航母關鍵系統對架次率的影響研究

趙遠征

（海軍裝備部，北京 100071）

航母關鍵系統對架次率的影響研究

趙遠征

（海軍裝備部，北京 100071）

航母艦載機的出動架次率是衡量航母及其航空聯隊作戰能力的基本標準，是航母重要的戰技指標。本文著重探討了航母關鍵系統對架次率的影響，分析了彈射裝置、著艦引導系統、飛機升降機、航空彈藥貯運系統的能力對艦載機出動架次率的直接影響，對比了常規動力航母和核動力航母的加速性能對架次率的間接作用。

航母；艦載機；架次率；航空保障系統

0　引　言

航母艦載機以完成任務為目的，一架艦載機從航母飛行甲板上起飛后，完成飛行、著艦的整個過程稱為一個出動架次［1］。

美國海軍把艦載機的出動架次率（Sortie Generation Rate， SGR）定義為艦載機出動架次的平均數量，或每架飛機每天飛行的次數，在美國航母研制或實際使用中，通常使用前一個定義［2］。

由此可見，航母艦載機出動架次率是指，在特定的威脅、任務和作戰環境下，航空聯隊在實際飛行作業天數內，平均每天的艦載機出動架次。

艦載機出動架次率是衡量航母及其航空聯隊作戰能力的基本標準，是航母重要的戰技指標，是航母裝備研制、作戰能力和保障能力建設的核心問題。在國外航母設計中，一直把如何提高架次率作為最重要的目標。

艦載機出動架次率被美國國防部和美國海軍廣泛使用。例如，作戰指揮官根據架次出動能力評估結果制定作戰計劃，海軍作戰部長與國防部長研討預算時也會涉及出動架次率。

1　架次率的影響因素

艦載機在時隔數分鐘的一個甲板作業周期內要完成回收、卸載彈藥、歸位、維修、與機庫艦載機交換、保養、加油、掛彈、起飛等作業。航母艦載機架次率問題研究難度較大，數十架艦載機在航母上的出動回收作業涉及數以百計的人員及高級器械的統籌，是一項錯綜復雜的資源管理和分配工作。艦載機出動架次率與航母的作戰使用模式、總體設計、母艦系統性能、艦載機配置和性能、后勤保障、維修能力、人員配備及狀態等密切相關，這些因素相互影響、相互制約。

總體來說，艦載機出動架次與三大方面因素有關：艦載機的出動能力、飛行員和機組人員的出動能力、飛行甲板作業能力，提高這 3個方面能力，可最終提高艦載機的出動架次。

1997 年 7 月美國“尼米茲”號航母與第 9 航空聯隊進行了為期 4 天的高強度演習，美國海軍分析中心（CNA）對該次演習的數據進行了分析，認為：飛行甲板作業過程是限制出動架次率的首要因素，其次是飛行員可用性，最后是艦載機本身的可用性［3］。因此，本文重點探討影響航母飛行甲板作業能力的航母關鍵系統對架次率的影響。

2　航空保障系統

航空保障系統是保障艦載機在航母上安全起降和有序作業的核心，在航母各主要系統中發揮著特殊的重要作用［4］。航空保障系統各個子系統和裝置的能力制約了飛行甲板作業能力，是實現艦載機高效出動回收的基礎和保證。下面主要以美國航母為例進行分析。

2.1彈射裝置

彈射裝置位于飛行甲板起飛跑道區域，作用是使固定翼艦載機通過彈射在短距離內加速至起飛所需速度。彈射裝置的能力限制了艦載機起飛的效率。

美國“尼米茲”級航母使用蒸汽彈射裝置，可以 1分鐘彈射 1 架艦載機，4 部蒸汽彈射裝置每 20 s 彈射 1架艦載機。每部彈射裝置在時間上的可用性為74%。

表1分析了安裝不同數量的蒸汽彈射裝置情況下，彈射裝置的可用性。若航母安裝 4 部蒸汽彈射裝置，絕大多數情況下能保證 2 部以上彈射裝置可用（94.19%），可同時使用 3 部彈射裝置的概率也較高（71.98%），有利于在短時間內出動較多數量的艦載機，或縮短彈射一批次艦載機的時間，從而提高艦載機出動架次率。

表1　安裝不同數量蒸汽彈射裝置時可用彈射裝置概率Tab. 1　Availability of catapults versus number of steam catapults installed

若安裝 3 部蒸汽彈射裝置，大部分情況下仍有 2部以上彈射裝置可用（83.22%），但同時有 3 部彈射裝置可用的概率較低（40.52%）。

若安裝 2 部蒸汽彈射裝置，則彈射裝置可用概率明顯降低，2 部同時可用的概率僅為54.76%，在高強度作戰時對架次率有較大影響。

2.2著艦引導系統

艦載機出動與回收是航母架次率的 2個重要因素，與艦載機調運、加油、掛彈等，構成了完整的架次周期。如果艦載機著艦不成功，出現事故或需復飛，會延長回收該批次艦載機所占用的時間，導致架次周期延長，降低出動架次率。美國海軍在航母上裝備了改進型菲涅爾透鏡和激光助降系統，極大地提高了艦載機著艦安全性與成功率，有利于艦載機出動架次率的提高。此外，美國海軍正在研發的性能更先進的聯合精確進近著艦系統，將進一步提升艦載機的著艦安全性與成功率。

2.2.1改進型菲涅爾透鏡光學助降系統

透鏡光學助降系統是現代航母艦載機著艦的必備設備。在能見度好的條件下，飛行員可依靠透鏡光學助降系統著艦。它能為返航著艦的艦載機提供一個穩定的光學下滑道，在飛行員對準航母甲板跑道中心線后，幫助飛行員及時糾正高低偏差，完成著艦動作直至鉤住阻攔索。光學助降系統的不斷改進，使飛行員能更好地進入正確的下滑航線，降低著艦事故率。

美國海軍從 2001 年開始在所有航母上改裝了改進型菲涅耳光學助降系統。通過該系統，飛行員離觸艦點 1 海里之外就能獲得艦載機下滑航線信息，能及早地做出修正動作，提高著艦成功率。另外，改進型菲涅耳透鏡采用數字化控制，提高了穩定能力、可控性和可靠性，晝夜使用效果均很好，在高溫下具有良好的可維護性。

綜上所述，改進型菲涅耳透鏡提升了艦載機著艦安全性和成功率，提高了著艦節奏，有利于提高出動架次率。

圖1　改進型菲涅耳透鏡光學助降系統Fig. 1　Improved Fresnel Lens Optical Landing System （IFLOLS）

2.2.2激光遠程對中系統

改進型菲涅耳透鏡有效作用距離比菲涅耳透鏡相比雖有增加，但仍只有 2.3 km，得到系統指示時，飛行員可調整艦載機的時間較短，約 18 s，在夜晚和能見度差的白天，容易產生較大的下滑角偏差。

激光遠程對中系統利用飛行員看到的不同顏色的激光表示飛行員相對于正確下滑航線的偏移量，為飛行員提供遠程精確目視進近引導。可在距航母 18.5 km處、最遠甚至可達 22.2 km處開始為艦載機飛行員提供光學對中和下滑信息，大幅提高著艦安全性和成功率。此外，該系統已在美國海軍航母上使用 10 多年，在不依靠無線電或雷達時可用性達 99%。

圖3為美國進行激光下滑航線指示器試驗時，艦載機在激光下滑航線指示器關閉和打開情況下偏離最佳下滑航線的大小。從圖中可以看出，使用激光下滑航線指示器后，艦載機能從離艦 6 n mile 處開始向最佳下滑航線靠攏，到 4 海里處時已基本調整到最佳下滑航線；在指示器關閉的情況下，由于偏離下滑航線過大而需要重新進近著艦的次數明顯增多（上下偏離最佳下滑航線 20 ft 以上就需要禁降復飛）。

圖2　艦載機遠程對中和下滑Fig. 2　The lineup and gliding of approaching aircrafts

圖3　激光下滑航線指示器作用效果Fig. 3　The effect of glide slope indicator of the long range laser lineup system

激光遠程對中系統的著艦安全性與可靠性，可提高艦載機著艦的成功率和效率，從而提高出動架次率。

2.2.3聯合精確進近著艦系統

美國海軍正在研制中的聯合精確進近著艦系統（JPALS）采用差分 GPS和捷聯慣導技術，與精確進近著艦系統相比，可有效減少誤差，提高著艦穩定性、精確性、可靠性和安全性［5］。

聯合精確進近著艦系統還可大幅提高艦載機自動化程度，能自動調整飛行姿態，確保艦機時刻保持同步；另外，在著艦最后 500 m 左右，艦載機能向航母下傳大量詳實有用的信息，幫助艦載系統和著艦信號官更準確的確定艦載機飛行姿態數據。

總體說來，聯合精確進近著艦系統能大幅提升艦載機著艦的穩定性與安全性，增強艦載機著艦過程的可控性，提高著艦成功率，有利于提高出動架次率。

2.3飛機升降機

飛機升降機是連接飛行甲板與機庫的紐帶，擔負著在飛行甲板和機庫之間調運艦載機、艦面保障車輛、設備和人員的重任。美國航母排水量大，飛行甲板面積較大，著艦后的艦載機通常不回機庫，而是經過檢修、補充燃油彈藥后再次出動；飛機升降機主要任務是將有故障的艦載機從飛行甲板運至機庫甲板維修，并將修好的艦載機運至飛行甲板。

圖4　海基聯合精確進近著艦引導系統示意圖Fig. 4　Illustration of the sea-based Joint Precision Approach and Landing System

美國“尼米茲”級航母有 4 部飛機升降機，均為舷側升降機，如圖5所示。在 1997 年 7 月進行的高強度演習中，“尼米茲”號航母的飛機升降機平均每 75 min運行 1 次，升降機往返 1 次通常需要 3～5 min［3］，其中大部分時間用于裝卸其要運輸的東西。其中，2 號升降機的使用最為頻繁，這是由于使用 2 號升降機不會影響飛行甲板上的其他作業：4 號飛機升降機的使用會影響彈射作業，3 號飛機升降機上經常停放艦載機，1 號升降機的使用會影響飛行甲板彈藥卸載區的工作。

圖5　美國“尼米茲”號航母飛機升降機的布置Fig. 5　Configuration of the aircraft elevators of USS Nimitz

此外，在“尼米茲”級航母上，2 號飛機升降機是向飛行甲板運送航空彈藥的主要手段之一，該升降機的可靠性、速度對彈藥搬運效率影響較大，從而影響艦載機出動架次率。

相比于大型航母，中小型航母由于飛行甲板空間狹小，停放艦載機數量有限，會有相當數量的艦載機停放在機庫中，因此艦載機的調運工作量會比較大，飛機升降機對艦載機作業有較大影響。

2.4航空彈藥貯運系統

航母上的航空彈藥貯運作業可劃分為彈藥庫內的貯存、彈藥的取出、在指定區域的裝配、彈藥的轉運以及彈藥的掛載。整個彈藥貯運作業要在艦上多層甲板、多個艙室、區域并行作業，需要使用起吊設備、升降機、彈藥推車等設備。

2.4.1美國“尼米茲”級航母的彈藥貯運系統

以美國海軍“尼米茲”級航母為例，彈藥貯存在底層甲板不同的彈藥艙內，航母的彈藥庫、彈藥裝配區和武器升降機都布置在船體中央［6］。

如圖6所示，“尼米茲”級航母上航空彈藥貯運的作業流程可分為6個基本環節：

圖6　“尼米茲”級航母彈藥貯運系統作業流程圖Fig. 6　Illustration of the weapon handling procedure on Nimitz class aircraft carrier

1）管理人員向各彈藥庫下達任務清單；

2）彈藥庫作業人員根據任務清單，利用電動叉車等設備取出彈藥庫內以托盤或集裝箱形式貯存的彈藥，之后轉運至下層武器升降機平臺；

3）下層武器升降機將彈藥庫內取出的彈藥運至彈藥裝配區，由裝配區作業人員將彈藥分配給各裝配臺；

4）彈藥裝配人員裝配取出的彈藥組件，完成裝配的彈藥置于彈藥推車上，由武器部門人員通過上層武器升降機運至機庫甲板；

5）彈藥在機庫甲板中轉區等待調運指令，成批次利用飛機升降機統一運抵飛行甲板，存儲在“臨時炸彈區”；

6）航空聯隊的彈藥人員將存放在“臨時炸彈區”的彈藥運至相應艦載機，進行掛載。

航空彈藥裝配、轉運的速率要與期望消耗速率相匹配。如果彈藥裝配、轉運速率過慢，將影響艦載機的起飛，或是艦載機未掛彈起飛失去攻擊敵軍目標的能力；如果彈藥裝配、轉運速率過快，將造成彈藥堆積而使活動區變得擁擠，影響其他作業工作的開展，不利于艦載機的出動。由此可見，航空彈藥處理能力要與艦載機的出動能力相匹配。

2.4.2美國“福特”級航母對彈藥貯運系統的改進

美國海軍在“福特”級航母的設計中，吸取了“尼米茲”級航母彈藥處理流程設計和使用上的經驗和教訓，從總布置和設備能力角度，對彈藥貯運系統進行了全新設計，進一步優化了該系統。

“福特”級航母將彈藥裝配區從 2 號甲板向上提升 3層甲板，布置在面積更大的 02 號甲板，如圖7所示。這是一個專用的彈藥處理區，不需要像“尼米茲”級航母上的彈藥裝配區，還要兼職艦員食堂的職能；它的空間面積更大，同時使得武器升降機可以靠近舷側布置；裝配好的彈藥僅通過 2 層甲板就可以直接“速遞”到飛行甲板，可明顯提高作業效率。

圖7　美國“福特”級航母彈藥裝配區的布置Fig. 7　Illustration of the weapon assemble area on USS Ford

此外，“福特”級航母采用了先進武器升降機，其平臺長約 5.9 m，寬約 2.4 m，目標載重能力約 10.9 t，與“尼米茲”級航母武器升降機 2.5 t 的載重能力相比有顯著提高；在載重 6 t 的情況下，先進武器升降機上行速度約為0.762 m/s，下行速度約為0.5 m/s［7］。綜合考慮載重量、速度和武器搬運路徑，相比于現役航母武器升降機，單部先進武器升降機搬運能力提高 4 倍以上。

先進武器升降機較強的武器搬運能力，將保障“福特”級航母充足的航空彈藥運輸能力，并能解決“尼米茲”級航母 2 號飛機升降機要兼顧轉運彈藥的作業沖突，從而有效地提升艦載機出動架次率。

3　動力裝置

航母動力裝置對架次率的影響主要體現在艦載機起飛和著艦對甲板風的要求上。如果沒有足夠的自然風，就要利用航母的航速產生符合要求的甲板風。在某些情況下，即使有 10 kn 以上的自然風，也需要航母全速航行。下面以美國常規動力航母和核動力航母為例進行分析。

美國“小鷹”級常規蒸汽動力航母共有 8 臺鍋爐，當有 4 臺鍋爐同時工作時，航速從 10 kn 加速到 20 kn需 2.5～5 min；僅開啟 4 臺鍋爐時無法達到 30 kn 航速，達到該航速需 8 臺鍋爐同時開啟；若 8 臺鍋爐同時工作，航速從 10 kn 加速到 30 kn 需要至少 12.5 min。通常情況下，航母 8 臺鍋爐并不全開，而鍋爐從備用到運行狀態需 1.5～2 h。

美國“尼米茲”級核動力航母從 10 kn 加速到 20 kn僅需約 1.5 min，從 10 kn 加速到 30 kn 僅需約 3 min，加速性能明顯優于“小鷹”級常規動力航母。

當航母遭遇不利風向和天氣突變，或當艦載機遇到機械故障時，艦載機著艦就需要航母自身產生足夠的甲板風。從上述分析中可以看出，與常規動力航母相比，核動力航母加速性能優越，可以更快地獲得艦載機安全著艦所需的甲板風，有利于提升艦載機出動架次率。

4　結　語

艦載機出動架次率是衡量航母及其航空聯隊作戰能力的基本標準，是航母重要的戰技指標。航母艦載機架次率問題是一項錯綜復雜的資源管理和分配工作，與諸多因素密切相關。本文著重從兩大航母關鍵系統入手，討論了其對航母架次率的影響：

表2　常規動力航母與核動力航母加速性能對比Tab. 2　The comparison of acceleration between CV and CVN

1）航空保障系統是保障艦載機在航母上安全起降和有序作業的核心，彈射裝置、著艦引導系統、飛機升降機、航空彈藥貯運系統等系統的有序、高效運轉對提高架次率至關重要；

2）航母動力裝置對架次率的影響主要體現在艦載機對甲板風的要求上，優越的加速性能有助于更快的獲得艦載機安全著艦所需的甲板風，有利于提升艦載機出動架次率。

［1］STAMMER R M. A database approach to aircraft carrier Airplan production［R］. Monterey： Naval Postgraduate School，1992.

［2］JEWELL A. Sortie generation capacity of embarked Airwings［R］. Alexandria VA： Center for Naval Analyses， 1998.

［3］JEWELL A， WIGGE M A， GAGNON C M， et al. USS Nimitz and carrier Airwing nine surge demonstration［R］. Alexandria VA： Center for Naval Analyses， 1998.

［4］姜龍光. 國外航母航空保障系統［M］. 北京： 國防工業出版社，2016.

［5］HORNBUCKLE J B. Joint precision approach and landing system （JPALS） program overview［R］. Air Traffic Control and Combat Identification Program Office， 2008.

［6］史文強， 陳練， 蔣志勇. 航母航空彈藥組成及需求分析［J］. 艦船科學技術， 2012， 34（5）： 139-143. SHI Wen-qiang， CHEN Lian， JIANG Zhi-yong. The composition and requirement analysis of aviation ammunition in aircraft carrier［J］. Ship Science and Technology， 2012， 34（5）： 139-143.

［7］WIELER J G， THORNTON R D. Linear synchronous motor elevators become a reality［J］. Elevator World， 2012， 60（5）：141-143.

The influence of critical systems on the sortie generation rate of aircraft carriers

ZHAO Yuan-zheng
（Naval Armament Department PLAN， Beijing 100071， China）

The sortie generation rate is a basic criterion to judge the combat capability of an aircraft carrier and its embarked air wing， and it is also an important technical index of an aircraft carrier. In this paper， the influence of several critical systems on the sortie generation rate of aircraft carriers is discussed. The direct impact of the catapults， the approaching and landing system， the aircraft elevators， and the aviation weapon handling system are analyzed. The different impacts of the accelerating capability between nuclear aircraft carriers and conventional aircraft carriers are also analyzed.

aircraft carrier；carrier air wing；sortie generation rate；aviation support system

TP393

A

1672-7619（2016）09-0145-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.30

2016-07-10；

2016-08-02

趙遠征（1978-），男，工程師，從事艦船研究與設計。