艦載戰斗機夜間著艦引導方式初步研究

張健，潘華，姜程亮，呂賓，褚世永

1.海軍裝備部飛機辦公室，北京 100071

2.海軍裝備研究院，上海 200436

3.海軍指揮所，北京 100841

4.西北工業大學，陜西 西安 710100

5.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

艦載機夜間著艦與晝間著艦存在較大差異，飛行員目視參考少、容易產生錯覺、操控技術要求高，夜間著艦對飛行員來說是極大的挑戰。由于夜間著艦風險極大，美軍1965—1980年發生的354起著艦事故中夜間事故占195起，考慮到晝間著艦次數遠遠多于夜間，夜間著艦事故率遠遠高于晝間，事故萬時率（指飛機飛行1萬小時平均發生的事故數）達到晝間的3.5倍以上，因此，艦載機夜間著艦成為了國內外軍事研究的焦點[1~3]。

1 艦載機夜間著艦發展歷程

艦載機夜間著艦的發展歷程可以歸納為起步、探索和成熟三個階段。起步階段始于二戰后，主要使用F-4、F-8噴氣式艦載機進行夜間著艦的嘗試，1950年2月完成首次著艦。該階段主要靠信號棒指示、目視著艦，但成功率較低，常導致著艦失敗、機毀人亡，只有少部分飛行員可以完成著艦，基本不具備夜間作戰能力；探索階段自20世紀50年代中期至80年代，主要使用F-8、F-14和F-18飛機，夜間著艦主要采用塔康導航系統、微波著艦進近引導設備、菲涅爾光學助降和甲板燈光系統，夜間著艦條件得到較大改善，特別是雷達自動精密進近系統的引入，使著艦成功率不斷提高，事故率逐步降低。這一階段初期，每艘航母上4個艦載機中隊中僅有一個中隊具備夜間作戰能力，隨著裝備技術的進步和訓練水平的提高，逐步實現了全部中隊都具備夜間作戰能力；成熟階段自20世紀80年代中期至今，主要使用F-14、F-18、F/A-18E/F飛機，通過研制新型精密自動引導雷達，提高了對飛機的引導能力；通過改進菲涅爾光學助降系統，提高了分辨率和作用距離，降低了飛行員的操作難度；通過研制激光遠距對中引導系統，提高了飛行員遠距目視對中能力。新技術的引入使事故萬時率穩定在0.4左右，有效地降低了著艦難度和風險。

2 艦載機夜間著艦流程及引導模式

2.1 夜間著艦流程

以美軍F/A-18戰斗機為例，夜間著艦與晝間著艦主要區別在于著艦航線和進入下滑道的方式不同。晝間著艦主要圍繞“五邊四轉彎”的航線以及15~18s的下滑軌道，以著艦指揮員的指揮為主；夜間著艦流程采取非通場型著艦航線，在艦尾13000m處即對準進入下滑軌道，以著艦引導設備引導為主。夜間著艦一般流程如圖1所示。

圖1 美軍F/A-18戰斗機夜間著艦一般流程Fig.1 Flowchart of F/A-18 carrier night landing

（1）等候：引導范圍為返航航線馬歇爾等候區。飛機按指定高度等待飛行員。艦面指揮員為首席管制員。

（2）下降：引導范圍為馬歇爾等候區到艦尾6500~10000m。飛行員在艦尾13000m對準艦尾（斜角甲板延長線），進入著艦航線，放尾鉤；進入后高度逐步降至約350m、速度降至約240km/h。艦面指揮員為進近管制員。

（3）進近：引導范圍為艦尾6500~10000m到1200m。飛行員根據管制員指令與母艦自動著艦系統連接，不成功就與備份的母艦儀表著艦系統連接；根據平顯指示下降，并按管制員指令調整飛行姿態；1200m處，按管制員指令呼叫燈球。艦面指揮員為最終管制員。

（4）著艦：引導范圍為艦尾1200m到著艦點。飛行員報看燈情況，報告油量，實施注意力分配按三要素進近，根據著艦指揮官（LSO）指揮著艦。艦面指揮員為LSO。

（5）復飛：如飛機未能著艦，則復飛并返回等候區。艦面指揮員為進近管制員。

2.2 夜間著艦引導模式

美軍夜間著艦采用母艦全天候助降系統引導，主要有三種模式（選擇權歸最終管制員）。

（1）模式1：如果天氣十分惡劣，或是飛行員因為各種原因無法自己駕駛飛機降落，控制中心的計算機可以與F/A-18戰斗機上的電腦連接，通過自動駕駛儀操縱飛機下降。在這種情況下，飛行員完全不操縱，讓計算機移動操縱桿和油門，實現著艦。該模式是不得已的選擇，幾乎沒有飛行員會在降落時坐視機器操縱。

（2）模式2：計算機通過母艦自動著艦系統不斷地提供飛機各種信息，為F-18設計出一個完美的路徑來降落到航母上。這種方法被飛行員稱為“針”，如圖2所示。因為航母的計算機會在F/A-18戰斗機的平顯上顯示出針尖指示的飛行路線，提示飛行員正確的著艦路徑。該模式是飛行員的首選。

圖2 F/A-18戰斗機平顯“針”方法顯示Fig.2 Exhibition of the method named “needle” of F/A-18

（3）模式3：如果計算機出現問題，無法實現母艦與飛機的互相交流，最終管制員會要求飛行員按照母艦儀表著艦系統指示進近，同時用語音指導飛機下降。最終管制員根據母艦上雷達跟蹤飛機飛行的信息與應采取的正確飛行軌跡之間的差異，用無線電指示飛行員駕駛飛機上升或下降、左右轉向。

采用模式2和模式3，當飛機飛到距離母艦1200m處時，飛行員可以看到甲板上菲涅耳透鏡的光球，LSO接管指揮權，在飛機觸地之前通過無線電發布最后的指令。

3 艦載機夜間著艦特點分析

與晝間著艦相比，艦載機夜間著艦主要特點有：

（1）著艦航線覆蓋的空域變大

由于夜晚?？找晥龇秶?，視覺障礙多，參照物不清晰，因此戰斗機夜間著艦不可能采取晝夜“五邊四轉彎”的著艦航線，不會采用空中編隊通場、順序按時間差解編、再進行五邊著艦的方式，而是采用前后時間差的非并列編隊，以非通場型的方式著艦。

（2）建立下滑道準備時間加長

夜間飛行，視覺信息缺失是導致飛行員巨大心理壓力的主要因素。在這種情況下，給出盡可能早地建立下滑道準備時間，以便在正確的位置建立正確的著艦下滑道，使飛行員有充裕的時間建立正確的飛行姿態，降低近艦尾段的調整幅度，對于飛行員減壓、確保著艦成功率具有重要意義。因此，夜間著艦過程中，不管是儀表、雷達、微波，還是激光、電視以及增程菲涅爾透鏡系統，所有的導航、引導設備都是為了使飛行員盡可能容易建立下滑道，盡可能延長下滑道準備時間，為飛行員爭取足夠的調整修正時間。

（3）飛行員操控人因工程更加復雜

對艦載機采用全自動著艦方式是十分慎重的。目前，作為最終的著艦節點，完全自動著艦方式因仍不被飛行員采納，僅作為萬不得已的備份選項，絕大多數情況下仍由飛行員通過目視菲涅爾透鏡，并根據LSO指揮，靠手動完成著艦。飛行員在夜空環境下，由于參照物減少、地面線模糊、視野變窄，通常會產生視覺錯覺，行為反應也相應變慢，因此飛行員夜間飛行操控人因工程更加復雜，需要深入開展研究以增強飛行員對夜晚環境的適應性，提高飛行員操控的準確性和效率。

4 艦載機夜間著艦引導系統

目前，艦載機夜間著艦正在使用的引導系統有如下幾種：

（1）改進型菲涅爾透鏡光學助降系統（IFLOLS）

美國海軍2002年就在所有航母上采用IFLOLS取代了傳統的菲涅爾透鏡光學助降系統（FLOLS）。相比于FLOLS，IFLOLS的最主要優點是能讓飛行員在觸艦前的最后1500m直至觸艦過程中接收到更為準確的下滑道信息。它通過以下措施實現了上述改進：把透鏡高度由1m增加到2m，使用與Mk-8型FLOLS相同的下滑道信息來提高靈敏度；將垂直單元燈由5個增加至12個，使燈球運動比FLOLS更明顯，如圖3所示，從而為飛行員提供更準確、更早的燈球運動目視提示信息，讓飛行員能夠更快地進行修正。IFLOLS改進了光學特性，增大了視覺范圍（夜間可達2000~2500m遠），為夜間著艦提供了最后階段的精確、清晰的引導。

（2 ）儀表著艦系統（ICLS）

ICLS用于為飛行員提供精確、持續、來源獨立的下滑道和對中偏差數據，主要由飛機上安裝的接收/解碼裝置AN/ARA-63、母艦上安裝的艦載傳輸裝置AN/SPN-41或陸地上安裝的岸基傳輸裝置AN/TRN-28組成。其中，AN/ARA-63是機載進近系統，接收并解碼由AN/SPN-41或AN/TRN-28發出的脈沖編碼信號，并將偏差指令顯示在座艙中。AN/ARA-63頻道設置正確時，處于ICLS監視模式下的飛機，在晴朗天氣下能收到艦上或岸上基站80000m外發出的進近引導信號，在0.01m/h降水天氣條件下能夠收到16000m外的進近引導信號。AN/SPN-41系統使用掃描波束微波天線來發射Ku波段（15.4~15.7kMHz）對空信號。高度和方位信息分別使用不同的天線裝置來傳送，如圖4所示，通過在覆蓋區域中掃描窄扇形波束來生成下滑道和方位信息。

ICLS在LSO控制臺上沒有顯示，其狀態顯示在位于航母空管中心（CATCC）上的AN/SPN-41控制面板上，或岸基雷達空中交通管制設施中的AN/TRN-28控制面板上。它能輔助飛行員將飛行偏差降到最低，還可以在PALS任何部分發生故障的情況下為飛行員提供下滑道和對中數據。

圖3 改進型菲涅爾透鏡光學助降系統Fig.3 Improved Fresnel lens optical support system

圖4 儀表著艦系統的示意圖Fig.4 Diagram of instrument cattier landing system

（3）精確進近著艦系統（PALS）

目前正在使用的PALS為AN/SPN-46A。AN/SPN-46A設計用于為最終進近和著艦程序中的飛機提供指引，由兩個工作波道組成（A和B），其中任一波道都能夠對返航飛機的進近和著艦程序進行指引，直至其在航母飛行甲板上觸艦。通過與艦載自動著艦系統的其他部分一同工作，每個波道都能夠在1min內讓一架裝備正確的飛機著艦，系統的著艦速率為每分鐘兩架飛機。每個波道都有5個工作模式（I、IA、II、IIT、III）。其中，模式 I為全自動模式；模式 IA 在高度不小于60m、距離不小于2500m時為全自動模式；模式II為半自動模式，采用手動進近，使用SPN-41或SPN-42向飛機提供下滑道和對中信息；模式IIT同模式II相同，唯一區別是還使用航母控制進近（CCA）管制員（即最終管制員）的信息；模式III則是通話指揮著艦模式，僅使用航母控制進近管制員提供的信息手動進近。由于飛行員在2500m以內始終控制飛機，因此在這個距離范圍內使用模式IA、模式IIT、模式III的PALS進近與手動進近（即模式II）一樣。模式I的進近則有很大不同，由艦載計算機控制飛機航向和高度，由機載計算機控制飛機的油門設定。

此外，美國還在進一步改進精確進近著艦系統，稱為“聯合精確進近與著艦系統”（JPALS）。JPALS是為替代目前艦載機使用的雷達自動著艦系統而研制，可以克服同一時間不能引導多架飛機或對于隱身飛機可能會失效的缺點，提高整個艦載機聯隊的回收效率，并大幅降低進場著艦的事故率[4]。

5 結論

夜間艦載機飛行經歷了漫長的探索發展過程，隨著關鍵技術的不斷突破，當前的“尼米茲”級航母艦載機機群，其夜間著艦技術日趨成熟，形成了規范的運作流程，已經具備全天候出動和作戰能力。然而，美軍為達到“未來夜晚是屬于我們的”目標，在著艦引導系統上仍在不斷升級改進，一方面，JPALS正在研制試驗；另一方面，為進一步降低飛行員操作負荷，提高著艦成功率，諸如 “航母艦載機精確進近與回收的增強引導綜合控制技術”（MAGIC CARPET）、“新型目視甲板燈陣引導”（Bedford Array）等新技術也正在研發。我國艦載機發展速度較快，但對夜間著艦的難度和風險的認識需進一步加強，不能簡單地把晝間著艦流程方法移植到夜間，需要對夜間著艦技術進行深入系統地研究，不斷改進著艦引導設備，提升艦面輔助系統水平，構建多體制著艦引導體系，加強新技術新手段的研發應用，從而降低飛行員的操控難度，提高夜間和惡劣氣象下的著艦成功率。我國的夜間著艦引導方式擬在現有引導設備現有體制基礎上，借鑒美軍先進經驗進行技術改進，建立起具有我軍特色的夜間引導機制。

[1] 張翼麟，王一琳. X-47B完成夜間飛行試驗 [J].飛航導彈，2014（05）： 67.ZHANG Yilin，WANG Yilin. Night flight test based on X-47B has been completed [J]. Aerodynamic Missile Journal， 2014（05）： 67. （in Chinese）

[2] 葉青.夜間飛行 [J]. 科技創新導報，2012（18）： 232.YE Qing. Flying during the night [J]. Science and Technology Innovation Herald， 2012（18）： 232. （in Chinese）

[3] 齊曉華. 夜間飛行視覺疲勞的原因及衛生保障 [J]. 航空軍醫，2001（06）：274 QI Xiaohua. Causes of visual fatigue and health protection during night flight [J]. Flight Surgeon， 2001（06）： 274. （in Chinese）

[4] Bett C J，Simon S A，Farnworth B J，et al. Flight test of the JPALS LDGPS demonstration system [J]. Advanced Drug Delivery Reviews，2001，29（1-2）：185-194.