主题：【原创】航母设计杂谈 -- 心有戚戚

超大没封之前，我看有人发帖称，已经搞定功率两位数兆瓦级别的小堆了。

看来小堆核潜艇说不定有戏。

美军完成无人机空中回收测试，测试的关键环节是验证无人机回收技术。这一技术因难度较大，被认为是“小精灵”项目的最大障碍。测试视频显示，“小精灵”无人机在与C-130运输机下放出的机械臂顺利对接，随后收起机翼，被机械臂带回机舱内。美方测试人员表示，测试过程中的系统性能、对接流程和空气动力参数将作为重要数据被保留，用于下一步技术验证。

完成回收试验后，下一道技术难题是提升回收速度。美方技术人员称，已经掌握快速回收多架无人机的方法，正对相关硬/软件进行完善。另外，美国防部高级研究计划局还要求达到更多目标，包括在未被摧毁的情况下，“小精灵”无人机可循环使用20次以上，将运载工具从运输机拓展到轰炸机等机型。……转自观察者网风闻。

中国也有相关项目，第十三届中国航展正在珠海市举行，在本次航展中，中航工业展示了造型十分科幻的“鸾鸟2号（Lyun Prototype-02）”大型空天战略载机平台，此物一旦被制造出来，将是名副其实的“航天母舰（或空天母舰）”，展会模型如下图：

很有点星际称霸的味道了。

畅想一下未来的作战模式:

数百架空天母舰，高悬在外太空，绕着地球自转，需要的时候，撒出去数百架无人机，铺天盖地的直奔目标飞去……

那时候，航空母舰这种又大又笨的武器可能已经被淘汰了。

英国贡献了航母设计的大部分创意，第一艘改装的直通甲板航母（HMS Argus），最早设计和建造新建航母（“竞技神”号，虽然服役时间比日本“凤翔”号晚些），斜甲板，蒸汽弹射器，滑跃起飞（短距起飞垂直降落的海鹞）等等。不过，都是墙内开花墙外香，斜甲板和蒸汽弹射器让美国发扬光大，而苏联则将滑跃起飞用在了常规固定翼舰载机上。中国目前的航母作战和训练体系都是围绕舰载战斗机的滑跃起飞，但推比较小的固定翼预警机必须用弹射起飞才行。虽然可用预警直升机作为替代，但是雷达功能和覆盖范围都受到很大的限制。

按照苏联的工业实力，蒸汽弹射器的研制并不在话下。然而地处高寒地区，蒸汽弹射器有容易结冰的问题，属于水土不服。即使这样，夭折的1143.7型航母“乌里扬诺夫斯克”号还是在斜甲板上安装了蒸汽弹射器，主要用来弹射固定翼预警机。而高推比的战斗机，则可利用舰首的滑跃甲板依靠自身动力起飞。这种思路可以用在“辽宁号”和“山东号”两艘滑跃起飞航母的改进上。苏联在建造“辽宁号”的前身“瓦良格”时很可能在斜甲板上预留了弹射器的凹槽，用于将来安装弹射器。毕竟一艘航母的寿命一般为50年，中期改装是必须考虑在内的。如果安装了弹射器，“辽宁号”和“山东号”也可以携带固定翼预警机，战斗力倍增。

和之前的压缩空气弹射器和液压动力弹射器相比，蒸汽弹射器功率大且较安全（1954 年 5 月，美国本宁顿号航空母舰上的液压弹射器发生爆炸，造成近 100 人死亡）。蒸汽弹射器不用滑轮传递动力，而是将飞机直接连接到两个活塞之间的滑块上，活塞沿着两个气缸由蒸汽推进。与压缩空气和液压弹射器的高压容器相比，蒸汽气缸具有大的多的容量，可以比较持续地做功。

然而，蒸汽弹射器结构复杂、体积庞大。光是控制系统，就有好几个分系统：下图黑色代表高压液体，灰色系统代表低压液体，白色代表高压空气，格线代表低压空气。

气缸里，人能钻进，进行保养。那个开口就是让活塞和滑块之间的连杆前后移动之用。弹射时，连杆移动免不了造成一部分蒸汽泄漏，在甲板上留下一道白雾。蒸汽系统不仅保养麻烦，而且是个淡水消耗大户，每弹射一次需要消耗1.5~2吨淡水。

除了气缸和控制系统，蒸汽储压罐还是个大家伙：

弹射器滑块最后的速度达几百米每秒，如同一颗大炮弹。必须在短距离里减速至零，用的是位于弹射器顶端的水刹车（Water Brake），占地也不小：

蒸汽弹射器使用复杂的管路和设备，需要大量人员来操作和维护。首次弹射前，还需要预热各种阀门、管道和钢瓶，以达到工作温度，反应时间较长。 更为要命的是，蒸汽弹射器的输出不易调节，过程中更无反馈控制。比如，无人机的重量要比有人机轻不少，蒸汽弹射器就不能在两种机型中轻易切换。而且，一旦阀门打开，蒸汽灌入，过程就是一个固定的曲线：开始时气缸压力开始增加，弹射推力快速达到顶峰，然后压力减小，弹射推力逐渐下降。峰值时，加速度可以达到约4G，这种瞬变会损坏飞机结构、缩短机身的寿命。而到后半段，滑块速度几近极值，弹射器能量输出有气无力、飞机的自身发动机的加速效率反而更高。而且随着弹射次数的增加，蒸汽泄漏只会越变越严重，照成能量损失，导致飞机起飞速度低于预期。

比起蒸汽弹射器，电磁弹射器有很大优势。首先节约地方，没有复杂巨大的蒸汽设备和管线，只有电子设备和电缆，效率高。而且弹射器可调节推力，以适应不同机型，包括轻型无人机。同时，过程中有反馈控制、推力相差不大。

1946 年，西屋公司就测试用电弹射飞机，但由于用滑动接触电刷将能量转移到动子，系统效率低下 (<50%)，且不可靠。现代电磁弹射系统 (EMALS)用的是感应电机（与电磁轨道炮相同的原理）、利用电磁波将动子驱动向前。结束时，电磁波的方向反转，使动子返回到起始位置。除了感应直线电机的定子和动子，其它主要设备有：发电机、储能装置和控制器。

储能系统主流方案包括飞轮储能、超级电容和超导磁储能，其中飞轮储能是目前最可靠的技术方案。在真空状态下的碳纤维飞轮加速到20万转/分，24小时能量损耗只有2%，低于超级电容技术。在弹射过程中飞轮在2-3 秒的短时期内对大功率发电机做功发出百来兆焦的能量。

下表对蒸汽弹射器和电磁弹射器进行比较。福特级使用的交流电磁弹射器每次耗能121兆焦，相当于2.8公斤柴油的热值。试验时最大弹射质量为45吨（小车的重量），可以将其加速至69米/秒。输出能量为107兆焦，能量利用率为89%，大大高于蒸汽弹射的5%的效率。蒸汽弹射器输出能量最大为93兆焦，却要消耗1866兆焦的能量，当于43.8公斤柴油的热值。电磁弹射器的平均推力为120吨，而蒸汽弹射器的平均推力为101吨。然而，蒸汽弹射器的峰值推力达137吨，大大高于电磁弹射器的峰值推力126吨。两者的峰均比相差很大：电磁弹射器为105%，而蒸汽弹射器为135%。两种弹射器的平均加速度差不多，为3G不到一点，但是蒸汽弹射的峰值加速度为4G，而电磁弹射还是不超过3G。当然，一般舰载机的起飞重量为30吨左右（包括预警机），两种弹射器的推力都需下调，以保证加速度不超标。电磁弹射器的推力在84-89吨，而蒸汽弹射器的推力在82-110吨。这还是蒸汽弹射器没有蒸汽泄漏下的理想值。如果有能量损失，蒸汽弹射器的推力还要调大，峰值推力还要增加。1架可电磁弹2000次的飞机，可能用蒸汽弹1000次就不行了。

似乎电磁弹射器完胜蒸汽弹射器，然而福特级的电磁弹射器可靠性有很大问题。相反蒸汽弹射器非常可靠：配备四台蒸汽弹射器的航母在 99.5% 的时间里至少可以使用其中一台。懂王称与传统的蒸汽弹射器相比，电磁弹射器要多花费数亿美元，而且不好用。他引用的五角大楼 2018 年一份报告，平均关键故障率比海军的阈值要求高 9 倍。2021 年 1 月最新的报告指出：电磁弹射器在3,975 次的使用中，平均每181次就会有一个故障，远低于每4,166次一个故障的要求。

003型航母用的电磁弹射器采用了中压直流体制，而不是美国电磁弹射器中压交流体制。直流电调速范围很宽，抗过载性能好，调速时只需要变流，不用变压。因此系统总体重量轻、体积小、效率高。关键是可靠性还高。由于国产电磁弹射器在陆地实验之中表现出色，让它后来居上、战胜了国产蒸汽弹射器，成为003型航母的弹射器。据马伟明院士称，目前中国在电磁弹射技术上已经完成了中压直流供电系统，比美军中压交流系统要领先数十年。而中国中压直流能量转化的效率将达到90%以上，使未来003型航母可以保证舰载机和其它特种机型的正常起飞。

假设003型航母上的电磁弹射器输出能量为尼米兹级和福特级上弹射器的中间值，即100兆焦。以此能量，可将40吨的小车加速至71米/秒。按照91%的效率，输入能量为110兆焦，相当于2.6公斤等热值柴油。而30吨的飞机弹射只需2公斤不到。柴油发电机的效率为30%，7公斤左右的柴油来发电就可提供一次弹射所需的电量。战斗机用电磁弹射起飞，不用开加力，可省下很多燃油，实在是划算得很。当然战斗机起飞还需开最大军用推力，提供电磁弹射器约五分之一的能量（如果开加力能提供四分之一）。

况且，电磁阻拦索还能将飞机着舰的能量可以转化为电能，储存到飞轮储能器里，用于下一批次飞机弹射。

所以根本不用担心电磁弹射器的耗电问题，不仅常规动力航母绰绰有余，而且在076小平顶上还可装上电磁弹射器和电磁阻拦索，用于无人机乃至有人机的起飞和降落。

航母舰体的成本和所载舰载机的成本相当，而隐身战斗机又是舰载机中最金贵的。目前正规航母隐身舰载机只有F-35C，在美国海军服役。当然，还有短距起飞垂直降落的F-35B也可以上舰，在海军陆战队的小平顶以及英日等跟班“航母”上使用。F-35B的航程只有F-35C的三分之二左右，机动性和载弹量等也不如。所以，新隐身舰载机的压制目标是F-35C。

新隐身舰载机的入役并不会淘汰三代舰载机，相反还会配合使用、相得益彰。在空战中，隐身机尽量应避免近距格斗，因为会失去最重要的雷达隐身优势，而亚音速机动性又不比三代机高。所以一旦把超视距空空导弹发射完，就应该利用超音速巡航等方式撤出战场，剩下的由三代机处理。因此，新隐身舰载机并不需要挂载近距弹和安装机炮。F-35C就没有安装了机炮，也不能内置近距弹。 这其实就是它和重型机F-22的最大区别。既然这些不是刚需，那么重型舰载机就没有太大的优势。而中型舰载机占地小，成本低，维护容易，在寸土寸金的航母上反而受人青睐。所以，美国海军并没有选择F-22。

那新隐身舰载机就没有考虑过重型机吗？有，是歼20的前掠翼版。歼20的气动布局是为超音速优化的，起降速度较大。前掠翼可以大幅提高升力系数，改善起降性能，但是却破坏隐身性，而且超音速巡航估计也够呛。由于削足适履，歼20的前掠翼版舰载机没有被海军相中，上航母只存在于军迷的想象中。

以前，受到技术水平的限制，雷达很笨重。苏27及其衍生的苏33舰载机（歼15”飞鲨“的原型）就是围绕着一个系统全重将近1吨的雷达设计的。如今相控阵雷达重量又轻看得又远，不再是瓶颈。新舰载隐身机和飞鲨相比，雷达和和其它电子设备反而有后发优势，可以“轻装上阵”。新舰载隐身机使用中推发动机，可以有效瘦身，不仅成本较低，而且有利于航母搭载和调度。

机会留给有准备的人，沈霍伊以出口机的名义搞了FC-31，这时正好派上用处。FC-31是双发正常布局中型隐身机，长相是双发F-22和单发F-35的结合。前机身象F-35，用上了蚌式进气道，而后机身象F-22，用了梯形垂尾。由于梯形垂尾的阻力较大，后来演化成现在的后掠切尖垂尾。

其实正常布局的隐身战机差不多就应该长成大致这样，以达到对雷达波的镜面反射、而不是漫反射。特例是苏57，机腹有沟，而非像其它的机腹扁平。如此，苏57的机身中央由上部曲面和下部的平面形成机翼的形状，是三代机常见的升力体设计。由于机身也能产生升力，苏57的盘旋机动性好，但是隐身性较差，一般认为是四代半，而不能被称为真正的五代机。

F-35的机腹比起F-22的已经是很不平整了，还可勉强达到隐身机的指标。即使这样，F-35C仍然碾压其它现役舰载机。

那么，双发的新隐身舰载机如何设计才能压制单发的F-35C？下表将其于正常布局隐身机比较，包括F-22，F-35A和 F-35C。没有包括的设计理念相差太大：歼20有鸭翼，F-35B可垂直起降，而苏57用了升力体。

设计首先要考虑的是发动机选择。FC-31首飞用的是枭龙上的RD-93发动机，就是米格29上的RD-33发动机改了机匣位置。米格29是著名的短腿“机场围墙”，那么FC-31的航程岂不堪忧？解决的方法就是让飞机变大：如果用推力大一点的高性能发动机，飞机体积和重量可以增加不少，就可以装载更多的燃油。所以，新舰载战斗机会安装新的中等推力发动机，据说是推比10的涡扇XX，成为世界上首架双中推隐形机。

中小型发动机的推重比容易做得比较大，两台可保证飞机有足够的动力。而大推的优势是高效，即达到同样的推力，油耗要低。所以之前的隐形机用的都是大推力发动机。F-22使用的F119发动机的涵道比为0.3，军用推力11.8吨, 加力推力15.9吨。单发的F-35更是创下了战斗机发动机涵道比和推力之最，使用F119同源核心机的F135发动机涵道比达到0.56，军用推力12.3吨，加力推力18.6吨。相比之下，不仅推力提高（特别是加力推力，有了更多的氧气和燃料充分燃烧），而且耗油率也下降了。好处很多，但是坏处也很明显，就是大风扇造成阻力大大增加，特别是超音速的时候。即使开足马力，F-35A的最大速度也只能达到1.6倍音速，还不如大部分三代战机。为了保持传统的高空高速性能，新隐身舰载机还是会用小涵道比中推发动机，假设涵道比是F135的一半，而推比在F119和F135的之间。两台的加力总推力达到20吨，和单台F135的相差不大，但是军推要高不少。

除了发动机和机身，F-35A和F-35C是相当不同的飞机，光翼展就相差2米多。为了减小着舰速度，F-35C，把机翼放大了约一半。但这样长宽比从1.46降到1.20，超音速阻力大大增加。比起F-35C，新隐身舰载机机身稍长，机翼后掠角较大，具备差不多的机翼面积而翼展较小。这样长宽比超过1.3，和F22的接近，兼具高低速性能。新隐身舰载机的干重在F-35A和F-35C之间，在14吨左右。新隐身舰载机专注空中优势，除了相控阵雷达，还在机头下方安装了红外搜索和跟踪 装置(IRST)。 由于F-35兼顾对空和对地，安装了分布式孔径系统 (DAS)。新隐身舰载机可以省略诸如此类的设备，节省重量。

和F-35C一样，新隐身舰载机应该也不会安装机炮，而是主打超视距作战，用4枚中远距弹”霹雳15“。比起F-22和F-35系列所用的AIM-120中距弹，霹雳15更长更粗，采用双脉冲固体火箭发动机，有效射程更远。霹雳15还是歼20的标配，一般同样携带4枚。可以这样说，新隐身舰载机的设计就是围绕这4枚霹雳15展开的，保证其超视距空战火力使任何对手都胆寒。

由于武器内置，隐身飞机的燃油系数一般比同等重量的三代机低。 F-22的内油8.2吨，燃油系数不到0.3，即使用了两台先进的F119发动机，作战半径也只有850公里。F-35A用了单大推，差不多的内油量，燃油系数达到0.36。F-35C的机翼面积虽然增加，但是由于需要折叠（外翼段不能装油），机翼油量差不多。去掉机炮，省出的体积装了大半吨的油，使得内油达到约9吨。新隐身舰载机的内油必须差不多才能在航程上不吃亏。虽然安装两台中推发动机比一台大推所占的可利用体积多些（F-35的两侧进气道很快合并为一条，而新隐身舰载机的两条进气道贯穿机体），但是新隐身舰载机机体毕竟长些，而且弹舱没有像F-35为了带大炸弹而掏的那么深，所以应该也可以装9吨燃油。为了多装油，机翼的折叠不会像歼15一样靠近翼根，而是会像F-35C一样和平尾对齐。

所以下图中，新隐身舰载机的主翼连同平尾一起折叠的情况不可能出现（而且座舱盖不是注释中所称的”分段式“，而是带加强框的整体）。主翼折线靠外侧、除了能尽量增加机翼油箱大小，平尾也不用折叠，能减少设计复杂性、还能减重。

没有机炮，就不用带炮弹，也能省个近百公斤弹药重量。 空战挂载下新隐身舰载机的载荷（包括飞行员）大约1吨。干重、内油和载荷总重约24吨，在F-35A和F-35C之间，而燃油系数达0.38。由于双中发比单大发耗油率略大，都加9吨的燃油、航程比F-35C稍低，但是也达到了2千公里。同时，还能带两个连同挂架一起扔的副油箱，三吨的外油可使无空中加油的航程达到3千公里。下图是为F-35A设计的修型副油箱，比普通圆柱型主体副油箱装的油少些，但是优化了气动。新隐身舰载机的副油箱视情况也可修型，虽然装油量降低，但是阻力也减小，航程可能非减反升。当然副油箱的成本会增加，然而除非是战斗，副油箱可反复使用。

在海上，航母没有地面雷达支持、全靠自己，舰载机并不是飞得越远越好，而是受到其它短板的限制，最重要的就是预警机。即使有了固定翼预警机，出于安全考虑，预警机不能一往无前，而是需要躲在防空圈的内侧，以免被敌方“斩首”。预警机的前出距离和雷达视距的极限差不多在1千公里以内，所以新隐身舰载机的作战半径有千把公里足够了。在执行空中警戒任务时，几架隐身机在靠近航母的区域能通过空中加油长时间滞空，一旦预警机发现情况、即可迅速前往。而更多的隐身机和飞鲨可以依次升空，对先遣机进行增援与殿后，形成梯级防御。

当然，隐身机在取得制空权之后，还可以参与对地攻击。这时可挂大量的外挂武器。对比F-35A和F-35C，新隐身舰载机的外挂量也可达到6吨左右。这样，最大起飞重量可以达到30吨。同样是30吨级别，由于机翼面积的差异，F-35系列的最大翼载有很大不同，从F-35A的700公斤每平米到F-35C的500多一点。新隐身舰载机的翼载约为500公斤每平米，介于F-22和F-35C之间。翼载和机动性相关：F-35A的大翼载让其低空突防时不太颠簸，但是空战时盘旋半径过大，使其更像与飞豹一样的战斗轰炸机。而新隐身舰载机具有和F-22相近的翼载，转弯快更易占领有利战位。

同时，战斗机性能和推重比高度相关。要保证足够的空战机动性的话，加力状态下的战斗机推重比应高于1，这样可快速垂直爬升。而要达到超音速巡航，无加力的军用推力状态下的战斗机推重比不应低于0.7。到达战斗空域，战斗机的内油已消耗了一小半，此时新隐身舰载机加力推重比和军推推重比都可满足要求。这样，加力极速可达两倍音速，最大巡航可超过音速，虽然指标比起F-22还略有不足，但是可以吊打F-35系列。特别是超音速巡航能力，是隐身机的独特优势。虽然有的三代机在没有外挂的情况下也可以超巡（比如单发的鹰狮E），但是超巡对内置导弹的隐身机才有实战意义。新隐身舰载机的超巡能力可以使它在空战中快进快出，导弹打得更远，就像一个臂长腿快的拳击手，在战场上立于不败之地。而F135中涵道比发动机风扇阻力太大，使得F-35系列所有机型都不能超巡。虽然F-35C打开加力可以飞超音速，但一般情况下在1.3马赫的极速上规定不能超过50秒钟（F-35B只有40秒，而F-35A则无时间限制），更不要说超音速巡航了。

除了可内置中远距空空导弹，新隐身舰载机作为双发中型机的各项指标都不算出挑，但是都中规中矩，没有明显的短板：不像F-22航程短，F-35A转弯大，F-35C飞不快。随着发动机的持续改进，还能飞得更快、更高、更远。在可预见的将来与飞鲨和预警机配合、一起为航母织起一张可靠的保护伞。