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未来航空母舰及舰载武器装备技术发展趋势

已有 2045 次阅读 2020-3-27 22:25 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 航空母舰, 舰载武器设备, 舰载机, 电磁弹射, 核动力

未来航空母舰及舰载武器装备技术发展趋势

伍赛特

 

0 引言

通过二战,世界海军强国普遍认识到航空母舰对于夺取制空权、制海权的重要作用,各发达国家针对世界格局变化和出于对海洋权益的争夺,都致力于航空母舰备建设,并根据不同时期国家的战略需要,不断调整航空母舰及舰载武器装备发展策略[1]

 

1 未来航空母舰技术发展趋势

综合国外新一代航空母舰发展情况,未来航空母舰技术发展将主要呈现以下趋势。

 

1.1航空母舰仍将长期是海军装备建设的核心

从航空母舰在世界主要海军强国舰船装备领域发展中的地位来看,在二战后的数十年里,美、英、法等强国都将航空母舰作为海军优先发展方向,美国甚至通过立法来规定航空母舰规模、人才培养和使用等以确保航空母舰作战力量的稳定、持续发展;从历次作战使用来看,航空母舰作战力量始终是强国应对和干预突发事件的快速反应力量,在历次的对外军事干预行动中,航空母舰编队往往是最先被考虑到的快速反应力量;从未来战争样式对武器装备的需求来看,航空母舰由于配备有各型舰载机,并具有完善的进攻和防御体系,将是适应和支撑未来网络中心战最重要的节点。因此,在未来很长的一段时间内,重点发展航空母舰作战力量仍将是海军强国打造远海作战力量的核心[2-6]

 

1.2大中型航空母舰是未来航空母舰的主要发展方向

各国新研制的航空母舰因任务需求的增加,排水量均有不同程度的提高,大型化趋势明显[7]。由于大中型航空母舰较轻型航空母舰能够配备弹射装置、固定翼预警机并携带数量更多的舰载机,使得预警探测、防御和进攻作战能力较轻型航空母舰得到了质的飞跃;美国海军通过对战略作用、作战效能、全寿命周期费用等因素进行综合分析,从而得出了相关结论,认为未来发展610t级的大中型航空母舰仍将是航空母舰的主要发展方向。

 

1.3核动力系统及燃气轮机动力装置将是未来航空母舰动力发展的重要方向

随着航空母舰大型化和功能系统体系结构的不断完善和发展,对航空母舰动力和电力的需求也日益增长,以核反应堆和大功率燃气轮机为代表的能动力设备将是未来航空母舰机电系统的主要选择。美国航空母舰全部采用核动力技术,最新“福特”级航空母舰配备2座单堆功率约625 MW的新一代压水堆(A1B),英国最新“伊丽莎白女王(CVF)”航空母舰采用综合电力系统,主动力源采用2台单机功率达36MWMT-30燃气轮机[8-10]

 

1.4广泛采用新技术和新型武器装备

美国“福特”号航空母舰配备有电磁弹射装置、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,多项高新技术和武器装备将推动新一代航空母舰作战能力迈上新的台阶。

 

1.5舰载机配置体系更趋完善

美国、英国新一代航空母舰将搭载舰载四代战斗机,舰载机作战能力大幅提升。舰载机的配置和运用向有人/无人协同发展的步伐明显加快。

 

1.6舰载机出动架次进一步提高

在优化飞行甲板总布置以提高舰面保障效率的同时,国外新一代航空母舰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,大幅提升舰载机出动回收能力[11]

 

1.7信息化程度大幅提升

全新的电子信息设备在各国航空母舰上广泛应用,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、武器系统等设备的有机整合,进一步提了信息攻防作战能力。

 

1.8拓展民用先进技术应用的广度和深度

随着以信息化、网络化为主导的新一轮技术革命全面展开,以“云计算”“网络通信”“虚拟现实”等为代表的先进民用技术也日趋成熟,正逐渐被航空母舰、舰载机等为代表的核心军事装备采用,美国在正在航空母舰、驱逐舰等舰艇装备上大力推广的“全舰计算环境(TSCE)”“多平台协同作战(MCE)”技术正是凭借大量成熟的商用技术和硬件,在节省研发费用的同时不断促进航空母舰及其编队作战效能的提升,可以预见航空母舰装备将是军民融合发展的重要受益者和推动者。

 

2 未来航空母舰舰载武器装备技术发展趋势

和其他大多数武器装备一样,航空母舰的发展离不开其运用的作战模式和环境以及潜在的战场威胁,这将是未来航空母舰命运和引导未来航空母舰武器装备技术发展方向的决定因素。

 

2.1 未来海战模式对航空母舰舰载武器装备技术发展的需求

目前,世界各国国防建设正处在新军事变革的大环境下,新军事变革的主要内容是加速发展军事高技术,不断更新武器装备,超前创新军事理论,调整部队体制编制,大力培养军事人才等。而信息化是这次新军事变革的本质与核心,其对战争和国防最直接的影响将是战争形态由机械化转变为信息化,以及工业时代的机械化军队转变为信息化军队

在此背景下,未来的海战场已由三维向多维发展,逐步演变成为由水面、水下、空中、太空和电磁等多维立体作战空间。海战场内的主要作战形势将更趋多样化和复杂化,逐步演变成由防空反导、反舰、反潜、电子战和对陆打击相结合的立体化多层次、软杀伤和硬摧毁并举的新样式。下面以航空母舰为视角,展望在新时期典型海战作战模式对航空母舰舰载武器装备技术发展的引领作用。

 

2.1.1一体化联合海空作战

一体化联合作战不仅是陆海空三军的联合,而且是在地面、空中、海洋、太空、信息、认知等六维空间内实施的一体化同步联合。作战力量之间不存在固定的主从关系,但在一体化联合作战背景下的海战中,航空母舰是不可缺少的主要作战力量,由航空母舰所特有的指挥网络中心、制空、制海和对陆打击将是最重要的作战手段和基础,将为其他作战行动提供最重要的支撑,航空母舰符合未来海空一体、海空天结合的武器装备体系发展的需要。发展多物理场态势感知、信息融合、高强度火力打击等航空母舰舰载武器装备和技术仍将是未来一体化海空作战模式对航空母舰舰载武器装备最直接的需求。

 

2.1.2 电子对抗战

在信息化体系对抗中,电子战已经成为一个至关重要的作战方式,未来海战不论其规模大小,电子战将贯穿于战斗、战役和战争的全过程。太空和大气空间是实施电子对抗战的最主要领域,美军已研制的电子战设备有70%配装在飞机平台上,空中预警机、电子战飞机、战斗机等空中电子作战力量的结合,成为未来海战战场中电子战的中坚。航空母舰除了为空中电子作战力量提供航空保障,也会加强自身对电子战的防御能力,不断增强舰载和机载电子作战设备的干扰和反干扰效能仍将是未来航空母舰作战设备发展的重要趋势。

 

2.1.3 舰机一体化作战

从航空母舰诞生至今,空中力量在海战中的作用一直在加强,在未来海战中的地位将更加突,水面舰队将会更加依赖舰载机的支援与保障,航空母舰、驱逐舰的“舰机一体化”在技术上已经成熟,未来的海上综合作战系统将由有人/无人舰载机、水面舰艇、潜艇共同组成,不但用于本航空母舰编队的作战行动,还能通过与其他作战力量一起达成联合作战力量,从而大大拓展海军的力量范围和快速反应能力。发展高效能的有人/无人舰载机、提高航空母舰对舰载机的出动回收保障能力仍将是未来航空母舰在未来舰机一体化作战中的重要使命。

 

2.1.4 有人/无人协同作战

随着电子设备集成度和信号远距传输技术的提高,近年来无人机在多次局部战争中都证明了自身实力,已经能够执行除了格斗外的所有空中作战任务。美国率先于2013年在“布什”号核动力航空母舰(CVN77)上完成新一代舰载无人机X-47B的弹射起飞和着舰试验,计划于2020年正式装备美国新一代“福特”级核动力航空母舰。在未来很长一段时期内,有人/无人舰载机的协同化作战模式将成为航空母舰舰载机作战方式的主流,形成一个互相辅助的作战整体,无人机承担高风险使命,有人舰载机承担更加复杂的作战任务。提高有人/无人舰载机协同作战模式下的母舰远程信息支援和信息保障能力将是未来航空母舰装备和技术发展的重要方向。

 

2.1.5 海军隐身装备对抗战

进入21世纪以来,各类隐身兵器将逐步成为战场主角,使侦查与反侦察斗争更加激烈,战争的突然性大大增加。隐身技术将在海军装备领域大放光彩,隐身性能将会主导海军主战装备的新一轮革新,对未来隐身飞机、隐身战略巡航导弹的防御将成为海军攻防战中的主要课题。从美国“福特”级航空母舰、DDG-1000驱逐舰,英国45型驱逐舰等知名舰型中可以看出,隐身性设计已经在海军装备领域全面铺开,未来航空母舰在一定程度上也会适当加强该方面的性能,以提高在未来战场的生存力。

 

2.2应对未来新型武器威胁

从军事历史发展的规律上来看,任何一种在当代武器中称王的武器装备终究会有退出历史舞台的一天,就像火药的出现终结了冷兵器时代,航空母舰的出现终结了战列舰的命运;21世纪,伴随着科技的飞速发展,军事装备与技术也在酝酿新一轮的巨大变革。在未来航空母舰的发展之路上,伴随着这样一些有可能颠覆传统作战理论和样式的新兴军事技术和装备,不得不引起对未来航空母舰技术发展的思考。

 

2.2.1 反舰弹道导弹

反舰弹道导弹实际上为普通弹道导弹的“改进版”,为有效对抗这种反舰弹道导弹武器的威胁,未来的航空母舰编队应进一步强化反弹道导弹作战能力,限于现有航空母舰编队的护卫舰艇携带的预警制导雷达难以有效探测和跟踪这种射程远、速度快、突防能力强的新型武器,未来的航空母舰编队将可能会配属专用的反导作战舰艇,配备大功率、高精度的预警、探测雷达和反导导弹,实现对反舰弹道导弹的远距离发现和中、末段拦截。

 

2.2.2 高超声速武器

21世纪的美国军事霸权,将不再依靠隐身技术,而是高超声速武器技术, 高超声速武器对航空母舰构成的威胁是大大缩短航空母舰编队的自卫反应时间和提高了武器拦截难度,为有效应对该类高超声速武器对航空母舰的威胁,未来航空母舰编队需在进一步强化其防空反导武器作战反应灵敏度的基础上,大力发展精度跟踪雷达电子武备和高能激光防空武器,实现对该种高超声速武器的快速定位和高效毁伤。

 

2.2.3 高能武器

近年来,国内外媒体对激光炮、电磁炮等的科研试验频频曝光。从目前的技术发展来看,电磁轨道炮和高能激光武器将是未来高能武器发展的主要趋势,也将会对未来航空母舰舰载武器装备发展带来深远影响。

 

1)激光武器

目前,激光武器研发由发展化学激光器逐渐转向发展固体激光器和自由电子激光器,其工程化应用沿两条路线进行发展:一条是以固体激光器为基础进行激光炮武器系统集成,开展相关试验工作,为下一步装备部队做好准备;另一条是以自由电子激光器为重点进行高功率激光炮武器的研制[12]。从目前技术发展来看,航空母舰及其编队对激光武器还不具备有效的防御手段,相关的防御技术也还未见诸报道,未来,航空母舰可能要从降低己方被发现的概率、提高自身先敌发现能力以及发展激光干扰措施着手,提高应对高能激光武器的主动和被动防护能力。

 

2)电磁轨道炮

电磁轨道炮是依靠电磁力发射炮弹的新型武器,具有射程远、反应迅速等优点,美国海军在电磁轨道跑研发方面走在世界前列,目前正在开展炮口动能为32MJ的电磁轨道炮原理样机和工程化样机的研制工作,计划于2020-2025年间形成实用化武器装备。从现有电磁轨道技术跑发展来看,其未来主要是用于对陆火力支援的作战任务,但是基于小功率的防空型电磁轨道炮可能会对未来的航空母舰舰载机构成新的威胁。

 

2.2.4 电磁脉冲武器

能电磁脉冲能瞬间大范围毁伤相关的电力电子设备,并由此催生了被称为“第三代核武器”的电磁脉冲武器。与传统武器相对低下的毁伤效能相比,电磁脉冲武器具有很大的杀伤范围大,不仅能大面积毁伤电力电子类武器装备甚至是人员,而且还能轻易将敌方耗资巨大、建设周期长、战略战术地位十分重要的通信、卫星导航、侦察、航空母舰编队武器装备信息系统毁于一旦。

基于电磁脉冲武器强大的作战效能,世界主要军事强国都争相开展电磁脉冲武器的研究,电磁脉冲武器对现代武器装备的威胁也日益深远。针对电磁脉冲武器发展对航空母舰编队构成的威胁,未来航空母舰的发展应开展强电磁脉冲防护相关的技术研究,为航空母舰编队所属的作战指挥控制设备打造防护电磁脉冲武器的坚固盾牌。

 

2.3未来航空母舰舰载武器装备技术发展趋势

从目前航空母舰发展趋势和上述分析来看,未来航空母舰舰载武器装备的主要技术发展方向如下[13]

 

2.3.1 进一步提升航空母舰航空保障的智能化和自动化水平,提高舰载机高强度持续作战能力

未来航空母舰除了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,还重点从以下两个方面着手提升舰载机动能力:一是提升航空保障指挥管理决策的智能化水平,通过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)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、科学性,并提升作业效率;二是继续提升航空保障设备的电气化、自动化水平,通过配备电磁弹射装置、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,大幅降低舰员工作强度以及对舰员的人力需求。

 

2.3.2 发展高功率密度、大容量机电设备及技术

为了进一步满足平台大型化、新型化的需求,已开始开展高功率密度动力设备和大容量、智能化电力设备的研制。在高功率密度动力设备领域,发展高可靠、高安全性的新一代核反应堆和燃气轮机等高功率动力装备将是未来航空母舰动力装备技术发展的主要方向。在大容量电力系统方面,电力系统装机容量向百兆瓦级发展[14],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。

 

2.3.3加速推进舰载无人机项目研发并探索其作战使用模式

发展航空母舰舰载无人机装备及技术也成为主要航空母舰完善舰载作战力量体系的主要途径。但由于单一的无人作战平台载荷能力所限,作用单一且易被敌方命中摧毁,未来发展多类型、多数量组成的无人系统集群作战技术正越来越成为航空母舰舰载机发展应用的重要方向。

 

2.3.4 加强航空母舰编队在强电磁脉冲攻击下的防护能力

承担远海作战任务的航空母舰,作为编队指挥核心和舰载机起降平台,是主要的敌方攻击对象。一旦遭受强电磁脉冲攻击,舰载射频设备将遭受干扰级、损伤级甚至损毁级等不同程度的危害,影响攻击航空母舰平台的编队指挥、舰载机引导、自防御等作战性能,严重时可造成编队丧失协同作战能力、舰载机无法正常出动回收、自防御拦导失效。因此,需要针对航空母舰特有的结构特点和作战任务,加强母舰强电磁脉冲威胁分析评估、强电磁脉冲损坏效应预测电磁脉冲防护等级划分、全舰强电磁脉冲防护指标设定、电磁脉冲防护措施设计等关键技术的研究,以增强航空母舰在复杂电磁环境下安全性和对抗战力。

 

结论及展望

如上文所述,航空母舰将长期作为海军武备力量的重要核心,而发展大中型航空母舰将是一大显著趋势。虽然目前国内针对航空母舰的技术研发仍有进一步的提升潜力,但在该大方向指引下,终将使我国海防力量与日俱增。

 

参考文献

[1] 伍赛特.核动力舰船发展前景展望[J].节能,2019,38(03):117-120.

[2] 杨震,蔡亮.论航空母舰与中国海权[J].当代世界,2017(08):42-45.

[3] 杨震,赵娟,卞宏信.论海权与航空母舰时代的中国海军建设[J].世界地理研究,2013,22(04):42-53.

[4] 潘镜芙.国外航空母舰的发展和展望[J].自然杂志,2007(06):315-321+2.

[5] 潘镜芙.水面舰艇的发展和展望[J].船舶工程,2005(S1):35-41.

[6] 李明.国外航母作战系统发展研究[J].舰船电子工程,2013,33(05):6-9+29.

[7] 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(01):1-7.

[8] 伍赛特.航改燃气轮机技术特点研究及应用前景展望[J].自动化应用,2019(07):127-130.

[9] 伍赛特.燃气轮机的应用可行性研究综述[J].轻工科技,2019,35(12):52-54.

[10] 伍赛特.燃气轮机设计原则及设计方法研究综述[J].中国标准化,2019(20):210-213.

[11] 黎晓川.国外海军航母舰载机发展分析[J].现代军事,2017(03):42-46.

[12] 孙世岩,王炳.从综合电力军舰到舰载高能武器——关于未来海军舰艇作战模式和装备发展的思考[J].指挥控制与仿真,2015,37(03):30-33+39.

[13] 吴晓光. 航空母舰设计概论 [M]. 北京:国防工业出版社, 2018.01.

[14] 郭国才,章国华.船舶电力系统在航母上应用趋势[J].船电技术,2005(03):1-4.

 




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