微觀航母之光學助降系統

希弦

光學助降系統是二戰后航母的標準“三大件”之一。艦載機在航母上的著艦早期是憑借飛行員的高超飛行技術，此后20年代初到50年代前的艦載機著艦是依靠著艦指揮官（LSO）的目視判斷與雙手上的信號板來人工引導完成。隨著噴氣式艦載機的登場，人工引導已無法勝任進場降落速度大幅增加的噴氣機的著艦引導作業。這次依舊是英國率先發明了鏡式著艦輔助系統來解決這個難題，隨之帶來了艦載機著艦方式的一次革命。

鏡式著艦輔助系統的發明

鏡式著艦輔助系統與斜角甲板幾乎是同時由在軍需部中任職的英國皇家海軍軍官構想出來。丹尼斯·坎貝爾上校構思出斜角甲板，而他麾下的海軍中校尼古拉斯·古德哈特（Nicho-las Goodhart）就是鏡式著艦輔助系統的發明者。與坎貝爾一樣，古德哈特也是飛行員出身，他不僅擁有豐富的航母飛行作業經驗，還在飛機測試中心擔任過試飛員，在整個飛行生涯中駕駛過50種以上不同的機型。

1951年夏天，當時在軍需部擔任技術秘書的古德哈特，發明了這種引導噴氣機以適當角度降落到航母斜角甲板上的新方法。依據古德哈特日后接受訪談時的說法，他利用向辦公室女秘書借來的口紅與鏡子，向同仁們首次展示了這種無需甲板降落管制官（DLCO，職責上與美海軍的著艦指揮官相同）的引導，即可讓飛行員自行判斷合適降落下滑角的方法。古德哈特先用口紅在鏡子中央畫了一條水平橫線作為基準線，將鏡子以一個上傾角放置在桌上，然后把口紅豎立在鏡子前面一小段距離的桌上。他要求觀察者以鏡子中口紅倒影的尖端作為視線瞄準目標，注視鏡子中口紅尖端與基準線的相對位置。若觀察者的視角適當，將會看到口紅尖端剛好位于基準線上，此時代表觀察者的視角與鏡子的上傾角相吻合：若看到口紅尖端位于基準線上方，代表視角過高：若看到口紅尖端位于基準線下方，則代表視角過低。通過這種檢查基準線與瞄準標的物相對位置的方法，觀察者自身即可判斷視角是否適當，原理上相對簡單。

具體到在航母上的試驗應用中，是以大型的鋁質柱狀凹面鏡做鏡子，以安裝在鏡子兩旁的一排綠色燈充當基準線，并以由大功率探照燈照射到鏡子上形成的光球來充當視線瞄準的目標。同時借助柱狀凹面鏡，可讓進入斜角甲板的飛行員仍能從側面看到凹面鏡反射的光源。這套凹面鏡安裝在飛行甲板左舷的穩定平臺上，鏡面與垂向成3。傾角，然后利用設置于航母艦艉、與反射鏡相距46～61米的多盞探照燈作為光源，將光線投射到反射鏡上匯聚為光球。當光源照射凹面反射鏡時，鏡面反射出的光線便會在艦艉上空形成一條“虛擬”的下滑道。飛行員駕機接近艦艉時，通過目視觀察他在反射鏡上所看到的光球位置，便能判斷自身的下滑角是否合適。若飛行員看到的光球位于反射鏡中央，就代表自身正處于合適的3。下滑角狀態：如果看到的光球靠反射鏡下方，則表示下滑角過小；若看到的光球位于反射鏡靠上方位置，則代表下滑角過大。

在坎貝爾的協助下，1952年1月的海軍航空研究委員會會議上，決定將古德哈特的構想付諸實際試驗。隨后英國軍方科研人員便在范堡羅建造了一套鏡式著艦引導裝置陸基原型，并于1952年3月測試成功。隨后的10月，一套改進后的原型系統被安裝到“光輝”號航母上并展開了海上測試。在“光輝”號上的鏡式著艦引導系統的反射鏡組安置在距艦艉91米處的左舷邊緣。測試中使用的凹面反射鏡由鋁材拋光制成，尺寸為寬2.4米、高1.2米。凹面鏡兩側各有一具1.8米長的基準燈支架，每側均裝有4只功率100W的綠燈，每具可形成100寬的波束。鏡式著艦輔助系統的光源為8只240W探照燈，安裝在6米長支架上，正對著凹面反射鏡組，距離49米，設置在左舷邊緣。

1953年間，英國皇家海軍飛行人員在航母上進行了一共106次日間降落與24次夜間降落測試。由于測試十分成功，海軍部很快就決定從1954年起，將鏡式著艦輔助系統與斜角甲板一同陸續加裝到皇家海軍現役航母上。較于試驗中的鏡式著艦輔助系統，量產部署型稍有修改。如反射鏡兩側的綠色基準燈數量，從原型的每側4盞增加到每側6盞或7盞，光源則從原型的8盞減為4盞。隨后的改進中又在兩側基準燈上方或下方，各增設一盞禁降復飛燈，由飛行管制官負責操作，用于指示飛行員放棄著艦、拉起復飛。使用鏡式著艦輔助系統的精確性非常高，因此英國航母上的攔阻索數量從原來的10多條減少到4條，最后只剩下3條，降落事故率也有大幅度的改善。

隨后美國海軍也引入了這種鏡式著艦輔助系統，并以剛改裝斜角甲板的CVA-20“本寧頓”號航母作為試驗艦，該艦左右兩舷各安裝了1套鏡式著艦輔助系統。1955年9月，“本寧頓”號開始了海上試驗，美國海軍的FJ-3、F7U-3P等艦載機進行了大量的進場降落試驗。試驗結果表明，這套鏡式著艦輔助系統可以讓艦載機飛行員們在飛機著艦前獲得10-12秒的時間，用來調整速度、高度與姿態。于是美國海軍也決定在所有的航母上都配備鏡式著艦輔助系統。

最初美國海軍參考英國海軍的經驗，認為鏡式著艦輔助系統這種機械光學助降裝置可完全替代著艦指揮官的角色。不過實際經驗表明，完全依賴機械式裝置的做法并不可取，最后美國海軍采取了人52+機械式裝置相結合的方式，仍配置了由資深飛行員擔任的著艦指揮官，負責監看降落狀況、與航母飛行控制中心保持聯系，并在緊急時向進場的飛行員發出禁降復飛信號。也因此美國海軍對英國的鏡式著艦輔助系統作了相應修改，在反射鏡兩側與上方增添了由著艦指揮官直接控制的禁降復飛燈（Wave-off Lights），以及提供給螺旋槳艦載機用的提示關閉發動機油門的切斷燈（Cut Lights）。

鏡式著艦輔助系統的不足與改進

雖然鏡式著艦輔助系統解決了噴氣式艦載機航母上著艦降落的問題，但仍存在一些不足。安裝在飛行甲板左舷邊緣的反射鏡與光源之間必須保持凈空，不能安裝其它設備，這在一定程度上限制了航母左舷空間的利用。而鏡式著艦輔助系統的獨立光源，往往會干擾艦島區域作業人員的視覺，甚至在某些角度上會造成艦橋人員的目眩，在夜間更是會影響到艦島、飛行甲板人員的正常作業。此外，附著在反射鏡上的濕氣霜霧，會降低反射光源的清晰度。某些情況下照射到反射鏡上的目光，還會影響飛行員對光點的判斷。

為了解決鏡式著艦輔助系統的不足，英國在20世紀50年代中期又發展出第二代光學著艦輔助系統，采用12盞垂直排列的24V-150W投射燈組成的投射瞄準器（Projector Sight）取代了反射鏡。投射瞄準器直接投射出多道垂直光束作為艦載機著艦進場路徑的指引。投射瞄準器的每盞投射燈搭配反射鏡射出光線，然后光線先通過一塊滑板上的水平狹縫，最后再通過最前端的菲涅耳透鏡投射出去，形成水平視角很寬（約40°）、垂直視角很窄（略大于1.5°）、具備垂直方向指向性的光束。借助有色濾鏡，最上方10盞投射燈的光束呈現為黃色，最下方的2盞燈則為紅色。從一定距離看，每兩盞相鄰投射燈的光束彼此略有重疊，三盞相鄰投射燈的光束共同形成一個指引飛行員的區域。當飛行員進場接近到2 743米以內距離后，如果看到燈光為黃色，且位于兩側基準燈中央，代表高度適當；如果看到燈光為黃色，且高于兩側基準燈，代表高度過高；如果看到燈光為紅色，且低于兩側基準燈，代表高度過低。第二代光學著艦輔助系統已可提供垂直方向大約±1。的引導精確度。

繼用垂直光源取代反射鏡外，英國皇家海軍還引進了HT-LO著艦引導系統，來取代早期使用的兩側橫列的綠色基準燈。HILO是安裝在箱子內的封閉式投射燈，每個箱子內有橫向排列的6盞投射燈，每盞投射燈的前方覆蓋有上下兩塊不同顏色的濾光鏡，分別為紅色濾鏡和藍白色濾鏡，然后透過箱子前端的狹縫將燈光射出，可射出高、中、低三層不同顏色的燈光，上層為自光，下層為紅光，中層則為白、紅光混合而成的粉紅色光。整個HILO的光線信號可覆蓋垂直10°、水平兩側各45°的范圍，有效作用距離超過了4.8千米。當飛行員還在航母周圍準備著艦進場時就可看到HILO的燈光，若飛行員看到白色燈光，代表飛得太高；若看到紅色燈光則代表飛得太低；當看到粉紅色時則代表高度適中，飛行員通過垂直視角約1°的粉紅色燈光引導，以適當的下滑角進場。

隨著艦載機所處高度的不同，飛行員從HILO指示燈所看到的紅一白燈光的混合比例也會有所差異。當飛行員沿著適當下滑角進場時，會看到不同濃度的粉紅色燈光，越偏紅代表高度越低，越偏白則代表高度越高。在HILO著艦引導系統的引導下，著艦的艦載機以合適的進場高度與下滑角從航母艦艉進場，距離更近后就能目視看到投射瞄準器（Projector Sight）的投射燈光信號，此時飛行員通過HILO和投射瞄準器的共同引導即能以更為精確的下滑角度攔阻著艦。

較于上一代的反射鏡式著艦輔助系統，投射瞄準器與HI—LO著艦引導系統的組合，不僅有效作用距離更遠、受環境的干擾更小、對航母上其他人員的作業基本沒有影響，而且飛行員通過燈光信號對艦載機自身的下滑角也能有了大略的判斷，為攔阻著艦的精確操控提供了可能。所以，從上世紀60年代中后期起，英國皇家海軍便陸續用這套新系統替換了原有的鏡式著艦輔助系統，并一直使用到英國最后一艘可部署常規起降飛機的大型航母的除役為止。之后的英國在光學著艦輔助系統方面便沒有了新的發展，美國海軍后來居上成為光學著艦輔助系統發展與使用經驗最為豐富的國家。

菲涅爾透鏡光學助降系統

美國海軍最初是采用從英國引進的鏡式著艦輔助系統，不過從20世紀60年代初起，在英國開發第二代光學著艦輔助系統的同時，美國海軍也針對鏡式著艦輔助系統的缺點，自行發展了第二代著艦輔助系統。由于這套新系統通過菲涅耳透鏡來投射提示飛行員進場下滑角是否合適的信號，因此便被稱做菲涅耳透鏡光學助降系統（FLOLS）。其實就系統的基本結構與工作原理而言，美國海軍的FLOLS與英國皇家海軍的投射瞄準器大致相似，不過FLOLS沒有采用英國那套較為復雜的HILO引導系統，依舊沿用此前用在鏡式著艦輔助系統上的綠色基準燈。另外，FLOLS也更強調紅色禁降復飛燈的配置，用更多的紅色燈來呈現禁降復飛信號以及其上方的兩組綠色的切斷信號燈。所以整套菲涅耳透鏡光學助降系統的光學部分是由中央的核心光學單元菲涅爾指示燈組、光學單元周圍的綠色切斷信號燈與紅色禁降復飛燈（后續改進型增加了緊急禁降復飛燈）以及兩側橫列的綠色基準燈組成。

作為核心光學單元，菲涅爾指示燈組含有上下垂直排列的5盞菲涅耳透鏡燈，每盞燈構成一個近0.3米寬的顯示格，5個顯示格的總高度約為1.2米。菲涅耳透鏡燈由位于最前端的用聚甲基丙烯酸甲醋有機玻璃材料制成的菲涅耳透鏡與后方的投射燈組成，可投射出高度指向性的光束。5盞菲涅耳透鏡燈借助濾鏡可投射出2種不同顏色的光束，上面4盞燈光為琥珀色（或者說橙色），最下面1盞為紅色。

飛行員通過比較目視看到的琥珀色“光球”與兩側綠色基準燈的相對高度，便可知道自身艦載機的進場下滑角是否適當。如果看到琥珀色的燈光位于兩側綠色基準燈上方，代表下滑角過高；看到琥珀色的燈光位于兩側綠色基準燈下方，代表下滑角略低；如果看到的燈光為紅色、且位于兩側綠色基準燈下方，代表下滑角已低到危險限度，必須立刻拉起復飛，否則有與飛行甲板相撞的危險：只有當看到琥珀色的燈光位于兩側綠色基準燈中央時，才表示當前的下滑角準確適當，能保證著艦時尾鉤鉤上攔阻索成功著艦。

在菲涅爾指示燈組兩側垂向布置的各4只或3只禁降復飛燈，在啟動時會以每秒90閃的頻率，提示飛行員不可著艦、盡速拉起。而切斷燈最初的用途是用于提示螺旋槳動力的艦載機飛行員關閉發動機油門的時機，后來則被用于顯示多種不同的信號意義，如當航母處于禁止使用無線電的情況時，可利用切斷燈閃爍2～3秒來通知準備降落的飛行員可繼續進場，或是以持續閃爍的切斷燈提醒飛行員增加油門等。禁降復飛燈與切斷燈的控制由著艦指揮官手中的便攜式開關來手動控制。

FLOLS的運用方式與以往的鏡式著艦輔助系統大致相同，只是把反射鏡換成垂直排列的菲涅耳指示燈組而已。不過菲涅耳指示燈組的進步之處也如英國的第二代著艦輔助系統，可以為飛行員提供更清楚、豐富的信號，通過目視到的菲涅耳透鏡燈顏色即能大略判斷下滑角是否適當。同時，再搭配兩側的基準燈即能以精確合適的下滑角著艦。與英國皇家海軍的投射瞄準器+HILO著艦引導系統的組合相比，美國海軍FLOLS系統的結構較簡單，只不過有效距離僅1800多米，比HILO能提供的4.8千米有效距離近了許多。盡管二者存在上述技術和性能上的差異，但由于基本原理相同，因此英、美兩國海軍飛行員只需經過少許轉換訓練，便能適應對方的光學著艦引導系統。

改進型菲涅爾透鏡光學助降系統

從20世紀60年代中期開始，FLOLS菲涅爾透鏡光學助降系統便陸續取代了美海軍航母上原先使用的鏡式著艦輔助系統，并不斷推出FLOLS的衍生改進型，進一步完善了功能。這其中較為重要的是Mk.6 Mod.3 FLOLS和Mk.13 Mod.0改進型菲涅耳透鏡光學助降系統（IFLOLS）。

1970年開始測試的Mk.6 Mod.3 FLOLS是美國海軍70年代中期到2000年初期的主力光學著艦引導系統，相較于早期的FLOLS原型變化并不大，主要是在禁降復飛燈內側增設一排緊急禁降復飛燈（Emgerency Wave-Off）。緊急禁降復飛燈有獨立的電源與電路，是原有禁降復飛燈故障時的備份，平時并不使用。而在20世紀80年代后期由新澤西萊克赫斯特海軍航空工程站的工程師們開發的Mk.13 Mod.0 IFLOS，則在設計上有了較大的改進。

此前的FLOLS的一大缺點就是目視的有效距離不足，因此IFLOLS的改進主要就是針對于此。FLOLS上是5盞菲涅耳透鏡燈，在IFLOLS上則增加到了12盞垂直堆疊的指示燈，由此垂直指示光束被區分得更精細，總高度也增加到1.8米多，并改用更容易聚焦的新光源。兩側的綠色基準燈數量增加到10盞。另外禁降復飛燈的配置也有所調整，還搭配了改進的數字控制系統，以及可提供3種穩定作業模式的新型穩定平臺。

通過這些改進，IFLOLS擁有更遠的有效目視距離，較FLOLS提高近一倍，垂直指示燈的顯示更清晰、下滑角的指示能力更靈敏精細，系統的穩定精度、可靠性與可維護性都有所提高。即使是進場速度達260千米/小時以上的“超級大黃蜂”通過IFLOLS的引導，在進場降落的最后階段仍有15～18秒的時間用于調整速度與高度。1997年，美國海軍在CVN-73“華盛頓”號航母上展開IFLOLS的最初海上測試，并從2001年起開始換裝。到2004年，美國海軍所有的現役航母都換裝了IF-LOLS改進型菲涅爾透鏡光學助降系統。

手動視覺降落輔助系統

除了FLOLS與IFLOLS外，美國海軍航母上還搭載了一套作為備份與訓練用的手動視覺降落輔助系統（MOVLAS）。由于MOVLAS外形上與FLOLS/IFLOLS很相似，加之其只是當FLOLS/IFLOLS因故障失效，或是航母艦體的搖晃過大、超出FLOLS/IFLOLS的穩定系統允許范圍，或是要進行著艦指揮官與飛行員的訓練時，MOVLAS才會看到，所以平時媒體鏡頭下不多見，也就十分容易與FLOLS/IFLOLS混淆。

MOVLAS的配置與FLOLS大致相同，只是采用的燈組型式有所差異。以MOVLAS Mkl Mod2為例，一套完整的MOVLAS包含有用于顯示垂直狀態信息的光源燈箱、基準燈、禁降復飛燈與切斷燈等單元，以及安裝用基座等。各單元平時分解儲存，必要時再由艦員以人工方式搬運組裝。

MOVLAS的光源燈箱含有2列垂直安裝的23盞燈，用于模擬FLOLS的“光球”顯示。燈箱前方設有一組活動遮擋板，當遮擋板關上時，燈光強度會減低到只相當于遮擋板開啟時的3.5%。通過電源控制箱還可進一步在更大的范圍內調整燈光強度，以便調整日間與夜間等不同情況下的燈光顯示強度。

光源燈箱上方的17盞燈為黃色，最下方6盞燈為紅色（類似菲涅耳透鏡燈最下方紅色燈的“高度過低”顯示作用）。LSO可使用2組便攜式開關來分別控制最底層6盞紅色燈上、下各3盞燈的開啟與關閉，若把2組開關都關閉，則LSO將能在比標準FLOLS允許的更大下滑角范圍內，引導飛行員駕機進場。當MOVLAS在第二或第三個位置部署時，會在光源燈箱兩側各安裝一組基準燈箱，每組基準燈箱都含有5盞獨立的基準燈、4盞禁降復飛燈與1盞切斷燈。

在艦艉作業的LSO可利用便攜式開關開啟光源燈箱上不同的燈來決定“光球”燈號位置，光源燈箱的燈光可以3或4盞燈為一組，往上或往下連續地依序亮起，借此便能調整飛行員所看到的“光球”的光點位置。至于光源燈箱與基；隹燈箱的燈光強度調整，以及禁降復飛燈與切斷燈的開、關，則是另行獨立控制。

對于進場中的艦載機飛行員而言，MOV-LAS與使用FLOLS或IFLOLS時一樣，通過比對目視到的光源燈箱顯示的“光球”燈號，以及與兩側基準燈的相對高度，來判斷降落下滑角是否適當。不過由于MOVLAS所顯示的“光球”位置，是完全由LSO手動控制所決定，不能保證“光球”光點顯示位置的正確性，不如FLOLS或IFLOLS這類有穩定機構的機械光學裝置。所以在使用MOVLAS時，LSO必須同時借助起降綜合電視監視的幫助，利用電視影像所提供的反饋信息來判斷當前MOVLAS上顯示的“光球”位置是否適當，并及時調整光源燈箱的垂直燈號，修正“光球”燈號的顯示位置。

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