从对陆到多用途:美国超级战舰十大引领下一代战舰发展的顶尖技术点评

来源: 2016-05-23 22:34:04 [] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (37251 bytes)

美国海军围绕新战略中的“海上基地”、“海上打击”和“海上盾牌”三大作战概念,正在发展一系列的新装备,其中主要有CVN 21航母、巡航导弹核潜艇、EA-18G电子战飞机、F一35B/C联合打击战斗机、MV一22倾转旋翼机、J-UCAS无人作战飞机、CH一53K重型运输机、EFV远征战斗车、“战术战斧”导弹等。DDG 1000驱逐舰自然也是其中的重点发展装备。

  多舛的命途

  DDG1000的研发工作进展一直不顺利,原因大致可以归纳为这样几点。一是与战略调整结合不紧密,在新的战略中定位不准,论证周期长,其间美国海军多次调整战略,需求也不断随之发生变化;二是过于追求高新技术,致使建造费用飙升,现在平均每艘造价33亿美元;三是与新一代巡洋舰的界线不明显,基本可以说是新一代巡洋舰的过渡舰。因此,该级舰在DD 21时期,开发的重点是对陆攻击能力,现在配合战略调整,逐步成为一型多用途舰,具备超过“宙斯盾”巡洋舰、驱逐舰的防空、反潜和打击能力。

  从上世纪80年代起,美国海军就开始深入地分析、论证2000年后水面舰艇该如何发展。90年代初,美海军开始设立专门主管机构负责SC 21(面向21世纪开发的水面作战舰艇的计划代号)项目技术开发工作,原计划在该项目之下,研制系列水面作战舰艇,以逐步替换现役的护卫舰、驱逐舰和巡洋舰。该项目的核心是发展21世纪的驱逐舰,1997年定名为DD 21计划,2000年首舰命名为“朱姆沃尔特”号,预计建造32艘。

  2001年布什政府上台后,对国家军事战略进行了新一轮调整,并重新审核了在研的重大装备项目。国防部于11月宣布停止DD 21计划,随后以DD(X)计划取而代之,并沿用DD21开发的新技术。其理由是经费紧张,为了有效利用有限的预研、建造费,不再单独研制、建造3个舰种,而是集中精力、财力开发新一代系列多用途舰,走横向技术一体化的发展道路。3个舰种是替代护卫舰的濒海战斗舰LCS、接替斯普鲁恩斯级驱逐舰的DD(X)、取代提康德罗加级巡洋舰的CG(X)。

  2002年4月,美国海军确定由诺斯罗普·格鲁曼公司担当DD(X)的主承包商,采办30艘,可没过多久,国防部进行了大幅度削减,最终可能只采办5~7艘,计划2007年开始建造,2013年服役。削减的原因是国会认为花费33亿美元买80个垂直发射装置和2座155毫米舰炮实在不值;巨大的超级驱逐舰与现行战略不相符,对灵活、快速作战的贡献不太,在设计上依然是过于注重对陆攻击,带有浓厚的“由海向陆”战略的味道,不具备多用途性,对反恐作战支持力度不足。它与CG(X)的区别不明显,从外观上看,只是加长舰体、拆除了2座155毫米炮塔,而动力系统和舰体是一样的。从作战能力上讲,CG(X)具备弹道导弹拦截能力,导弹数量更多、防空雷达系统的处理能力更强。

  2006年4月,DD(X)项目代号也改为DDG 1000,首舰仍以“朱姆沃尔特”命名。去掉项目代号中的x,标志着论证已经基本结束,即将转入施工设计和建造阶段。同年8月,巴斯钢铁公司获得第一笔1.15亿美元的施工设计合同,总价估计要超过3亿美元。根据同年10月公布的国防授权法,美国海军将在2007年与承包商签订采办前2艘舰的合同。

  虽说DDG 1000是美国军事和工业技术的结晶,其性能远远超过其他国家的驱逐舰,但前景并不看好。根据美国海军未来30年舰队规划,其中高方案是到2030年主要作战舰艇要增加到313艘,其中航母11艘,水面作战舰艇143艘,但只有7个名额归DDG1000;如果国会只批准256艘的低方案,那么它的命运就更难说了。

  从DDG 1000的发展历程中也折射出美国海军现在的装备发展思路已经发生了很大变化,第一,不再象冷战时期那样一味追求舰船的高性能,而是强调装备在作战体系中能够发挥的作用;第二,在方案论证中强调折衷选择,不一定非要选用最先进的技术;第三,经济可承受性成为决定采办的重要因素,特别是强调全寿命期费用,宁可在论证、建造阶段多花钱,也必须节约使用和维护费用。第四,装备发展紧紧围绕战略调整,满足未来作战需求,无论技术是否成熟、研制周期有多长,如果不满足上述条件,立即削减和废除。

 

穿浪船型集成上层建筑红外隐身3大技术改变外观
 
DDG1000全封闭式传感器桅杆进行性能测试

  从用户和设计者的角度讲,大量采用先进技术是新装备领先的基本保证,但是在一型新装备上过多地应用新技术会增大研制风险,同时会使研制成本一路飚升。因此,国外海军在发展新装备时,一般将新技术的应用定位在15%左右。

  DDG 1000从最初公布作战使用需求书至今已过了十几个年头,经过反复论证,美国海军选用了十大先进技术支撑着。根据美国海军最新公布的数据,其满载排水量14290吨,舰长182.9米,宽24.5米,吃水8.4米,比现役提康德罗加级巡洋舰还大。动力系统采用全新的综合电力系统,4部燃气轮机、2部功率为36兆瓦的推进用电机,总功率78兆瓦,双轴推进,航速超过30节。

  DDG 1000给人第一个深刻印象是它的外形,出于隐身的考虑,该舰采用了穿浪单体内倾船型。严格地讲,单纯的船型并不代表先进技术,但如果它与现代的隐身技术结合在一起,则增加了它的重要性。如此船型技术使得雷达反射面积很小,号称只相当于一艘渔船,以保证它不易被敌方传感器探测到,隐身性能可谓出类拔萃。

  从目前公布的设计图来看,DDGlO009~形给人耳目一新的感觉,与传统舰艇有很大区别,简约到了极至:舰首水线下明显向前伸,首部舰面只布置了2座155毫米舰炮,炮身和炮管全部采取了隐身措施。中部是长首楼型的集成上层建筑,外形与现役舰艇大相径庭,看不到桅杆和抛物线型的雷达天线。各种天线全部嵌在上层建筑的外墙上,考虑到电磁兼容问题,设计了各种雷达和通信天线的孔阵,并涂覆频率选择材料(FSS),仅限于特定的电磁信号通过。这种集成上层建筑和孔阵技术的英文缩写是IDHA。为了验证这一技术,美国正在陆地建造仿真模型,进行了各种试验。它还吸收了“阿瑟·雷德福”号驱逐舰上实验的“先进密闭桅杆/传感器”(Advanced Enclosed Mast/Sensor,AEM/S),不但可过滤吸收敌方雷达的电磁波,再加上简洁平滑的外型,能够大幅降低雷达反射面积。

  综合舰桥上装有SPY一3多功能雷达天线和VSR广域搜索雷达天线。舰首部有2座155毫米隐身型先进舰炮系统,机库上方装2座57毫米Mk110近防武器系统。上层建筑前后两舷有4座Mk57舷侧导弹垂直发射装置,共80个发射筒。可装载“标准2/3/6”舰空导弹、“战斧”巡航导弹、“阿斯洛克”反潜导弹。

  舰尾部设有直升机和无人机机库及其起降平台,它的下面是高速艇和无人艇的停放空间,在舰尾设有出入舱门。可搭载2架MH一60R反潜直升机,或是1架直升机、3架RQ-8B“火力侦察兵”无人直升机,另外还搭载2艘RIB无人艇。

  动力系统的烟囱和烟道全部与上层建筑合为一体,只有从顶部才能看到排烟口。为了降低舰体的红外特征,在研制过程中,试验了多种红外隐身技术,建造了排烟口以及其他重点部位的红外实体模型,确认了利用水冷和空气冷却控制温度的效果。全舰计算机网络,自动火灾控制系统两项技术融入“网络”

  “网络中心战”是美国海军为之奋斗的目标,也是装备发展的主线,DDG 1000的研发自然也不例外。为此,美国海军在舰上营造了全舰计算机网络环境(TSCE),以使该舰在未来的网络中心战中充分发挥各种作战能力,这也是美国海军开放式结构策略的首次大规模应用。其特点是:全舰所有系统全部由局域网连接;所有设备尽可能采用民用成熟技术和标准化的软件;告别以往专为某型设备、某级舰、单舰设计软件的做法,以便日后升级、维护,以降低研制和使用成本;适应现在和未来的各种作战任务;支持维修、补给、舰员训练等各种辅助性任务。

  DDG 1000装有一个集成的开放式体系结构的综合舰桥系统(IBS),包括海军电子制图显示和信息系统(ECDIS—N)、航海规划,综合导航态势图、碰撞和水雷规避以及舰艇机动控制。它支持航海规划/执行、操纵控制和通信等自动化导航任务。

  当舰艇遭受外部攻击,或发生舰内事故时,损管是舰艇设计必须多加考虑的重要课题。在DDG 1000上,利用网络将监视火灾等事故的传感器、摄像头、自动消防装置连接在一起,构成自动火灾控制系统(AFSS)。AFSS可在很短的时间内消除火灾,美国海军曾在退役驱逐舰上进行了多次试验。该系统不仅在平时和战时提高舰的生存能力,同时也减少了损管部门的人员编制。

  在通信方面,可圈可点之处意外的少。在上层建筑上除了雷达天线以外,还装有微波通信天线、全球定位系统天线、UHF卫星通信天线、“协同作战能力”(CEC)系统天线、联合战术无线电系统天线、数据链天线等多种设备。原因可能是现有装备已满足近期的需求,再就是“部队网”还出于论证阶段,具体方案还在酝酿之中,大的改进可能应用在后几艘舰上。

  MFR,VSR相控阵雷达 擦亮双眼的“绝活”

  对驱逐舰来说,探测装备的重要性不言而喻。为此,美国海军在舰上加装了AN/SPY一3多功能雷达、广域搜索雷达(VSR)。它们代表着当今舰载雷达的发展水平,其应用无疑是为该舰装上了一对千里眼。

  AN/SPY一3多功能雷达(MFR)是一种x波段的主动式相控阵雷达,天线外形尺寸为2.72×2.08米,重约2.5吨,系统全重约20吨。布置在上层建筑的外壁上,前部左右舷各1块,后部1块。该雷达最大特点是低空搜索性能优异,可为各种舰载导弹提供目标指示,特别是对高超音速、掠海飞行的隐身巡航导弹具备很强的早期探测能力,这对未来的水面舰艇而言,至关重要。据说1部SPY一3多功能雷达就相当目前海军作战舰艇上5部以上雷达。

  广域搜索雷达(VSR)为S波段的主动式相控阵雷达,天线外形尺寸为4.06×3.86米,重约10吨,系统全重约28.5吨。具备三维搜索能力,范围从低空到高空,距离超过500千米。VSR雷达使用了全数字化的发射/接收模块和全新的天线阵结构,并结合了最先进的技术(如直接数字采样、高动态率A/D转换器、高性能计算机和光纤接lCl),这些技术均源于商业通信、计算机、网络技术,并根据海军对于雷达系统性能的要求进行了改进,在采办上具有风险低、费用少的特点。主要的技术风险是数字收发机处理带宽超过10吉赫兹的随机波形的精度。

  两型雷达有许多共同的特性,在许多方面也是通用的,MFR/VSR雷达成套配合使用,具有人力需求少、费用低等优点。它们的共性是对探测的目标进行精确的跟踪,提供目标指示,搜索/跟踪海上、陆上目标,获取反舰作战和对陆攻击所必要的信息,有限的广域搜索,区域搜索,利用目标发出的电磁信号,进行被动搜索/跟踪,毁伤评估等,其总耗的2000千瓦电力由辅助发电机供电。

  虽说它们有许多共同点,但是各有绝活,通常是各司其职。SPY一3主要负责水平方向的搜索/跟踪,探测潜望镜状态下航行的潜艇、海面漂浮的水雷,海上搜救与导航,搜索/跟踪无人机等低速空中目标,为舰空导弹提供目标照射、上传目标数据,目标识别、威胁判断等。VSR主要是利用自身宽大的雷达天线进行广域搜索、跟踪目标,并负责海上的气象观测。

  两型雷达搭配使用可实现在广阔海域从海面到天顶半球内的精确探测,早期捕捉来袭的威胁目标,采取恰当的作战行动。这种搭配模式将是美国海军新一代舰艇的标准配置,除了在DDG 1000上使用以外,新一代航母上也将装备这两型雷达。其中,新航母上将用广域搜索雷达(VSR)替代现役的SPS一48E、SPS一49和SPN一43等单一功能的雷达,以达到减少雷达数量的目的。VSR还可为多功能雷达(MFR)提供目标提示。AN/SPY一3多功能雷达(MFR)将取代尼米兹级航母上的SPS一67、Mk 95照射雷达、SPQ一9B的Mk 23 TAS、SPN一41/46等多型雷达。MFR的设计目标是能够探测到绝大多数最先进的、特征信号值低的反舰巡航导弹(ASCM),并为“改进型海麻雀”导弹(ESSM)、“标准”SM一2/SM一3导弹以及未来发展的反巡航导弹导弹提供火控照射。MFR雷达截面积小,自动化程度极高。

 

DDG1000战机火力不是一般舰艇可比(图)
 
前甲板主炮采用隐身设计,炮管平时收藏在隐身设计的箱内,这在以前是不敢想像的。

  舷侧垂发、隐身舰炮、水下战系统“三招”提升作战能力

  虽然在美国海军的舰艇发展中,“火力”的排序始终比苏联的舰艇(通常排在首位)靠后,现在排序是网络、电子设备、居住性、试航性、武器、航速,原因是水面作战舰艇最核心的任务是为航母护航,但是它的“火力”也不是一般舰艇可比的。

  DDG 1000将装备新研制的Mk 57舷侧垂直发射装置,装有80个发射单元,可以装载美国海军现役的各种舰空导弹和“战斧”对陆攻击导弹、“阿斯洛克”反潜导弹,以及正在研制的“标准”3/6导弹。第2个主要装备是称为“先进舰炮系统”的155毫米隐身舰炮,该炮配备3种弹药,以满足不同射程的需要。最远的是“远程对陆攻击弹药(LRLAP),借助固体火箭助推,可打击100海里处的目标;其次是对舰攻击制导弹药,射程30海里,弹丸前部装有毫米波寻的头;第3是传统的155毫米弹药,射程22海里。共计备弹990发,其中第1种弹药70发。

  “标准”6 ERAM(增程主动导弹)舰空导弹主要用于对付低空

超音速巡航导弹,重1479千克,长6.5米,利用原来为战区导弹防御研制的“标准”2blockIVA(射程168千米)的弹体改装而成,射程应该相差无几。必要时可以搭载“标准”3导弹承担弹道导弹拦截任务。

 

  DDG 1000没有装备“密集阵”和“拉姆”导弹等近程防御系统,在机库左右舷各装了1座Mkl00型57毫米单管炮,主要目的是对付近距离的水面舰船,或恐怖分子的小型船艇,末端防御能力不如现役的“密集阵”近防武器系统和“海拉姆”导弹。后二者的任务将由“改进型海麻雀”接替了。当然,在必要时也可遂行对空作战和拦截反舰导弹。该炮由瑞典“博福斯”57毫米炮改进而成,最大射程17千米,射速220发,分,射界为一10~+77度,旋转范围360度,炮塔内备弹120发。后续舰还可能装备正在研制的电磁炮。

  为提高反潜作战能力,引入了综合水下战系统(IUSW)。该系统的传感器主要有舰壳声呐和拖曳声呐。舰首向前突出部分装有舰壳声呐,为中、高频工作的双波段声呐,每个阵元可应对2个不同的频率,这是一项关键技术。中频用于潜艇探测,高频用于水雷探测。舰尾可拖放拖曳阵声呐。按美国海军网络中心反潜战的概念,最重要的是尽早发现敌潜艇,在编队中形成共享的同一态势图像,攻潜将由处于最合适位置的作战平台实施。先进的技术和创新的概念将保证美国海军未来反潜作战的领先地位。水下战的鱼雷对抗措施目前还未公布详细情况。

  为了保障全舰的隐身效果,三联装鱼雷发射装置布置在舰体内部,配备Mk 50/54轻型鱼雷。舰上搭载的直升机和无人机将进一步提高综合作战能力。

  综合电力系统强壮“心脏”

  美国海军现役水面作战舰艇多是配备LM2500燃气轮机,由它驱动主轴,带动螺旋桨,而在DDG 1000上采用了综合电力系统(1PS)及电力推进装置。这是美国海军首次在水面作战舰艇上使用该系统。新系统可根据耗电量对发电量进行调整,从而大大提高电能的使用率。除了为推进系统供电以外,还可为全舰其他系统以及未来可能上舰的激光武器、电磁炮等新概念武器系统供电。综合电力系统的优点是,便于推进系统随时提速,而且安静性好;运用、维护成本低等。

  系统有主燃气轮机发电机、辅机,各2台,在竞标时罗尔斯’罗伊斯公司的MT30燃气轮机胜出。该燃气轮机是航空

发动机“特伦特”800的衍生型,在环境温度26度时,单机最大持续功率为36兆瓦。最大的特点是瞬时提速快、噪音低、可靠性好。燃气轮机单机重6.2吨,包括交流发电机、机壳等外设在内,共重77吨。推进用的电机,曾几易方案,先是选用了小型、易维修的永磁同步电机,后因绝缘和温度等问题,改为先进感应电机(AIM),最近传出消息说,美国海军又看好高温超导电动机,功率为36.5兆瓦(约5万马力)。2台推进电机总输出功率达10万马力,可为该舰带来30节的航速。

 

  向舰内系统供电的是辅助发电机,采用2台通用动力公司的LM500燃气轮机,最大发电能力为3.8兆瓦。 这里通过一组数字对比DDG1000和DDG51,以此加深对DDG1000的了解:在支援火力方面,它是DDG 51的3倍;在全舰综合防御能力方面,是DDG 51的10倍,在防御反舰导弹方面,作战能力增加了3倍;在浅水区域水雷战能力方面,增加了10倍;在雷达反射截面积方面,减少T50倍;人员编制只有142人,比DDG 51(314人)减少了62%。当然它的造价达33亿美元,是DDG 51的3倍多,这一致命问题使DDG 1000险些被扼杀在摇篮中。由于美国海军采取螺旋式渐进发展采办策略,DDG1000还会不断改进、完善。

 

图文:DDG1000采用穿浪单体内倾斜船型
 
 DDG1000采用穿浪单体内倾斜船型。19世纪中叶,钢铁告的水面作战舰艇问世后,部分战舰曾采用此船型,二次大战后便销声匿迹。

  从上世纪80年代起,美国海军就开始深入地分析、论证2000年后水面舰艇该如何发展。90年代初,美海军开始设立专门主管机构负责SC 21(面向21世纪开发的水面作战舰艇的计划代号)项目技术开发工作,原计划在该项目之下,研制系列水面作战舰艇,以逐步替换现役的护卫舰、驱逐舰和巡洋舰。该项目的核心是发展21世纪的驱逐舰,1997年定名为DD 21计划,2000年首舰命名为“朱姆沃尔特”号,预计建造32艘。

 

图文:美军DDG1000未来战舰四视图
 
美军DDG1000未来战舰四视图

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