蒸弹改电弹,意味着中国航母路线图的重大改变

综合一段时间以来的多方信息,中国海军的下一代航母,也就是通常所说的002,将很有可能改用电磁弹射方式而非原本规划的蒸汽弹射(以下简称“蒸改电”)。如果这个消息最终属实,个人判断那就意味着中国海军的航母发展路线图发生了重大的改变:中国下一艘航母的面世时间将显著推迟,而采用常规动力的第二代国产航母(也即所谓002)将从一个过渡型号提升为一个阶段性的目标型号,其数量(包括改进型号)将很有可能突破原本以为的2艘

这里首先需要明确的是:“蒸改电”初看起来只是一项设备的换代更新,但其实是一个涉及002设计全局,乃至整个中国航母发展路线图的重大修改,对于整个项目有着极其重大的影响。这一点集中体现在以下三个方面,即:对航母舰艇自身设计的影响,对相关航空器设计的影响和对航母战斗群定位的影响。

(一)“蒸改电”对航母舰艇本身设计的影响

先借用P大的话:这一改变“几乎涉及到航母的全部六大一级系统的改变,而且一些关键的技术指标也要重新论证及重新设计,全舰电磁兼容性设计、舱室布置、结构强度、初稳性、电站容量等等都需要重新计算,其工作量不可小觑”。而如果进一步认真思考,会发现其中受到影响最大的应该是电站能源系统与电磁兼容性设计。

从已经透露出的信息和MD电弹系统的实例来看,单单从舱室安排和管道布线来说,电弹只有比蒸弹简单。毕竟,电弹不需要承载高压蒸汽的复杂管线和耐压容器,也不涉及与主机锅炉和蒸汽发生系统的互动,其体积、重量和布置难度都大大优于蒸弹。但是,电弹带出了一个重大的问题,就是舰艇的综合能源管理问题。因为,电磁弹射所需要的电源供应和传统舰艇的电站系统并不完全相容。

这个问题其实并不是只存在于电磁弹射系统和航母,下面一张图截自MD负责舰艇能源管理和全电设计的电船办公室的PPT,讨论的是下一代舰艇的能源需求问题。在其左下角列出了三种主要的能源需求类型,当中的那一个其实就是电磁弹射系统和未来的定向能武器(如激光和电磁炮)的能源需求模式。而其上下,分别是以雷达为主的传感器和电磁对抗系统的能源需求波形。这些需求的汇总,就构成了左上角那张极不规则的能源负载需求图。而右下角给出了结论:当前的舰艇电站不能迅速和动态地响应这些新的能源需求。

认真分析电弹的能源需求会发现,尽管瞬时的能源要求很大,但持续的时间并不长。以前有帖子分析过MD电弹每次要求122MJ能量,其充电时间是45秒,补充能源需求:6350千瓦,四条同时充电是25.4MW、相当于一台LM2500燃机的功率。还有人找出过马院士团队的论文(见下图),发现其设计参数所需求的能源与MD基本相当,完全在传统舰艇能源的负载范围之内。这个结论,首先破除了长期以来所谓只有核动力航母才能上电弹的论调,而仔细看一下还能发现更多。

分析一下就可以发现:电弹对能源供应的带来的主要问题不是功率大小,而是极高的功率集中度和密集度。其实这个问题在传统蒸弹中同样存在,以MD尼米兹航母为例,如果连续弹射8架战机,或是一分钟内弹射4架(四条接连弹射),航速就会降低到20节,需要暂缓弹射。而一个典型的航母攻击波形很少有超过20架的,在此之后很长时间弹射系统将基本处于待机状态。也就是说,弹射的短期间瞬时功率需求巨大,可其后很长时间基本无功耗。对于这样的需求,就必须有完全不一样的能源解决方案。

MD的福特号对此的解决方案是引入了一个不完全的综合电力管理系统(也就是所谓的综合全电)。为什么说不完整?因为其推进系统还是保持独立的机械推进系统,也就是说综合全电中最关键的一环“推进系统”并没有被综合进去。不过,由于航母庞大的体积和复杂的能源需求,即便是不包含推进系统,其能源需求的复杂性已经很高了。所以,这一套综合电力管理系统仍然有其用武之地。毕竟哪怕是MD,也不可能放一个LM2500级别的燃机,专门给电弹系统发电。综合利用,有效管理,是电弹和下一代定向能武器上舰的必然要求。

而从马院士团队的多篇论文之中,我们可以推断出他们设计实现的综合能源管理系统其实比MD走的更远,基本是提前实现了MD下一代系统的多项关键设计。包括:采用中压直流(4200V直流输变电)而非MD目前已被证明复杂昂贵的交流系统;采用基于超级电容和电池组合的综合储能系统,而非MD目前各自为战并相对复杂的飞轮储电系统。基于合理的整体结构设计,特别是储能和智能输变电系统的设计,估计只需要不比传统电站系统大多少的发电能力(参考一下,辽宁号的原始设计中发电能力已经是22MW以上)就可以支持电弹和未来类似电源需求的定向能武器(如激光近防和电磁炮)。

这些当然都是好事,也说明了002具备使用电磁弹射的条件。但问题是,很多讯息都告诉我们002的基本设计在好几年前就已经确定了,而电磁弹射系统的测试PK要晚了不少时间。这样一来,“蒸改电”就势必打乱原先的设计。要不要改变原有的电站设计,改用整合电力管理系统?如何放置电弹需要的储能体系?尽管马院士团队的中压直流系统已经证明可以有效降低电磁干扰和辐射,但和蒸弹相比毋容置疑是增加了一个大的电磁辐射和干扰源。如何解决由此带来的电磁干扰问题?电弹可以支持无人机上舰,如何合理安排相应的机库和战位?

综上所述,如果确定要“蒸改电”,类似上面这样的选项和问题列表,一定会非常的长。这对于002航母的设计人员来说,那绝对意味着相当可怕的工作量。而且,其中的多项技术不但是TG前所未有的,甚至是连MD都还在探索尝试的东西。这里面的诸多不确定性,无疑是巨大的挑战!设计人员还需要平衡已有工作和需求修改之间的矛盾,不断做出痛苦的取舍,还要防止没有考虑到的兼容性问题。就像P大所说“舰船的改设计特别是重大的修改设计其难度往往比新设计的难度更高”。

(二)“蒸改电”对相关航空器设计的影响

在讨论航母相关问题的时候必须要牢牢记住,航母战斗群的核心是舰载机!无论攻防两端,飞机才是航母战斗群真正的武器和依靠,航母本身只是承载和支持这些利器的基地。相比于传统蒸汽弹射,电磁弹射的最大优点就是能够更高效、更安全、更全面的支持舰载航空器。这里引用兵器知识上一篇描述福特级电磁弹射器的文章中的相应内容:

“福特”号航母的最大亮点是采用极具未来色彩的电磁弹射系统(EMALS)取代了“尼米兹”级航母装备的蒸汽弹射系统……两厢比较,电磁弹射系统的优点实在太多,确实称得上跨代产品。

一是用得更少。电磁弹射系统体积小、重量轻、运行和维护费用低廉,不仅可以节省舰内空间,还可减少操纵维护人员35%左右,有利于降低航母运行成本。并且弹射一架战机,蒸汽弹射系统约消耗1吨淡水,这对海上长时间持续作战是相当不利的。

二是弹得更多更准。“尼米兹”级装备的蒸汽弹射系统只能弹射30吨以下的舰载机,且由于机械结构导致功率可调性差,也不适合弹射重量较低的无人机,如果强行弹射,会造成飞机结构性解体,无法满足舰载机进一步发展的需要。而“福特”号装备的电磁弹射系统则因为电气化构造,可在4.5~45吨重量区间,精确调节弹射射力。

三是弹得更稳。由于电磁弹射系统做功冲程比蒸汽弹射系统长,加速度更均匀,因此可以把舰载机加速到更高速度,这就意味着航母终于可以摆脱必须迎风高速航行才能起飞舰载机的“潜规则”了,从而使得航母作战不必受限于气象条件,更加灵活。

四是弹得更快。蒸汽弹射系统效率较低,“尼米兹”级航母在连续弹射8架满油满载的战机后,由于用于推进航行的蒸汽损耗,航速就会从30节降至22节,需要停止弹射一段时间才能进行下一波出动,这大大限制了可出动的飞机数量。而电磁弹射系统完全不受这些因素影响,能够每45秒弹射一架飞机,比蒸汽弹射系统的速度快25%左右。

上面描述的这些优点,应该是促使高层做出“蒸改电”决策的最重要原因。但反过来,也对与航母配套的舰载航空器设计提出了全新的要求。不同于MD航母舰载机种类齐全,他们要解决的主要是飞行器与电磁弹射的兼容性问题。而我们目前可用的固定翼舰载机只有J15滑跃型一种,而与弹射配套的固定翼飞机,一种定型生产的都没有。这当然说明了中国航母之路任重道远,而从另一方向思考,也说明了我们没有历史包袱。

属于中国的弹射起飞航空器,完全可以从一开始就基于电磁弹射器的特点加以设计,可以充分利用电磁弹射弹力可调,加速精准的优势,不用去勉强适配原有的蒸汽弹射系统的要求,这一点对于四代舰载机、固定翼预警机和无人机的意义尤其重大。如果能够充分利用电磁弹射的优势,就可以降低舰载机的结构重量,减少对飞行员的潜在身体损害,提高武器和燃油的有效负载。这一切,可以赋予中国航母更大的战斗力,也可以降低舰载航空器设计的压力。从这一点来说,放弃原本成熟更早的蒸汽弹射系统,更多的不是因为航母舰艇本身,而是为了上面的各种航空器的需求。

当然理想是美好的,现实是压力很大的。相信目前与002配套设计的各类固定翼航空器,其初始的标准都是为蒸汽弹射制定的。一旦弹射器的设计改变,不可避免的会诱发出一系列的改进和调整需求。一旦确定“蒸改电”,相应的航空器设计必然要进行调整。要完成这些调整,无一例外的需要更多的时间和更多的测试。这一切也就对002整体项目的实施进度带来了新的挑战。

这里特别要提到舰载无人机的问题。毋容置疑,无人机上舰是未来的大方向。无论是预警、反潜、加油、前出侦查,无人机的用处实在是太多了。而且,无人机产业是中国航空工业近年来表现最出色的领域。无论是军用民用,几乎都处于国际最领先的位置,在一些领域还有着压倒性的优势。无人机上舰,正可以“扬己之长,攻人之短”,是中国航母未来的杀手锏之一。而“蒸改电”,为无人机上舰打开了大门,也相应提出了崭新的要求。


航母甲板上正在测试的X-47B

(三)“蒸改弹”对航母战斗群定位的影响。

长期指导中国海军航母发展的是已经曝光的“048工程”。在这份2004年8月得到中央批准的中国航母发展路线图中,提出了“两步三走”的总方针,并据此规划了未来几十年的航母发展路线。其中两步即“先滑跃后弹射”,三走即“续建瓦良格、研制常规动力弹射航母、研制核动力航母”。在具体时间表上,一般表述为“第一步用10年时间建造2艘中型航母;第二步再用10年时间建造2艘大型航母;第三步视情况发展大型核动力航母”。

如果观察一下048规划的三个步骤,我们不难发现不同时期对航母战斗群的要求和定位是有所不同的。第一阶段建造的两艘滑跃式航母,主要目标是掌握技术和锻炼队伍,而从战斗角度更多关注的是在陆基力量支持下的中近海域。由于缺乏有效运作的固定翼预警机,面对不断扩散的远程对海攻击武器,要依靠辽宁和001A及其战斗群,在离开陆基力量支持的情况下来对抗和威慑中等区域强国,是有一定困难的。比如,当前对印度的斗争准备。

而一旦达成了原本规划的第二阶段目标,可以弹射起飞固定翼预警机,即便继续采用已有的三代舰载机,在完备的天基体系和水下力量的支持下,002也有能力对区域中等军事强国进行打击与威慑。正如MD在第一次海湾战争期间发现的那样,常规航母尽管在续航能力方面可能还逊色于核动力,但在执行战斗任务方面基本没有差距。相比于MD的尼米兹,这样的002还是会在载机数量、续航能力方面有所差距,但已经称得上一个数量级的选手了。当然相比于福特,舰载机的带差还会是明显的软肋。

尽管现代战争应该很少会出现航母战斗群在大洋深处面对面的单打独斗了,但建设一支能够在大洋深海之中直怼MD的海军,应该还是中国海军的终极目标之一。这个任务,原本在规划中应该是由最后一步的核动力航母完成。就像军博里面出现过的那个模型,就集中代表了军迷对003的期待和想象。全面对位福特的:大排水量核动力+四代舰载+无人机+预警机。只不过,按照原本最乐观的估计,003形成战斗力也会是2030年代以后的事情了。

随着2012年9月辽宁舰正式交付海军,和2013年10月001A正式动工,048工程第一阶段的任务已经如期圆满完成,在不到十年的时间内,中国彻底掌握了现代航母的设计制造技术,理顺了配套的工业体系,并开始了相应战斗部队的整备和训练。可以说在实施048第一阶段,中国海军交出了一份出色的答卷。但接下来的发展,却开始出乎很多人的预料。随着048进入第二个十年阶段,很多人预期会在2015年开工的002型号,却迟迟未见踪影。

依据多方透露出来的原有规划,002应该是一艘排水量70000吨左右,采用蒸汽动力、蒸汽弹射和拦阻回收,使用目前已有的三代舰载机(J15)弹射改型的大型常规动力航母。这样的002就是一个承上启下的过渡型号,其主要作用是验证实现弹射起飞方式,锻炼相应的飞行和地勤团队,并在此过程中进一步完善相关飞行器和舰艇的设计。某种程度上讲,原规划的002更像是中国驱逐舰发展过程中的052B/C,更多的是为最终目标舰趟路的角色,最终还是要向核动力超级航母的方向过渡。

但一旦确认002改用电磁弹射,开创了全新的“常电弹”航母类型后,一条新的路线开始展现了。既然航母战斗群的核心是舰载机以及保障舰载机的这些相关设施,那么干脆集中力量扬长避短,首先重点发展可以倍增战斗力的电弹和四代舰载机体系,让002就具备原本要到003才可能的打击力与威慑力。在此基础上,进一步发展航母本身的动力构型,甚至可以考虑跳过传统的核动力航母构型,直接转向基于全电结构的下一代航母(不管其原动机是常规动力、核动力甚至是燃料电池)。

我个人观点是对于未来的航母发展,采用全电的重要性高过核动力。核动力的最大优点就是高续航力,而付出的代价也相当的高。根据MD政府问责局(GAO)的研究结论,在核动力航母和常规动力航母均能够满足前沿部署、危机响应和作战的要求,在许多技战术性能上没有明显区别的前提下:常规动力航母有更长的全寿命部署时间 (达到74%,而核动力航母是 69%),更低的全寿命成本(只有类似规格的核动力航母的不到三分之二)。

相比起来,采用全电结构的意义反而更加重大一点。不管是电弹、新一代雷达、即将出现的下一代定向能武器(激光、电磁轨道炮、微波)等,都对舰艇的能源管理系统提出了全新的要求。这些要求,采用传统的电力和动力双轨制的舰艇,无论是常规动力还是核动力,都是无法完全有效满足的。从这一点来看,002之后的下一代中国航母更可能首先采用全电结构,不管是常规动力的全电结构,还是一步到位采用以核能为原动机的全电结构。

如果按照这条路线行进,002及其改型的定位就发生了相当大的变化。其定位将从原本规划的过渡型号,变成了承载新一代舰载机,具备和MD航母战斗群直接面怼能力的主力型号。从这一点来看,蒸弹改电弹对于002来说,不亚于一次脱胎换骨的重新定位。而对原有的航母发展路线图来说,也是一次重大的调整。短期内002的开工时间会进一步推迟,但航母战斗群形成世界领先战斗力的时间却可能会显著提前。

(四)对002后续规划调整的猜测和战略节点分析

下面根据部分已知的信息和海军装备发展的既有套路,并结合国家发展的战略需求,试着预估一下002及其后续型号的发展节点。纯粹个人观点,希望留待未来验证:

第一、002的开工时间预期将推迟到2018年底到2019年初。在第一部分已经分析过,“蒸改电”对于舰艇本身设计方面的影响其实是很大的。尤其是整个电站和输配电系统几乎是要推倒重来。加上由此带来的对电磁兼容性和舱室安排与结构方面的影响,能够在2年之内完成相应的改动,应该已经是要研发团队加班加点的速度。既然信息透露出最终“蒸改电”的决定是在2016年底做出的,那么推迟2年时间,已经是相当理想的工作进度。

第二、002的排水量、载机数、推进方式等将基本维持原设计。改革开放特别是进入新世纪以来,中国海军的装备发展还是非常注重延续性和可行性的,毕竟在历史上吃过太多乱放卫星的苦。所以尽管002会进行“蒸改电”,已经完成的大部分设计工作还会尽可能的保持和延续下去。包括推进方式、大致的排水量、载机数等,其初始的载机很有可能也还是J15改。唯一无法确定的是,海军是否会趁这次设计回炉的机会,将002的综合电子信息系统改进到055的水准。

第三、002将成为多型号下一代舰载机的首要试验训练平台。尽管在初期还会采用既有的三代改进型舰载机,但电弹的引入就决定了002将成为下一代舰载机的必然平台,这里面包括:四代隐形舰载机,第一代固定翼预警机、反潜机和舰载无人机。不管四代舰载机最终花落谁家,根据002的进度实际已经可以预计其露面的时间为期不远了。个人预估在2020年左右,四代舰载机就会开始陆上测试,而后经过3-4年的改进后,与2024年前后开始在002上进行舰上测试。

第四、002的首艘交付时间预期会在2024年底到2025年中。一般而言,航母会在正式开工之后5-6年交付。以001A为例,2013年11月开工,2017年4月下水,预期在2019年交付。以此类推,002的交付时间大约会在2024年底到2025年初的这一段时间。哪怕赶不上为国庆七十五周年献礼,也不会偏离太远。这个时间,也大致符合048规划第二阶段的节点要求。

第五、002会成为第一个在两个船厂同时建造的航母型号。002原本的预期建造单位就是江南,预估第一艘002也还是会在此建造。但在大连方面于2019年完成了001A的建造之后,无论从保持产能出发,还是从原本的发展规划出发,由大连继续承建第二艘002型号,应该会是大概率事件。我们很有可能在2020年前后,看到南北两个船厂同时开工建设巨型航母的场景。2025年前后,中国海军预估可以拥有4个航母打击群,全面达成048规划的第二阶段要求。

第六、002的放大版后续舰(002A?)将会在核动力航母之前出现。前面已经分析过,对于下一代航母来说,采用全电体系其实比采用核动力更为重要。尽管这两者本身互相不冲突,采用核动力作为原动机的全电航母,也许是最理想的下一代航母架构。可考虑到核动力巨大的前期投资,高昂的全寿命成本,困难的后勤保障与维护以及欠缺的使用经验,采用常规动力的全电航母才是更符合实际的选择。在002之后,我们首先看到的应该是同样基于常规动力的改进型号。

第七、002后续型号的主要改进方向和数量时间预期。正如上面的分析,在002之后,我们将很有可能看到基于常规动力的新一代航母出现。预期其主要改进方面包括:采用动力电力统一的真正全电构架,更有效的利用能源并支持新一代武器系统;适当增大排水量和舰载机数量,全面对标MD的小鹰级,八万吨以上的排量,支持80架以上的舰载机(包括50+的各型固定翼舰载机);利用全电架构的灵活性,改善舰艇布局结构,特别是优化对无人机的舰载支持。预期该改型的出现时间,大约在002第一艘交付后1-2年内开始建造,首批次南北各一艘,首舰于2030年左右交付。

作出以上的分析和预估主要出乎两点:内因是技术与工程进步所需要遵循的一般规律,以及当前相关工业的发展水平,而外因则是对今后国家战略需求点的预期。原本以为2020年代左右会是台湾问题引爆的关键节点,国家也为此进行了相应的应急军事准备(001A就是一例)。不过川普出乎意料的当选,打乱了MD精英阶层围堵中国的节奏。名为经济同盟实际是反华联盟的TPP被废,南海热点降温,原本预期的联俄抑华也因通俄门打了水漂。不管后面如何发展,MD的内斗加剧已是既成事实。不管川普主观如何,在客观上他的上台为中国提供了更多的发展和准备时间。

但随着中国的不断崛起,中美间的结构性矛盾只会越来越严重。尤其是台湾问题的存在,对于双方来说都是无可回避的话题。已在台上的台独势力,面对两岸越来越大的实力差距,不会甘心束手就擒,他们还将一步步的迈向自绝于人民的不归路。而台湾地区政治结构的特点,即便2020由于MD的突发问题来不及进行政治冒险了,2025到2030年代就是这些跳梁小丑的最后机会。对此我方也应该会做好相应的斗争准备,这就是我选择2025和2030作为下一代航母发展的两个重要节点的原因。

乐观一点估计的话,在2030年左右,中国海军将拥有6航母(其中四艘为常电弹),24巡(055及其后续型号),36驱(其中30+为盾舰),100护(054及056系列)为核心的水面打击力量。配合由各型大中型两栖舰艇构成的两栖打击群和新一代核潜艇与先进常规潜艇构成的水下战力,一定可以为中国的历史性复兴提供保障,彻底解决以台湾问题为核心的遗留问题,形成与MD的整体军事均势和局部优势,重新设定世界新秩序。

最后总结一下,002的“蒸改电”是一个涉及中国航母发展路线的全局性决定。短期来看,可能会延缓第一艘弹射型国产航母的建设;但从中长期来看,则意味着中国航母战斗群将走出自己的特色,可以更早的拥有怼位强敌的能力。综合起来看,这是一个“短期延缓,长期利好”的重要决策。

http://www.fyjs.cn/thread-1877484-1-1.html

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