家方舟”号(属于“卤莽”级)舰队航母上。美国海军从英国购买了专利与5部蒸汽弹射器,定名为C11型弹射装置。1954年6月,美军在“ 汉考克”号(属于“埃塞克斯”级)航母上首次使用了蒸汽弹射器。后来,美国对英国设计的蒸汽弹射器做了一些改动,定型为C11-1,安装在“中途岛”号和“富兰克林·罗斯福”号航母上。由于早期
的喷气式舰载飞机的最大起飞重量不是很大,使舰载飞机达到起飞速度的蒸汽弹射器的长度不是很长,如“英仙座”航母上安装的BXS-1弹射器冲程45.5米,改进型的“埃塞克斯”级的C11蒸汽弹射器轨道长68.58米,动力冲程64.31米。
到了20世纪60年代,在F-4战斗机和A-5、A-6攻击机服役以后,舰载机的最大起飞重量迅速提高。为了把这些重型舰载飞机加速到起飞速度,弹射器的动力冲程至少需要达到75米。美国海军遂将当时的“中途岛”级和“福莱斯特”级使用的C7和C11型蒸汽弹射器予以换装,使其适应新一代重型舰载飞机的起飞要求。为此,美国海军研制了C13-0弹射器,其轨道长度为80.72米,动力冲程76.2米,并装备于新一代的“小鹰”级航空母舰。在其基础上研发的C13-1蒸汽弹射器轨道长99.01米,动力冲程94.49米,末端速度185节,装备于“企业”号和“尼米兹”级前4艘航母。从“尼米兹”级“林肯”号航母开始,安装了C13-2蒸汽弹射器,轨道长度未变。这些蒸汽弹射器可以顺利弹射在全部战斗载荷情况下的重量介于25~33吨的现役舰载飞机。这些飞机,如果不借助蒸汽弹射器,根本无法自行飞离航母。例如,A-6E攻击机最大弹射起飞重量26580公斤,陆上最小起飞滑跑距离1185米;F-14战斗机的最大弹射起飞重量33724公斤,陆上最小起飞距离427米;F/A-18C的最大起飞重量25402公斤,起飞滑跑距离427米;E/A-6B在携带5个干扰吊舱情况下,起飞重量24668公斤,起飞滑跑距离至少需要814米。
蒸汽弹射器的数量不仅决定飞机的起飞效率,也决定飞机的降落效率。因为在某些紧急情况下,只有在飞机紧急起飞后,才可为降落中的飞机腾出降落的地方和停放位置。从“福莱斯特”级航空母舰开始,每艘已服役的超级航母上均有4部蒸汽弹射器。其中舰艏两部,左侧边缘两部。从舰艏右舷开始,从右向左依次为1号、2号、3号、4号弹射器。在具体的安置上,除了“福莱斯特”级航母的1号和2号弹射器在舰艏对称布置外,其余从舰艏方向开始,皆向右偏移目的是让2号弹射器避开斜角甲板。
美国海军现役航空母舰采用的蒸汽弹射装置,一次可以让4架飞机同时准备放飞,3架飞机可以同时起飞。最快时,60秒内可以弹射8架飞机。而采用滑跃起飞的俄罗斯“库兹涅佐夫”号航空母舰,在飞机轻载时可以保证3架飞机同时做起飞准备,但一次只能起飞1架。如果是重载起飞,只能让1架飞机在滑跑距离最长的3号位置起飞。由此可见,是否使用弹射器,以及安装数量的多寡成为衡量母舰是否先进的重要指标。当然,如此高的弹射效率,还需更多的升降机与之配套。
航空母舰的进步,除了动力装置外,最为主要、最为关键的变革是弹射器的革新。美国海军从目前正在建造的“福特”级航母开始,将使用电磁弹射系统。与传统的蒸汽弹射系统相比,电磁弹射系统非常利于航母作业:能够大幅提高能量效率,典型的蒸汽弹射器的效率在6%左右,而电磁弹射器的效率大约是蒸汽弹射器的10倍;具有较宽的能量范围,可以弹射起飞重量较小的舰载无人机;具有恒定的性能,不像蒸汽弹射系统那样在弹射条件相同的情况下,每一次弹射行程末端的速度可能不一样;可增加可用性,重大故障间隔期较长;无
需使用蒸汽动力活塞及配套的管道设备,几乎没有容易出现故障的机械运动部件,可大大减少操作和维修所需的人员,可节约人力成本30%以上,降低维护和全寿期费用20%;采用的直线电动机可以较低的峰值推力与均值推力之比将有人驾驶飞机和无人机加速至弹射速度,从而减少弹射时传递给飞机的疲劳载荷,可使飞机的极限使用寿命延长31%;可减少重量、容积,可以增加弹射系统设备总布置的灵活性,使舰内布置最大限度地达到了最佳化,包括更好的载荷分布。
电磁弹射器利用直线感应电机的直线运动,带动舰载机加速到起飞速度。其工作原理是:直线感应电机的初级(固定部分)输入交流电后,产生交变磁场,这种磁场在直线感应电机的次级(运动部分)产生感应电流,使次级变为有感应电流的导体,处于交变磁场的次级部分就会受到安培力的作用,向前运动。因电磁驱动力与电流平方成正比,所以只要保证足够的电流输入,便能在发射装置内产生足够大的推力,使舰载机达到需要起飞的速度。
挡流板
飞机在起飞前均要试车,个别时候用时较长。陆上军用机场一般都设有为防止喷气式发动机尾喷流吹坏其他设施而修建的防吹坪。在防吹坪后设置的挡流墙,可以改变发动机尾喷流的气流方向,以降低直至避免排气对其他设施或植被的破坏。这些构筑物一般用混凝土板或砖石铺砌,设在集体停机坪后或试车场后。无独有偶,航空母舰也有与之类似的装置——挡流板,其作用与陆上机场的挡流墙大体相当,但也有一些差别。
在面积极其有限的飞行甲板上,当进行起降作业时,舰载飞机有可能集中停放在飞行甲板上,或排队等候起飞,或降落后等待检查。假如没有在等待弹射起飞的飞机后面设置面积足够大的挡流板,在该飞机之后相当一块区域内根本无法停放飞机或站立人员。这种状况将严重影响舰载飞机的运行效率,进而影响到航母的作战能力。为了进一步说明,下面我们不妨看看F/A-18战斗机所用F404涡扇发动机在飞机起飞前对尾喷口后面狭长范围内的影响情况。
F404发动机在慢车状态时,尾喷口排出的尾喷流流速为60.7米/秒,其温度在尾喷口后面狭长范围表现出明显的梯度:在3米以内超过199度,在5.5米以内超过143度,在10米以内超过88度,在17米以内超过60度,在34米以内超过38度。发动机在军用状态时,尾喷流以610米/秒的速度喷出,温度超过560度的范围有5.2米,在5.5米的范围内超过371度,12.2米内超过171度,39.6米内超过60度,77.7米内超过38度。在发动机行将起飞的最大(全加力)状态时,排气速度没有增加,但在尾喷口之后4.6米以内,温度上升到原来的两倍之多,达到1393度,在11.6米处达到560度,在20.7米处达到282度,在31米处达到171度,在125米处为60度,在201米处达到38度。在这种环境下,人与飞机的生存性可想而知。为了避免这种不利情况,保护紧邻其后的飞机与人员等,美英两国海军在喷气式飞机上舰之初,便为航母配备了挡流板。
在常规起降航母上,每一个起飞位置都要设置一组挡流板。对挡流板的技术要求是可快速降温,耐冲击,可快速竖起并放平,与飞行甲板要严丝合缝,不能有锐角突出,结构强度满足要求,能够有效遮挡发动机尾喷流。为防止高温燃气烧坏挡流板,挡流板都内装有供循环冷却水流动的格状水管,通过调节海水流量来控制冷却水温不超过100度。为挡流板降温的另一个原因是如果不降温,后继飞机从其上面滑行过去,就有可能爆胎。
目前,美国使用的水冷式挡流板,正在升起时可以承受93.26千牛的喷气推力;在完全升起后,可以承受400千牛的喷气推力。该板放下后与飞行甲板齐平,能够承受31572公斤重的飞机在中等海况下从其上通过或静止不动地压在上面。从作战效能讲,要求挡流板可以快速放下,以利于后面的飞机快速跟进。然后,再快速升起,以使下一架飞机快速起飞。在美国超级航母上,其现役挡流板的升降周期仅有30秒。最早的挡流板面积很小,当时的发动机推力小、尾喷流的危害也不大。随着发动机推力的增加,尤其是安装两台发动机后,原先的挡流板已经无法有效使用。因而,现在大型航空母舰的挡流板均由6块并排紧密排列的活动板组成。
斜角甲板
舰载机起飞后,终究要降落到航空母舰上。在现代大中型航空母舰上,舰载飞机是在一个被称为“斜角甲板”的着舰区域降落的。为了说明斜角甲板,我们还得先看看航空母舰最早的平台样式—直通式飞行甲板。
早期航母的起飞与着舰两个区域是重叠布置在军舰的轴线上的,因前后直线贯通,被称为直通甲板或轴向甲板。这种航母在使用上的特点是,等待起飞的飞机集中在军舰的前半部分,而舰艉甲板则留给返航飞机供其降落。在着舰区和停机区之间设有一组安全屏障,可以
防止降落滑跑中的飞机冲入前部停机区。也就是说,没有挂住阻拦索的逃挂飞机在舰艏停有待飞飞机的情况下,根本没有逃逸复飞的出路,只能撞到安全屏障上。轻则机毁,重则人亡。在喷气机上舰后,因着舰速度增加,大大加重了这一矛盾。为避免这种情况,往往将起飞与降落作业分开进行。由于这种飞行甲板不能保证在高强度作战时起飞、着舰作业同时实施,飞行甲板使用效率低,循环作业周期长。为克服以上不足,需要另辟蹊径。
二战之后,英国海军上校卡姆贝尔和博丁顿在他们研究的“灵活甲板”课题中首先提出斜角甲板的概念。1951年,英国人在其轻型航母“凯旋”号(属于“巨人”级)做了可行性试验。当时,在“凯旋”号的飞行甲板上与军舰轴线成10度角处画出一条降落跑道中线,飞机沿这条跑道线做触舰复飞试验。试飞证明,斜角甲板概念是可行的。根据试验结果,英国将建造中的4艘“半人座”级航母全改为带有5度夹角的斜角甲板。而美国海军却率先在1952年将其服役中的“安提坦”号(属于“埃塞克斯”级)航母进行了改装,使其成为世界上第一艘设置有斜角甲板的航母。此后,斜角甲板便成为各国大中型航母的标准飞行甲板。
斜角甲板的应用,是航空母舰的一次革命性变革。简单说,斜角甲板是从舰艉右舷向舰艏左舷延伸的一块狭长的着舰区域。带有斜角甲板航母的最大特点或者说最大优点在于将着舰区和起飞区分开,可以保证航母起飞和着舰作业同时进行,大大增加了自身的作战效能。正是因为将着舰区和起飞区分开,使逃挂的飞机可以复飞重新着舰,消除了撞到安全屏障上或与其他飞机相撞所造成的机毁人亡的可能性。
除了安全性方面外,这一功能在战术方面尤为重要。在二战时期的中途岛海战中,日本联合舰队就是因为停放在航母甲板上的飞机要为完成攻击中途岛任务的飞机让出跑道而出现混乱,导致4艘航母被美军炸沉。当时,准备迎击可能会出现的美国航母的九七式鱼雷机,在接到新的命令后,将航空鱼雷换上航空炸弹。就在此时,日军突然发现附近海域果真出现了美国航母。在此关键时刻,第一波攻击中途岛的作战飞机已经返航。为了尽快为其腾出飞行甲板,日军命令所有停放在飞行甲板上的飞机入库换鱼雷。仓促间,取下的航空炸弹没有按规定送回弹药库,而是临时堆放在机库甲板上。在美军的攻击下,那些凌乱摆放的鱼雷和炸弹被引爆……
现代航母飞行甲板的最大宽度取决于斜角甲板与航母轴线的夹角及斜角甲板的长度,这也最终决定了航母的排水量。例如英国“鹰”号航空母舰(属于“卤莽”级),1951年10月建成之时,依然采用直通甲板。在1954~1955年的改装中,增设5.5度的斜角甲板。在1959~1964年实施的最后一次改装中,将斜角甲板与航母轴线的夹角改为8.5度。其满排水量,从最初的45720吨增到最大时的54100吨。“中途岛”号经过三次现代化改装,从直通甲板航空母舰变为拥有8度斜角甲板(174米长),后变为13度斜角甲板(210米长)的航空母舰,满载排水量也由51000吨增至64000吨。
美国第一种超级航母——“福莱斯特”级10.5度的斜角甲板足有210米长,满载排水量约80000吨左右;“小鹰”级11度20分的斜角甲板长210米,满载排水量超过80000吨;“企业”号航母斜角甲板长220米,满载排水量超过90000吨;“尼米兹”级9.5度的斜角甲板长237.7米,满载排水量100000吨左右。法国的“戴高乐”号航母,为了控制排水量,实际上是围绕着斜角甲板的布局而设计的。该航母满载排水量40550吨,8.5度的斜角甲板长195米,并与位于舰艏的1号弹射器相交。出于控制舰体大小的原因,该舰的上层建筑非常靠前,而两座舷侧升降机只能排在舰岛之后。
从以上的叙述中,我们可以了解到常规航母飞行甲板具有弹射起飞区和着舰回收区,起飞区的长度由弹射器的长度决定。在美国超级航空母舰上,这一区域长度为100米左右。着舰区是回收飞机的部分,整个着舰区的长度在美国超级航母上为200多米(其中包括3号、4号弹射器)。整个飞行甲板的长度基本是两者长度的总和,这也是美国超级航母为什么有300多米长的原因。
阻拦装置
陆上机场的跑道足够作战飞机正常降落,一般不需要为飞机准备阻拦装置。由于存在刹车失灵、油门失效、减速伞或拦阻钩放不下来等原因,降落滑跑中的飞机有可能冲出跑道。因此,在一些军用机场,会在跑道或跑道尽头设置阻拦索和拦阻网。同样地,阻拦装置是保证常规起降飞机在航母上安全降落的重要设施之一,其重要程度与意义非陆上机场的同类设施所能企及。
现代舰载飞机在陆上机场正常降落时,着陆滑跑距离一般有七八百米甚至更长。其中:F-14战斗机在最大着舰重量时的进场速度248公里/小时,最小着陆距离884米;F/A-18C的进场速度248公里/小时,着陆滑跑距离670~810米;A-6E的进场速度204公里/小时,
最小着陆滑跑距离521米;E-2C进场速度191公里/小时,最小着陆距离439米;S-3A进场速度185公里/小时,在16556公斤着陆时,滑跑距离488米。一般来说,供喷气式战斗机、攻击机起降的陆上机场跑道足有2000米。而航母的总长度不及陆上跑道的1/6,如果不借助阻拦装置,舰载飞机根本无法在总长仅有200多米的斜角甲板上停下来。
早在航母问世之初,在其飞行甲板上便设有多道阻拦索。现代常规起降航母一般设有3道或4道液压缓冲式阻拦索,其作用是将着舰飞机的动能吸收掉,使之在很短的距离内停下来。美国的超级航母、俄罗斯的“库兹涅佐夫”号航母均设有4道平行设置的阻拦索。为了防备万一,还在液压缓冲式阻拦索中间或之后设置一道拦阻网,美国超级航母的拦阻网则设在最后一道阻拦索之前。液压缓冲式阻拦装置在甲板下面是一套复杂的机械系统,它通过滑轮与缓冲器,将阻拦索固定在斜角甲板上。美国超级航母自舰艉大约55米处开始设置阻拦索,顺斜角甲板方向每隔约14米即布置一部阻拦装置。在板簧的支撑下,每根阻拦索距离甲板的高度约为50~140毫米。
舰载飞机在着舰时,其起落架和位于机尾下方的拦阻钩同时放下。在飞机主起落架接触斜角甲板前后瞬间,拦阻钩钩住甲板上的任意一根阻拦索后,飞机就会很快停下来。如果飞行员成功钩住第1道,则说明下滑角偏大或速度过慢;钩住第4道,则说明下滑角偏小或速度偏快。美国海军认为,舰载飞机降落到第2和第3道阻拦索之间,也就是钩住第3道阻拦索最为理想,第2道次之。据美国海军统计,白天着舰的舰载机拦阻钩钩住第2道、第3道阻拦索的概率为62%~64%,挂住第4道索的可能性约为18%,挂住第1道索的概率约为16%。在夜间,拦阻钩多挂住第3、第4道索。一旦拦阻钩未挂住阻拦索,在条件允许的情况下飞机必须拉起复飞,准备再次进场降落。这在白天的概率约为5%,夜间则高达12%~15%。舰载飞机被阻拦停下,即完成脱钩移动,同时阻拦索自动复位,迎接下一架飞机着舰。美国超级航母飞机着舰回收的间隔是35~40秒一架。
美军现役Mk7-3阻拦装置用的阻拦索有两种规格,即6×30平钢绞大麻纤维芯阻拦索和6×30平钢绞聚酯芯阻拦索,破断力和直径分别为835千牛、34.9毫米和911千牛、36.5毫米。每根阻拦索由6股钢丝绳组成,每股钢丝绳由12根主钢丝、12根中间尺度钢丝和6根呈三角形布置的细钢丝扭成,每股钢丝绳间还有交接钢丝。该型阻拦装置可以使30吨重的飞机以260公里/小时的速度着舰后,在滑跑91.5米距离内即可停下来。
尽管液压缓冲式阻拦装置在航母上的使用已有七八十年,但这种装置存在以下缺陷:对舰载机寿命损耗大,所能拦阻飞机的着舰重量和着舰速度的增长潜力已到极限,故障率高、维护复杂。为了改变这种状况,美国在设计“福特”级航母时,同步实施了先进阻拦装置的开发。美国现在研制的先进阻拦装置的技术方案是一种涡轮电力系统。该系统采用简易、成熟的吸能水力涡轮来替代传统的液压油缸,和一个大型感应电机联合使用,可以对飞机承受
的拦阻力实施良好控制。涡轮电力系统采用了更轻的合成电缆系统和电机,以满足美国海军对阻拦装置性能的要求,即在飞机以45~87米/秒的速度着舰时,绊住飞机的阻拦索能够以12~95兆焦的能量将其拉回。而Mk7-3的最大钩索速度和最大吸能量只有66.88米/秒、64.4兆焦。由于具有无与伦比的技战术优势,涡轮电力式阻拦装置将成为美国新一代航空母舰的标准装备之一。
拦阻网的作用。在特殊情况下,如作战时飞机拦阻钩被打坏、起落架或发动机等失灵、飞机燃油已耗尽无力做第二次着舰时,就需采用紧急措施,这时就需要由拦阻网来完成帮助飞机着舰的任务。
和液压缓冲式阻拦索一样,拦阻网用于吸收飞机动能的主要部件也是位于飞行甲板下方的阻拦机,所不同的是将阻拦索换成了拦阻网。拦阻网由承载带、释放带、三重带组件、垂直啮合带、维克牢尼龙搭扣拴带等网带组件,以及平行索、延伸索、附件、支柱等组成。它高约4.5米,在斜角甲板上略宽于阻拦索,舰载飞机在撞网后50米左右距离内即可停下。拦阻网阻拦机所提供的拦阻力的最大值,是随飞机的撞网速度的不同而自动改变,以减少飞机损伤。拦阻网还具有自动纠偏的协调系统,飞机撞偏时也能在网内正常滑行,保证可靠拦阻。平时,由液压系统提供动力的拦阻网支柱倒放在飞行甲板的凹槽内,与甲板齐平。应急时,拦阻网必须在2~4分钟内架设完成。
光学助降系统
在陆上机场,由于跑道较长且固定不动,飞行员可以驾机以较小的下滑角降落,对于飞机降落点的要求不是很严格。在航空母舰上降落就不同了,飞行员驾机时必须以较大的下滑角降落,并准确将飞机降落在阻拦装置附近。因此,舰载飞机必须严格按照预定的进场速度和飞行轨迹下滑、降落。
直到20世纪50年代初,担负飞机着舰指挥任务的着舰指挥官(LSO)对准备着舰的飞机,依然沿袭利用旗语的方式来指挥飞机降落。好在当时的活塞式飞机的进场速度较慢,飞行员可以根据不同的命令做出不同的反应。随着喷气式飞机上舰,降落指挥官的操作开始接
近人类的反应极限。英国海军古德哈特中校为此发明了给飞行员指示进场高度的第一代航母助降灯—凹面镜反射灯光系统,并在“海洋”号(属于“巨人”级)上进行了试验。后来,在其基础上发展出的性能更好的菲涅耳透镜光学助降系统,成为又一个保证常规起降舰载飞机安全降落的重要设施之一。
菲涅耳透镜光学助降系统由透镜灯箱、禁降灯、切断灯、基准灯、电源和控制装置等组成。菲涅耳透镜灯箱由5个垂直叠落在一起的灯室组成(新改进的增加到12个灯室,比原来的多7个灯室,目的是为了提高着舰精确度),最底下的一个为红色,其余为橙色。在该灯箱两侧是一排水平布置的绿色基准灯和两排垂直设置的红色禁降复飞灯,在红色禁降复飞灯的上方有两组绿灯被称为“切断灯”。菲涅耳光学透镜可发出直线性极好的柱形光束,可为飞行员提供垂向约1.7度和横向40度的线性光学视场。
舰载飞机在返航时,首先由航母上的导航装置或预警机,将其引导到合适的空域。接着按照规定进行箱型转弯,在第4次转弯且不断降低飞行高度后对准航母斜角甲板。在进场着舰的最后阶段,飞行员都要在着舰指挥官的协助下,目视光学助降系统。在最后的20秒时间里,飞行员不再观察座舱仪表,而将主要精力用于观察菲涅耳透镜光学助降系统,并按照着舰指挥官的要求,调整飞行高度、速度等,直至飞机挂上拦阻钩。为了不影响飞行员准确着舰,这套光学系统位于航母左舷,紧挨着斜角甲板。其中,“尼米兹”级的菲涅尔透镜光学助降系统与飞行甲板齐平,位于舰艉之前148米处。
在舰载机进场下滑过程中,如果飞行员看见中间灯组的橙色光柱(通常称之为“肉球”)在绿色基准灯的上方,说明飞机高了。如果橙色光柱在绿色基准灯的下方,说明飞机低了。如果橙色光柱和绿色基准灯在同一直线上,说明飞机下滑的航迹正确,只要保持就能准确着
舰,并钩住阻拦索,完成着舰。如果见到绿色基准灯下面的红色光柱,说明飞机太低,必须紧急拉起重飞,否则会撞向舰尾或坠入大海造成机毁人亡的悲剧。如果看见红色禁降复飞灯闪烁,则应当停止着舰过程,立即拉起。此时可能是舰面人员发现飞机异常或舰上发生事故,无法着舰。
舷台结构
舷台是现代大中型航空母舰常见的一种结构形式,也是航母区别于其他水面舰艇的主要特征。在斜角甲板出现以前,航母尽管总宽度大于型宽,但作为飞行甲板的舷伸甲板不会超出两舷太多。斜角甲板出现以后,为了保证斜角甲板的长度,设计人员顺势将斜角甲板向左舷延伸出一块。由于有飞机在此起飞,为保证强度,将其直接和下面舱室或机库甲板相连,并在垂直方向形成多道甲板和舱室,这就是舷台结构。以改进型“埃塞克斯”级和“中途岛”级航母为例,“埃塞克斯”级航母加装斜角甲板后,因舰宽不够,只能从左舷自后向前斜向延伸,直到新增的舷侧舰载机升降机处。第一次改装的“中途岛”级航母也是这样。
舷台挑出的长度,还与舷侧舰载机升降机有很大关系。升降机以内即是航母的船体,也是机库所在。早期的“埃塞克斯”级航母舷侧升降机和当代两栖攻击舰上的舷侧升降机相似,由于缺乏更多的围护结构,强度相对较差,不能运输重量更大的飞机和直升机。而舷侧升降机为了增加结构强度,并在外侧安装提升钢缆,也需要在船体之外,有一个挑出结构。“埃塞克斯”级航母在进行现代化改装时,为右舷舷侧升降机增加了围护用的舷台结构。完成最后一次改装的“中途岛”号航母,所有3部舷侧升降机也采用了相同结构,而且更为彻底。为了扩大飞行甲板面积,在后来的“福莱斯特”级航母上,干脆将右舷的3座舷侧升降机的围护结构连成一体,而左舷的舷台结构也乘机向后延伸以容纳第4部蒸汽弹射器,最终形成目前的舷台样式。
舷台和斜角甲板的使用,在不增加舰体宽度的情况下,大幅增加了飞行甲板的面积。舷台以下就是航母的舰身,其宽度就是型宽。“中途岛”级在第三次改装后,飞行甲板总宽度由65米增至73米,飞行甲板总面积由第二次改装时的11400平方米增至16300平方米,增加了33%。由于飞行甲板面积大幅增加,还为换装C13-0型蒸汽弹射器提供了空间。“尼米兹”级航母长332.9米,型宽40.8米。如果没有舷台结构,按照飞行甲板宽45米计算,飞行甲板总面积最多也只有14980.5平方米,比实际面积少了3200余平方米。
由于舷台是突出于航母左右舷的挑出结构,为了保证航母的稳定性,左右之间必须在重量上保持平衡。在美国的超级航母上,左侧的舷台面积较大,而右侧的较小。不仅如此,由于4部升降机中的3部均位于右舷,造成右侧舷台结构较轻。为保持平衡,上层建筑就座落在右侧的舷台之上。
岛式上层建筑
陆上机场都建有用于管控飞机起降的塔台,还布置有进场监视雷达。其中,塔台是供飞行指挥员或空中交通管制人员进行工作的建筑物,具有一定的高度和良好视野。一般水面舰艇上都有舰桥,作为舰船驾驶操纵系统、组织指挥系统、观察通信系统的中心,并设有操纵、导航、通信联络等设备。航母的飞行甲板上层建筑,是位于飞行甲板以上高层建筑物的统称,因其所占甲板面积较小,又称岛式上层建筑。
航母的岛式上层建筑集塔台与舰桥于一身,是全舰的神经中枢,其主要作用是驾驶航空母舰并指挥舰载机编队。美国超级航母岛式上层建筑正前方是带有大量窗户的舱室,从下到上依次是司令舰桥、航海舰桥和航空舰桥。其中,司令舰桥除设有航母战斗群编队司令作战
指挥控制中心外,还有导航和作战军官休息室、编队司令休息室等;航海舰桥包括舰长指挥中心、驾驶室、主通信室、海图室、舰长休息室、尾向对海观察台、电视摄像机室等;航空舰桥又称飞行舰桥,包括主航空管制站(塔台)、甲板作业指挥室等。此外,岛式上层建筑还包括飞行准备室,以及包括雷达室、通信室等在内的电子设备室。飞行准备室又称飞行员待命室,还是实时显示、复现飞机起飞和着舰过程以及分析讲评起降技术的地方。另外,岛式上层建筑还是通向飞行甲板的重要人员通道。
航母的作战能力来自于其舰载机,为了搭载更多的舰载机并提高运行效率,总是希望有尽量大的飞行甲板。因此,岛式上层建筑在满足需求的前提下总是尽可能做得紧凑些。二战时的航母,岛式上层建筑长度较大,大于舰长的1/5。后来逐渐缩短,约占舰长的1/7。美国现役航母岛式上层建筑的长度约占舰长的1/10甚至 1/13。这个数字比驱逐舰和护卫舰上层建筑相对要小得多。即使是绝对长度,航母的岛式上层建筑亦比排水量仅为其1/10~1/20的驱护舰的岛式上层建筑要短,可见其布置上的紧凑程度。航母上设置较小的岛式上层建筑不仅给飞行甲板腾出了更大的面积,而且为飞行甲板保持均匀的气流场创造了条件。实践表明,飞行甲板上的岛式上层建筑愈小,对航母尾部气流场扰动愈小,对飞机的着舰降落愈有利。
在通常有六七层的岛式上层建筑之上,还有各种各样的导航天线、雷达天线、电子战设备和主桅。主桅上又有导航雷达、卫星通信天线、中程对空/对海警戒雷达天线等。在狭小的空间安置如此之多的电子设备,极易造成电磁干扰。为解决岛式上层建筑布置上的困难,改善电磁环境,除了“福莱斯特”级和正在建造的“福特”号航空母舰外,部分超级航母还在岛式上层建筑后面的飞行甲板上另立有桁架式后桅,在其上面安置有远程警戒雷达天线和其他天线。
常规动力航母的岛式上层建筑上还有烟囱和烟道。烟囱排出的灼热废气会使飞行甲板上的气流紊乱,妨碍飞机的安全着舰。同时,高温烟气造成附近环境温度不均匀,进而导致空气密度不均匀,对着舰作业中的飞行员产生视觉误差。当航母低速航行时,烟气有可能弥漫至飞行甲板上空,挡住飞行员的视线。这些燃烧后的废气会腐蚀航母上的雷达天线或通信设备,同时也会损害舰载机外露的电子设备。现今,从锅炉或燃气轮机中排出的烟气,先与从外界吸入的空气混合以降低温度,再以抽风机加压后从烟囱吹出。美国最后一艘常规动力航母“肯尼迪”号的烟囱还采取了向舷外倾斜约30度的措施,使烟囱口喷出的排烟带有一定的离舰横向速度,更加确保烟气不会回流进入飞行甲板上方。20世纪60年代,诞生了核动力航空母舰。由于不产生燃烧烟气,因而不再需要烟囱,一劳永逸地摆脱了烟道和烟囱对航母的困扰。核动力不仅增加了飞行甲板和舰内舱室的有效面积,还在飞行作业的安全性和飞机的维护保养等方面,带来了根本性的改善。
舰载机升降机
无论是舰载机起飞,还是降落,在完成作业前后,均与一个重要设备——舰载机升降机相关。该升降机是将舰载飞机或直升机,从机库中提升到飞行甲板之上或反之的一种大型升降设备。由此可见,舰载机升降机是连接停放、检修的飞机、直升机的机库与飞行甲板之间的枢纽,没有这个设备,舰载机要么只能待在飞行甲板上,要么只能停留在机库中。假若是后一种,航空母舰则变成永无作战能力的飞机、直升机运输船。如果舰载机不能通过升降机进入机库中,其维修保障只能在露天进行。而这,将极大影响飞行甲板的运行效率。
二战之前的航空母舰,包括战后建造的一些航空母舰,采用强度较高的舷内升降机。这种布局的升降机尽管不会受到海浪的侵蚀,但其最大缺点是在使用时飞机无法起降。为了保证飞机安全降落,舷内升降机必须按规定停留在与飞行甲板齐平的位置,且与飞行甲板之间的缝隙不能过大。因此,舷内升降机直接影响了舰载飞机的运行效率。从“福莱斯特”级航母开始,舷外升降机成为美国海军现役航空母舰的标准布局。
由于美国超级航母的机库借助防火分割门可以分为前后两部分。为了保证每个机库都有两个升降机与其相连,从“福莱斯特”级航母开始,美国的大型航母均以岛式上层建筑为界,在其前后分设两部升降机。其中,“福莱斯特”级的升降机有一部在舰岛之前,两部在舰岛之后,受改进型“中途岛”级和“埃塞克斯”级影响,另一部在左舷斜角甲板之首。这种布置方案在同时进行起飞、着舰作业时是不理想的,因为左舷的升降机处于左舷两部弹射器的延长线上,在进行弹射起飞作业过程中不能使用这部升降机。而在着舰作业过程中,因为飞机有着舰复飞的可能性,所以这部升降机也不能使用。而且在回收着舰飞机入库的路线上也不顺畅,只能由岛前的升降机载送入库,如要通过岛后的升降机入库,则因岛旁是个停机区经常停有值班飞机而造成阻碍,因而着舰飞机可能在前部发生滞留情况。
由于存在以上诸多不合理性,“福莱斯特”级以后的超级航母,除了正在建造的“福特”级航母外,均在舰岛之前设置两座升降机,其后设一座升降机,左侧舷台后部设一座升降机。依照上述顺序,从前往后依次为1~4号升降机。这种布局升降机的方法,使1号、2号升降机距离1号、2号弹射器较近,3号、4号升降机距离3号、4号弹射器较近。其中,1号、2号升降机可为飞行甲板前部的两部弹射器快速运送飞机,并让降落后的飞机在最短的距离内进入机库;3号、4号升降机可为斜角甲板上的两部弹射器尽快运送飞机。在应急情况下,如此分布升降机也有利于快速将舰载机转运到机库中。另外,因航行舰桥在右舷,为方便离靠码头时操舰观察,海军总是让右舷停靠码头。右舷有3部升降机,就有3个可以进行补给作业的平台,机库侧壁上的大开口将作为装载补给品的入口。由于航母所需补给的舰载机备件、弹药、粮食蔬菜等数量极大,有3个补给装载入口同时作业,将大大缩短战备补给的时间。
美国超级航母的舷侧升降机,除了“福莱斯特”级的面积较小外,其余航空母舰使用的升降机,主体部分宽23.5米、进深长15.9米。从外形尺寸看,每个升降机一次至少可以运送两架飞机或3架“海鹰”直升机。在进入升降机时,大部分舰载飞机的机翼需要折叠,直升机的旋翼也需要向后折叠。美国超级航母的舰载机升降机外缘是不规则的,其平面形状有一个切角,等于是在原先的方形平面上添置了一个小三角形平面。机身较长的机型可顺着小三角形的斜边方向,斜向停放。如此,可以斜向进入机库,便于在机库内掉头转向或在飞行甲板上直接面对停机位置。美国现役航母升降机的表面积373.65平方米,自重105吨,提升能力约60吨。
美国的航母舰载机升降机的运转效率是很高的,每部升降机一次可装载两架飞机,在飞行甲板和机库之间运行一次仅需25秒。4部升降机同时工作,一次即可运送8架舰载机。不考虑飞行甲板和机库的容纳能力,如果在机库和飞行甲板停留的时间各为30秒的话,一
次运行80架飞机仅仅需要一刻钟。之所以能够达到如此惊人的战术能力,是因为升降机和蒸汽弹射器的相互配合。“尼米兹”级航母在有准备的情况下,从接到预警到第一架飞机起飞,仅需3分钟。在没有准备的情况下,自机库将飞机提升到飞行甲板,直到起飞,仅需要15~20分钟。一个中队的飞机,在接到起飞命令后,仅需七八分钟就可以全部弹射升空。
其他设备与辅助线
假如航母上仅有以上这些重要设施,还不能保证其能够完全发挥出作战效能。要让航母最大程度地发挥其作战能力,还需要有一些相对次要的设备甚至是会被外行人不足挂齿的线条等。
弹射指挥控制站。弹射指挥控制站,是操作控制航母上弹射装置的场所,通常位于弹射器起点旁甲板下。以“尼米兹”级航母为例,该舰共有两个弹射器指挥控制站。一个位于1号、2号弹射器之间,一个位于菲涅耳透镜光学助降之后(从舰艏方向看)。美国超级航母的弹射器指挥控制站有两种形式:早先为露天形式,在工作时将位于飞行甲板下面的弹射控制机构反转出来,由甲板工作人员坐立之前进行操作。现在大多是封闭的控制室,并在甲板上设有观察窗。站内操作控制人员根据弹射飞行甲板上弹射器操作员的指令,开启弹射器使飞机加速起飞,在弹射完成后使弹射器复位。控制站内安装有整个弹射系统设备的状况监控仪表及设备。封闭式指挥控制站又分固定式和升降式两种。
武器转运升降机。随着舰载机技术的发展和航母用途的多样化,航母舰载机的机载武器变得更多,武器消耗量更大。例如,“小鹰”级航母可储存各种武器弹药2150吨。出于安全考虑,这些武器要存放在专门设置且具有严密保护的弹药库内。为了迅速将补给舰或直升机运来的武器弹药转运储存到弹药库内,或将武器弹药迅速从弹药库转运至飞行甲板给舰载机挂弹,均需要航母拥有高效的武器转运设备。这种升降机的布置、数量和转运路线,依据弹药库和飞行甲板舱口盖以及武器组装场所的物理位置来确定。“尼米兹”级航母能够储存的武器弹药量达到2570吨,在飞行甲板上设有3部武器升降机,分别位于1号、2号弹射器之间,1号、2号舰载机升降机之间和舰岛旁。
飞行甲板灯光系统。设施完备的陆上机场均要设置完备的灯光系统,用以保障飞机或直升机在夜间或昼间低能见度条件下正常起飞、着陆和滑行。主要包括跑道灯、跑道端灯、滑行道灯、下滑灯、场界灯、T字灯、机场灯标等。和陆上机场灯光系统一样,航母飞行甲板灯光系统则是保证舰载机全天候起降的重要系统。这些灯光系统包括甲板边线灯、斜角甲板正横灯、垂直下降对中灯、跑道边线灯、斜角甲板中线灯、安全停机线灯、舰艏正横灯等。其中,甲板边线灯是夜间明晰飞行甲板边缘的一组灯光,灯距为12.19米,为蓝色的低照度灯。斜角甲板正横灯用来标清斜角甲板的前后缘。跑道边线灯是标示斜角甲板两侧界限的
两组灯光,两者相距21.34米,灯光颜色为白色,光束的轴线面向后方以利于飞行员在夜间降落时观察。
防滑涂层与系留装置。为了保证舰载机在航母上安全起降,航母飞行甲板均涂覆有一层防滑涂料。它既有较高的摩擦系数,可以防滑,又有较好的防腐性能,保证飞行甲板在恶劣的环境中能够抵御大风、海浪飞溅、航空发动机的高温、高压尾喷流以及各种油料、洗涤剂的腐蚀和磨损。目前,能够起到防滑作用的材料通常是在环氧树脂中适当加入一定粗细的天然氧化物颗粒,而防腐作用的成分则是采用金属涂层(锌和铝)和聚合物粉末涂层。这些涂层广布于飞行甲板的各个角落,只有弹射器轨道、挡流板等处没有覆盖到。
系留环是航母必备的小玩意儿,密布于飞行甲板和机库甲板。只有挡流板、蒸汽弹射器轨道、武器升降机等极个别地方才没有布置。目的是通过铁链将飞机、直升机固定在甲板上,防止飞机、直升机在航母做剧烈运动时,或在有大风巨浪时被掀翻。
辅助线。航母飞行甲板上的辅助线多种多样,或长或短,颜色各异,用意也不尽相同。
在舰艏飞行甲板,有两道红白相间的细线分别与1号、2号弹射器平行。这两条线即为弹射起飞安全线,意在飞机弹射起飞时,让人员与飞机停留在危险区之外。位于左舷的两部弹射器旁边也有两条作用与其一模一样的两道安全线,颜色改为黄色。原因是在斜角甲板两
侧之外的安全线已经使用红白相间的细线。在斜角甲板中心线,刷有一道黄白相间的粗线。这就是飞机降落时的实际跑道,该线向舰艉延伸并垂直于飞行甲板后,则变成一条降落对中线。沿黄白粗线两侧,各有两溜粗细不一的白色线条,两溜线条间还有较粗的白色短线相连。两组白线则是用来表明斜角甲板的左右界限。而在斜角甲板后部边缘,还有一道更粗的白色区域,可以让飞行员清楚地把握航母的尾端。在斜角甲板边界线之外,绕过阻拦装置,还有两条安全线。在斜角甲板左侧的安全线之外,还有一条大体与之平行的安全线。在这个由飞行甲板边缘和安全线围成的三角形区域内,则是飞机降落时允许飞机和车辆停放的地方。而在斜角甲板右侧的不规则安全线之外,则可停放飞机、直升机和各种必备车辆。
此外,在舰载机升降机、武器升降机、弹射指挥控制站、挡流板等边缘皆有红白或黄白相间的安全线。
其他。在美国超级航母飞行甲板上及其外围,除了以上设施或线条外,在其周围还有护栏、护墙、防护网等防护装置,以及鞭状天线、气胀式救生筏、防空导弹发射装置等。在飞行甲板上,还密布有属于三防、消防系统的表面洗消喷口。