海陸通吃

馬世強

電磁攔阻裝置的設計特點

現在航母上使用的液壓攔阻裝置，從原理上講還是70多年前的設計，除了在防止攔阻索振動、結構材料組成和減速制動性能上有所提高外，整套裝置的結構與早期裝置沒有太大的區別。液壓攔阻裝置由攔阻索、滑輪組、液壓制動缸、蓄能器四大部分組成。當著艦飛機的著艦鉤（又稱尾鉤）鉤住甲板上4根攔阻索的某一根后，機體就在受攔阻索制動的情況下作減速滑行。被著艦鉤拉出的攔阻索再拉動可動滑輪組向固定滑輪組“收縮”。前者同時帶動液壓阻尼緩沖缸中的活塞支柱，通過活塞面將制動液由液壓缸體上的數個小孔中持續擠壓進蓄壓器。在擠進過程中制動液被劇列攪拌流動，導致溫度上升，飛機的大部分動能就被轉化成熱能。在制動過程中蓄壓器內的氣體也被壓縮，從而儲存了一部分壓縮能。攔阻完畢后，蓄壓器內的氣體膨脹，活塞開始往回移動，使整個滑輪組上的牽引索和甲板上的攔阻索恢復到原來的位置，為下一架飛機的降落作好準備。

這種裝置在滑輪組與攔阻索的纏繞上與液壓彈射器有相似的地方，也和液壓彈射器一樣，有一大堆運動部件。美國現代航母上的攔阻索光是隱藏在甲板下的部分重量就超過1470千克，還有粗大的液壓活塞和安裝有40個滑輪的滑輪架，總的活動部件重量要超過2000千克，這么大的重量都要在艦載機的瞬間沖擊下從靜止狀態進入到運動狀態，因此當艦載機著艦鉤掛住攔阻索的瞬間沖擊力很大！正是由于瞬間沖擊力很大，為保險起見，甲板上的攔阻索使用次數據說往往不超過十次，如果制動重型飛機，使用次數還得應酬減少。液壓攔阻裝置對艦載機著艦時的重量和著艦速度都有嚴格的要求，早期艦載機在著陸時要求機內燃料基本被消耗完，所掛載彈藥要全部拋棄，以免著艦時的攔阻載荷超過機體強度或液壓攔阻裝置的制動力。盡管對艦載機著艦有著嚴格的安全規定，但艦載機著艦時拉斷攔阻索的情況時有發生，還曾發生過機尾被拉斷的事故。兩年前，俄羅斯一架蘇-33艦載機著艦時，就因為攔阻索被拉斷而掉進大海。

2005年4月，美國海軍航空系統司令部選中通用原子公司電磁系統部進行先進攔阻裝置系統（AARS）開發工作。通用原子公司提出的技術方案是一種渦輪電力系統，這種系統將陸地機場用攔阻裝置中的水渦輪阻尼裝置與電磁阻尼裝置結合在一起，采用機械電磁混合形式，即主體吸能用機械裝置，波動調節利用電磁控制。這樣就可以充分發揮兩種制動方式的優點，同時克服兩者的缺點，因為單純利用電磁阻尼裝置將導致其中的電磁線圈體積過大。美國空軍的戰術飛機大部分都裝備著陸鉤，這是因為空軍機場上都配置了陸基攔阻系統。早期為盤式摩擦裝置，后來改為水（油）渦輪裝置。這些攔阻裝置已在戰后的40多年間得到成功應用。與航母上使用的液壓攔阻裝置相比，水渦輪攔阻裝置具有阻尼峰值低、結構簡單及重量輕體積小的優點，但是攔阻功率增大時有阻尼脈動加大不好控制等缺點，兩者結合正好取長補短。和液壓攔阻裝置相比，“福特”號上使用的先進電磁渦輪攔阻裝置則有重量輕及體積小的優勢。例如，一套MK7-3的重量是43噸，體積也比較大；而電磁裝置由液體渦輪阻尼器、錐形卷筒及電磁阻尼器三大部分組成，沒有粗大的液壓缸體。從美國目前展示的工程樣機來看，重量不會超過20噸。

美國先進電磁攔阻裝置工作原理很簡單，可以看成是用攔阻索的不斷抽出轉動錐形滾筒，后者再帶動設置在軸兩端的發電機和水泵。戰機剛著艦掛上攔阻索時速度最大，在攔阻制動過程中，速度會降下來，錐形滾筒通過卷揚半徑的變化正好適合了降落過程中的速度變化，能為水渦輪的制動創造較佳的吸能緩沖工作條件，也可控制電磁制動過程中的載荷使其工作在最佳位置上（電磁裝置可以輕松實現變速，但這樣體積太大），可保證在整個制動過程中的制動力均勻不變。艦載機著艦后鉤住攔阻索，后者從纜鼓上被抽出，同時帶動纜鼓及電磁制動機構高速轉動，電磁制動機構此時就成為一個發電機，把飛機的動能轉化為電能。與電磁彈射器相比，旋轉的電機由于轉子線圈與動子線圈對應度更為密集，再加上能利用自身感生電流反向制動，在能量轉換過程中就顯得“技高一籌”，電流的脈動更為平穩，制動平穩度幾乎可以達到理論值。如果電磁彈射器能把彈射載荷的波動控制在2%以下，電磁制動攔阻裝置就可以把制動載荷波動控制在小于1%。在攔阻飛機的動態過程中，位于攔阻索兩頭的電動機能夠根據制動過程中的載荷變化主動調整攔阻索的張力峰值，精確控制飛機著艦鉤的受力，并且能夠通過調整著艦鉤兩側攔阻索的長度，使飛機滑行出降落區后停止，不需要再移動就可進行下一架的降落作業。

當然，未來的電磁攔阻裝置僅憑電磁渦輪系統完成艦載機的攔阻還不能達到理想的程度。為充分發揮電磁攔阻裝置的優勢，強度高、重量輕的攔阻索是非常重要的。現有的甲板攔阻裝置使用的攔阻索是用高強度鋼絲編織而成的，強度雖然夠用，但重量也不小。如果是單純采用電磁制動而不想辦法減輕這部分的結構重量，則電磁攔阻裝置尚不能達到最理想的狀態。解決的辦法是采用高強度的碳纖維材料制作成攔阻索，這種材料的強度是現有鋼絲索的10倍以上，可以大幅度減少攔阻索重量，從而為盡可能地減少攔阻載荷創造條件（實際上陸基攔阻裝置早就在使用輕質高強的尼龍帶）。美國已開始在航母上為現役的液壓攔阻裝置進行高強復合材料攔阻索代替鋼纜攔阻索的試驗。

電磁攔阻裝置對艦載機及航母設計的影響

假如航母采用了理想的電磁攔阻裝置，會對艦載機和飛行甲板產生什么樣的影響呢？美國人宣傳的先進攔阻裝置具有如下特點：一是電磁攔阻裝置的制動載荷非常平穩，可以延長艦載機的壽命；二是制動阻尼參數變化靈活，提高了回收速度；三是維修簡單，能有效降低運行費用。其實，還有更重要的優勢還沒提到。endprint

使用液壓攔阻裝置進行著艦制動，艦載機所要承受的載荷最大時可達3倍重力加速度以上。為保險起見，在設計時一般把這個值定在4～5倍重力加速度。俄羅斯艦載機著艦鉤的制動載荷設為4.5倍重力加速度，美國的艦載機則是按照5.0倍確定。如果是利用電磁攔阻裝置完成制動，加上設計上的保險值，將艦載機著艦鉤的載荷值定在3.5倍重力加速度也就夠用。載荷值大幅度減少，將使艦載機減少相當大的結構重量。F-18艦載機相對陸基型的結構重量增加了1324千克，主起落架就增重237千克，前起落架增202千克重。之所以要增加這么多重量，是因為著艦鉤掛上索后會在機體上產生向下的加速度，因而加大了機體的下沉速度。艦載機起落架加強的原因就是要應付這種額外的增加速度。電磁攔阻裝置可以將艦載機的攔阻載荷降低到2.0倍重力加速度，這樣著艦鉤及起落架的最大載荷也將降到3.5倍。與采用液壓攔阻裝置時相比，相當于將攔阻載荷降低了一半。這也意味著艦時的下沉速度可以定得低一些，因此在機體結構設計上就可以適當降低冗余。保守估計，電磁裝置可以讓F-35C減重至少100千克。按照航空界對戰斗機增重后果做出的“結構重量增加1千克，起飛重量增加3千克”的結論，減少100千克對飛機的各項戰術技術性能的提高都非常有利。當然，在具體設計時減重優勢不會全用于提高性能，但可以肯定，電磁渦輪攔阻裝置能夠顯著延長機體壽命。

電磁攔阻裝置優異的制動性能，對航母飛行甲板的影響也是非常巨大的。美國現有航母降落甲板的標線寬度是36米，而攔阻索兩個水平導向輪的間距要超過40米。之所以要達到這么寬的距離，完全是為了滿足安全降落的需要。由于從液壓制動裝置中抽出的兩條索都是繃緊在一套液壓作動裝置，對稱調節很困難，飛機掛索后會因為兩側攔阻索拉出的長度和制動力有差別而存在著向一側滑出的危險。為了防止艦載機在著艦制動過程中出現偏航，就只能是通過擴大“容錯能力”來解決，也就是加寬攔阻索的橫跨寬度，同時又限定著艦飛機掛索位置的最大橫向偏差值不能超過距攔阻索中心點左右3米的范圍。攔阻索的寬度小一些行不行呢？可以小，但為不影響飛機制動方向上的安全性，著艦的精度也得提高，否則免談。電磁攔阻裝置具有優異的對稱調節能力，在理論上不管著艦鉤掛在攔阻索的任何位置上，只要調節兩側電磁制動裝置的制動力，都有可能使飛機恢復到中間的滑行線路上來，這意味著40米的寬度可以讓攔阻索有左右10米多可鉤索范圍。從另一方面看，如果艦載機的著艦精度達到左右3米的程度，電磁裝置攔阻索的寬度有30米就能滿足安全制動的需要了。現有航母降落區占了很大的面積，采用了電磁攔阻裝置后，則在滿足安全制動的需要下，降落區面積可大幅度減少。

通常人們認為，對于甲板上的飛機來說，電磁攔阻裝置的采用不會對艦載機的降落安全有直接的幫助。一般來說是這樣，但如果考慮到電磁裝置的工作特點，其優勢對提高安全性還是有很大幫助的。按照20年前美國海軍的統計，艦載機每次著艦的掛索成功概率約94%。在不成功降落中，掛上不索的主要原因是著艦鉤接觸甲板時已經超出攔阻區。如果將攔阻區擴大，即將最后一根攔阻索再往后移動，就能進一步提高掛索概率。為什么不那樣做？就是受到液壓攔阻裝置性能的限制。攔阻索的制動過程需要一定的距離，距離不夠，則艦載機掛上索也會掉出甲板！現有攔阻裝置的制動距離超過了100米，最后一根攔阻索的安裝位置受到這個制動距離的限制。電磁攔阻裝置制動平穩，可充分利用有限的距離進行制動，因此制動距離可以不超過80米。這意味著最后一根攔阻索可往后再移動10多米，從而可將掛不上索的6%概率給消滅得剩不下多少了。美國海軍的實踐也證明：只要著艦鉤落在攔阻索前面，成功掛索的概率幾乎是百分之百！著艦成功概率的提高意味消除了再次降落的危險，因此完全有理由說先進的攔阻裝置對艦載機著艦安全有重要意義（有關艦載機掛索概率的分析，詳見本刊2014年第8期文章“要多少才算多——小議航母攔阻索數量及布置問題”——編者注）。

艦載機在降落過程中，經常會出現下滑軌跡偏低/高或偏左/右的情況。現有的液壓攔阻裝置由于攔阻索的兩頭抽出過程是在同一個液壓柱塞缸上進行（這是為了讓攔阻索自動具有均衡抽出特性），調節掛索點兩側的攔阻索拉力非常困難，幾乎沒有對掛索后的飛機進行調整制動方向的能力。因此，艦載機只有掛在攔阻索正中很小的一段范圍內，才能操保正確的制動滑行方向。如果偏離正常軌跡稍大，使得掛索點超出了這一小段范圍就會導致無法安全制動。此時，為保證安全只能終止著艦并加速復飛，然后重新開始一輪降落過程，這意味艦載機將重新面臨著艦的危險。電磁攔阻裝置由于攔阻索的兩頭分別從兩個錐形滾筒上抽出，并且可用阻尼電機調整掛索點兩側索上的制動力，因此就具有很強的制動方向調整能力，既可以使飛機掛上攔阻索后能保持筆直的制動滑行，也可以根據甲板上情況讓艦載機在制動后直接滑出降落區。這種能力意味著什么？這意味著可以讓偏航的艦載機照樣掛索著艦，它可以讓很多原本要復飛的飛機一次降落成功，而不是不分“清紅皂白”一概拉起復飛。減少重復著艦的次數，也等于降低發生危險的概率，實際上也是增加了降落的安全性。endprint

如果從航母飛行甲板設計的角度來看，電磁攔阻裝置可調整制動方向的特點，則可以有意識地加以運用來優化飛行甲板設計。例如，可以讓所需的甲板降落區寬度縮小，而且縮小的幅度還相當大！目前，現役的航母其降落區的寬度都在35米以上。因為攔阻索的繃索寬度越大，允許著艦鉤掛偏的誤差也越大，為提高制動過程中的方向穩定性，繃索寬度最大的超過了40米。由于目前艦載機翼展最大的不超過26米，在采用可調整制動方向的電磁攔阻裝置后，即便不做其他的改進，降落區寬度就有可能縮小到寬30米。這對提高飛行甲板作業運行效率，是非常有意義的。美國和英國近幾年來進行的艦載機精確著艦試驗表明，在采用了矢量推力技術和安裝了高精度的近距離定位系統后，未來艦載機可實現左右誤差不超過1米、前后誤差不超過10米的高精度著艦。如果再利用電磁攔阻裝置，完全有可能把降落區寬度縮小三分之一以上。英國人在“伊莉沙白”級航母的設計過程中，曾打算采用側置降落區的飛行甲板設計，即讓降落的飛機將左側機翼伸出甲板，其目的就是減少降落區對飛行甲板上的過度“占據”。如果再結合電磁攔阻裝置，甚至可能將降落區寬度縮小到25米。

開發電磁攔阻裝置對陸基飛機的意義

縱觀媒介和讀者對電磁彈射器的熱情，幾乎都是一致認為中國航母應該一步到位，直接采用電磁彈射器。其實，電磁彈射器并不一定就能適應中國的國情，倒是電磁攔阻裝置適應性更強，將會是未來航母的最佳選擇。另外電磁攔阻裝置可以很方便地應用到所有需要它的地方，不論是飛行甲板還是陸地機場。

美國的陸基戰術飛機都安裝了著陸鉤以縮短降落滑行距離。美國空軍在本國的機場幾乎都設置了攔阻裝置，并且為駐外國的空軍部隊配備了機動性的攔阻設備拖車。在戰時機場受到破壞的情況下，美國空軍借助攔阻裝置完全可以在200米長的殘余跑道上安全降落。相比之下，中國雖然早在20世紀60年代就開始研制水渦輪攔阻裝置，海空軍機場也幾乎都布置了攔阻設備，但由于只能使用攔阻網作為應急手段，因此實際上并未利用這類裝置來改善戰機的降落性能。中國已經為“遼寧”艦研制了液壓攔阻裝置，研制航母電磁彈射器和電磁攔阻裝置也已經提到議事日程上，也應充分考慮到陸地機場使用電磁攔阻裝置的重要性。中國空軍的戰術飛機如將攔阻制動技術作為常態使用，將有助于提高戰時的戰術應急能力和生存性。

中國戰術飛機不采用攔阻裝置而是采用減速傘，可能是從控制結構重量上考慮。美國F-18艦改陸L型使用的著陸鉤是34千克，重量稍大于減速傘裝置。水渦輪攔阻裝置的制動載荷可控制在2.0倍重力加速度以下，如果裝備陸基電磁攔阻裝置，則在同樣的制動距離下可以將制動載荷降低到1.5倍重力加速度。制動載荷的降低有助于將戰機上安裝的著陸鉤結構減輕到接近減速傘的程度！對于類似殲11這樣的重型戰機來說，著陸鉤可以同樣安裝在尾梁上，而為此付出的重量代價并不比使用減速傘大很多，甚至可以忽略不計。同時，由于采用攔阻裝置還可以減少戰機輪胎的磨損，因此用著陸鉤+攔阻裝置取代減速傘還能大幅度降低使用費用，其意義不可小覷！

關心國防建設的軍事迷中經常有人建議，中國空軍戰術飛機應該采用攔阻裝置和機動式滑躍起飛跳板來提高在戰爭中的起降生存性。應該承認，這種建議具有很強的實用性和可行性，在技術上也不存在太大的困難。如果采納這一建議，再為飛機配備精確的著陸定位系統，則中國空軍的野戰機場只需要一段200米長度的跑道就能順利起降戰術飛機！從這個角度來說，電磁攔阻裝置對海空軍的意義都非常大，因此，中國非常有必要盡快研制、列裝自己的電磁攔阻裝置。

編輯：石堅

20世紀60年代，隨著國產殲擊機速度的提高，我國開始研制飛機攔阻系統。根據國內工業技術基礎，我國選擇的以攔阻網為攔阻介質的飛機攔阻系統。我國第一種飛機攔阻系統“攔阻-1”于60年代后期投入使用，然后又進行了改進改型設計。“攔阻-1”型飛機攔阻系統采用水壓渦輪設計，由水壓渦輪、攔阻網、攔阻帶等組成。攔阻原理是在容器內注入一定的液體，然后把渦輪通過攔阻帶與攔阻網相連。當飛機撞網后，拉動攔阻帶，后者帶到渦輪轉動，在轉動的過程中，液體會對渦輪產生阻力，這樣就可以把飛機的動能逐漸消耗掉，達到降低飛機降落距離的目的。這種攔阻系統具備攔阻阻力大、剎車力柔和、噪聲小、結構簡單等優點。

進入20世紀80年代，隨著殲7、殲8等新型戰機的投入使用，國產殲擊機在速度和重量上都有了較大的提高，因此需要新一代飛機攔阻系統，為此我國研制了“攔阻-2”型飛機攔阻系統。與“攔阻-1”相比，它最大的特點是采用尼龍帶式攔阻網，替代了原來的鋼絲繩。這樣既減輕了系統的重量，加快了撤放的速度，又避免了對被攔阻飛機造成較大的損傷。90年代隨著引進的蘇-27、蘇-30等重型作戰飛機的服役，原來的國產攔阻系統已經不能適應使用的要求。像蘇-27的空重已經超過15噸，而國產殲6、殲7作戰飛機的最大起飛重量還不到10噸重。這樣我國又研制了“攔阻-3”型飛機攔阻系統，主要增大攔阻網的能力，以解決重型作戰飛機的攔阻問題。不過使用部隊也發現現有的攔阻系統存在較多的問題。首先是機動不便，國產攔阻系統均屬于固定安裝，需要事先確定基座，費時費力，抗毀能力和機動作戰能力較差。另外就是不能調節飛機的重量范圍，而隨著空軍作戰訓練水平的提高，特別是遠程機動作戰能力的增加，一個場站可能要保障多型作戰飛機起降，這樣就會出現蘇-30和殲7B在同一個機場訓練的情況。在這種情況下，國產攔阻系統只能按照蘇-30來設定相關的參數，對于殲7B來說，就會出現飛機承受的攔阻載荷可能會超過指標限定問題，使飛機產生損傷。針對這種情況，新世紀我國研制了機動式飛機攔阻系統。從相關新聞報道來看，這種系統收放時間不超過2小時，攔阻系統采用技術先進的液壓控制旋轉多盤摩擦式制動器。它的攔阻力大小可依據飛機重量及速度進行調節.使得被攔阻的不同類型飛機受到的載荷最小。滿足了空軍新時期作戰訓練的需要。endprint