装备 | 英国CVF航母设计分析

群里问3号舰设计，一时无暇回答，把之前几年写过的航母系列文章发上来，包括伊丽莎白女王级、福特级、蓝天卫士级、辽宁级的甲板设计分析。一天一篇，基本在6、7千字左右。以后挂装备字头的，就是这类文章。

航空母舰飞行甲板是用来满足航母舰载机起降、加油、挂弹和维护作业的场所，它的设计服从于航母整体设计意图。要理解一款航母的甲板为何设计成既有的样子，首先需要理解海军对航母的任务要求是什么，其次看海军能得到的舰载机对航母的设计要求，最后分区域研究甲板各部分设计如何为满足前两个目标而进行优化。

皇家海军任务与舰载机选择

1956年埃及收回苏伊士运河后，英国皇家海军放弃了所有在苏伊士运河以东的战略任务，专心收缩于北大西洋和地中海区域，并逐步沦落为封锁北大西洋与北冰洋GIN水道的区域性反潜力量。在1978年英阿马岛战争中，虽然赢得了战争，但缺乏大型航空母舰导致的远程低空预警能力空白使得皇家海军损失惨重，这暴露出屈从于北约海上战略的专用型海军难以对未知威胁作出灵活反应的能力缺陷。

冷战结束后，北约凝聚力下降，皇家海军必须更加独立的面对来自世界各地的不确定威胁，这其中包括类似马岛战争级别的地区战争与冲突，例如发生在1999年的科索沃战争和2003年的伊拉克战争，原有能力单一的反潜舰队模式显然不再适合。从国际政治角度考虑，在英国经济实力不断下降的同时，欧盟的成立和独立于欧盟之外，必然导致英国政治影响力同步下降，为了保持英国的大国形象和影响力，皇家海军也需要增强自身的远洋兵力投送能力，强化对海外危机的干预能力。

在这种政治形势下，皇家海军并不需要面对苏联红海军这种强敌，既不需要特意强化反潜作战能力，也不需要像冷战时期的美国海军那样重点强调远程打击要求。绝大多数第三世界国家仅有十分有限的海上目标搜索和对海攻击能力，主要战略战役目标大多位于海岸线200千米范围以内，因此皇家海军对舰队防空的要求可以放宽，但需要强化中近距离对地攻击能力，以更高效的摧毁对手，支援两栖登陆作战。

1999年11月，英国国防部与英国宇航系统公司和泰利斯公司签订了CVF航母初步评估阶段的研究合同。2001年11月，英国国防部又向英国宇航系统公司和泰利斯海军有限公司各授予了约3000万英镑的合同，进行第二阶段的研制工作。按当时的计划，英国国防部将在2002年中后期选定舰载飞机，2004年初签订CVF航母的设计建造合同，2005年开始建造，两艘舰将分别于2012年和2015年服役。

在2002年时，可供皇家海军选择的飞机仅有EF-2000台风截击战斗机、F-35B战斗攻击机、F-35C战斗攻击机三种。台风战斗机的优势是英国承担了大量研制/生产工作，采购该机型可为英国国内提供部分工作岗位，有利于促进国内就业。但台风是陆基战斗机，要想上舰需要进行一系列的改进和试飞工作，而在多国联合研制的背景下，这种工作注定是缓慢和昂贵的，这就削弱了台风战斗机的优势。而且从设计上讲，台风是为在中欧不超过600千米的范围内拦截苏联战斗机和轰炸机而设计的，因此强调高速拦截能力，作战半径很小，这不适合以攻击为主的航空母舰舰载机的使用要求，因此很快被排除在外。

F-35B和F-35C拥有相近的隐身设计和航空电子设备，其性能上的主要区别在于起降方式、作战半径和机动能力。F-35B采用短距起飞/垂直降落方式，在携带2枚AIM-120空空导弹和2枚1000磅炸弹时作战半径833千米，最大机动过载7g。F-35C采用弹射起飞/拦阻降落方式，在携带2枚AIM-120空空导弹和2枚2000磅炸弹时作战半径1100千米，最大机动过载7.5g。从性能上讲，F-35C要胜过F-35B，尤其是远程攻击能力大大超出，F-35B最主要的优势是起降方式对航母设计和使用上带来的便利。

英国之所以选择F-35B战斗攻击机，主要考虑以下几个因素：

首先，皇家海军不需要面对强敌，因此无需强调针对远程目标的打击能力，F-35C相对于F-35B最大的优势——载荷航程——无用武之地。由于隐身飞机需要将武器全部内置，所以F-35C更大的载荷航程并不能转化成近距离上更多的武器携带量，这导致F-35B与F-35C在中近距离攻击能力上持平，选择任何一种都不会对航母战斗力有巨大影响。

其次，F-35B的短距起飞/垂直降落方式可以极大减少航母设计与建造难度，并更大幅度的减少航母建造和维护的经费需求。美国尼米兹级航空母舰上四部蒸汽弹射器占航母全寿命费用的7%，超过反应堆成为航母最昂贵的设备。采用短距起飞/垂直降落方式的F-35B还可以省掉拦阻索、灯光助降设备，这又是一大笔费用。总体来算，这种形式的航母能够比弹射起飞/拦阻降落的航母节省大约8%的费用，约为25亿美元。对财政吃紧的英国政府而言，降低成本十分重要。

第三，F-35B的垂直降落方式可以极大简化降落作业程序，降低航母甲板调度难度，提高舰载机出动数量，在更小的航母上实现同等出动架次，从而保持同样的对中近距离目标的打击能力。也就是说，允许航母减少吨位简化设备，从而压缩成本。

第四，从1980年无敌号航母服役以来，皇家海军舰载机一直采用短距起飞/垂直降落方式，对此有成熟完善的飞行员、引导/管制人员训练设施和程序，海军人员习惯于这种起降方式，采用F-35B飞机有利于训练和经验传承，能够更快的形成的战斗力，减少派遣训练或更改训练方式额外需要的经费。

第五，由于政治上的因素，早期考虑的与法国共用航空母舰的想法被放弃，因此英国航母无需为法国阵风舰载机保留起降设备，这也就失去了必须采用F-35C舰载机的理由。

第六，航母可以服役50年，而舰载机只能服役25年，因此必须考虑下一代舰载机的更新问题。随着航空发动机推重比的不断提高，25年后的下一代舰载机采用垂直降落方式所付出的代价会更小，与常规起降飞机之间的性能差距更小；只要皇家海军不考虑与超级强敌对抗，就无需更改起降方式。英国国防部为了应对未来可能的变化，要求CVF航母具备改装成弹射起飞/拦阻降落模式的能力，在设计中已经预留余量。

综上所述，英国采用F-35B战斗机的主要原因是成本因素，其次是F-35B能够满足皇家海军对战斗力的要求，最后考虑部队使用习惯。决定采用F-35B战斗机之后，CVF航母飞行甲板设计的大前提也就确定下来，设计师以短距起飞/垂直降落模式为标准对飞行甲板进行功能区划分，并逐步进行优化。

起飞区设计

CVF航母采用一条位于舰体中部左侧的滑跃起飞跑道，该跑道上翘12度，长162米。英国于1982年进行的斜板性能扩大飞行测试中发现，F-4K战斗机在12度跑道起飞时，22.7吨起飞重量时起飞滑跑距离最短可以达到178米，离甲板速度约138.4千米/小时，按照实际操作标准，最低起飞速度仅需达到112.4千米/小时即可满足安全要求。F-35B拥有比F-4K更强的起飞能力，162米的12度跑道足够其实现满载起飞。

在理论计算上，滑跃甲板达到15度效果最好，但这时飞机起飞时候实际迎角将达到18度，接近很多飞机的迎角极限，这也是搭载海鹞战斗机的无敌号航母采用非常保守的9度仰角滑跃跑道的原因。F-35B是新设计的第五代战斗机，虽然没有特意优化大迎角性能，但可用迎角达到25度以上仍然是应有之义，如果只为它考虑，无需将跑道仰角限制在12度上。笔者推测，CVF采用12度跑道的原因是考虑搭载E-2预警机的需要，E-2飞机设计年代较早，也没有为大迎角性能专门优化，因此可能无法适应较大迎角的起飞跑道。

起飞道前段上翘区域宽度约为16米，足以满足翼展10.7米的F-35B飞机滑跑需求。这一宽度已经导致飞行甲板前端右侧停机区宽度不足，在此处停放的6架F-35B飞机中的4架必须依次挪动。考虑到英国拥有运作相似起飞跑道设计的无敌级航母的丰富经验，这一宽度很可能就是安全起飞所需的最低限度，可以供我军航母设计时参考。

虽然与舰体平行的起飞跑道位于甲板中部区域不利于扩大中部停机区范围，但这使得起飞点后部的甲板两舷都可以高密度停放舰载机，飞机直接向前滑行就可以进入起飞跑道。而在尼米兹级航母上，由于左舷起飞点贴近左舷，紧靠起飞点停放的飞机会阻碍其他飞机滑入起飞点，自身也难以转弯进入起飞点，因此起飞点后要留一段空白区域，后方停放不出动的飞机，这就降低了甲板调度效率。

CVF的起飞道延长线纵贯整个飞行甲板，这样做有多个好处。后方停放的飞机可以沿着起飞道标志线低速滑行，利于飞行员按照甲板操作规定行驶，减少意外事故发生。后部停放的飞机在紧急情况下，经过一段时间的滑行确保对准跑道后，可以直接开加力滑跑起飞，减少了中间停下的过程，能加快起飞速度。在机群连续出动时，航母可不升起挡焰版，发动机高温喷流也不会影响到后方停放的飞机，减少飞机发动机尾焰对挡焰板的加温烧蚀，在连续出动时无需停下等待挡焰版冷却，从而加快机群出动速度。

降落区设计

垂直降落飞机要降落到航母上，一般采取在航母附近海面上保持悬停，然后缓慢移动到降落点的方法，当降落到航母左舷的降落点时，悬停位置就在左舷相对停机位的左侧。这样做可以减少对飞行甲板的干扰，如果飞机从甲板后方缓慢减速，以垂直喷气状态越过诸多降落点降落在甲板中部，那么整个后甲板左舷都会被高温高速气流干扰到无法作业。由垂直降落方式下飞机接近航母降落点的特点所决定，降落点必须位于航母舷侧，不能位于中间。再考虑到右舷要安放舰岛，所以降落点只能位于甲板左舷侧面。

CVF的降落区长约44米，宽约35米，面积约1500平米。F-35B机长15.6米，翼展10.7米，降落区长宽尺寸均接近其三倍，这很可能是英国人多年使用海鹞飞机进行垂直降落的经验数据。由于缺乏资料，无法确定CVF航母最多允许几架F-35B飞机同时降落，从安全角度考虑，似乎不会超过2架，分别采用左舷第1和第4降落点；之后降落的两架飞机可以使用左舷第2和第5降落点，此时之前降落的2架飞机自行滑向右舷停机区，第三批降落的飞机使用左舷第3和右舷降落点。在这种模式下，如果单架F-35B垂直降落需要90秒的时间，那么CVF航母最大回收速度预计可达到每3分钟6架，超过尼米兹级航母的50-90秒/架。

CVF航母的前三个左舷降落点与起飞跑道重合，使用时会影响起飞作业。其他起飞点与飞机整备区部分重合，使用时会影响到飞机的停放。总体而言，在CVF航母搭载预定的40架舰载机时，飞行甲板可以保持高效连续运作，起飞降落作业可以同时进行，而且不会影响到飞机停放区作业，是成功的设计。

舰岛与升降机设计

CVF航母采用双舰岛设计，航海舰桥位于前岛，飞行控制装置位于后岛，每个舰岛同时兼顾燃气轮机烟囱排气。这种方案大大增加了舰岛总面积和总长度，割裂了右舷停机区，减少了飞机停放数量，对飞机调度和整备是十分不利的设计。从这张CVF某方案结构示意图看，即使考虑到满足燃气轮机进气需求，采用单舰岛和独立烟囱桅的方案也足以满足需求，双舰岛并非必须。单一舰岛也并非容纳不下航母指挥所需要的人员和设备，美国CVN-78福特级航母的舰岛占地面积小于CVF航母任意一个舰岛，而且比这两个舰岛中任意一个去掉烟囱部分后的面积还要小。

采用舰岛加烟囱桅方案，烟囱桅可以安装在飞行甲板侧面，不占用甲板面积，从而不影响飞机停放和整备。即使安装在甲板内部，也只需要占用半架飞机的停放面积，比双舰岛方案优越很多。双岛设计相对舰岛加烟囱桅方案在安装电子天线方面区别不大，最大的优势是能够为航海舰桥、航空舰桥和编队指挥所都提供足够大的空间，使在其中工作的军官可以透过巨大的舷窗浏览海景，而非像士兵一样只能埋在密封的舰体内不见天日，延续皇家海军从风帆时代流传下来的传统军官生活，由此可见军队习惯对舰艇设计的影响。

CVF航母的两部升降机位于右舷后舰岛前后两侧，每部升降机可容纳2架F-35B战斗机。由于CVF航母采用垂直降落方式，降落点均匀分布在左舷，因此飞机降落后的位置也均匀分布于左舷，而非像拦阻降落的航母一样集中于航母前方一点。在这种模式下，升降机位置安排无需特意偏向前方以回收降落后的飞机，主要考虑的是飞机通过升降机回到机库后的调度便利。从结构图看，CVF的机库侧壁从前向后可分为五段，恰好被升降机隔开，这样无论停放在哪里的飞机都很容易移动到升降机上。

飞机停放区设计

CVF航母的飞机停放区位于航母右舷，可分为前部停机区、中部停机区和后部停机区三大部分。前部停机区可停放5-6架F-35B战斗机，不会对飞机起飞和降落作业构成任何干扰，便于飞机进行检查和挂弹作业；但该区域受滑跃跑道遮挡，无法直接调动任意飞机，只能依次进行牵引。中部停机区可停放2-4架F-35B战斗机，同样不会干扰起降作业。后部停机区可停放5-8架F-35B战斗机，但与右舷降落点冲突。在飞机降落回收时，由于降落点平均分布，因此对停机区位置没有特别的要求，无需像拦阻降落的尼米兹航母那样必须保证前部大面积停机区。

在现有的CVF航母模拟图上没有发现弹药升降机的位置，从这张结构图上看，CVF航母的弹药舱位于舰体中部，前后舰岛之间的水线下区域。从弹药舱的位置判断，应该是两个下图中标注为73号的两个大型仓库，弹药升降机相应的就应位于前后舰岛附近。CVF航母的起飞点位于后舰岛侧面，只有位于后舰岛后方的飞机才能从停机区直接滑入起飞点，从满足舰载机起飞前整备的角度考虑，应有一部弹药升降机位于后舰岛前方或后方，另一部弹药升降机位于前舰岛前方或后方。这样的布置方案不会妨碍飞机起降作业，而且紧邻飞机停放区，便于挂弹作业。

出动能力评估

在最大出动状态下，CVF航母甲板上可十分宽松的停放32架F-35B战斗机，一个攻击波最多可出动17架位于起飞点之后的F-35B，以每分钟一架的持续出动速度计需要17分钟，出动架次和速度与美国尼米兹级航空母舰持平。以舰载机80%的完好率计算，CVF搭载的34架F-35B中只有27架能执行任务，出动能力超过航母搭载能力。如果提高飞机搭载数量，并按照尼米兹级航母的密集排列方式停放飞机，CVF航母的甲板停机数量可轻松增至34架，一次出动两个17架飞机组成的攻击波，并且仍有大面积空间可停放不出动的飞机，出动能力与尼米兹级航母相当。

在最大回收状态下，CVF航母甲板上可停放26架F-35B战斗机，此时全部6个降落点仍可以回收飞机，最大回收量为32架；如果在左舷第1、2降落点区域停放飞机，最大回收数量可增长至40架以上。以每3分钟6架的回收速度，一个18架飞机组成的攻击波可在9分钟内完成回收，尼米兹航母回收同样数量的飞机需要大约15分钟。

在灵活甲板状态下，CVF航母可保持起飞跑道开放的同时，在左舷第4、5号降落点回收飞机，此时右舷停机区可停放18架F-35B战斗机，加上机库内停放的20架，战斗机数量可轻松超过40架，接近尼米兹级航母的数量。此时CVF航母可连续出动4-6架飞机组成的小机群进行连续波飞行作业，回收飞机牵引滑行完全不会影响到准备起飞飞机。

以最大出动模式攻击时，按照CVF现在搭载34架F-35B战斗机计算，有27架可以出动执行任务，分为两个攻击波。在打击距离航母300千米远的目标时，每个攻击波起飞需要约15分钟，往返飞行需要40分钟，作战需要5分钟，回收需要10分钟，整个任务周期70分钟，两个攻击波出动间隔要压缩到50分钟以内才能满足连续作业要求，两个攻击波的总飞行周期需要约120分钟，出动飞机27架次；按照每天进行4次这种大规模出动计算，总出动数量约为108架次，耗时约16小时。另外6架直升机按照80%完好率和日出动3次计算，可出动14架次，航母日最大出动约120架次。

如果将舰载F-35B战斗机总数增至42架，按照80%的完好率，有34架飞机可出动执行任务，每个攻击波的飞机数量增至17架。在这种情况下，航母日最大出动架次可增至150架次，但对空地勤人员数量都有更高的要求，甲板调度难度也会提高。

总体评价

飞行甲板的布局直接与舰载机飞行作业效率相关，需要考虑众多因素，如弹射器或跑道长度、安全线的间距要求、起飞跑道和回收区域之间的安全距离、回收跑道和回收区域的长度、飞机停放区域容量及该区域与起飞区和回收区的安全距离、飞机在飞行甲板上的调度、舰岛的位置、升降机的位置和大小、飞行甲板和机库甲板的交互关系等等。

选择短距起飞/垂直降落的F-35B作为舰载机，使得CVF航母在设计上获得极大的便利性，大大降低了设计难度，提高了甲板作业效率。在CVF航母的甲板设计上，处处体现着不追求极限性能，紧紧围绕皇家海军战略任务和战役构想，强调高效能打击中近距离目标，注重协调、灵活、持续作业的思路，而且实现的非常和谐自然，展现了英国这一老牌海军强国深厚的设计功力。将CVF航母早期某一设计方案与最终方案对比，更能够直观的体现这一点。上图是CVF航母设计过程中的某型甲板设计方案，这里称为A方案；下图是最终方案，这里称为B方案。

在起飞区设计上，A方案有两条相互交叉的滑跃起飞跑道，虽然同一时间只能起飞一架飞机，但两个起飞位置可以加快飞机排队速度，实现更高的出动速度，可能达到每分钟1.5-2架。B方案只有一条起飞跑道，受飞机在起飞点排队速度制约，出动速度较慢，约为每分钟1架。较低的出动速度对发出大型攻击波是不利的，这会延长先期升空飞机在空中等待编队的时间，使他们过多消耗燃油减小作战半径。但皇家海军强调打击中近距离目标，无需很大作战半径，而且不面对强敌也就不需要出动大机群，所以这一缺陷是可以承受的。

改为单一的通长起飞跑道，直接方便了大机群出动时飞机的停放和滑行，弥补了起飞跑道数量上的劣势，提高了机群出动速度和甲板调度效率，减少了潜在的作业危险。平行于舰体的通长跑道能够提供最大限度的起飞滑跑距离，便于出动满载重负荷飞机，例如C-2舰载运输机，或者以后上舰的其他飞机。使起飞区与停机区保持了极大地安全间隔，减少了潜在作业危险。英国人选择了适合自己需求的机群出动速度，稍微放松对出动速度的要求，就得到了如此多的好处，这是苏联库兹涅佐夫级航母的笨拙设计所无法比拟的。

在降落区设计上，A方案的六个降落点位于甲板左舷，容易受到航母横摇的影响，以CVF航母60米飞行甲板宽度计算，当横摇达到正负5度时，甲板边缘起伏高度差将达到1.6米，对飞机起落架的冲击太大；降落区面积较小，对飞行员降落技术要求较高。优势是在最大规模出动时保持多个降落点可以使用，利于航母连续出动多个攻击波。B方案有四个较大的左舷降落点和两个较小的尾部降落点，飞机降落点相对靠中线，更利于飞行员在高海况下降落；在最大规模出动时无法回收飞机，不利于机群的连续出动，但更利于小规模机群的连续作业，有2-3个降落点可以与起飞点同时使用，这是符合皇家海军打击中近距离弱小敌手这一任务构想的。

在停机区设计上，A方案的飞机停放区域位于甲板右舷和中后部，中部停放的飞机在启动发动机时，对尾喷口方向的人员和飞机影响较大，存在安全隐患；整个甲板停机数量为20架F-35B战斗机和5架直升飞机，数量较少。B方案所有飞机均停放在甲板边缘，发动机喷气不会影响甲板作业，安全性较高；飞行甲板可停放28架F-35B战斗机和3架直升飞机，数量较多。A方案中，起飞点后侧面是直升机停机区和烟囱桅，F-35B战斗机只能停放在烟囱桅侧后方，距离起飞点距离较远，不利于飞机滑行快速进入起飞点。B方案中，起飞跑道延长10米到后舰岛侧面，一下解决了战斗机不便于滑入起飞点的问题。

笔者认为，A方案更类似于美国尼米兹级航母，以提高甲板调度复杂性和危险性为代价，提高攻击波出动速度、飞机最大回收数量等性能，利于出动大型攻击波打击远距离强对手。B方案与之恰恰相反，甲板运作难度降低很多，仍保有较好的大机群出动能力，连续作业能力改善较多，利于连续出动中小规模机群打击中近距离较弱对手，符合马岛战争、伊拉克战争这类军事干涉第三世界国家的作战模式要求。