航空母舰发展的思考

朱英富，熊治国，胡玉龙

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064



航空母舰发展的思考

朱英富，熊治国，胡玉龙

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

摘要：针对航空母舰（简称“航母”）的发展规划和研制，系统总结分析国外航母装备发展的主要趋势及研制发展的主要特点，重点从航母论证、设计及新型装备技术发展等方面归纳后续航母研制发展的潜在方向，结合航母发展实际，在吸收借鉴国外航母装备发展的先进理念和发展经验基础上，从关键装备技术发展、编队统筹建设、系统工程、人机系统集成和航母文化等方面提出航母建设与研制的建议与想法。

关键词：航母；航母编队；人机集成；航母文化

0　引　言

航空母舰（下文简称“航母”）是大国实现战略战役目标的核心武器装备，是一个国家集国防、科技和工业等领域大成的工业艺术品，更是国家重要的战略投资。发展一支适用、顶用的航母作战力量，是世界主要强国维护其国家、地区乃至全球利益的重要保障。航母装备的建设发展是一项需要综合考量区域与全球战略格局、国防建设与国民经济、现有基础及后续发展等诸多因素的复杂战略决策问题。本文将针对航母发展建设问题，在系统分析国外航母装备发展趋势和主要特点的基础上，重点从技术角度提出关于航母研制及建设方面的一些想法。

1　国外航母装备发展趋势

航母是世界海军强国的核心装备。目前，国外7个国家共18艘航母在役。美国拥有10艘“尼米兹”级核动力航母，排水量10万吨级，舰载机采用弹射起飞、阻拦着舰。法国拥有1艘“戴高乐”号中型核动力航母，排水量4.2万吨，舰载机采用弹射起飞、阻拦着舰。俄罗斯拥有1艘蒸汽动力航母，排水量5.9万吨，舰载机采用滑跃起飞、阻拦着舰。印度拥有2艘蒸汽动力航母：“维拉特”号排水量2.8万吨，舰载机采用短距起飞/垂直着舰；“维克拉玛蒂亚”号排水量为4.5万吨，舰载机采用滑跃起飞、阻拦着舰。意大利拥有2艘燃气动力航母，其中“加富尔”号排水量2.7万吨，“加里博迪”号排水量1.4万吨，舰载机均采用短距起飞/垂直着舰。巴西拥有1艘常规蒸汽动力航母“圣保罗”号，排水量3.4万吨，舰载机采用弹射起飞、阻拦着舰。泰国拥有1艘“查克里王朝”号航母，排水量1.1万吨，采用柴燃联合动力，舰载机采用短距起飞/垂直着舰［1-2］。

进入21世纪，航母又掀起新一轮的发展高潮。

美国新一代航母“福特”级的首舰（CVN-78）于2013年11月9日下水，预计2016年入役，该级舰首批计划建造3艘，目前第2艘（CVN-79）已经开始建造。

英国“伊丽莎白女王”级（CVF）的首舰于2014 年7月4日下水，预计2016年8月开始海试，2017 年5月交付英国海军，该级舰共建2艘。2号舰“威尔士亲王”号于2012年2月开始建造，预计2016年下水，2019年入役。

印度国产“维克拉特”号航母于2009年2月开始建造，有望在2018～2019年入役。

俄罗斯预计2020年后建造核动力航母，据相关报道，目前已开始研发用于航母的电磁弹射装置。

综合国外新一代航母发展情况，主要呈现以下发展趋势：

1）航母平台向大型化发展。

各国新研制的航母因任务需求的增加，排水量均有不同程度的提高，大型化趋势明显。

2）广泛采用新技术和新装备。

美国“福特”号航母装备电磁弹射装置、涡轮电力阻拦装置、新一代核动力装置、大容量电力系统，高能武器也将逐步应用，多项高新技术和装备将推动新一代航母作战能力迈上新的台阶。

3）舰载机作战能力大幅提升。

美国、英国新一代航母将搭载第4代舰载机，作战能力大幅提升。X-47B固定翼无人机已在美国“布什”号和“罗斯福”号航母上进行了起降试验，将于2022～2023年实现在“尼米兹”级和“福特”级上的部署，以进一步拓展信息感知范围和打击半径。

4）舰载机出动回收能力进一步提高。

在优化飞行甲板总布置以提高舰面保障效率的同时，国外新一代航母还通过采用电磁弹射、涡轮电力阻拦、“一站式保障”等先进技术［3］，大幅提升舰载机的出动回收能力［4］，如美国“福特”级航母的舰载机高强度出动能力指标较“尼米兹”级航母提高25%以上。

5）信息化程度大幅提升。

全新的电子信息装备在各国航母上广泛应用，通过采用开放式体系结构，以无线通信为纽带，实现编队警戒探测系统、指挥控制系统、武器系统等装备的有机整合，进一步提高信息攻防作战能力。

2　国外航母研制发展主要特点

2.1以系统工程理念牵引总体方案论证

目前，国外主要是通过作战需求论证和概念方案设计2个阶段来完成包括航母在内的舰船总体方案论证，以确定目标图像、主要系统配置和初步性能指标，论证结果作为工业部门的设计输入和技术要求。目前，美国海军舰船论证方面体系最完善，技术也最为成熟。

在作战使用需求论证方面，围绕国防军事战略、潜在作战地域和作战对象设定作战想定，结合计算机兵棋推演仿真得到舰船的作战使用能力需求及任务操作能力需求，并形成标准文件作为概念设计的输入。

在概念设计阶段，自上世纪70年代末开始致力于舰船总体综合模型的研究和开发，形成了基于总体资源与系统需求迭代自平衡的总体概念方案快速生成软件系统，经过近半个世纪的发展和完善，形成了ASSET概念方案生成软件平台。同时，在概念方案的评价和决策中，还引入了系统工程理念，将舰船的研制风险和研制费用纳入到总体方案的评价体系中，并针对不同类型的舰船，形成了基于总体效能、研制费用和研制风险评估的方案总体综合效能评价指标体系。以上述研究成果为基础，借助于人工智能领域相关研究成果，开发了集总体概念方案生成、方案评估、方案迭代优化为一体的舰船总体概念设计集成环境（图1）［5］。

2.2以“人机集成”设计为牵引，深入推进总体集成优化

美国审计署分析认为，舰员人力费用占舰船全寿期费用的比例最大，在国防支出紧缩的现状下，精简人员编制是舰船工业界和军方共同面临的责任与挑战。针对该问题，美国军方及舰船工业界首先针对现役舰艇开展了“人员配备优化减员试验”、“舰员配备可承受性研究计划”等专项试验，以探讨技术、政策和组织结构上的相关措施在人员编制精简上的可行性。最后，经过研究提出了“人机集成”设计理念，即在舰船设计的早期就将人员作为舰船设计对象的主体，所有使用流程、设备及系统的设计都将减少人员工作量、便于操作使用和维护作为最重要的设计目标之一。例如，在“福特”级航母空勤指挥管理系统设计过程中，以降低舰员工作强度和便于使用操作为目标，针对系统构架、战位设置、显示器的数量及显示内容、室内灯光设置等的论证和确定都在广泛征求使用人员、系统设计师、人机工程学专家等意见之后才确定［6-8］。图2所示为使用人员和设计师在由塑料、泡沫等材料搭建的“福特”级航母1∶1模拟空勤指挥室内研讨系统、战位设计及设备布置的情景。在“福特”级航母研制过程中，通过启动以“人机集成”设计理念为核心的“智能航母”计划，始终以减少工作量为目的，深入开展流程优化、系统集成、设备人机交互设计等措施，使得“福特”级航母在作战效能、操作效率较“尼米兹”级航母大幅提升的同时，实现了人员编制数量大幅减少、有效负载进一步提高的目标。

图2“福特”级航母模拟空勤指挥室设计研讨Fig.2 The symposium on imitated flight command cabin of CVN-78

2.3持续提升航空保障的智能化和自动化水平

航母设计始终围绕如何有效提高舰载机的出动能力这一战技指标展开。目前，美国“福特”级航母的舰载机持续出动架次率由“尼米兹”级航母的120架次/12 h提高到160～220架次/12 h。美国航母除了在进一步对航空保障作业流程及相关区域布局方面做进一步优化外，还重点从以下2个方面着手提升舰载机出动能力：

1）提升航空保障指挥管理决策的智能化水平。

美国海军委托麻省理工学院开发出了甲板作业规划系统（Deck operations Course of Action Planner，DCAP）。该软件系统界面如图3所示，通过提供良好的人机交互界面，将人的经验和强大的决策规划算法相结合，来对舰载机（包括无人机）、保障车辆和保障人员的甲板作业进行规划，提高在强动态环境中航空保障指挥管理决策的鲁棒性和科学性［9-10］，并提升作业效率。

图3 DCAP甲板作业规划系统Fig.3 The deck operations course of action planner system

2）继续提升航空保障设备的电气化、自动化水平。

通过装备电磁弹射装置、涡轮电力阻拦装置，进一步提升舰载机起降作业效率并增强设备的可维护性；采用全向弹药转运车、助力挂弹车、“一站式保障”装备及技术，大幅降低舰员工作强度以及对舰员的人力需求。

2.4发展高功率密度、大容量机电装备及技术

发展大、中型航母，以及普遍装备新型装备成为航母装备发展的主要趋势。为进一步满足平台大型化、上舰装备新型化的需要，主要航母装备强国普遍在型号立项前就开始开展高功率密度动力装备和大容量、智能化电力装备的研制。

在高功率密度动力装备方面，美国为“福特”级航母新研发了2座600 MW级A1B压水堆，实现推进总功率约28万hp，安全性、维护性进一步提高，换料周期更长；英国CVF航母首次采用中压交流综合电力系统，实现了电力推进，为此研发了单机输出功率达35 MW级的MT-30燃气轮机发电机组（图4）及单机输出功率达10 MW级的瓦锡兰系列柴油发电机组［11］。

图4 MT-30燃气轮机发电机组Fig.4　 The MT-30 gas turbine generating unit

在大容量电力系统方面，随着大功率负载上舰，国外航母电力系统装机容量大幅增加，美国“福特”级航母装机容量已超过100 MW，更加注重电力系统的安全性、可靠性及供电连续性，广泛应用新型区域配电、系统综合保护等新技术，以提高供电可靠性和生命力。英国CVF航母首次在航母上实现中压交流综合电力系统，进一步保障了全舰能源高效、灵活的调度与供给。

2.5加速推进舰载无人机项目研发并探索其作战使用模式

近20年来，无人机装备及技术的飞速发展正逐渐革新传统的作战样式，发展航母舰载无人机装备及技术也成为主要航母装备国家完善舰载作战力量体系的主要途径。考虑到航母有限的空间资源，目前航母舰载无人机主要以中、小型无人机为主。其中，美国海军通过“无人战斗机演示验证”项目，已经多次成功测试和验证了X-47B无人机在航母上的起降、安全飞行和加受油能力（图5），标志着舰载无人机上舰的相关关键技术已经取得突破。这些测试也有助于推进后续的“舰载无人空中监视和打击（UCLASS）”项目。该项目的目标是于2020年左右在“福特”级航母上部署由6架无人机组成的舰载机测试中队。

图5 X-47B舰载无人机Fig.5 The X-47B carrier-based unmanned aerial vehicle

目前，在现有技术条件下，舰载无人机的作战用途主要还是承担战役、战术侦查及对海和对地攻击任务。探索有人/无人多机种混合编成下的自主协同作战技术，将是未来进一步发展和完善航母舰载机配置体系和作战样式的重要方向。

3　航母发展的思考

航母是复杂的巨系统工程，也是国家重要的战略投资。航母的发展问题已不是装备本身技术的发展问题，其不仅引领着海军国防科学技术的发展方向，更涉及到海军作战力量顶层规划、科技和工业发展规划等方面，因此，航母的研制首先必须站在一个更高的高度进行筹划。

3.1科学谋划未来航母发展方向，引领关键装备和技术预先发展

航母工程是涉及众多工业领域的巨系统工程，其系统复杂且涉及的关键装备和技术繁多，被誉为科技工业领域“皇冠上的明珠”。同时，作为战略武器的航母一般服役年限达40～50年。因此，航母装备和技术的发展规划要着眼于战略和全局的角度，不仅要引领国家工业装备和技术的发展，还要瞄准未来几十年的作战和使用需求。特别是在舰载机、大容量及高功率密度机电装备和信息化基础设施等方面，要紧紧抓住未来新军事变革对航母武器装备技术的发展要求，紧密结合科技领域最新成果，制定科学的技术发展路线，为推进航母装备体系可持续发展奠定基础。

3.2着眼航母编队筹划体系优化配置

以舰载机为主要作战武器，并与其他护卫舰艇共同形成攻防兼备的战役战术编成是航母作战使用最显著的特点。因此，航母的发展规划和研制应站在航母编队统筹建设的高度开展。

1）按照体系作战需求，明晰航母编队整体作战能力需求并开展能力指标的多平台集成和统筹，以此为基础规划编队母舰与护卫舰艇平台、主要系统配置，明晰各类舰艇的作战使命并按照突出重点的原则实行舰艇主要系统优化配置及编队内功能集成，以最小的代价来实现编队整体效能提升的最大化。例如，在作战系统配置方面，应合理统筹驱护舰艇和母舰的使命任务，按照舰艇在编队中的角色科学配置本舰作战指挥系统和设备，由过去的构建“大而全”的作战指挥平台向打造“全而精”的编队作战体系网络的思路转变。

2）应科学论证和分配航母编队内主要舰艇的关键性能指标，应结合航母编队的作战使用特点合理确定指标，牵引后续工程设计建造。例如，针对隐身性指标，目前航母及其编队普遍通过完善的舰载机配置和远、中、近防空武器系统构建了大纵深立体防空火力拦截网，有效降低了来自空中的打击武器对母舰及其他舰艇的威胁，而来自水下的潜艇却因其具有较高的水下隐蔽能力和机动性，并结合待机埋伏等战法，往往对编队中的舰艇构成较大威胁。因此，在编队总体资源有限的条件下，应将更多的资源重点向声隐身指标倾斜，在航母雷达波隐身等指标方面不追求过度的提高。

3.3聚焦作战使用需求，建立主要性能指标论证、设计和考核体系

航母作为海军突击作战兵力，将会面临险恶的战场环境，航母综合性能指标是航母在复杂战场环境下生存并击败对手这一能力实现的基础，面向作战使用需求开展性能指标论证、设计和考核，就是瞄准实际使用环境、潜在战场对手和装备，结合现有的条件和技术潜力，科学地确定航母的主要战技术指标要求，牵引后续航母总体设计与主要系统设备研制。特别是面向实战条件下的航母性能指标优化设计已经成为提升未来航母研制能力的重要发展方向之一。例如，包括航母在内的舰艇操纵性设计在过去很长的一段时间内都是瞄准静水条件或较低海况来开展性能指标的论证、设计和考核，在实际使用环境中暴露出性能边界不清楚等系列问题，限制了装备作战使用性能的发挥。后续，应针对主要的性能指标，开展高海况、复杂电磁环境、体系对抗等实战背景下的航母性能指标论证、评估、设计和考核体系的研究，不断完善航母性能评估设计体系和方法。

3.4以效能、风险和费用综合权衡为手段驱动总体方案优化与决策

航母工程建设是一个国家的重要战略投资，航母研制是整个工程建设中的重要环节，其战技指标论证的科学性不仅影响到航母及其编队的综合作战能力，还影响到国家对航母相关工程领域的巨额投资和发展决策。因此，航母战技指标的论证要对作战使用需求、全寿期费用及研制风险进行综合权衡。在过去很长的时间内，包括航母在内的舰船研制往往侧重于战技指标的先进性，在型号论证阶段对研制风险和经济可承受性关注不足。这种传统的舰船论证模式越来越不能适应以巨额投入、高风险、高技术密集为特征的航母研制工程发展需求，需以系统工程管理的思想来牵引和指导总体方案的论证，即在论证阶段针对总体方案建立基于总体效能、研制风险和经济可承受性的评估体系，对总体方案进行多指标、多维的评价，以此为手段来牵引总体方案的系统配置和指标分配，支撑总体多方案论证优选和决策。

3.5以不断提高舰载机出动回收能力为牵引，完善舰机协调机制及舰机适配性设计体系

舰载机出动回收能力是航母编队最重要的作战指标要素，舰机适配性设计是实现这一设计要素最重要的设计环节，需重点就以下2个方面建立健全舰机适配性工程设计并协调管理机制。

1）针对舰机适配性设计跨工业部门、跨专业的现状，需要针对航母论证研制的各个环节建立完善的舰机适配性工程协同设计框架，形成规范的舰机适配性设计顶层文件，明确航母论证研制各阶段、各技术责任单位舰机适配协调及设计的具体内容、协调机制、技术成果等，将舰机适配性设计工作推向深入。

2）针对舰机适配性设计主要对象存在多机种、多机型维修、保障通用化、集成化不足的问题，近期应在现有空军作战飞机维修保障体系的基础上结合目前舰用环境和限制条件深挖潜力，探索舰用维修保障装备的集成化、通用化设计思路。后续舰载机及航空弹药研制单位应配合母舰总体设计单位建立健全完善的舰载机保障、维修设备的集成化、通用化和小型化设计顶层文件及技术规范，牵引并规范后续舰机适配性设计工作。

3.6贯彻“以人为本”，全面落实“人机集成”设计理念

常规大、中型航母的人员编制规模达几千人。随着人力成本的不断攀升，在保证作战能力不减弱的条件下精简人员编制成为航母总体设计的重要发展方向。在传统的舰船设计流程中，设计往往围绕着设备、系统和总体开展，舰员主要还是作为输入条件和检验参考对象，其作为设计对象主体的地位考虑得还不够充分，造成目前许多设备、系统的人机交互效果不佳，成为人力耗费的主要因素。针对这一现状，在航母总体设计过程中应将舰员作为设计要素之一，以减轻舰员工作量为出发点，建立以“面向减少工作量的作业流程优化，牵引系统功能和物理集成，指导设备开展人机友好设计，实现人力资源的高效利用”为思路的人机集成设计流程体系，实现人员编制精简与作战使用效能提升的有机融合。

3.7不断提炼和发展“航母文化”内涵

航母不仅是维护国家利益的工具，也是向外展示国家、民族、人民和军队智慧、勇气和决心的名片。航母总体设计不仅要从满足功能和作战使用需求的角度出发，还要在不断提炼和发展中国特色的“航母文化”基础上，将“航母文化”融入到设计细节中，形成“有灵魂、有文化”的总体设计。例如，在航母居住性设计方面，美国航母强调“多文化兼容、实用、可靠、高效”的设计理念，英国航母则偏重“实用、简洁、高雅、舒适”的设计理念。因此，航母居住性设计的重点不应仅仅关注满足舰员衣、食、住、行的保障资源、设施和技术方面，还要从材料的选用、家具设计、舱室装饰、色彩和光照的设计等细节方面注重人性化设计，并体现我们的民族文化和习俗，形成有特色的“航母文化”。一方面营造温馨的居住环境，能够保证舰员在海上长期部署状态下保持旺盛的战斗力，另一方面，也能在对外活动中充分展示国家、民族和军队的良好精神面貌。

3.8以“绿色舰船”理念为导向，打造“绿色航母编队”

“绿色环保”是目前所有工业界面临的难题与挑战，特别是目前民用船舶领域已经开始制定实施的严苛的环保评估规范体系，也预示着军用舰船以“高效节能、低碳低污排放”为目标的绿色革命即将拉开序幕［12］。航母及编队舰艇应在设计中逐步贯彻实施“绿色编队”相关理念，一方面在设计、评估和规范体系方面开展相关研究，制定出军用舰船版的EEDI（Energy Efficiency Design Index）评价指标体系，另一方面开展高效节能、低碳低污排放相关技术和设备的研制，为全面实现“绿色航母编队”奠定基础。

4　结　语

本文在系统总结国外航母装备发展和研制特点的基础上，提出了关键技术预先发展、航母编队体系优化、面向实战环境下的指标设计考核体系、发展和实践“航母文化”，以及发展“绿色航母编队”等建议和措施。

经过100多年的发展，通过与现代战争样式变革的不断融合，航母不断续写着新的发展辉煌。可以预见，以航母力量为重心的海军作战力量仍是支撑21世纪大国博弈最坚实的支柱。吸取航母强国的发展经验和教训，不断总结和理清发展思路，实现航母装备建设的跨越式发展是建立和完善航母作战体系构成的永恒主题。

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On the development trends of aircraft carriers

ZHU Yingfu，XIONG Zhiguo，HU Yulong

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：In this paper, the major characteristics and trends in the development of aircraft carriers among foreign navies are summarized systematically. Potential trends on equipment and technology development are presented, which particularly focuses on aircraft carrier demonstration，design，and future advanced equipment. Based on the analysis，certain suggestions for aircraft carrier development in the future, includ⁃ing the development of key equipment and technology, fleet constructions，system engineering, human sys⁃tems integration, aircraft carrier culture etc.，are finally proposed.

Key words：aircraft carrier；aircraft carrier fleet；humam systems integration；aircraft carrier culture

作者简介：朱英富，男，1941年生，中国工程院院士。研究方向：舰船总体研究与设计熊治国，男，1974年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船总体研究与设计胡玉龙（通信作者），男，1985年生，博士，工程师。研究方向：舰船总体研究与设计。E-mail：huyulong1986@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015 - 06 - 19网络出版时间：2016-1-19 14:55

中图分类号：U674.771

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.001

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.008.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：朱英富，熊治国，胡玉龙.航空母舰发展的思考［J］.中国舰船研究，2016，11（1）：1-7. ZHU Yingfu，XIONG Zhiguo，HU Yulong. On the development trends of aircraft carriers［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：1-7.