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【类型:D/档】
【子目录01:自由贸易联盟武装力量体系】
【关键词层级筛选:太空军、太空巡洋舰、核动力、导弹】
【目标子目录:MR-R-1612号档案】
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【基本信息】
名称:亚利桑纳号核动力导弹太空巡洋舰(FTAS Arizona,SCGN-039)
所属:自由贸易联盟(Free Trade Association,FTA)
舰船类型:行星际巡洋舰(Interplanetary Cruiser)
舰船型级:宾夕法尼亚级(Pennsylvania-Class)
舰船分级:二等主力舰、分舰队旗舰、区域作战指挥舰
总装类型:太空一体化建造&组装
建造地点:新费城太空军轨道船坞(Neo Philadelphia Space Dock,NPSD)LC21A船坞
建造时间:2147年1月25日
服役时间:2149年4月8日
除役时间:2215年10月23日
所属建制:自由贸易联盟太空军(Free Trade Association Space Force,FTASF)月球舰队(Lunar Fleet)第一分舰队
研发商:泛美军工()、国家航天系统()
生产商:国家航天系统()
【性能数据】
长:123米
宽:24米/米(散热板展开)
高:21米/米(散热板展开)
质量:吨(干)、12085吨(湿)
质量比:
满载加速度:
主引擎喷气速度:165km/s
速度增量(Δv):
自持力:150天
动力配置:
6×先驱核子R3B快中子铀-钚氧化物固核液金冷增殖反应堆(主反应堆/电源)
7×先驱核子NP35离心式液体堆芯核热火箭推进系统(主发动机)(燃料类型:甲烷)
10×反作用力控制系统(RCS)推进器组(90×过氧化氢单组元微推力器)
舰船综合电力系统(IPS)
编制:16人(1名舰长/指令长、3名工程师、2名飞行员、4名武器系统控制员、2名雷达和传感器系统操作员、4名载荷专家)
舰船热管理:
热管理类型:船壳被动隔热控制、封装箱被动隔热控制、热辐射器被动散热、热管循环网络被动热管理、流体循环主动热控制、封装箱辐射/传导式主动散热
散热设备:
全舰综合循环散热网络(工作介质:水)
封装箱综合主动热控制系统(整合热控百叶窗、热控旋转盘、接触导热开关、可变热导热管等主动式辐射/传导热控制技术)
毛细抽吸两相流体环路热控系统(工作介质:液氮)
4×大型收放式热辐射板
4×中型固定式热辐射板
2×小型收放式热辐射板
舰船主系统:
整合式舰船域标准操作系统(Integrated Ship Domain Control System,ISDCS)(核心+接入双层架构)
全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)
洛克希德·马丁-波音先进空天集成战术网络系统(Advanced Aerospace Integrated Tactical Network,A2ITN)(基线)
“宙斯盾”舰船综合作战系统
舰载主机:
4×分布式IBM刀片服务器主机(EME电子封装箱存储)
自由贸易联盟太空军标准共同战术网络(主力舰级服务器机组)
船电系统:
1×柏林巡天-雷神UN/SPY-25多波段超宽带整合相控阵雷达系统(4×固定式天线阵面)
7×德州仪器UN/SPS-12广域巡天望远镜
舰载多用途传感器集群(包含三轴自稳陀螺仪、磁强计、星敏感器、光学陀螺仪、太阳风传感器、一体化冲击传感器以及其他种类的电磁、光学、质量、压力、加速度、角速度等多种传感器)
协同作战能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)系统(主力舰级服务器组)
集成舰桥系统(IBS)
整合式全频段全向侦察/数据链综合射频阵列
GSNAS导航和通讯系统(备份)
各类备份天线(包括战术数据链天线、数据链天线、战略GSNAS通讯天线、敌我识别天线等)
先进资源分配系统(ARAS)
应急生命维持系统(ELSS)
舰载武装:
8×莱茵金属-通用动力“先进密集阵(Advanced Phalanx)”6管30mm近迫武器系统(近程防御)
2×泛美军工RIL4500单装203mm/L85液冷式电磁轨道炮
4×波音-德州仪器UN/SEQ-15单装100mm/L45光纤脉冲激光炮
32×SMK-68通用垂直导弹发射系统(8单元标准,电磁弹射,共256个单元)(载荷长8m,发射箱直径1m,竖向放置)
舰船防护:
玄武岩-芳纶复合材料内衬
增强碳碳基甲
铝/铝合金外挂惠普尔缓冲层
其它:
2×异体同构周边式标准对接机构(兼气闸舱)
2×机械动力ESD-14通用机械臂(维修、物资舱外转移、弹药补充等)
1×外置补品储存库
4×甲烷燃料电池
多种适配标准对接机构的外挂资源储罐
【基本介绍】
“亚利桑那”号核动力导弹太空巡洋舰(FTAS Arizona,SCGN-039)是由泛美军工()和国家航天系统()研发的“宾夕法尼亚”级太空巡洋舰的二号舰,“亚利桑那”号于2147年1月25日开始在位于地球同步轨道的新费城太空军轨道船坞(Neo Philadelphia Space Dock,NPSD)LC21A船坞建造,并于2149年4月8日正式加入自由贸易联盟太空军(Free Trade Association Space Force,FTASF)现役,并被分配至月球舰队(Lunar Fleet)第一分舰队,以对抗人类命运共同体在月球和周边领天日益活跃的军事活动。作为当时最新锐的军用航天器,“亚利桑那”号配备了先进的武器、动力和传感器系统,能够作为打击群的一员指挥拦截/防御作战,使得主力舰可以专注于其职能;也可在没有主力舰的分舰队中充当旗舰角色,指挥整支舰队遂行既定任务。“亚利桑那”号作为月球舰队第一分舰队旗舰,与构成第一分舰队的其他8艘舰艇一起维持着自由贸易联盟在冷战月球前线的前沿部署、前沿侦察和前沿存在。
舰船概况:
亚利桑纳号整体长123米,舰船整体呈圆柱形,其直径达米,然而亚利桑纳号并非完美的圆柱体,其舰体表面设置有大量各类设备,因此其在位于舰船后部的主散热板展开前的全宽(24米)和全高(21米)有较为显著的差异,主散热板展开后则能达到米。亚利桑那号的舰体内部构成较为纯粹,舰体中段靠后部分配置有集成足以容纳20人的居住舱,该居住舱作为战舰防护的最后一道防线,除在外部配备有标准的惠普尔盾防护和船壳防护外,还额外增设了爆炸螺栓和用于快速飞离舰体的固体燃料发动机,一旦战舰受到不可挽回的损失,这套弹射措施就能将整个居住舱弹射到宇宙空间中,进而最大限度地确保舰上人员的安全,居住舱还配置有应急生命维持系统,足以维持14天的舱内宜居环境,即便在氧气耗尽后,舰上人员依然能倚靠舱外活动服中贮存的氧气维持5天的生存。除居住舱外,亚利桑那号舰内的绝大多数空间被用于装载燃料,居住舱的前后部均为工质储存罐,采用六联装布置以提高抗打击能力和生存性的,装填着甲烷的巨大燃料罐组从舰艏一直延伸至舰艉,两段储存罐之间由居住舱分隔,这些宝贵的燃料配合舰艉的裂变推进器组将会保证亚利桑那号的基础航行和战术机动能力得以正常施展。工质储存罐同时也是全舰大多数质量的来源,在不加注燃料的情况下(即舰船干质量),亚利桑纳号全舰仅重约5000吨,相当于一艘吨位较小的海军驱逐舰,而在满载燃料的情况下(即舰船湿质量)全舰重达12085吨。除去氧气、武器弹药等少量其他资源外,全船约有一多半的质量全是甲烷燃料,这也是所有亚光速时代航天器的通常特征。
得益于大口径对接口带来的高度模块化能力,亚利桑纳号在其舰艏最前端设置有一个大型异体同构周边式对接机构,并长期对接有本舰的主要光学观测舱段。这一舱段也可以在需要进行某些特殊作战任务的时候更换为相应的舱段模块。从而使亚利桑纳号具备了优秀的多用途能力。舰体中部,居住舱两侧设置的两座热辐射板和舰体后部设置的四面大型热辐射板用于向宇宙空间释出来自全舰各子系统的多余废热,在太空环境下仅有热辐射一种热传导方式得以生效的背景下,巨大的散热板就成了同期所有航天器的标准配置。这些散发着红光的散热板虽然能保障全舰温度的稳定,但同时也成了敌方的最优先打击目标,为此,亚利桑那号所属的宾夕法尼亚级是自由贸易联盟太空军首个配置有舰内热容的战舰型号,这一内置的热容能够让亚利桑纳号在敌我双方轨道交汇,双方战舰短暂擦身而过的交战期间收起主散热板5分钟。在这5分钟内,舰体废热会被导向船壳和舰内热容,从而使得巨大的散热板可以短暂关闭进而增大敌方动能和定向能武器的打击难度。迫使对手的打击不得不直面更加厚重的船壳装甲。不过,考虑到舰上设备的发热率,这一措施能够吸收的热量依然是十分有限的,一段时间后战舰必须重新展开主散热板以提高散热效率,否则多余的废热会导致全舰的温度稳态被迅速打破,进而危及战舰的生存。不过好在这个舰内热容也配置了弹射措施,使得战时吸收了大量废热温度急剧升高的热容也可被迅速地抛出船外,进而达到快速卸载废热的目的。
作为一艘战舰,亚利桑那号在其舰体表面设置有多种武器系统以同时保证太空生存、防御和进攻作战的需求。亚利桑那号配置有8座莱茵金属-通用动力“先进密集阵(Advanced Phalanx)”6管30mm近迫武器系统作为近程点防御。并部署在飞船的质心近端以减小反作用力控制系统(Reaction Control System,RCS)在其开火时用于抵消后坐力所使用的燃料消耗。除近防外,亚利桑那号的主要武器包括两门RIL4500单装203mm/L85液冷式电磁轨道炮和4座UN/SEQ-15单装100mm/L45光纤脉冲激光炮,以及位于舰体前部分为两部分的32个SMK-68垂直导弹发射系统(每个部分16个模块)。通过同时配备导弹、电磁动能武器和激光定向能武器,使得亚利桑那号得以获得横跨远、中、近程;质量、速度、机动等多个指标的多层次、多维度、多特征的全面打击体系。
位于舰体最后端的则是全舰赖以生存的动力和能源系统:为全舰提供动力的,由先驱核子制造的NP35核热火箭推进系统;和为全舰提供稳定电源供应的R3B核裂变反应堆。其中,R3B属快中子铀液核液金冷增殖反应堆,用于向全舰设备提供所需的电力。而NP35则属离心式液体堆芯核热火箭推进系统,专注于加热工质(甲烷)并从后方喷管喷射做功,进而达到推动飞船的目的。
舰船防护:
在履行其专业化职能之前,任何航天器都必须先遂行其基础航行能力,否则任何专业化任务都是空谈。在太空环境下,亚利桑那号乃至其他军用航天器在考虑对敌方打击的防护之前都必须先考虑对太空环境的防护。广阔的宇宙空间中,空间碎片、尘埃、微陨石、宇宙射线、太阳风暴等恶劣环境下的产物是每一个进入太空的人类航天器都必须要妥善应对的问题。星际物质对航天器运行的可靠性和安全性均构成严重的威胁,以至于在很多时候,杀死全舰人员的往往不是一枚虎视眈眈的动能拦截器(Kinetics Kill Vehicle,KKV),而是一颗高速微陨石在不经意间的一次碰撞。据此,现今在轨道上运行的任何人类航天器,无论其隶属于东方的人类命运共同体还是西方的自由贸易联盟,其外壳均不约而同地采用多层抗冲击材料叠加的复合结构以抵挡小型碎片的高速撞击,同时配有防辐射内衬以隔绝宇宙辐射对人员和仪器设备的损害。精确到亚利桑纳号,其船壳由三层相互之间分别间距,,的碳-碳复合纤维装甲层组成,且在间隙内插入厚度为1mm的3层玄武岩+3层芳纶构成的复合材料,并和抗辐射内衬、冷却水毛细管道等内容物一起互为内衬,以进一步减缓冲击。这足以对任何直径小于1cm的高速物体构成有效防护。而对于大于1cm的高速物体,则自然有先进密集阵和脉冲激光构成的主动防护体系料理。
除去标准船壳装甲外,还需考虑防御敌方打击的亚利桑那号还配备有被通称为“惠普尔盾”的外挂式间隙装甲。这种由铝合金(或钛合金)薄板彼此间隔5厘米构成的薄装甲,覆盖在整体装甲板至上,并且在护盾和主装甲板之间有显著的间隙。惠普尔盾往往一受到冲击便会被摧毁,但是它的毁坏会将来袭的超高速发射物蒸发成等离子体。惠普尔盾与主装甲板之间的间隙给予等离子体扩散的时间,增大了其表面积,也就降低了等离子体撞击时的压强,极大地降低了发射物的冲击。然而,惠普尔盾只能用于小面积的一次性防御。向同一位置再次射击就不会遭到削弱。另外,惠普尔盾很容易会被较弱的近距离核爆炸蒸发。因此,在每次交战过后,亚利桑那号配置的两台通用机械臂就会迅速从仓库中取出备用的惠普尔盾模块,并对损坏模块进行快速更换以恢复这一区域的防护能力,力求在敌方下一次打击时能够继续保护舰船。
除去被动防护外,亚利桑那还依据其武器系统配备有完善的主动防护手段。其重要性要更甚于被动的装甲和护盾防护。亚利桑那号搭载的各类动能打击弹药无论是在种类还是数量上均经过了权衡和计算,足以同时满足舰船自保和打击敌人的双重需求。这体现在通过舰炮、导弹、激光和传感器体系的配合下多层次和全方位的主动防御体系。亚利桑那搭载的KKV可以在几十乃至数百公里外拦截敌方动能目标;而电磁炮和激光炮则能够在中近距离(数公里乃至数十公里)上用精确的重质量弹点射或高能光束摧毁目标;而到了近距离范围内(0距离-数公里),先进密集阵则能制造密集的金属风暴强行以数量搏概率,且导弹、电磁炮和激光炮也能在这一距离上和先进密集阵一起构成主动防御的最后一道防线。在这套完备的高效率的远-中-近程综合主动防御体系的加持下,敌方即便发起针对亚利桑那号的多层次饱和打击,在层层拦截后能够造成的毁伤效果依旧堪忧,这能够有效地消耗敌方的火力投射能力,让友军舰艇能够以相对较小的代价完成作战任务,无论是对于战局还是本舰都是极为有利的。
损害管制:
即便在人类还未大规模迈向太空的时代,一架大气层内战斗机的价格就已经达到了数亿美元一架。更不用提在自由贸易联盟太空军和人类命运共同体太空舰队中服役的轨道巨无霸们了。然而讽刺的是,大气层内战争的某些规律到了太空中也依然行之有效。即便诸如亚利桑纳号这样体积相当于旧时代水面万吨大驱的军用航天器造价堪比一艘水面超级航母,然而在真正的战争中,这些简直是由黄金打造而成的作战构造在前线的存活时间恐怕也只能以分钟计,这还是在考虑了现阶段人类航天器进行变轨交会所需的漫长时间以后得出的结论。因此,不论是出于经济角度还是战争的可持续性角度,为这些由黄金和绿钞构成的航天器安排一定的损害管制能力绝对是敌我双方不约而同就能达成的共识。
在现有体系上继续压榨其潜力一向是资本家们的拿手好戏,亚利桑纳号配备的两个异体同构周边式对接机构除了能用于与空间站、轨道加油站乃至另一艘友舰等配备了同规格对接口的在轨人造物体对接,以完成人员、物资、液体、电力等资源的传输外,还能作为舰内人员进行出舱行走的气闸舱来使用。其直径足以让一个穿戴标准舱外活动服(附带轨道机动装置)的航天员通过。在战时,当敌我双方完成一轮打击并迅速脱离战场准备下一次交会后,训练有素的航天员们往往就会出舱,配合设置在舱外的通用机械臂和开口外置的补品/耗材储存库迅速对飞船进行损害管制:替换受损的惠普尔盾模块、为射空的导弹发射装置补充弹药,检查主装甲层的结构完整性,用快干补品填充被动能弹丸打出来的大坑,维修/替换受热失效或完全损坏的各类管线、传感器、仪器设备等,尽可能地让舰船在变轨飞行的途中迅速恢复战斗力,以求在下一次交会后能够单方面毁灭对手。而即便遭遇了毁灭性的KKV打击,舰船断裂成两半。只要做好破损处的气密性封闭以防舰内资源进一步泄露,加上分布式布置在舰船各处以增大冗余的舰载主机系统。舰上人员依旧能够通过前端与亚利桑那号对接的光学观测舱段(设有一个备用驾驶舱)恢复断裂船体的部分功能,进而像蚯蚓一分为二一样依然保持生存能力,甚至于继续战斗的能力。
干扰和欺骗措施:
在数千年的时间里,人类的各种航天器受限于并不充裕的速度增量(Δv)而必须遵循轨道力学的严酷规律。不同于大气环境内需要进行的复杂受力分析,在太空微重力环境中,任何物体位置和速度的变化都回归了动量守恒的本质---作用力与反作用力的相互作用。而这也是所有火箭式推进系统能够推动物体前进的根本原因---依托向后高速喷射的工质来获得持续的反作用力(也即推力),推动飞船向前飞行。因此,在太空环境中,通常决定了飞船续航能力的是主引擎的喷气速度。在亚光速时代,拥有较高的喷气速度不仅意味着飞船可以携带少得多的工质以达到和携带更多工质但发动机技术落后的飞船一样乃至更高的速度增量,还意味着更低的总质量(这意味着更高的推进效率,以及在间接意义上更节省了燃料)、更高的续航能力以及最重要的---战术乃至战略上的优势。
因此对于这一时期的军用星舰而言,即便采用了核热火箭(Nuclear Thermal Rocket,NTR)推进技术使其速度增量相较于使用纯化学推进的更早期航空器而言更有优势。但这一时期的军用飞船依旧需要将宝贵的Δv用在刀刃上。这促使人类在初入太空后的数百年乃至上千年内均采取“观测并获取目标实时位置-变轨并与目标交会-在交会点及周边数百公里的天域内展开战斗-抬升/降低轨道高度以脱离战斗-重新变轨以再一次接近目标”这套小孩子都能看明白的简单但又无聊至极的战斗过程,这一方式虽然耗时极长,但最能节省宝贵的Δv以用于战术机动或将宝贵的战舰和人员送回基地。因此,正如当时船员们调侃的那样:“变轨两小时,交战30秒”。在漫长的变轨燃烧和等待过程中,敌我双方必然无所不用其极地试图最大化己方的战术/战略优势,这就必然包括在飞行期间持续使用各类光学、电磁传感器用于观测对方活动。加之各类传感器在感知范围和扫描精度上占据的绝对优势,以至于在这一时期的太空作战中,地月系范围内的任何一艘飞船的发动机一经启动,其热信号就会立马被布置在各个位置的多重传感器整合观测网络发现;即便飞船位于地月系外,通过通讯传播和误差修正等过程争取到的少许先手优势在同样受行星际转移而大大延长的飞行时间面前同样不值得一提。而这就代表在交战期间,太阳系范围内敌我双方的所有军事调动、所有参战舰船的热能信号特征都将在各类传感器的不间断搜索和扫描中无所遁形。
这一现象宣告了以往人类在地球大气层环境内在主/被动诱饵、电子对抗、电子战和反电子战等方面所做的一切努力在太空环境中宣告彻底失效。因为无论怎么使出浑身解数,所做的一切干扰和欺骗在对手长达数天乃至数月的持续观测面前都将是无用功。也正是因为这样的原因,在人类开始探索太空起的数百乃至上千年时间内,包括各类主/被动诱饵、电子战、信息战、认知战在内的一系列干扰和欺骗措施均被认为是完全无效或作用较为有限的。也正是因此,亚利桑那号并未配备有在地球大气环境内屡试不爽的各类干扰和欺骗措施,而是完全着眼于和敌方舰队“硬碰硬”的对抗。
能源和动力:
考虑到实用托卡马克构型核聚变反应堆的庞大体积和沉重质量,让每一条船都带着这么个大家伙在太空中跑来跑去显然是不切实际的。因此在托卡马克聚变堆开始应用于各类空间站和太空电梯等大型乃至巨型太空设施的时候,轨道上迅疾而狰狞的杀手们配备的依然是“落后”的核裂变反应堆。然而核技术作为一个外行看热闹内行看门道的领域,所谓的“先进”往往并不一定比所谓的“落后”先进多少。在亚利桑那号服役期间,第四代乃至第五代核电技术的突破与发展带来了新一代的核反应堆。而由于航天器搭载的核热火箭推进器(其主体同样也是一座核反应堆)需要将其绝大部分输出功率都用于加热工质,因此一般都设置有专门用于发电的核反应堆用以保障全舰电力。太空航行庞大的需求同时也促使了核热火箭推进技术的进一步发展与成熟,现如今的核热推进器可不再是NERVA时期那些体积庞大而简陋的前辈们可以比较的。先进的离心时液态堆芯核热火箭推进系统已经装备了绝大多数航天器。他们提供给航天器远比过去澎湃的推力,并一举将人类的疆界拓展到太阳系的边缘。
亚利桑那号配备了六台由先驱核子设计制造的R3B快中子铀-钚氧化物固核液金冷增殖反应堆。这种反应堆为适应太空环境使用了可实现可转换铀的有效转化并控制锕系元素的闭式燃料循环,燃料则是铀238-钚239氧化物。钚-239产生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的铀-238吸收,铀-238就会很快变成钚-239。这样,钚-239裂变,在产生能量的同时,又不断地将铀-238变成可用燃料钚-239,而且再生速度高于消耗速度,核燃料越烧越多,快速增殖,所以这种反应堆又称"快速增殖堆"。为了在小体积内尽可能地实现高功率密度,使用液态钠钾合金(熔点为- ± ℃)作为冷却剂,极高的导热率使其拥有相当高的换热效率,且不容易减慢中子速度,不会妨碍链式反应的进行,配合延伸至居住舱的钨合金热管可以实现居住舱的热电联供。加之吸收大量热量的液态金属冷却液随即被用于加热三回路直流式蒸汽发生器,并推动汽轮机发电,为全舰电网带来源源不断的稳定电力。
除利用核能发电外,亚利桑那也利用核能进行推进,同样由先驱核子开发的NP35离心式液体堆芯核热火箭推进系统使用,这套核热火箭发动机采用上千度高温的熔化液体铀燃料,并采用甲烷作为推进工质,反应堆内壁整体呈长管状,并持续高速旋转以保证液体状的熔融铀燃料能够时刻紧贴内壁,不会因为穿过液体堆芯的甲烷燃料而被带离反应堆。通过直接将加压的液态甲烷通入液态铀燃料,甲烷被迅速加热至4000K(开尔文)。从而在反应堆中发生如下反应:CH4→C+2H2。甲烷的迅速热解产生大量高温氢气,这些高温氢气随后以16000—20000米每秒左右的高速从另一端的喷口喷出去。与此同时,高速旋转的堆芯起了离心机的作用,分离了氢气和其中夹带的铀滴和铀蒸汽,并让液体铀紧贴容器壁。在长管状堆芯的最末端,需要加一个锥形“收口”来拦截铀滴,同时这个收口要比堆芯的其他部分冷一些,这样铀蒸汽就会在上面冷凝,然后冷凝的铀滴和拦截的铀滴会沿着收口被离心力甩回液体铀里面。通过离心式液态堆芯加热甲烷工质,并使其释放出两倍于其体积的氢气。NP35得以实现165KM/S的喷气速度,进而大大提高了飞船的比冲。同时,通过为NP35配备推力矢量喷管,使得亚利桑那得以获得多余的控制力矩,实现舰体的姿态控制。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关,而不受舰体本身姿态的影响,大大提高了舰体的控制效率。
除发电外,输电、变电、配电同时也是舰船电网的工作。作为配备了舰船综合电力系统(IPS)的舰船,亚利桑那号的综合电力系统能够集“发、输、变、配”于一体,大大提高了舰船的系统整合能力与生存能力。综合电力系统通过统一的舰船电网为推进系统、高能武器系统、通信、导航与探测系统等提供电能,实现全舰能源的统一供应、分配、使用和管理。IPS还可统筹管理推进系统和其他舰上设备所需的电力,它可实时掌握全舰电子设备的详细信息,从而灵活调整电力流向,在总发电量不变的情况下灵活调配各系统用电,确保整体效率最优。
亚利桑那号作为搭载大功率用电器的军用航天器,电磁炮、激光炮等武器系统在开火时会在短时间内造成电力的大量消耗,进而容易导致舰船电网失稳,电力系统局部电压和电流剧烈波动,甚至有可能引起电网瓦解。因此,必须为舰上的瞬时大功率设备提供与其能源消耗周期匹配的瞬时储能系统来保证电网的有序稳定运行。而舰船储能系统不止包括用于应对短时间激增用电量的瞬时储能系统,还需要有应对长期情况的长效储能系统,这一类储能系统除了也可以用于维持电网稳定外,最重要的职责是用于保障舰船各子系统能够在发电量不足或主电网离线的情况下能够继续履行职责。为应对不同的用电状况,亚利桑那号配备有两种储能系统,一种是用于长效电力存储的锂离子电池组;一种是LL-1000“莱顿闪电”瞬时储能放电装置。
亚利桑纳号配备的凝聚态锂离子电池组是用于电能长效存储的高能量密度电源。同传统的锂离子电池组不同,新型的凝聚态锂离子电池内部充斥着凝胶状的电解质,这种由网状高分子构成的胶质能够兼具高比能、高快充和高安全性,传统的液态锂离子电池之所以容易出现热失控,主要是因为电池的温度超过了电解液的沸点,会导致电解液沸腾从而产生气体,增加内部压力,最终导致电池爆炸、起火。而凝聚态电池的电解液是果冻样的胶质,且连接内部高分子的网状结构能够自适应调整,既能保障结构稳定性,热稳定性更好,自燃的概率就更低。
热量管理:
如果说,在太空中有什么跟速度增量(Δv)一样重要甚至更加重要的,那一定是航天器的热量管理和控制。任意一个文明的航天飞行器,不论其结构有多么简陋,技术多么初始,甚至可以不需要发动机,但一定不能不需要散热。航天器的热量管理与控制一定是任何一个哪怕是刚上太空的文明都需要掌握的几大最重要课题之一;航天器热管理技术自然也是任何航天器必不可少的技术保障系统之一。
航天器热控制(Spacecraft Thermal Control)作为一门高度复杂的系统工程,它涉及材料学、热学、计算数学、化学、光学、流体力学、电子学、计算机科学以及试验测量技术等诸多学科。它的任务可被简述为:通过合理组织航天器内部和外部的热交换过程,使航天器各部位的温度处于任务所要求的范围内,为航天器的仪器设备正常工作,提供良好的温度环境。
恶劣的太空环境给航天器散热带来了极大的困难,在大气环境下,热的传递可分为热辐射、热对流、热传导三类。其中热对流通过流体中质点发生的相对位移引起热量传递;而热传导则通过粒子碰撞使能量从物体温度较高部分传至温度较低部分,是最普遍的适用于所有介质的导热方式,这两种传导方式都需要介质才能进行。
然而在太空中的绝大部分位置,星际物质的分布往往极其稀疏,早有研究指出,银河系内星际物质的平均数密度为每立方厘米1个氢原子。如此稀疏的物质让热量也难以找到介质进行传导,因此在太空近乎绝对真空的环境下,只有依靠电磁波传导热量,不需要介质的热辐射方式才能在太空中实现有效的热量传递。
而太空环境的复杂性还远不止于此。当在星系内飞行的航天器被恒星乃至某些巨行星照射时,其面向星体的那一面会积聚大量的热量,导致航天器阳面温度升高,而热传导较为低下效率又使得短时间内很难让航天器的阴阳两面温度均衡,因此航天器设计除了要考虑散热,保温问题也同样不容忽视。
被动热控制:
所谓的“航天器空间被动热控制”可被简述为:依靠选取不同的热控材料和合理的总装布局来处理航天器内外的热交换过程,使航天器的各部分温度在各种工作状态下都不超出允许的范围。亚利桑那号采用的被动式热控制设计本身没有自动调节温度的能力,但它简单可靠,是人类航天器进行热控制的主要手段。
被动热控制设计最常见、应用最广泛、也是最家喻户晓的做法是在航天器外壳表面覆盖一层温控涂层,以降低表面的太阳吸收率与热辐射率比值。对于热辐射来说,几乎所有的非透明物体都是在紧靠表面之下很薄的一层之内就把全部透过表面的入射辐射能吸收掉。因此在物体表面上覆盖一薄层涂层,就能决定物体表面的热辐射性质。亚利桑纳号船体表层喷涂的白色防护漆面能够发射红外光并反射可见光,帮助抵抗外部热量的同时消除内部热量。
另一种被动热控制常用的技术是热管,这是一种靠工质的相变和循环流动而传递热量的器械。由管壳、多孔毛细管芯和工作介质组成。通过在外壳不同位置或仪器之间布置热管,将热端的热量导向冷端,减少部件、仪器之间的温度差。这也是亚利桑那号采用的主要热量发散系统。
复杂的温度梯度配置使得亚利桑纳号不得不配备同样复杂甚至更加复杂的多层热管系统来应对不同设备的散热需求,同时也要尽量平衡全舰的热量分布,做好不同温度层级间的缓冲与平稳过渡。
亚利桑那号采用了两套应用不同工作介质的热管系统进行散热/冷却。应对反应堆、武器系统等高热区热管理的是液态金属散热网络,工作介质是常温下呈液态的钠钾合金。考虑到高热区子系统分布在舰船的各个位置,因此这一套循环散热网络也按照子系统所属而分为多个互不相连的部分。在磁泵和后方工质的不断挤压下,液态蜂窝铟通过分布在武器系统、反应堆等处的毛细管道,并经由热辐射和热传导上升至数百度,在离开热端流向冷端的过程中,高热液态金属流经外接环状热电堆(用于进行温差发电)的管道进行温差发电以提高产能规模和效率。抵达冷端后再次通过毛细管换热以降低温度,然后再一次踏上前往热端的路程。这一热管系统还与船壳表面的热辐射板相连接,以作为仪器设备的散热热沉,减少仪器设备的温度波动。
应对居住区等低热区热管理的则是普通的水散热网络,这种早在前星际时代就在使用的工作介质如今在星际时代也照样能发挥出不错的效果。通过对管道加压,加之在热端毛细管换热升温,相变吸热的水足够应对低热区的一切散热需求。
在考虑到散热的同时,由于亚利桑那搭载的部分仪器设备对低温乃至超低温工作环境的需求,例如传感器系统中的红外传感器,这一设备需在低于零下两百度的超低温环境下运作。因此,如果没有主动冷却系统,是不可能实现整艘战舰的有效运作的。为此,亚利桑那采用了“两手都要抓,两手都要硬”的策略。一方面设置有流体循环热量控制系统,为这些设备提供稳定的超低温环境。另一方面则在这些仪器或部件表面包敷多层隔热材料,例如双面金属镀膜反射屏+真空间隔的配置,或喷涂石墨烯低辐射率涂层,多管齐下以阻隔其他热源的传导。
除进行航天器内部的热交换外,被动热控制还用于进行航天器-星际空间之间的散热。由于在太空中,仅有热辐射一种行之有效的散热方法,因此基于这一前提的所有航天器外散热解决方案不外乎两条路线:增大散热面积和提高温度,或这两者双管齐下。
技多不压身,亚利桑那设置有多种向星际空间交换热量的方式,通过不同的散热类型,可将它们分为:船壳隔热控制/船壳散热、封装箱隔热控制、热辐射器散热、热管循环网络热管理、流体循环主动热控制、封装箱辐射/传导式主动散热。
船壳散热是亚利桑那乃至任何哪怕是最为简陋的航天器最为基础的散热方式,这种方法直接将热量传导至船壳,并通过和宇宙空间接触的船壳将热量辐射出去。对于人类航天器而言,通常在船内将大段且多次弯曲的毛细管网络贴近船壳以实现热交换,不过也可以通过气体,乃至固体传导热量。毕竟最基础的散热方式往往最具广泛性。
亚利桑那号在其船壳表面配备有三组共8座热辐射板。这些散热板分为舰体前部、中部、后部三个部分,其中,除中部热辐射板是固定式外,前后两个部分的热辐射板均为可收放式。前部两座相对的小型热辐射板主要用于独立光电观测舱段的散热,而后部呈直角布置的4座大型热辐射板则负责全舰的热量散发。亚利桑纳号的散热板采用的是传统配置:通过热管进入位于散热板内部的盘曲毛细管网络,将热量快速传导给大面积且连续的散热板。散热板在不散热的时候是纯白色(当然这种情况即便在战舰入港的时候也不多见),在散热时则散发暗红色的光芒,此时散热板本体的温度大约在550K左右,这也是液态金属热管系统工作的正常温度区间,当武器、推进系统等子系统全功率运作的时候,短期暴增的热量会让散热板发出橙红色炽热光芒,这代表此时其温度在1100K-1200K之间,这是热辐射板所能承受的极限了。
主动热控制
被动热控制(又称无源热控制)虽然具有技术简单、可靠性高、使用寿命长等优点,但同样也有“不能自动调节温度”这一最大的缺点。而鉴于亚利桑那号搭载的很多仪器及设备都需要一个稳定的工作环境,因此进行较为精确的温度调节显然也是必要的。而这便是航天器主动热控制的内容(也称有源热控制)。这是一种当航天器内、外热流状态发生变化时,通过某种自动调节系统的动作使航天器内的仪器设备的温度保持在指定范围内的热控技术。它的优点是具有可调节的热交换特性,热控制能力较强。而代价则是系统较为复杂、可靠性相对较差、重量相对较大。
主动热控制可根据不同的传热方式分为辐射式、对流式和传导式三种。亚利桑那号针对不同的应用场景准备了不同传热方式的主动热控制系统。
为维持稳态工作环境,亚利桑那号通过调整全舰仪器设备的总装布局,将部分所需一致的仪器设备集中布置,并进行封装处理。单元化、模块化的集成式设备布置不仅提高了封装箱内各仪器的工作效率,同时也提高了系统整合能力,缩小了体积。对于需求特定范围内温度的仪器设备而言得以享有同样集成化的散热手段。这类封装箱(EME)可以自动改变表面组合的热辐射率,从而改变散热能力以保持封装箱的温度范围。如热控百叶窗(利用低辐射率、可动叶片不同程度地遮挡高辐射率的仪器散热表面以进行主动热控制)和热控旋转盘(通过改变物体表面当量辐射系数进行主动热控制)。
除使用辐射式热控外,这些封装箱也可通过传导式热控管理温度。传导式温控将航天器内部设备的热量通过传导的方式散至外壳表面以排向外部。在这一过程中,热传导系数可以随设备的温度升降而改变,从而对设备温度起自动调节作用,如接触导热开关(一种以切断和导通排热通路为基本控制动作的热控机构)和可变热导热管(通过在热管上加装控制装置,使得它比起一般的热管具有更好的调节能力和更强的适应性,但结构也更复杂)。
亚利桑那号应用的辐射和传导式热控制虽然也能有效控制封装箱的温度,维持稳态工作环境,但这仅限于单个环境内。如果不采取更高程度上的整体式主动调控手段,而任由这些封装箱将热量散入舰内,不仅会破坏其他设备的工作环境,也会导致全舰逐渐升温。在太空运行的航天器作为一个最大的孤立热力学系统,从某种程度上也等于一个巨大的“封装箱”,船体内的封装箱可以同时通过辐射、传导、对流的方式向飞船散热,但飞船却只能通过辐射向太空散热,加之基于热辐射的散热方式效率之低下,因此全舰范围内的温度上升对舰船安全运行的基本需求而言无疑是不可被接受的。
为了在更高层面上主动控制和传导热量,同时也可以照应其他管路系统,亚利桑那号将全舰除去居住舱的部分全部抽成真空。并在空隙安排热管散热,此举不仅有利于设备间的相互隔热,还有利于提高舰船的生存性(除非敌方动能武器一连穿透了装甲和各层舱室,打破了位于舰船中央的机库的密封,否则不会发生燃烧、爆炸等只有在有氧环境中才会起效的反应)。
亚利桑那号在居住舱采用的流体循环热控系统通过改变舰船内部流体的对流换热系数对航天器整体或局部实施热控制,进而实现温度的调节。它可分为液体循环和气体循环两种,但原理基本相同,都是通过泵或风扇的驱动将航天器内部的热量引出,流经外部的热辐射器,进而排向宇宙空间。
亚利桑那号居住舱的气体循环系统基于双向流新风系统开发,采用高气压、大流量的风机,依靠机械式排风从居住舱一侧向舱内送风,并在另一侧设置大容量吸气机,以此在居住空间内形成持续的新风流动场。循环系统在送风的同时也对进入居住空间内的空气进行过滤、消毒、杀菌、增氧乃至预热。同时,配合中央空调的制冷/制热系统,维持人类活动空间内的适宜气温。
相比于气体循环系统,亚利桑那号的液体循环系统则覆盖全舰。为特意布局以集中布置的不同温度层级仪器设备封装箱(EME)提供统一的热控制服务。亚利桑那号的液体循环系统采用毛细抽吸两相流体环路热控系统,由毛细泵、密封的工质液体管道、蒸发器管道、储液器、蒸发器和冷凝器组成。利用毛细泵驱动,工质在密封的管道中单向流动循环,以相变的方式传递热量。在一个回路内可有多个蒸发器和冷凝器。拥有良好的传热性能,无需消耗能源且运行可靠。适用于传热较多和规模较大的航天器。
亚利桑那号的毛细抽吸两相流体环路热控系统采用低温甲烷作为工作介质,这种低于零下162度的液体是直接从飞船的加压工质储罐中提取出来的。这套系统在重复的“封装箱产热—蒸发器—管壁—毛细芯—低温甲烷—(吸收汽化潜热)高温甲烷—冷凝器—(放出汽化潜热)低温甲烷—(毛细抽吸力)蒸发器”过程中不断地环绕全船流动。在这一过程中,它将通过多组毛细管为全舰所有的封装箱降温,然后再通过冷凝器返回主贮箱中。
此外,这套系统还可以通过控制储液器温度进行温度控制。当系统温度过低时,通过加热储液器使其内蒸汽压力增加,将其内液体推向系统的冷凝器,减小冷凝面积阻止系统温度下降。反之,当系统温度升高时,储液器加热器关闭,工质向外散热,温度下降,蒸汽压减小,系统内液态工质回流,增加散热面积,使系统温度降低。
主系统:
作为高度信息化、智能化的军用航天器,亚利桑纳号的所有机电设备均被纳入整合式舰船域标准操作系统(Integrated Ship Domain Control System,ISDCS)的管理中,而这一操作系统又运行在全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)上。作为在理论上仅需1人便能驾驶的超信息化战舰,亚利桑纳号搭载有全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)技术。这一技术旨在构建一个能够供外部各种终端应用软件运行、操控、显示的开放式虚拟计算环境,对所有计算资源进行统一的调度管理,为舰船其他子系统乃至编队行动提供计算资源和相关软件。TSCE为战舰平台、作战系统和支撑保障系统提供单个计算环境,为各类应用提供中间件平台。TSCE允许亚利桑纳号以同一计算资源对通信、雷达、侦查、对抗、导航、武器等多个任务系统的终端应用进行横向集成,以同一的管理和中间件纵向集成了从底层物理硬件及其各种操作系统、借口、协议等,彻底打破了以往的“烟囱”式系统结构。通过TSCE,亚利桑纳号得以减少集成工作并获得跨越多个域的通用模式优势。
安装在亚利桑纳号上的TSCE基础硬件设施包括电子模块化封装箱(EME)、分布式适配处理器、网络设备等几个部分。其中,EME通过体积巨大、坚固的封装箱将由来自民间厂商的准军标民用产品---也就是所谓的商用现货(COTS)硬件组成的任务系统电子设备与外部太空环境隔离,包括辐射、冲击、震动、电磁干扰等环境。同时EME提供对商业准军用设备正常工作所需的物理保护、噪声隔离、冷却和电源制式等要求。为提高冗余,亚利桑纳号除了在核心区部分布置了集成式的舰载主机,还在舰体各处布置有4个这样的封装箱,内部容纳了安装有分布式操作系统的刀片服务器、机柜及配套设备。
从顶层设计来看,亚利桑纳号的TSCE分为核心+接入的双层架构。其中接入层采用了自由度极高的开放式体系架构(OA),层与层、模块与模块之间通过标准的接口和协议进行交互或互联。考虑到舰船的作战系统、机械、电气、通信等任务系统的不同需求,TSCE进行了分类标准和通用化,通过采用EME,为数据处理设备提供了安全的工作环境,通过可灵活布置的适配设备连接各个子系统,支持常用的工业现场总线借口。亚利桑纳号还采用了与双层体系系统架构相配合的双层光纤以太网,配合覆盖全舰的10G基站,从而实现了全舰战术和非战术网络的一体化。
为了和网络系统硬件更新保持同步,亚利桑那使用先进的先进空天集成战术网络系统(Advanced Aerospace Integrated Tactical Network,A2ITN)取代了现有的集成舰载网络系统(ISNS)。A2ITN通过整合各种网络、应用空天核心服务(ACS)和跨域解决方案来实现现代化的自由贸易联盟太空军空天环境。作为TSCE的嵌入式接入层应用,A2ITN覆盖从非密到最高机密/敏感分隔信息(TS/SCI)通用计算环境的所有安全域,并通过CEC网络为各类星联舰队舰船和任务行动中心提供支持。
A2ITN采用开放式框架结构,为全域信息栅格的运行节点间提供更为有效的数据流动和可视化信息。另外,全舰通用计算环境(TSCE)的虚拟化将能彻底取代数量众多的孤立指挥控制系统及其应用,它还消除了加装额外硬件(如服务器和工作站)的必要,在减少建设成本的同时提高了C5ISR系统(指挥,控制,通信,计算机,网络,情报,监视和侦察)的安全性。
作战系统:
有了核心层整合计算资源的支持,自然还需要有来自应用层的支持,才能遂行各种任务。亚利桑纳号选择成熟的,与TSCE能完美兼容的,具备完全自主知识产权的整合式舰船综合作战管理系统“宙斯盾”。作为自由贸易联盟太空军运用系统工程原则,在电子工业、信息技术、自动控制技术等诸多领域协同发展的自动化指挥决策与武器系统控制系统,“宙斯盾”系统通过借鉴商业标准,采用成熟民用技术,并以军用标准规范设计并封装,其基础模块甚至大量装备于自贸联民用星舰,用于调控舰上的自动防御系统(Automatic Defense System,ADS)用于击落小行星等大型碎片、采集原料等作业,这使得宙斯盾系统具备了前所未有的泛用性。
“宙斯盾”舰船综合作战管理系统(Integrated Combat System,ICS)主要由采用分布式结构的5个子系统组成:
侧重于舰队作战指挥功能的联合指挥决策系统();
和集成舰桥系统(IBS)高度融合的舰船中控显示系统;
兼有作战指挥(本舰)和武器控制功能的武器控制系统;
负责全舰的主要探测功能的多波段超宽带雷达系统;
系统内置的操作准备和检测系统。
联合指挥决策系统具有高度的自动化能力,可同时接收多波段超宽带雷达系统、舰载巡天望远镜、舰载多用途传感器系统、空间导航、数据链以及其它设备送来的目标信息和其他相关信息,并将这些信息分类、识别并进行威胁判断,再根据单舰或协同作战航天器的情况,由显控台向武器控制系统传递指令信息,也可以根据指挥决策程序自动传递指令信息。
指挥决策系统的中枢是4台商用计算机和多达30个的标准工作站,另外有数据存储器和电子沙盘等辅助设备。作战原则管理功能是宙斯盾系统的核心,该子系统同时也决定全舰的作战战术原则,并作出火力分配以协调、控制整个作战系统运行。由于决策系统采用计算机完成监视、识别和威胁判断,使系统反应时间很短,充分发挥了多波段雷达全方位探测的优势。该系统可指挥防御/拦截和进攻作战,还能指挥协调与友邻舰艇的协同作战。
作为宙斯盾系统一部分的舰船中控系统经过长期的发展已经与人类航天器普遍配置的集成舰桥系统深度融合,所谓的“集成舰桥系统(IBS)”,就是在舰桥(即居住舱)区域构建的一个集导航、驾驶控制、航行管理于一体的高度信息化、自动化集成系统。当然,自近代以来无人自律航天飞行器技术的不断发展,这个系统也在随时代发展被不断地赋予新的内涵和新的需求。今天的IBS,已是一个涵盖航行、战斗、防御、通讯等方方面面的综合性系统,它让舰长和舰员得以足不出门而控制整艘战舰。
宙斯盾系统的显示子系统作为面向指挥官的终端,通过8个大屏幕显示器、30个自动化战斗状态板、4个双人指挥显控台和8个单人数据输入控制台向本舰和编队指挥官综合显示工作和战术信息,以便于各级指挥官充分利用宙斯盾系统做出指挥决策。整个显示系统分成两个相似的显示组,每组有4个大屏幕显示器、2个双人指挥显示台、4个单人数据输入台和12个自动化战斗状态板。一组供舰上指挥官使用,另一组供舰上的编队指挥官使用。还有6个自动化战斗状态板设在舰桥上。各个大屏幕具有单独的控制,能够同时独立地选定距离标尺、压缩飞行路径、飞行路径标记和偏置。自动化战斗状态板能列举多种信息,包括己舰状态、武器清单、战斗力信息、环境数据、飞行路径一览表、使用原则要点和雷达搜索扇面等。
一套经典的宙斯盾系统具有6大职能:编队指挥、本舰指挥、战术信息、防御/拦截作战和进攻作战。宙斯盾系统指挥决策子系统在舰载主机内加载有数千种以上的使用例程。每个使用例程都是一条使作战系统对某种特定状态做出反应的指令。使用例程可以由编队指挥官或防御指挥官来选定控制。当从C5ISR系统的数据链或多波段雷达等信息源获得目标信息后,系统通过数据接口自动输入到检测和决策系统。然后根据作战方式决定对目标的射击方式。宙斯盾系统有三种作战方式:完全自律、AI辅助和手动控制。在绝大多数情况下,宙斯盾系统一般处于完全自律模式。在这一模式下,对于输入指挥决策系统的目标信息不需要人工控制,仅需舰桥战术长授权“开始作战”的指令,全系统就能自主运作。在此模式下,只要目标设置符合预定威胁类型,整个探测、拦截过程将全部自动地进行,这种模式用于探测和拦截特别危险的目标如高速来袭的重型KKV等。在其它两种作战方式下,武器控制系统将目标插入到交战队列,调度发射装置和传感器集群,并计算拦截和预先射击的时间,计算的结果反馈给指挥决策系统,然后由人工干预开始射击。其中,AI辅助和手动控制方式的区别在于人工介入的程度,而故障方式则是在系统出现1个或多个子系统,或者是计算机故障时,自动降低全系统性能,使系统能够保持探测目标、发射导弹等保证舰船安全的功能。
协同作战系统:
在新时代背景下,战斗兵器日益朝着智能化、无人化、协同化方向发展,而CEC的产生正是来源于新时代技术发展对自贸联太空军战略战术提出的新要求。
协同作战能力(CEC)为自贸联太空军和空天联防体系带来了革命性的新能力,这并非通过新增雷达或武器系统,而是在现有的体系中以更快的传输速度,更加畅通无阻的权限认证来分发传感器和武器数据而达成。CEC可将来自相关的多个传感器的高质量跟踪数据进行融合,并通过相同的算法建立一个单一的、共用对宇防御战术显示“天域图像”,将其以经滤波的融合的状态分发到其它所有参与平台上。其结果是产生了一种以所有可获取的传感器数据为基础的优质天域图像,从而可对目标进行极早期的探测,并可对天域内目标进行更连续的跟踪。CEC的设计旨在加强自贸联太空军防御外部威胁的能力,特别是在热点区域。CEC的基础是加强的通信系统,其带宽和电子对抗指标增强了几个数量级,同时由GSNAS(Global Space Navigation System,全域太空导航系统)提供更强大的系统先进性。
CEC的硬件系统由三部分组成:协同作战处理器(CEP)、数据分配系统(DDS)和各类接口。
协同作战传输处理装置(CETPS)可将当前编队内的所有作战单位的对天战(ASW)传感器协调成一种单一的实时火控质量混合航迹图像,从而可极大地提高战斗部队的对天战防御能力。通过采用一种实时的、高数据率的分配网,CETP可将来自每个协同单元(CU)的传感器数据分配给所有其它的协同单元。这种CETPS抗干扰能力极高,可在协同单元间建立一种高精度的栅格。通过采用高容量、并行处理和高级算法,每个协同单元独立地将所有分布式的传感器数据融合为一种共用航迹图像,使混合航迹图像在所有CU上均相同。CETPS数据以来自每个CU的最佳对空战传感器能力的一个超集形式体现,并综合成一个单一的到CU现存武器或作战系统的输入图像。CETPS包括协同检测、交战决策、执行交战和数据分配。CEPTS可使战斗群中的所有装备有对天战CEPTS的作战系统单位成为一个由CETPS综合成的单一个分布式系统,从而增强自防御能力。CETPS由两个主要系统组和五个子系统功能组成。这两个主要系统组是数据分配系统(DDS)和协同作战处理器。而五个子系统功能是数据分配、指挥/显示支持、传感器协同、交战决策和执行交战。
CEC通过实时、超视距、高速的分布式网络来共享各平台的传感器协同检测数据。各协同作战平台采用独立的高容量并行处理算法来融合传感器数据,形成对战区情况的精确认知和高度协调。
传感器集群:
得益于自贸联高度发达的信号整合技术,亚利桑纳号得以通过采用分布式宽带多功能孔径取代以往为数众多的各类天线孔径。位于亚利桑那舰体侧面的一体化射频阵列采用模块化开放式可重构的射频传感器系统体系架构,并结合功能控制与资源管理调度算法软件编程,同时实现雷达、导航与通信、识别等多种射频功能的综合,完成资源共享。
而有了射频功能的综合,还需要对射频来源进行统一整合。这便是亚利桑纳号配备的柏林巡天-雷神UN/SPY-25多波段超宽带整合相控阵雷达系统。
顾名思义,典型的多波段雷达实际上应包括多功能雷达(MFR)和远程广域搜索雷达(VSR)两个部分。对于亚利桑那而言,她的多波段超宽带雷达(DBR)包括由雷神公司提供顶层开发设计,柏林巡天负责系统整合和生产的一台UN/SPY-25X X波段固态主动相控阵雷达、一台UN/SPY-25S/C S/C波段固态主动相控阵雷达和一台UN/SPY-25L L波段固态主动相控阵雷达。其中,工作在X波段的雷达(MFR)主要完成近距离跟踪和火控;工作在S/C波段的雷达(VSR)则主要负责远程天域搜索;工作在L波段的雷达则负责远程侦察和检测,同时还支持导航和定位功能。得益于现代技术,经过整合后一部雷达即可承担过去搜索雷达、火控雷达、反导雷达、目标捕获系统等雷达的全部工作,而且在性能超越它们的同时其设备重量和体积仅是这些雷达加起来总和的几分之一。
UN/SPY-25在设计时就尽可能地考虑通用化,最大可能实现多种不同雷达组件的通用。以在一定情况下可以起到互为冗余的作用。为了通用,工作在不同波段的雷达采用了许多统一的设计,比如T/R组件采用全新的氮化镓材料,在价格和尺寸都进一步降低的同时抗击穿能力也有质的提升。再加上天线基板采用室温超导体材料制成,使得电流在传输中不会发生损耗,同时也不会散发热量,从而大大缩小了雷达设备所需冷却系统的体积,从而使得整部雷达的体积和重量都大大缩小。
UN/SPY-25还统一采用了数字波束形成(DBF)技术,通过数字化技术形成雷达波束,使雷达具有波束指向性更高,探测能力和抗干扰能力更强等特点。
得益于现代加工技术,UN/SPY-25的每个天线阵面都有86540个T/R组件,尺寸在比上一代的UN/SPY-21小30%的基础上数据性能高出28倍。加上采用低温超导体的决定让它的输出功率进一步提升。且单个阵面的最大增益可高达80dB。
除此之外,UN/SPY-25也沿用了成功的RMA(Radar Module Assembly,雷达模块组件)设计。也就是所谓的“可重构概念”,即阵面大小可以根据任务需求和平台可以选择合适尺寸进行安装。多个T/R组件组成一个雷达模块组件(RMA),通过增加RMA,可以实现不同尺寸、功率的雷达版本,安装在不同的航天器上。
除相控阵雷达外,亚利桑那还在舰艏配有长期与舰体对接的光学观测舱段以获得全域范围内的光学观测能力。这一可更换舱段配置有7台高分辨率的德州仪器UN/SPS-12广域巡天望远镜,可以同时跟踪7个目标,单个UN/SPS-12口径达米,兼具大视场和高像质的优异性能,能够覆盖从紫外光到近红外(~1μm)的波长范围,并具备在轨维护升级的能力。通过多色、多通道成像和无缝光谱巡天模块,UN/SPS-12能够通过镜间协同实现快速发现并持续跟踪目标,在搜索模式下,处于同一体制内的相控阵雷达也会和巡天望远镜联动,对于雷达发现的目标,整合了EODAS/EOTS功能的UN/SPS-12会在对应方位进行聚焦试图捕获。而聚焦得到的光学图像将会迅速通过计算机视觉系统加载进亚利桑那的综合敌我识别系统(IIFF)中。这些光学特征信号将会连同通过其他渠道得到的电磁、热能等特征信号一起,在汇总后呈递给采用深度学习算法和神经网络训练的舰载AI,并对图像进行特征分析、视效增强等处理,同时与数据库记录的光学特征进行比对,进而帮助AI进行敌我识别。换言之,计算机视觉系统的应用给予亚利桑那另外一种有效的敌我识别方法。计算机视觉系统和传统电磁波应答式IFF的协同工作极大地提高了亚利桑纳号的作战能力,对于一向复杂的敌我识别工作也加上了一道额外的安全锁。
武器系统:
亚利桑那号在舰船中部前端位置以相对放置的形式部署有2座泛美军工RIL4500单装203mm/L85液冷式电磁轨道炮。作为自贸联二类甲等采购项目,发展至今的RIL系列电磁轨道炮在各成员国的通力合作下已经结出了累累硕果,形成了使用范围覆盖民用船只到军用主力舰的舰载电磁炮家族。
作为RIL结晶之一的RIL4500以其高性能和良好的模块化和通用性享誉全自贸联太空军。作为一种全自动、垂直装弹的203毫米单管四轨液冷式电磁轨道炮系统,RIL4500能按照存储、初始化/可编写的程序装填和发射弹药。其主要任务是对舰/站攻击,可在其有效射程内精确、快速、大范围地对视距外的友军单位进行火力支援,在舰队决战时也可为友方舰队提供支援和掩护,必要时也可兼任防御/拦截作战。
从设计初就考虑到面向无人战舰的RIL4500内置模块化供弹系统与自动化弹药库,其供弹系统所使用的供弹结构为盘式供弹机+固定式输弹链的组合。主炮的输弹链为固定式,并在供弹井上端设置了一段4/9Π的弧形结构(刚好可以贴合俯仰中主炮的尾闩)。在炮塔的下层结构内一共存放着6个弹盘,每个弹盘装有48枚弹药,可通过炮塔内的电机进行旋转。每个弹盘均可安装不同种类的弹药。待选定弹药后,对应的弹盘会开始旋转(其他弹盘则保持不动),选中的弹药会经由弹链输送至炮尾。并且待发弹在炮身俯仰时可以跟随炮尾作上行或下行运动。但考虑到弹链长度和火炮最大俯仰角的限制,RIL4500的最大待发弹药量为15发。所有的弹盘/供弹模组都在位于舰内的全自动化弹药库内由机械臂进行效率远高于手动装填的高速自动化装填,并在装填完毕后通过穿梭输送机送往炮塔。亚利桑纳号的主弹药库装有1000发炮弹,还有4个容量500发的辅助弹药库,并能通过自动输弹机以每小时100发的速率向主弹药库补充弹药,使得两门舰炮均能实现一面射击一面装弹。亚利桑纳号整合所有舰上弹药需求的先进自动化弹药库不仅将占用的体积重量降至最低,而且是一个完整的模组,制造工作能与舰体建造同步进行,并且以整体吊装的形式将整个通用弹药库模组直接插入舰体,节省了建造时间。
虽然RIL4500的炮口内径只有203毫米,但炮口处身管直径却达到了500毫米,身管最厚处(外附反迈斯纳磁体和电磁减速器)更是高达868毫米。这使得RIL4500的炮管相较于其他轨道炮显得极为厚实且粗壮。造成这样的设计主要是因为RIL4500在设计之初就充分考虑了电磁炮在短距离加速弹丸上相较传统火炮的巨大优势。
为了发挥长身管轨道炮对弹体的极限加速能力,RIL4500安装有四条加速轨道,并将其以“万”字形布置于内管周围。且轨道也被设计成了一段较窄另一端略粗的类水滴形剖面结构。这种设计的目的在于让内部安装了良导体的待发弹药可以在磁场的作用下脱离炮管内壁悬浮在内管中央,且在炮弹开始加速时给予弹体一个相对较小的顺时针或逆时针(主要取决于电流方向)加速度,使炮弹以较慢的速度自旋从而获得一定程度上的自稳定能力。这一设计让RIL4500可以在四条轨道中的任意三条或对称两条正常工作时即可维持弹药的击发。同时四条轨道的平摊压力也让RIL4500的加速轨道相较于普通的双轨电磁炮更加不容易因受力过大造成结构弯曲或者变形。得益于此,RIL4500得以安装85倍径甚至以上的高倍径身管而不致于担心身管金属因自身重量造成的疲劳效应。
此外,为了对抗轨道在超导态下产生的磁场排斥现象(迈斯纳效应),RIL4500除了将四条主要轨道加工成一段较为接近内管而另一端相距较远的万字形外,还在靠近炮尾的位置安装了厚度225毫米,长度达到4520毫米的反迈斯纳轨道。这套系统通过产生反向磁场抵消掉一部分轨道产生的外部磁场,从而强行使一部分磁感线进入身管内部。同时这套系统也可作为辅助加速轨道,可在四条轨道全部故障的情况下维持最低限度的弹丸投送(考虑到反迈斯纳磁体的直径和位于耳轴前方不远处的高被弹区,四条轨道全部损毁而反迈斯纳磁体还能保持完好的情况几乎不可能发生)
全部这些轨道所需的能量都由固定在座圈下方的LL-1000“莱顿闪电”阵列提供。它们通过向轨道接通高压直流电进行充能,一次完全充能所需的时间约为秒,具体取决于身管工作环境。在所有部件运转正常且所有轨道完全充能下,RIL4500可以将350千克重的弹丸加速到30马赫(10209m/s)的速度。
轨道套筒的剩余空间被注入了液氮,以高压泵从轨道下方泵入并从上方溢出的形式进行强循环。完成冷却后的液氮会被吸入炮塔内部的压缩机进行二次加压冷却,从而达到重复利用的效果。
RIL4500采用的LL-1000 “莱顿闪电”储能放电装置是一种构造极其简单,制造成本很低,且完全不需要任何电子设备控制,仅靠自己储备的静电的电势就能进行自我调控的瞬时充/放电电容。其主体结构为一个直径1000毫米的中空球体,球壳一共分为三层:最外层为绝缘体,通常为氧化铝基陶瓷。(部分LL-1000的最外层被改装成了压电陶瓷,考虑到LL-1000的瞬时高电压放电,我们并不推荐这样做)中层则为以石英砂为主的玻璃纤维材料,最内层则是一层由纯铜制成的完美球体,直径950毫米.球体内部以左右上下四极为支撑点铺设了共计18层60X60的银网,最上部安有一根中空铜棒,固定于球体中央。铜棒的周围共计分布着18条轻质导线。
当LL-1000的上端被接通电源时,源源不断的电子会优先选择电阻较小的银网通过,并在悬空的银网上逐渐聚集。待银网上的电势达到饱和状态后,电子开始向中空铜棒的底端聚集,并使得周围垂挂的轻质导线逐渐向外部飘散(类似的例子便是当触摸静电球时头发飘起的效果)。一旦其中的某根导线接触到了任意一层银网,整个电路就将被接通,巨量的电子会在一瞬间涌入导线及其上方的放电电极,形成一道亿伏但持续时间仅为秒的高压电弧。这道电弧会直接接通炮弹末尾的良导体电极,使其在轨道磁场的作用下受到一个向前的力,从而达到投射的效果。由于“莱顿闪电”是直接储存电子的电势,而非普通电池一样将电能转化为化学能才能储存,所以其损耗比普通的电池小的多,而且瞬间放出数十亿伏脉冲电的能力更是传统电池所望尘莫及的。
RIL4500在其炮塔内部安装有6个“莱顿闪电”作为激发器,小巧而高效的激发器阵列使得RIL4500能在短时间内获得高达每分钟30发的超高射速。“莱顿闪电”作为一种即插即用的消耗品,在备件仓库里存有备份,当银丝受到较大损耗时,大可直接打开炮塔外壳,取出内部采用模块化设计的激发器阵列,并对损耗组件进行更换。
此外,30马赫的超高炮口初速在给RIL4500带来究极性能的同时,也赋予其以远比同口径火炮强大的后座力。不过值得一提的是,电磁武器的加速模式与传统火器不同——在弹药被击发后,投射物从传统火器身管尾部直到身管前部射出的过程中,投射物的加速度大多呈现出一个逐渐衰减的趋势(假定推进药完全燃烧,不考虑二次引燃的作用),而电磁武器对弹丸的加速度则是恒定的。这使得从体感后坐力角度(人体通常会记住某个施加在其身上较强的力的峰值而不会过多关注峰值较小持续不断的压力)来说,同样枪口初速度下电磁武器与火药武器相比,电磁武器的后座力比火药武器要小很多。
但这些优势对于初速可达30马赫的RIL4500而言微乎其微。为了对抗高初速带来的强大后座力,RIL4500的内管被设计为固定式,但外管连同内置的四条轨道(正是发射时主要受到反作用力的部件)被设计为在发射时可以向反方向运动,同时安装在耳轴前方的两台电磁减速器会产生与身管相反的磁场,利用中央身管已经完成做功的线圈将部分动能重新转化为感应电势,形成一种类似现代管退火炮的反后座系统。在尾闩上的莱顿闪电装置到达最大后座行程后的数秒内,身管会在磁场的作用下复位,同时炮闩卡笋会打开,将输弹机中的待发弹药推入炮塔从完成下一发弹药的装填。
经过长期的发展,电磁炮早已不像一开始被发明出来的时候那样,只能搭载纯动能武器,不能配备制导炮弹和装药炮弹。亚利桑那搭载的部分炮弹为次口径制导炮弹,在吸取了尾翼稳定脱壳穿甲弹(Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot,APFSDS)的设计经验后,设计人员通过在次口径制导炮弹外部安装了一个内覆纯银网络的弹托来解决电磁炮加速轨道强磁场对电子设备的影响。通过这个形似整流罩的外壳,制导炮弹本身和外壳共同构成了一个法拉第笼。由于银网的低电阻特性,磁场产生的电流会首先通过外部的弹托而非制导炮弹本身引导头的电路。在炮弹离开加速轨道后,炮弹携带的少量单组元推进剂和内嵌的微推力器就会开始运作,从而使弹托自行脱离本体,这套RCS系统主要用于调整炮弹的射入角度和方向。同时也可以使得炮弹在穿过星际尘埃带等多阻碍区域时也能维持当前姿态不变。
除两门电磁炮外,亚利桑那号还配备有4座波音-德州仪器UN/SEQ-15单装100mm/L45光纤脉冲激光炮。UN/SEQ-15具备全自动、高精度、能量集中、传输速度快、转移火力快、抗电磁干扰、可重复使用、作战效费比高的特点。UN/SEQ-15能按照存储、初始化/可编写的程序充能、指向和照射目标。其主要任务是对舰/站攻击,可在其有效射程内精确、快速地对友军单位进行火力支援,在舰队决战时也可为友方舰队提供支援和掩护,必要时也可兼任防御/拦截作战。
UN/SEQ-15采用光纤激光体制,通过采用掺入稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。由于激光信号的产生需具备粒子数反转、存在光反馈和达到激光阈值三个基本条件,因此激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。增益光纤为产生光子的增益介质;抽运光的作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转,也就是泵浦源;光学谐振腔由两个反射镜组成,作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大。抽运光进入增益光纤后被吸收,进而使增益介质中能级粒子数发生反转,当谐振腔内的增益高于损耗时在两个反射镜之间便会形成激光振荡,产生激光信号输出。
UN/SEQ-15全系统可分为增益光纤、反射镜组、谐振腔和输出调谐棱镜组四大部分,其中,增益光纤位于船体内部,并通过反射镜组通向谐振腔,产生的激光振荡随即通过安装在船壳上的调谐棱镜组(即外露的炮塔结构)进行聚焦,随即向宇宙空间飞去。UN/SEQ-15的机械构件除位于船体表面炮塔结构的调谐棱镜组和照射器,其余部分全都位于船体内。
当敌方打击弹药已进入距舰船数十-数公里的距离时,UN/SEQ-15将迅速转入防御模式。在这一模式下,亚利桑那的多波段相控阵雷达和巡天望远镜会迅速与防御管理模块进行高速数据共享,为UN/SEQ-15的运行提供实时目标参数。在舰载主机确定来袭火力的威胁等级后,防御管理系统会根据威胁等级迅速分配各个模块的任务,包括照射模块的照射角度,照射时长;供电模块的输电优先级对象等。保证来袭的每一个飞行物都能受到2到4个照射器,秒到5秒不等的持续照射时长的不同等级照射,直到来袭物体被彻底摧毁为止。
亚利桑那还安装有32座SMK-68通用垂直导弹发射系统。这种垂直导弹发射系统是由雷神公司主导设计的,采用开放式架构的新一代通用垂直导弹发射系统(UVLS),具备良好的通用性和适装性。出于泛用性的考虑,SMK-68采取电磁弹射冷发射的发射方式。
SMK-68采用8单元一组的模块化构装,并适配有7米,9米,11米三种不同长度的发射装置和同规格的适配发射箱。发射装置在插入舰体后就很难再做改变,但发射箱可利用吊车随时更换,但要注意的是长发射装置可以换装短箱,但绝对不能把长箱塞进短发射装置里,比如9米发射装置可以轻而易举地改装7米发射箱,但千万不能拿9米长箱塞进7米发射装置里。SMK-68的模块化构成不仅将占用的体积重量降至最低,而且是一个完整的模组,制造工作能与舰体建造同步进行,并且以整体吊装的形式将整个模组直接插入舰体,节省了建造时间。但需要指出的是,不像发射箱一样想换就换,发射装置在插入舰体后想再取出来可就不是一件容易的事情了。
SMK-68拥有巨大的1米发射箱内径,前所未有的巨大空间不仅放宽了对导弹的限制,还使得总载弹量进一步增加。在装填某些小型导弹的时候甚至可以采取一坑五弹,一坑六弹乃至一坑九弹的装填方式,从而使载弹量成倍提升。这也就是为什么亚利桑纳号只携带了32座共256个单元的通用垂直发射系统,但却能一次装填并发射远超这个数字的导弹的原因。
此外,由于采用了高度自动化的开放式软硬件架构与模块化延伸电子元件(Canister Electronic Unit,CEU),并通过模块化控制单元(Module Controller Unit,MCU)与舰上TSCE共同运算环境相容,SMK-68得以更经济又迅速地整合各种现有或新开发的导弹,只需要更换新的导弹控制软件,而不需更改发射器本身的软硬件,实现真正意义上的“即插即用”。发射器的导弹控制系通过CEU与宙斯盾系统连接,所以导弹只需采用与CEU相兼容的软件即可。
SMK-68垂直发射系统在冷发射模式下采用更加环保的电磁弹射冷发射方式。就像一座垂直安装在舰体内的电磁炮一般,以密闭形式封装的电磁加速导轨会将导弹弹射出发射装置,随后导弹自行点火起飞。而在一个发射箱中安装有多枚导弹的情况下,在一枚导弹被弹射出舱的时候,底部的紧凑型抓钩自然会保证剩下的导弹待在它们应该待的位置上。
非常值得一提的是,亚利桑纳号搭载的各型导弹均内置了弹群协同算法,使得他们可以在完全自律的情况下自主飞行,这种自弹群引导技术发展而来的软体算法能够将每一枚正处于飞行状态的导弹通过CEC终端连接在一起,通过搭载在某些改装导弹上的分布式服务器,不同型号的导弹得以互相共享数据并自主决策。由于外表并无差别,因此在敌方看来,每一枚导弹都可能是搭载了CEC终端的支援弹,这极大地增加了拦截的难度。而实际上,就算没有支援弹存在,普通的战斗弹群也能做到这一点,只不过效率和性能会有一定程度的降低而已。
而随着技术发展,CEC终端在经过不断的“先进能力构建(ACB)”后,其体积大大缩小,可以被安装在绝大多数的友军单位上,这大大增强了前线单位间的连接强度。对于弹群来说,它们可以从几乎所有友军单位那里得到引导,这使得对弹群的干扰难度随正在同步为弹群提供引导的友军单位的数量的上升而上升。换言之,正在为弹群提供引导的友军单位越多,弹群的抗干扰能力越高。这样的特性在共同体的大规模作战中无疑是极为有利的。
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