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微观航母之装甲防护
发布时间:[2021-03-26]  查看次数:

二战时期,航母的装甲防护侧重方向首先就是“水平防护”,应对的就是敌方航空兵的空中垂直攻击。这时期舰载机对航母的主要攻击方式是俯冲轰炸,舰载机在航母上空俯冲投弹,炸弹借助俯冲的动能对飞行甲板进行动能穿甲和爆破杀伤。到了二战末期,美英海军的航母还要面对日本“神风”特攻队俯冲撞击的自杀式攻击。而航母上的机库和飞行甲板就是航母战斗力的直接体现,所以航母的“水平防护”就是针对机库和飞行甲板的防护,直接体现就是增加两者防护装甲的厚度。在敌方航空兵的威胁下,强化的飞行甲板可将空袭弹药的爆炸阻止在飞行甲板之上,保护了下面的航母机库,将危害降到最低,以后对舰体的修复也会更容易些。但这种绝对正确的防护理念,落实到航母舰体结构的具体设计上,会存在着平衡取舍的难题。

增强航母飞行甲板的防护,也就是提高飞行甲板的厚度。但厚度的增加,随之量变引起质变的就是整舰装甲重量上的增加。即便航母飞行甲板的厚度只是50或60毫米,较于同时期的巡洋舰乃至战列舰的侧舷装甲都不值一提,但考虑到航母飞行甲板巨大的面积,最终换算出的装甲重量对于当时2万、3万吨排水量的航母来说几乎就是不可承受的。

装甲重量的增加,也意味着航母排水量的增加,这对于建造成本的增加还是可以接受的,不可接受的是对航母其它方面性能的牺牲。在飞行甲板上增加的重量,直接增高了舰体的重心,严重影响了航母的航行性能和操纵性。装甲重量的增加,自然要以占用舰载机、武器弹药和燃油武器的装载空间重量为代价。因此,增强航母的水平防护、提高防护装甲的厚度,同样要考虑“度”的问题。毕竟,随着弹药对甲板的贯穿能力的提升,在越来越强的弹药威力面前,以牺牲航母其它的性能来一味地增加装甲厚度已不是万全之策。

也正是因为航母的水平防护与航母的舰载机搭载量、航速等性能上存在很难调和的矛盾,所以美国海军在30年代时对航母的防护几乎是放弃的,将胜利的希望全部寄托在了先发制人的“全甲板攻击”,在最短的时间放出最大的攻击机群来完成对敌方航母的致命一击。虽然,后来的美国航母在防护上不再这么激进极端,但适度折中的航母防护还是要让步于“全甲板攻击”理念,来保证舰载机搭载量和舰载机的快速起飞能力。所以,我们看到,在相当长时期内美国航母在舰体结构的强度甲板上铺设的飞行甲板都是木质的。这样的飞行甲板对落在上面的炸弹几乎谈不上什么防护,但在战时受损后更方便抢修更换,能快速恢复舰载机起降能力。

而同期的英国海军对航母的装甲防护有着与美国截然不同的理念。对于航母装甲防护高度重视的英国海军,30年代中期提出了“装甲航空母舰”的概念。防护的“度”是使航母的飞行甲板能够经受住轻巡洋舰的152毫米炮弹、皇家空军当时使用的227千克(500磅)重磅炸弹的打击。而且与美日海军的主流做法不同,英国海军的航母是直接以飞行甲板为强度甲板。所以在英国装甲航母的舰体内部,由76毫米厚的飞行甲板和110毫米厚的侧舷装甲组成了封闭式的机库,加之舰体内部舱壁还有64~76毫米厚的分隔组成的“防火走廊”,整个机库宛如坚不可摧的大钢箱。其装甲防护能力,可以抵御454千克(1 000磅)炸弹的直接命中,基本解决了航母因炸弹洞穿飞行甲板、落入机库爆炸造成损伤的问题。但这样的“重装”防护是以牺牲航母的其它性能为代价的。

以最具代表性的英国装甲航母“光辉”级为例,“光辉”级的舰体重量在5 000吨左右,但防御装甲的重量竟达到了1 500吨,因此造成的排水量增加和干舷过低,只能通过缩短全舰长和机库尺寸来“亡羊补牢”。“光辉”级航母虽然排水量比“皇家方舟”号多1 000吨,但机库尺寸却小了40%,仅能设置一层机库和容纳33架舰载机,机库的高度也限制了以后更新、更大的舰载机上舰的可能。

但“光辉”级的实战表现在一定程度上肯定了装甲航母设计上的通过牺牲航空作战能力所换取的生存能力。1941年1月6日,以“光辉”号装甲航母为首的英国海军编队在为5艘给北非战场运送物资的商船护航时,遭到了德国空军43架Ju-87俯冲轰炸机的攻击。在空前猛烈的轰炸中,“光辉”号的飞行甲板被500千克的重磅炸弹穿透了,甲板上没有装甲防护的升降机被命中塌陷,机库这个“装甲箱”也变得千疮百孔陷入一片火海之中。

不过,“光辉”号的装甲结构还是经受住了这次空前密集的空中火力打击,其装甲结构保证了这艘航母的损管消防作业的展开,特别是舰体内部的航空汽油舱没有破裂受损(否则汽油蒸汽就是一颗内部重磅炸弹),最终通过舰员们训练有素的“抢救”,“光辉”号上的危险局面得到了控制,靠自身动力驶入了马耳他瓦莱塔的大港,并最终扑灭了舰上的大火进行了应急修理。在瓦莱塔,“光辉”号又被再度来袭的德军飞机命中了两枚炸弹,该舰的机库、甲板和上层建筑都遭到了严重毁伤。1月23日傍晚,遍体鳞伤但生命顽强的“光辉”号借助夜色离开了马耳他,以25 节的航速经苏伊士运河和好望角前往美国,进入诺福克海军船厂大修,最后在1941年底返回战斗岗位。

而后的1944年秋,盟军在大西洋取得了压倒性的优势后,3艘“光辉”级航母悉数调往远东组成英国太平洋舰队参加对日的作战。“光辉”号的姊妹舰“胜利”号、“可畏”号在战斗中都遭到了日军“神风”特攻队的自杀式攻击,不过都未造成严重损伤,修复后又重新投入了作战。这也是对装甲航母生存能力的又一个侧面体现。

对于“光辉”号1941年的这次死里逃生,毫无争议的事实就是,装甲航母“光辉”号展现出了比同期其它任何一型航母都要强的生存能力。但辩证来看,对于装甲航母的设计理念也不免会有这样的疑问,若“光辉”号奉行的是美国航母的“全甲板攻击”,采用轻防护的机库也就能搭载更多的战斗机,那么这次面对来犯的Ju-87“斯图卡”俯冲轰炸机,“光辉”号就可以做到主动出击,将机动笨拙的“斯图卡”击落或驱逐,而不是只有被动挨炸的招架之力。而这样的疑问,凸显的正是航母同时兼顾防御与进攻的困难。

在英国的“光辉”级装甲航母陆续入役的同期,亚洲的日本在“大凤”号航母上也选择了重装甲防护的设计理念,只不过与英国装甲航母将机库打造为“装甲箱”的思路迥异。日本在“大凤”号航母上选择了将飞行甲板来作为防御的重点,并且日本军方还提出了远比英国海军苛刻的防护标准。不过,较于在战场上的“光辉”级的全身而退,将装甲防护性能展现得淋漓尽致的“大凤”号,这艘强调生存性、高防护的大型重装甲“不沉の空母”,却似乎受到了命运的捉弄……“大凤”号是二战中日本海军建造的最为现代化的大型航母,设计上一改日本航母的传统。日本海军航母的命名规则,舰队航母通常是以龙、鹤来命名,如“云龙”、“飞龙”、“翔鹤”等,设计上由商船或军舰改造而来的航母多以鹰、凤命名,如“隼鹰”、“云鹰”、“瑞凤”等。但这艘列入1939年度《丸四舰艇补充计划》的重防护的舰队航母却是以“大凤”为名。“大凤”的命名,自然也是祥瑞的名字,寓意着体型庞大、雄伟强健的大鸟,这也与“大凤”号29 300吨的标准排水量相称。

“大凤”号可谓是集多种创新设计、技术精华于一身,这其中就包括“封闭式舰艏”,这也是与上文中的英国航母的联系之处。因为世界上第一种使用封闭式舰艏的航母是英国海军1932年建造的“竞技神”号,而“大凤”号是唯一安装了封闭式舰艏的日本航母。采用封闭式舰艏给“大凤”号设计上带来的收益之一就是飞行甲板得以向前延伸,257.5米长的飞行甲板是日本海军航母中最长的。而“大凤”号与英国装甲航母最大的联系是“重防护”,而且在装甲防护的“度”上更是有过之而无不及。

“大凤”号的装甲防御系统是围绕飞行甲板展开的,在日本海军的最初设想中是用装甲覆盖整个飞行甲板,以达到最全面的防护效果。这当然也会遇到与英国装甲航母一样的舰体重心升高、影响航母的稳定性和机动性等问题。

所以,“大凤”号的装甲防护只能退而求其次,采取飞行甲板局部重点防护的策略,只在前后升降机之间的飞行甲板上铺设防护装甲,以确保舰载机起飞时所需的最小限度的飞行甲板能够得到足够的保护。

“大凤”号飞行甲板的装甲防护在初期设计中,前后升降机间的防护装甲形式是两端窄中央逐渐变宽,覆盖了整个甲板面积的50%,装甲厚度是60毫米。这样的防护能够抵御从700米高度投下的500千克炸弹。但日本海军对这样的防护水平很不满意,军方对“大凤”号的防护能力的预期是非常之高的,那就是能够防御在1 300米高度俯冲投下的800千克炸弹和在4 000米高度投下的500千克炸弹的水平轰炸。因此,在随后升级的“大凤”号飞行甲板防护方案中,防护装甲在对飞行甲板的防护面积拓宽的同时,厚度也做了大幅提升,采用了双层装甲结构的75毫米防护装甲加一层20毫米特种装甲。这样的装甲厚度足以抵御500千克炸弹的命中,但军方仍然认为无法应对高空水平轰炸,不过最后还是放弃了继续强化装甲的想法。毕竟,100毫米以上的装甲将严重影响“大凤”号的性能,而且战场上的高空水平轰炸虽然威力大于俯冲轰炸,但命中率低,美军更多的是以500千克的炸弹实施俯冲轰炸。

“大凤”号对飞行甲板防护的精心设计,不仅限于这95毫米厚度装甲的铺设。为增强飞行甲板的结构强度,“大凤”号取消了中部升降机,飞行甲板前后两部升降机还铺设了两层25毫米特种装甲,这也使得升降机的重量达到100吨。而且,“大凤”号对飞行甲板下面机库的装甲防护也没有忽视,不仅在机库顶部铺设了10毫米特种钢板,还在飞行甲板和机库顶部之间预留了70厘米的空间,以缓解落在飞行甲板上的炸弹对机库的爆炸冲击。另外,自诩为“不沉の空母”的“大凤”号,在舰桥、动力舱、燃料库、弹药库等核心重点舱室也是重甲护身。

相对而言,“大凤”号的侧舷装甲稍显薄弱,上部为165毫米,自上而下变薄为下部的55毫米(另一说法是,70~185毫米)。不过,“大凤”号在舷侧的中央部位设置了两道22毫米的防护隔壁,外侧隔舱内注入油水,形成1米厚的重油保护层,能够吸收30%的鱼雷爆炸威力。而且,“大凤”号是双重船底,轮机舱、动力舱、弹药库等处都采用了多层舷侧隔壁结构,所以才会有“川崎神户造船厂的员工自信地认为,‘大凤’号即使挨上10~20枚鱼雷也不会沉没”一说。但日本人在“大凤”号航母上这般精细严密的防护设计,构建的应对水面、水下各种威胁的多重防护,最终换来的却是:一枚鱼雷引发的“蝴蝶效应”,终结了“不沉の空母”。

1944年6月19日上午,马里亚纳海战中作为小泽第1机动舰队旗舰的“大凤”号,高悬Z字旗,与“翔鹤”号、“瑞鹤”号共同放飞出了最大的舰载机攻击群,这时的“大凤”号处于美国海军舰载机攻击的“安全”范围之外。但在8时09分,水下蛰伏的美军潜艇“大青花鱼”号(USS Albacore,SS-218)以“大凤”号为目标发射了6枚鱼雷,前5枚均未命中,第6枚命中了“大凤”号前部升降机的右舷。虽然“大青花鱼”号的这枚MK14鱼雷,对于“大凤”号来说似乎只是“隔靴搔痒”,并未造成重大伤害,但爆炸的冲击还是使得前部的升降机出现故障,卡在了升降的中途,爆炸的冲击还震裂了右舷前部油舱壁。而这两处看似不相关的小伤,最终却将“大凤”号这座海上装甲堡垒从内部引爆。

前升降机的故障,导致了飞行甲板在前升降机处出现了大空洞,影响了舰载机的起降作业,“大凤”号的舰员们就用各种材料填补了前升降机口。这在保证飞行甲板恢复了起降作业条件时,也使得飞行甲板下的机库成为了密封的舱室。此间,“大凤”号右舷前部油舱壁的破裂,造成了燃油的不断挥发并在密闭的机库内积聚,挥发油气造成了人员中毒,但更危险的是挥发的油气成为了舰体内部的重磅炸弹。这样危险的局面,1941年Ju-87轰炸下的“光辉”号也曾面对。而此时的“大凤”号,距离杀身之祸、命运捉弄、结局凄惨只差那么一个小小的火星。下午2点32分后,“大凤”号全舰大爆炸!

“大凤”号,自1944年3月7日正式入役日本海军短短三个月的服役生涯中,装甲防护并没有经受严峻的考验!这对于作为重装甲防护航母的“大凤”号而言,亦或说是强烈讽刺吧!虽说“大青花鱼”号的鱼雷并未直接终结了“大凤”号,但“大凤”号的战沉还是为鱼雷又增加了一个战例。而盘点二战时期航母被击沉或击伤的战例,对航母造成损伤的各种武器弹药中,占最大比例的正是鱼雷。因此,在矛与盾的攻防中,二战航母针对水下鱼雷的防护,以及战后反舰导弹兴起使航母对舷侧防护的重视,将会是下期《微观航母》行文的重点。

航母装甲防护结构形式的变迁

包括航母在内的大型水面舰艇的装甲防护,也随着舰艇技术的发展共同进步着,而且在不同的历史阶段,由于技术水平和海战武器的不同,装甲防护的结构形式也有所不同。在飞机问世以前,大型战列舰的装甲防护主要是舷侧外挂254~508毫米的“装甲防护带”,来防御大口径火炮平射的穿甲弹。水下防雷舱结构也很早就在大型战列舰上出现,以抵御鱼雷的攻击,为了强化防雷效果,还会增加一道水下外凸舱室(也就是“防雷突出部”),使防雷的进深加大,提高了水下防护能力。

随着飞机在战争中的应用,航空炸弹对舰艇构成了较大威胁,舰艇的甲板防护在一战后也得到了广泛重视。而二战早期以及战前的各国航母,在设计和建造上还多由战列舰改装而来,所以也重视水下防雷舱和飞行甲板的装甲防护。不过,这时期航母的设计还在延续传统的视距内舰炮对轰的海战思维,被认为还会参与水面的炮战,所以航母水线附近的舷侧依旧做了装甲防护上的重点强化,舰上还保留了大口径主炮。

二战后,重炮巨舰的海战模式成为了过去时,可航母刚称霸海洋不久,就面临着导弹技术的兴起。在“导弹万能论”盛行时也在散播着“航母无用论”,特别是反舰导弹已经开始对航母的战场生存构成了极大的威胁。加之,二战时期“航母杀手”的鱼雷依旧还是老麻烦。所以,在战后新一轮的生存危机中,航母装甲防护的结构形式也发生了较大的变化,总结说来就是舷侧装甲防护带的取消,和“防雷舱”这种多舱防护结构在舷侧防护上更大范围的应用。

这样的装甲防护结构变化在美国60年代建造的“福莱斯特”级航母上开始体现。在“福莱斯特”级航母的装甲防护结构剖视图上,过去“重点加粗”了的舷侧装甲防护带取消了,代表着多舱防护结构中纵壁的“细线”不断向舰体上部延伸。这种改变与现代的海战模式和反舰武器的攻击特点有着紧密的关联性。

现代反舰导弹为了增强攻击的隐蔽性、提高突防能力和毁伤效能,多采用末端掠海飞行、末端超音速突防,以及对舰体舷侧近水线部位的攻击模式。而且反舰导弹的战斗部或是半穿甲或是聚能装药破甲战斗部,过去以增加装甲厚度的方式来防御反舰导弹已经行不通了,已经很难做到被击中后不受损伤。所以舷侧的防护转变为将不可避免的受损或毁伤控制在允许的局部范围内,通过多道内部舱壁来保持舰体的水密,提高舰艇的生存能力和作战能力,也就是多舱防护结构在航母舷侧防护中得到广泛应用。而说到多舱防护结构,还要从典型的防雷舱说起。

鱼雷的毁伤与“多舱防护”的防雷舱

相较于反舰导弹贯穿舰体外板后在舰体内部的引爆,鱼雷的毁伤效应则更为复杂,特别是鱼雷攻击的是舰体的水线下。当鱼雷与舰艇在水下接触爆炸时,爆炸产物和水中冲击波直接作用在舰艇壳体上,会导致舰体的较大破口或大面积塑性变形,严重的会导致断艏、断艉、舰体从中部的折断;在爆炸区域,强烈爆炸冲击波与大量高速破片可能导致舰上设备、管系、人员等的严重损伤,或者电器设备的短路起火、弹药和油气的爆炸等更严重后果;当爆炸的冲击波作用于充满液体的舱室时,冲击波还会通过舱内液体向其它舰体部位扩散。

即便是鱼雷与舰体发生非接触性的爆炸,冲击波和水中气泡载荷同时作用在舰艇上时,也会造成舰体局部的破口、裂缝、变形等损伤,特别是气泡载荷对舰艇的强烈震动,将会对舰体的结构强度、舰上的精密设备和人员造成更大范围的损伤。如果再遇到恶劣海况,受损舰艇还会因为舰体的升沉、纵横摇运动的叠加,受到二次损伤,乃至引发因舰体局部受损造成的整舰的结构毁伤。

所以,以防雷舱为代表的“多舱防护”有着如下的结构来应对鱼雷的毁伤。

在舰体外板内设置空舱,内部交错布置着隔板(扶强材),为第一道防线,给接触爆炸或被穿透的外板提供变形空间,供爆炸后产生的气浪膨胀,从而迅速减弱冲击波的压力,该舱称为膨胀舱。空舱再向内为常满的液舱,装有水或重油,用于吸收鱼雷的战斗部爆炸后将外板炸坏产生的高速碎片和弹片,衰减破片弹片的速度,防止破坏内层防护纵隔壁。液舱内部还可根据防护需求再设置第二个空舱,进一步吸收爆炸冲击波和气泡脉动的能量,降低作用于内层防护纵隔壁的冲击压力,该舱称为吸能舱。吸能舱再往舰体内部设置的是第三空舱和防护纵隔壁,作为多舱防护结构的最后一道防线,再次阻隔冲击波及破片对内层舰体的破坏,对舰艇的生命力起着至关重要的作用。第三空舱可供防护纵隔壁作较大的塑性变形以更有效地吸收爆炸能量,保证军舰内部舱室不进水,所以这层舱室的功能上还要兼顾着水密。多舱防护结构中的防护纵隔壁是舷侧多舱防护结构的重要组成部分,作为可牺牲结构,通过破损和大的塑性变形来大量吸收冲击波能量,达到保护舷侧内部舱室的作用,是舷侧防护结构中吸能的主要力量。防护纵隔壁的厚度为35~50毫米,其材料为高强度的特种装甲钢。

上述的膨胀舱、吸能舱和水密舱,是以功能属性来划分的。而随着新材料和新结构形式的出现,这种多舱防护结构在航母上也在调整与改进。比如说,从剖视图上来看,“福莱斯特”级的多舱防护结构是5个舱室的结构形式,而到了“尼米兹”级航母上则变成了更为分明的3个。从并不算多的船坞中航母建造的相关照片来看,“尼米兹”级舷侧防护结构的这3个舱室,最外侧的是膨胀吸能的空舱,内部的是大小液舱,装载燃油和淡水,平时作为航母上的必要舱容,在需要时则通过液体的阻抗特性进一步衰减冲击波能量。而且小液舱内还有相对密布的隔板构件,也成为了舰体内部重要舱室的有力屏障。

这种“多舱防护”理念也体现在航母的船底结构中。航母的船底承受着建造中坞墩的反力、结构上的总纵弯曲力矩、外部静水压力、航行时的波浪拍击力和螺旋桨水动力等动力负载,所以航母的船底都要通过双层(甚至三层)结构来重点强化。在两层船底之间是横纵密布排列的加强用肋板、纵桁等构件,在遭到水下攻击、爆炸冲击时,通过双层底与内部构件的变形来吸收爆炸能量、控制毁伤向舰体内部的扩散。

航母装甲防护设计的方法论

对作战能力有着较大影响的舱室,显然也包括航母甲板上最显眼的右舷的舰岛。但舰岛是密布各种雷达天线、电子设备和开设了大量周向舷窗的地方,显然舰岛又是特别容易被毁伤、防护上又没法做强的地方。

航母上的装甲防护,除了“多舱防护”、双层底和密布整舰的水密舱这种“以柔克刚”的防护外,还要对舰上诸多重点舱室进行“硬碰硬”的装甲防护上的全面强化。所谓航母上的重点舱室,是指对作战、生存、机动有着较大影响和威胁的舱室,比如作战指挥室、舰岛、机库、核反应堆、弹药舱、燃油舱、动力舱、主机舱等。这些舱室,根据其对作战能力和生存能力的影响,防御的武器类型、最终允许的毁伤程度等多方面因素来综合衡量,评定相应的防护等级。比如说,对航母上的核动力舱、主机舱的防护就要力争做到最后一层防护纵隔壁不被击穿或发生大的变形,不会有毁伤破片、弹片、气体进入;而像作战指挥舱、弹药库等舱室,则可以允许防护纵隔壁上出现破损,但是不允许弹片、破片的飞入,以防对关键设备和人员的伤害,严防弹药库被引爆;相对而言,像机库、燃油舱这类舱室的防护等级可以再次之,可以允许少量低速弹片、破片的飞入,但不能引起舱内燃烧或爆炸。

而对这些舱室的装甲防护强化,也就是增加特种装甲钢舱壁的厚度,再敷设凯夫拉材质装甲或陶瓷与钢的复合装甲。

可见,航母的装甲防护,不论是多舱防护结构、双船底,还是针对重点舱室的防护等级,都体现了选择性的取舍、体现着装甲防护要与航母舰体的总体设计相协调。

这是因为航母的空间和作为海上平台的浮力都是有限的,当这些有限的资源配置给航母的各个子系统时,即便是关乎航母生存性的装甲防护,也会有所限制约束。另外还可以看出,航母上的装甲防护结构是与舰体结构相互交叉的,是与舰体结构和强度要求相适应的。一定条件下,舰体结构也可起到装甲防护的作用,而装甲防护结构又可兼作舰体结构,共同保证舰体的结构强度。

关于航母装甲防护的上述文字都还只是纸上谈兵的概括性介绍,将“多舱防护结构”等概念落实到实际航母的设计建造时还需要更为严密系统的理论研究和复杂的实船爆破毁伤试验,需要将“多舱防护结构”落实为结构形式、舱室宽度、舱室布置、防护壁板厚等详细具体的参数。像美国这样的航母大国,还通过对“独立”号、“萨拉托加”号、“美国”号航母进行了实船实爆试验,测试航母在遭受空中、水面、水下的各类型武器饱和攻击时的舰体稳定性能,特别是舰体防护结构的防护效能,获得了大量接近于实战的参考数据。这些试验反馈最终将会在新一代“福特”级航母的防护结构设计上有所体现。

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