全艦衝擊測試 福特號航艦

為何美軍要炸自己的全新航空母艦?了解「全艦衝擊測試」!

美軍最新銳的第三代核子動力航空母艦「福特號」航空母艦(CVN-78)」在6月18日進行了在艦身旁100m處引爆18噸炸藥的「全艦衝擊測試」(full-ship shock trials),這是該艦正式部署作戰前的終極考驗,但為什麼要做這樣的測試?

全艦衝擊測試的意義

現代軍艦在海戰中,主要會承受三種「衝擊力」(impact force):

  • 一、發射武器的反作用力:例如艦炮射擊產生的巨大後座力,都要由艦體吸收,因此在艦體設計時,就要把吸收這些武器後座力考慮進去。
  • 二、敵方彈藥直接命中或爆炸,產生的衝擊力:例如反艦飛彈穿入艦體前的撞擊力道,以及在艦體內引爆的破壞力量。
  • 三、敵方彈藥在「接近船體的水中」引爆產生的衝擊力,例如「近失彈」(round short of target),日文稱”至近弾”(シキンダン),就是沒有直接撞擊到船體,但是成功在附近引爆的航空炸彈、水雷、魚雷或砲彈。

爆炸物在離船體很近的水中引爆,對船艦的破壞力,比同等量的炸藥在空氣中引爆,更為嚴重,這是因為水的密度約是空氣的800倍,且壓縮率約只有空氣的1/20000,所以能夠高效率的傳遞炸藥爆炸的能量!

▲利用微縮模型與少量炸藥,即可模擬水下非接觸爆炸對艦艇的破壞力。

在爆炸武器被導入海戰後,人們很快就認知到水中近距離爆炸對船艦的破壞力,其實早在19世紀就開始進行類似全艦衝擊測試的實驗,把炸藥在距離船身一定距離外的水下引爆,看看船體是否耐受得住。

二次世界大戰中,更發現裝填炸藥量遠超過砲彈的250kg以上航空炸彈,近失彈的破壞力更是巨大,驅逐艦之類的小型船艦通常會直接遭到嚴重損壞。

磯風號驅逐艦  至近彈
▲二戰中被近失彈(航空炸彈)引發的衝擊波浪,直接削掉艦艏側面艙壁的日本磯風號驅逐艦。圖片來源

甚至連排水量數萬噸,並擁有厚重水下裝甲的戰艦或航空母艦都不見得能扛住!例如在1942年的美日珊瑚海海戰中,美國航艦約克鎮號(USS Yorktown,CV-5)遭到日機圍攻後,只有一枚炸彈命中,該炸彈穿透甲板在艦體內爆炸造成多人死傷,但是大火很快被損管人員撲滅。

如果只有這一發命中彈,對滿載排水量2.6萬噸的航艦,不會造成戰力全失,不過約克鎮號還遭到12枚炸彈在船體附近水中炸開的「近失彈」破壞,造成三座鍋爐熄火、艦身多處破損漏油,其中艦尾的損傷最為嚴重:護航驅逐艦的官兵看見艦尾被爆炸力量抬起,四個螺旋槳空轉,艦尾甲板更被爆炸引發的巨浪扯掉,失去戰力只能撤退。

後來返回船塢檢查,近失彈除了前述損壞,還造成約克鎮號船體扭曲,龍骨變形,要90天才能完全修復(不過因為戰情緊急,僅花三天把重點部位略為修理,就出發參加中途島海戰)。

USS Yorktown 約克鎮號 CV-5
▲描述約克鎮號航艦的艦尾遭到多發近失彈破壞的畫作。圖片來源

此外,專門對付潛艇的深水炸彈(Depth bomb)也是利用水作為爆炸衝擊力的良好導體,炸彈不用接觸到潛艇,只需要在潛艇附近爆炸,就足以破壞潛艇。

深水炸彈
▲深水炸彈只要在潛艇附近引爆,震波憑藉水的良好傳導,就足以破壞潛艇。圖片來源

二戰後的軍艦不再以重裝甲作為防禦手段,而是以合理的艦體強度設計與艙室結構安排,配合高效率的損管來減少中彈後的損害,因此美國的現代化軍艦,就必須在建造完成後,接受適量炸藥(依船艦噸位調整)在離艦身很近的水下(通常在100m以內)引爆的衝擊,以評估艦身的防禦設計是否達到設計要求。

簡言之,水下爆炸過程中,船艦設計者能了解艦艇結構「真的」被爆炸波衝擊後的破損狀況,作為軍艦結構設計是否達標的重要大考,以及未來修補與設計其他艦艇的參考。

但全艦衝擊測試也不全然是防禦性質喔,因為若能經過測試,準確了解該爆炸當量下,艦艇結構破損,艦上設備,電子零件失靈的狀況,更能為設計攻擊艦艇的武器時,作為重要參考指標!

柏克級  全艦衝擊測試
▲柏克級神盾驅逐艦進行全艦衝擊測試的檔案照。圖片自該次測試分析報告中擷取。

真的有用:派里級抗炸實錄

全艦衝擊測試確實保證了美國現代化軍艦的抗炸能力,這也反應在各次實戰當中。以我國海軍也有裝備的「派里級」巡防艦為例,雖然在美軍序列中,派里級屬於「低配,可耗損」的艦種,但仍然接受過全艦衝擊測試。

派里級  全艦衝擊測試
▲進行全艦衝擊測試的派里級首艦派里號。圖片來源

1988年4月14日兩伊戰爭末期,派里級艦羅伯斯號(USS Roberts FFG-58)在波斯灣中部中了伊朗佈放的水雷,就在實戰中驗證其水下衝擊耐受力!

羅伯斯號當時在進行排雷作業,不慎引爆了一枚俄製M-08水雷 (炸藥量115kg),水雷在距離艦體中後段水線以下5m處引爆,該處正好是動力艙室,被炸出一個寬4.6m的內凹破洞,立刻大量進水,且爆炸的衝擊波,導致艦上兩具LM-2500燃氣渦輪脫離基座,附近的龍骨也扭曲變形,並造成10人輕重傷。

但羅伯斯號整體上的結構與設備強度,都拜已受過全艦衝擊測試之賜,除了動力艙外,其他設備沒有受到太大的影響,經過艦上人員搶修,其作戰系統與武器系統在隔日就恢復正常作業能力,最後由半潛舉升船運回美國修復。

USS Roberts FFG-58
▲派里級艦羅伯斯號遭到水雷近炸的破損情況。圖片來源

福特號航艦曾不想做全艦衝擊測試

雖然全艦衝擊測試經過實戰驗證,確實能夠強化美國軍艦的抗炸能力,但是也不是每一艘軍艦都需要做,通常只有在同級艦艇中挑一艘執行此測試即可。

因為雖然全艦衝擊測試能夠「最大程度貼近實戰」,挑出軍艦是否有抗炸能力的弱點,但是通常對於實驗的艦艇,仍會造成一定的破壞,而需要改進或維修。

此外現代化的艦艇電子系統多,如果不安裝電子系統就進行測試,沒有意義;但如果安裝電子系統再進行測試,一旦衝擊力造成電子系統故障,軍規的系統無論維護或是更換都是天價。

因此美軍根據幾十次測試的經驗計算,每次進行完畢全艦衝擊測試後,測試艦艇的維修費用,大概都是軍艦造價的5%。這個5%放在巡防艦之類的小艦艇,還可以接受,且過去美軍財大氣粗,神盾巡洋艦、驅逐艦炸下去也沒問題。

但是福特級航空母艦的造價是「127億美元」,一炸下去5%的維修費用就是6.35億美元,約合178億元新台幣!在美軍拼命節省軍費的現況下,福特號要不要做全艦衝擊測試,立刻就引發爭議,而且減少這項測試,還能夠加快已經拖延的福特號航艦正式服役程序…原計畫可是2014年就要服役!

不過在軍人出身的前美國國防部長馬提斯( Mattis,美國海軍陸戰隊上將退伍)力排眾議拍板下,福特號航艦還是規畫並執行了全艦衝擊測試。

外界推測「非炸不可」的原因是福特艦上的很多新設備,例如電磁彈射器,並沒有抗炸的前例可循,跳過測試…萬一電磁彈射器真的在實戰中因為爆震而停擺呢?此外解放軍的「彈道飛彈攻擊航母」戰法,攜帶的彈頭重量可能高達1噸,擊中艦體附近水域再引爆,威力超過大部分航空炸彈,必須有相關抗炸測試數據。

▲福特號航艦的建照過程縮時影片,其原本預算105億美元,但迄今已超支至127億美元。

福特號航艦測試影片與照片集錦

為了與影片與照片中的爆炸水花比較,先要了解福特號航艦的大致規格,其滿載排水量10萬公噸,全長 337m、全寬 78m、吃水 12m,其飛行甲板面積:約2.6萬平方公尺(333m × 78m)。

福特號航艦以兩個A1B核動力反應爐為動力核心,四軸推進,航速超過30節。航空設施方面擁有四具電磁彈射器,能夠搭載約75架大型戰鬥機尺寸的飛行器。全艦官兵約4600人。

這枚在福特號右舷100m處引爆的18噸炸彈,造成的水柱高達上百公尺,產生的衝擊波約等於芮氏規模3.9的地震!(以下圖片皆取自USS Gerald R. Ford – CVN 78臉書專頁)

福特號航艦  全艦衝擊測試
▲不同視角看福特號航艦進行全艦衝擊測試照片1
福特號航艦  全艦衝擊測試
▲不同視角看福特號航艦進行全艦衝擊測試照片2
福特號航艦 全艦衝擊測試
▲不同視角看福特號航艦進行全艦衝擊測試照片3
福特號航艦 全艦衝擊測試
▲不同視角看福特號航艦進行全艦衝擊測試照片4

▲不同視角看福特號航艦進行全艦衝擊測試影片。

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