美軍航母艦載機(jī)出動(dòng)回收能力和飛行甲板控制策略探討

陳小飛，時(shí)立攀，畢玉泉

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

美軍現(xiàn)役大型航母飛行甲板面積均在18 000 m2以上，一般停放約50 架左右艦載機(jī)，機(jī)庫則停放約20 架艦載機(jī)[1]。其中，“尼米茲”級(jí)航母出動(dòng)回收能力可高達(dá)每12 小時(shí)120 架次，或每天24 小時(shí)240 架次；在1997 年“尼米茲”航母高峰出動(dòng)演習(xí)中，出動(dòng)架次率高達(dá)24 小時(shí)279 架次[2]；而最新“福特”級(jí)航母據(jù)稱最高可持續(xù)30 天每天12 小時(shí)出動(dòng)回收220 架次，或持續(xù)4 天每天24 小時(shí)連續(xù)作業(yè)出動(dòng)回收310 架次。美軍航母為什么能實(shí)現(xiàn)如此規(guī)模的出動(dòng)回收能力？定性的研究認(rèn)為，美軍艦載機(jī)維護(hù)性能好，航母飛行甲板大，采用了更先進(jìn)的航空保障裝置，且保障資源充分[3]；尤其是“福特”級(jí)還引入了一站式保障的概念、優(yōu)化了保障資源配置[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞美軍航母艦載機(jī)出動(dòng)架次率，采用數(shù)學(xué)仿真和優(yōu)化的方法開展了大量的研究[5–7]，但研究重點(diǎn)在驗(yàn)證數(shù)學(xué)方法，所得結(jié)論對(duì)航母航空保障能力發(fā)展指導(dǎo)價(jià)值較弱。美軍航母出動(dòng)回收能力不僅是航母艦機(jī)適配性研究中重要環(huán)節(jié)[8]，其背后隱藏的甲板控制策略也是航空保障能力發(fā)展的重要借鑒，這方面目前還缺乏系統(tǒng)地探索。本文將依托調(diào)度模型臺(tái)進(jìn)行艦載機(jī)出動(dòng)回收作業(yè)推演，進(jìn)而探討其艦載機(jī)出動(dòng)回收能力和飛行甲板控制策略。

1 航母艦載機(jī)出動(dòng)回收推演

1.1 調(diào)度模型臺(tái)與調(diào)度推演

圖1 “尼米茲”級(jí)航母飛行甲板分區(qū)Fig.1 Flight deck of Nimitz class carrier

調(diào)度模型臺(tái)是航母開展艦載機(jī)航空保障的調(diào)度指揮、狀態(tài)標(biāo)記和展示的輔助工具[10]，主要由航母飛行甲板模型板（Ouija Board）和艦載機(jī)模型組成。美軍“尼米茲”級(jí)航母飛行甲板如圖1 所示。艦首自“胯部”和“交點(diǎn)”向前可停放2～3 列艦載機(jī)；島前飛機(jī)升降機(jī)、“圍欄”、“交點(diǎn)”等右舷邊可停放1 列艦載機(jī)；島前Sixpack 區(qū)域可停放1 列4～6 架艦載機(jī)，“大街”則是島前艦載機(jī)、車輛和人員等移動(dòng)通道；這些區(qū)域都可以作為阻攔回收艦載機(jī)臨時(shí)停機(jī)區(qū)。艦島左側(cè)和后方“垃圾場(chǎng)”用于停放旋翼直升飛機(jī)、車輛和雜物；艦島右側(cè)用于儲(chǔ)備待發(fā)機(jī)載彈藥；3 號(hào)飛機(jī)升降機(jī)、“天井”、艦尾、“指尖”、4 號(hào)飛機(jī)升降機(jī)等位置可停放一圈待出動(dòng)艦載機(jī)。

基于調(diào)度模型臺(tái)對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)回收進(jìn)行推演，形式簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀，是分析研究美軍航母運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)的重要方式。

1.2 推演條件

取美艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)編制為：4 個(gè)戰(zhàn)斗攻擊機(jī)中隊(duì)，20 架F-35C、24 架FA-18E/F；1 個(gè)電子戰(zhàn)中隊(duì)，5 架EA-18G。此外，還有11 架MH-60 直升飛機(jī)，6 架X-47B 無人戰(zhàn)斗機(jī)，5 架E-2D 預(yù)警機(jī)。在航母上設(shè)6 個(gè)飛行甲板轉(zhuǎn)運(yùn)小組、8 個(gè)加油小組、4 個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì)掛彈大組、1 個(gè)電子吊艙/掛彈小組、1 個(gè)反潛彈藥保障小組，其中，每個(gè)加油小組可同時(shí)服務(wù)2 架艦載機(jī)，每個(gè)掛彈大組可拆分成2 個(gè)掛彈小組[11]。

參考1997 年“尼米茲”號(hào)高峰出動(dòng)演習(xí)，采用1+15 即75 min 甲板作業(yè)周期組織飛行保障，艦載機(jī)按單周期雙循環(huán)模式出動(dòng)[2]，但1 架預(yù)警機(jī)和2 架FA-18 進(jìn)行雙周期飛行任務(wù)。單周期雙循環(huán)出動(dòng)回收模式如圖2 所示[10]。

圖2 單周期雙循環(huán)出動(dòng)回收模式Fig.2 Single deck cycle dual flight cycle launching and recovery mode

飛行甲板作業(yè)周期是指相鄰波次彈射起始時(shí)間的間隔，第i 個(gè)甲板作業(yè)周期包括彈射起飛時(shí)間til、起降部署轉(zhuǎn)換時(shí)間tis、回收時(shí)間tir、回收滑行時(shí)間tih、彈藥處理或待機(jī)時(shí)間tiw、艦載機(jī)調(diào)運(yùn)時(shí)間tim、可用機(jī)務(wù)和勤務(wù)保障時(shí)間tia、艦載機(jī)開車滑行時(shí)間tip，即甲板作業(yè)周期T 可表示為：

其中i =1,2,···,n。一般取tis為5 min，取tiw+tip為10 min，另外，每波次彈射起飛時(shí)間為：

其中，tshoot為彈射間隔時(shí)間；PiM為波次內(nèi)使用中部彈射器的次數(shù)；NiM為使用的中部彈射器數(shù)量；PiF為波次內(nèi)使用首部彈射器的次數(shù)；NiF為使用的首部彈射器數(shù)量。由于阻攔裝置最快1 min 阻攔1 架艦載機(jī)，因此每波次Pir架艦載機(jī)回收時(shí)間為：

調(diào)運(yùn)作業(yè)時(shí)間為：

其中：lm為轉(zhuǎn)運(yùn)距離；tc為轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)作業(yè)的時(shí)間，一般可取艦載機(jī)就近調(diào)整位置用時(shí)tim為2 min，繞島長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)用時(shí)7 min?；厥栈袝r(shí)間tih按式（4）計(jì)算，取短距滑行時(shí)間2 min。

1.3 “尼米茲”級(jí)航母艦載機(jī)出動(dòng)回收推演

艦載機(jī)在“尼米茲”級(jí)航母上初始布列及起飛滑行路線如圖3 所示，一共有16 架F-35C、18 架FA-18E/F、4 架EA-18G、3 架E-2D、3 架X-47B 和4 架MH-60。單周期雙循環(huán)出動(dòng)在第1 波次和第2 波次的出動(dòng)準(zhǔn)備上時(shí)間充足，圖3 中編號(hào)1 為第1 波次起飛，編號(hào)2 為第2 波次起飛，編號(hào)M 為需要在1，2 波次間進(jìn)行調(diào)運(yùn)?？筛鶕?jù)需要設(shè)定波次規(guī)模，并按圖示路線使艦載機(jī)滑入彈射位，其中Sixpack 區(qū)艦載機(jī)可使用中部彈射器，也可使用首部彈射器。

圖3 艦載機(jī)在“尼米茲”級(jí)航母上初始布列及起飛滑行路線Fig.3 Initial deployment and gliding route of airwings on Nimitz class carrier

圖4 回收第2 波次后艦載機(jī)布列Fig.4 Deployment of recovered second wave of aircrafts

推演中，奇數(shù)k 波次放飛預(yù)警機(jī)和護(hù)航戰(zhàn)斗機(jī)，在k+2 波次放飛后，回收k+1 波次時(shí)，需回收k 波次的預(yù)警機(jī)和護(hù)航戰(zhàn)斗機(jī)，從而回收時(shí)間t（k+2）r至少增加3 min，k+3 波次可用機(jī)務(wù)和勤務(wù)保障時(shí)間t（k+2）a縮小，使保障壓力驟增。以彈射第3 波次后回收第2 波次為例，一共回收21 架固定翼艦載機(jī)?；厥盏? 波次后艦載機(jī)布列如圖4 示，可以考慮2 種回收布列方案：圖4（a）方案，擬再次出動(dòng)的艦載機(jī)滑行至島前“大街”和“交點(diǎn)”區(qū)，其余艦載機(jī)滑入艦首；圖4（b）方案，最大化使用島停機(jī)區(qū)，減少首部停機(jī)。對(duì)尼米茲級(jí)航母而言，島前停放艦載機(jī)過于密集會(huì)導(dǎo)致資源沖突，不便調(diào)運(yùn)，降低再次出動(dòng)準(zhǔn)備效率，因此采用圖4（a）方案。

圖4 艦載機(jī)旁數(shù)字是根據(jù)式（1）計(jì)算的tia+tip，由于圖4（a）方案首部和中部相對(duì)獨(dú)立，可在交點(diǎn)區(qū)滑入最后一架艦載機(jī)后開展再次出動(dòng)準(zhǔn)備，根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[11]，4 個(gè)加油小組、8 個(gè)掛彈小組可在36 min內(nèi)完成島前中部區(qū)域3 架F-35C、4 架FA-18E/F、2 架EA-18G 再次出動(dòng)準(zhǔn)備（每機(jī)2 枚導(dǎo)彈或4 枚MK80 系列炸彈）。

由于臨時(shí)停機(jī)位置干擾再次出動(dòng)的滑行路線，需要對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行調(diào)運(yùn)，“尼米茲”級(jí)航母第3 甲板作業(yè)周期艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)示意圖如圖5 示，轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)分2 個(gè)批次進(jìn)行，其中，“大街”上1 架FA-18E/F 轉(zhuǎn)運(yùn)至艦尾，其余就近調(diào)整至1 號(hào)飛機(jī)升降機(jī)和“交點(diǎn)”區(qū)；首部右舷或左舷5 架艦載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至艦尾，剩余5 架在有空閑保障小組時(shí)開展再次出動(dòng)準(zhǔn)備。由于是分區(qū)作業(yè)，這些轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)和移動(dòng)線路不會(huì)對(duì)其他保障作業(yè)造成干擾。此外，在完成第2 波次艦載機(jī)回收后從機(jī)庫轉(zhuǎn)運(yùn)2 架X-47B 出庫，其可用保障時(shí)間約35 min。這樣第4 波次就可以至少出動(dòng)6 架F-35C、6 架FA-18E/F、2 架EA-18G 和2 架X-47B。

推演“尼米茲”級(jí)航母固定翼艦載機(jī)出動(dòng)架次統(tǒng)計(jì)如表1 所示，一共推演8 個(gè)波次，每個(gè)波次2 架EA-18G 電子戰(zhàn)飛機(jī)執(zhí)行電子對(duì)抗任務(wù)，每2 個(gè)波次由1 架E-2D 執(zhí)行預(yù)警任務(wù)，并由2 架FA-18E/F 護(hù)航。推演10 個(gè)小時(shí)累計(jì)固定翼艦載機(jī)出動(dòng)達(dá)136 架次，以此估算“尼米茲”級(jí)航母12 小時(shí)可出動(dòng)163 架次，18 小時(shí)可出動(dòng)244 架次，與文獻(xiàn)[2]引述數(shù)據(jù)基本相符。

1.4 “福特”級(jí)航母艦載機(jī)出動(dòng)回收推演

按照同樣的思路推演“福特”級(jí)航母艦載機(jī)出動(dòng)回收，不失一般性僅推演4 個(gè)波次。推演“福特”級(jí)航母固定翼艦載機(jī)出動(dòng)架次統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

圖5 “尼米茲”級(jí)航母第3 甲板作業(yè)周期艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)示意圖Fig.5 Resopt demonstration during the 3rd flight deck turnaround on Nimitz class carrier

圖6 “福特”級(jí)航母第3 甲板作業(yè)周期艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)示意圖Fig.6 Resopt demonstration during the 3rd flight deck turnaround on Ford class carrier

表1 “尼米茲”級(jí)航母固定翼艦載機(jī)出動(dòng)架次統(tǒng)計(jì)Tab.1 Sortie generation of fixed wing aircraftson Nimitz class carrier

因艦島后移，島前區(qū)域更大，直接效果是第1 波次和第2 波次可放飛25 架（或更多）固定翼艦載機(jī)。但第3 波次放飛后同樣要回收預(yù)警機(jī)，因此第3 個(gè)甲板作業(yè)周期是再次出動(dòng)準(zhǔn)備的瓶頸周期?！案Ｌ亍奔?jí)航母第3 甲板作業(yè)周期艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)示意圖如圖6所示。圖6 島前區(qū)域密集停放回收艦載機(jī)，即采用圖4（b）的類似方案，這是因?yàn)樵摵侥讣性趰u前舯部區(qū)域設(shè)置了眾多一站式保障戰(zhàn)位，艦載機(jī)停止后可就地完成再次出動(dòng)準(zhǔn)備，再滑向起飛位彈射起飛。圖中島前右舷編號(hào)為2 的是F-35C 臨時(shí)停機(jī)位，調(diào)運(yùn)小組可在機(jī)務(wù)勤務(wù)保障間歇就近調(diào)整至右舷邊。首部編號(hào)為M 的艦載調(diào)運(yùn)至艦尾，且轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)與島前其他保障作業(yè)無干涉。根據(jù)式（1），島前右舷邊10 架F-35C可用保障時(shí)間大于44 min，島前Sixpack 和“大街”上8 架FA-18E/F 可用保障時(shí)間大于34 min，2 架EA-18G 可用保障時(shí)間大于32 min，編號(hào)1 的2 架X-47B 可用保障時(shí)間大于29 min。根據(jù)“福特”級(jí)航母飛行甲板保障資源[4]，再次出動(dòng)準(zhǔn)備的瓶頸在于掛彈。

表2 “福特”級(jí)航母固定翼艦載機(jī)出動(dòng)架次統(tǒng)計(jì)Tab.2 Sortie generation of fixed wing aircraftson Ford class carrier

圖7 掛彈小組掛彈作業(yè)調(diào)度Fig.7 Schedule of weapon′s loading

若22 架艦載機(jī)總共掛44 枚導(dǎo)彈，每枚10 min，4 個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì)8 個(gè)掛彈小組可按圖7 所示掛彈小組掛彈作業(yè)調(diào)度開展作業(yè)，電子戰(zhàn)飛機(jī)和無人機(jī)各由1 個(gè)掛彈小組負(fù)責(zé)。圖7 中1，2 號(hào)F-35C 均由2 個(gè)小組同時(shí)保障。若掛彈時(shí)間增加，則8 個(gè)小組難以完成全部掛彈任務(wù)，這樣可以考慮縮減第4 波次出動(dòng)規(guī)模，或者電子戰(zhàn)飛機(jī)和無人機(jī)中隊(duì)2 個(gè)掛彈小組配合作業(yè)，再或者增加4 個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì)彈藥保障小組?！案Ｌ亍奔?jí)航母在機(jī)載彈藥保障中使用了掛彈機(jī)器人，理論上可以將掛彈時(shí)間進(jìn)一步縮小。

最終，推演4 個(gè)周期5 個(gè)小時(shí)累計(jì)出動(dòng)回收95 架次，估算“福特”級(jí)航母12 小時(shí)可出動(dòng)228 架次，18 小時(shí)可出動(dòng)342 架次，與文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)基本相符。如果第4 波次縮小出動(dòng)規(guī)模至13 架，則可估算12 小時(shí)可出動(dòng)206 架次，略低于“福特”級(jí)航母最高指標(biāo)。

2 美軍航母出動(dòng)回收能力成因

綜合上述甲板控制策略和出動(dòng)回收推演，除了飛行甲板大、保障資源豐富、艦載機(jī)保障性能好之外，美軍航母艦載機(jī)出動(dòng)架次率主要形成原因，還有以下幾點(diǎn)：

1）保障作業(yè)多區(qū)協(xié)同并行。飛行甲板劃分不同的工作區(qū)域，各區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，不同類型的保障作業(yè)不會(huì)相互沖突。艦載機(jī)可直接滑行進(jìn)入島中部或首部，并直接在該區(qū)保障，一般不需跨區(qū)調(diào)運(yùn)，減少了調(diào)運(yùn)環(huán)節(jié)，增加了可用保障時(shí)間。

2）凸顯島前區(qū)域作用，重點(diǎn)開展一站式保障。對(duì)于“尼米茲”級(jí)航母，雖然總體上看島前集中保障容量較小，但推演中發(fā)現(xiàn)島前保障十分“方便”?！澳崦灼潯奔?jí)島前區(qū)域可容納16 架左右的艦載機(jī)同時(shí)開展保障作業(yè)，“福特”級(jí)航母島前區(qū)域可容納22 架左右的艦載機(jī)同時(shí)開展保障作業(yè)，這就是循環(huán)出動(dòng)能力的關(guān)鍵支撐。

3）加油與掛彈同時(shí)進(jìn)行。一個(gè)甲板作業(yè)周期中，艦載機(jī)起飛和降落占用了太多時(shí)間，尤其是回收階段只能依次回收，耗費(fèi)了大量的作業(yè)時(shí)間。推演中發(fā)現(xiàn)，大部分情況下，都面臨必須在30 min 內(nèi)完成期望架次艦載機(jī)的加油、掛彈以及其他保障任務(wù)，這樣加油和掛彈必須并行進(jìn)行。美軍在實(shí)際保障作業(yè)中，常常根據(jù)需要拔出油管中斷加油，待條件滿足（如撤除導(dǎo)彈電連接或數(shù)據(jù)線等）再重新插油管加油，而單純的加掛與加油則同時(shí)進(jìn)行。

3 美軍航母飛行甲板控制策略

根據(jù)美軍公開的文獻(xiàn)資料[2,11]，以及論文推演，可以總結(jié)美軍航母飛行甲板控制策略，比如能力成因中已經(jīng)總結(jié)的分區(qū)使用、多組并行、島前區(qū)域集中保障、盡量減少調(diào)運(yùn)作業(yè)、加油與掛彈作業(yè)協(xié)同并行等。此外，在推演仿真中發(fā)現(xiàn)：

1）必須控制波次規(guī)模。放飛的越多，回收時(shí)耗越多，而壓縮回收間隔時(shí)間會(huì)引入很大的風(fēng)險(xiǎn)（還要考慮回收時(shí)種種特情）。因此從循環(huán)出動(dòng)的角度看，如果要確保甲板上至少留下30 min 的保障時(shí)間，對(duì)應(yīng)地，“尼米茲”級(jí)平均波次規(guī)模必須控制在20 架以下，“福特”級(jí)則必須在25 架以下。

2）彈射器組合使用策略

由于彈射器存在故障可能，首部和中部各2 部彈射器，提供了冗余備份[4]。在使用策略上，最常見的是首部1 部+中部1 部的方案，也可以首部和中部按3 部組合使用，此時(shí)一般是中部2 部彈射器全部開啟。

集中使用島前保障戰(zhàn)位，對(duì)中部彈射器的使用需求最高，可以估計(jì)美軍重點(diǎn)加強(qiáng)了3，4 號(hào)彈射器的維護(hù)力量。另外，基于分區(qū)并行的考慮，首部應(yīng)預(yù)留1 條彈射軌道。一方面可以提高艦載機(jī)出動(dòng)效率，另一方面，一旦這1 部彈射器故障，還可以將另一邊的艦載機(jī)頂推至故障彈射器的軌道舷邊，清空另外1 條彈射跑道。

3）調(diào)運(yùn)策略和飛機(jī)升降機(jī)使用

由于艦載機(jī)調(diào)運(yùn)作業(yè)涉及環(huán)節(jié)多，且在空間上易與其他作業(yè)沖突，因此美軍航母盡量減少調(diào)運(yùn)作業(yè)，或者盡可能就近調(diào)整。減少調(diào)運(yùn)作業(yè)還包括降低飛機(jī)升降機(jī)使用次數(shù)。高峰出動(dòng)演習(xí)中，“尼米茲”號(hào)航母的飛機(jī)升降機(jī)平均每75 min 運(yùn)行1 次[2]，主要任務(wù)是將故障艦載機(jī)從飛行甲板運(yùn)至機(jī)庫甲板維修。一般1 號(hào)和4 號(hào)在開展彈射作業(yè)時(shí)必須?？吭陲w行甲板，3 號(hào)和4 號(hào)也常常?？吭陲w行甲板；艦載機(jī)進(jìn)出庫則主要使用1 號(hào)和2 號(hào)飛機(jī)升降機(jī)，由于島前保障資源集中，1、2 號(hào)飛機(jī)升降機(jī)常常用于轉(zhuǎn)運(yùn)彈藥，提高彈藥周轉(zhuǎn)效率。

4）關(guān)注島前集中保障區(qū)安全控制

開展航空保障時(shí)，只要資源許可，一般都是多組并行，或不同環(huán)節(jié)并行，如圍欄區(qū)艦載機(jī)使用首部1 號(hào)彈射器時(shí)，Sixpack 區(qū)可繼續(xù)開展保障作業(yè)。根據(jù)公開圖片分析，美軍航母飛行甲板作業(yè)在著艦跑道和彈射跑道以外“氛圍輕松”，但發(fā)展到“福特”級(jí)航母島前大容量、高密度、一站式保障的作業(yè)環(huán)境，艦載機(jī)、人員、設(shè)備協(xié)同作業(yè)難度增大，必須關(guān)注島前區(qū)域安全控制，否則將會(huì)因多發(fā)安全事故而降低循環(huán)出動(dòng)能力。

4 結(jié) 語

依托調(diào)度模型臺(tái)，采用艦載機(jī)出動(dòng)回收作業(yè)推演的方法，對(duì)美軍“尼米茲”級(jí)和福特級(jí)航母艦載機(jī)單周期雙循環(huán)出動(dòng)回收進(jìn)行了研究，對(duì)推演中發(fā)現(xiàn)的航空保障瓶頸因素進(jìn)行了探討，歸納出構(gòu)成美軍航母出動(dòng)架次率的主要原因，進(jìn)而總結(jié)了美軍航母飛行甲板控制策略。研究認(rèn)為，除了飛行甲板大、保障資源豐富、艦載機(jī)保障性能好之外，保障作業(yè)多區(qū)協(xié)同并行、凸顯島前區(qū)域作用、加油與掛彈同時(shí)進(jìn)行等，是構(gòu)成美軍航母強(qiáng)大艦載機(jī)出動(dòng)回收能力的關(guān)鍵因素，在未來航母論證中應(yīng)充分考慮。最后，從波次規(guī)模、彈射器組合使用策略、調(diào)運(yùn)策略和升降機(jī)使用、島前區(qū)域安全控制等4 個(gè)方面總結(jié)了甲板控制策略，也能對(duì)航母航空保障能力建設(shè)提供借鑒。