國外航母航空保障技術發展現狀

劉廣，顏世偉，李海旭，＊，馬欣瑞，彭修全

1.中國船舶工業系統工程研究院，北京100036

2.中國人民解放軍92942部隊，北京100161

人類在探索海洋和天空的征程中發明了艦船和飛機，艦載航空則是二者結合的重要力量。艦船航空保障是實現艦載航空力量的基石，是連接艦和機的紐帶、聯系海和天的橋梁。航母的誕生使人類海戰模式發生了由平面到立體的根本性變革，實現了真正的超視距戰斗，對海上作戰方式產生了重大影響。

與陸基機場長3000m、寬80m相比，航母的跑道約為長200m、寬30m，航母跑道面積僅為陸基跑道的2.5%，而且處于海浪運動下不規則的六自由度運動，艦載機完成起飛回收、駐留轉運、充填加掛等作業技術復雜、難度大、風險高。為破解艦載機起降的這些難題，航空保障技術應運而生。本文概括國外航母航空保障技術的發展現狀，闡述航空保障技術內涵及現狀、原理機理、主要性能等內容。

1 概述

艦船航空保障技術是保障各類艦載機實現塔臺飛行指揮、高效出動、安全回收、艦面集群轉運、油水氣電供給、彈藥流轉加掛、維修任務支援等各類航空作業的各項技術總和，該技術涉及飛行甲板、機庫、飛行塔臺、機務勤務中心、起飛站、回收站、保障站、噴氣燃料艙室、機載武器艙室以及上千名航空作業人員，由多個子系統組成，具有復雜的交互流程，是實現艦載機安全上艦、實現良好艦機適配和形成出動回收能力的核心系統，其頂層能力衡量指標為航空保障作業架次率。

航空保障技術主要用于：管控母艦20km以內艦載機的各類作業；助力艦載機起飛離艦；引導艦載機著艦下滑并精確降落；實現艦載機在飛行甲板和機庫的轉運和系留停放；完成艦載機在母艦的燃油補給和彈藥掛載，以及輔助性的供電、供氣、沖洗、救援等保障作業。

本文將從航空保障任務規劃與指揮管理技術、艦載機起飛保障技術、飛行器著艦引導技術、艦載機攔阻回收技術、艦載機駐留轉運及資源保障技術、面向架次率的航空保障集成設計與驗證技術6個方面分別闡述。

2 航空保障任務規劃與指揮管理技術

美國海軍航空指揮管理作業早期是根據不同作業開展相對獨立的指揮，如著艦指揮員負責艦載機著艦引導回收作業指揮、彈射器部位負責指揮起飛、甲板引導人員指揮飛機轉運，都屬于現場指揮方式。

自第二次世界大戰（簡稱二戰）后，航母航空聯隊為了及時方便地了解飛行甲板和機庫甲板上艦載機的位置和載荷等信息，利用基于飛行甲板、機庫、艦載機小比例模型的指揮沙盤作為航母上進行艦載機調度規劃的重要工具[1]。美國海軍將這種沙盤設備形象地稱作“顯靈板”（Ouijia Board），如圖1所示，就好像巫師進行占卜的工具一樣，航空保障任務規劃與指揮人員可通過沙盤對即將實施的艦載機調度方案進行規劃、驗證和優化。顯靈板沙盤操作人員通過甲板記錄人員獲取甲板上艦載機的信息，如艦載機的位置、掛載的武器種類、燃油量等，在沙盤上移動和擺放艦載機模型，表示不同艦載機在飛行甲板上的位置，并使用專用配件表示艦載機的不同保障狀態，從而實現所有艦載機保障作業的管控。

圖1 美國航母顯靈板沙盤Fig.1 Ouijia board of American carrier

隨著信息技術的發展，美國研制了航空數據管理和控制系統（ADMACS）。其是一種用于航母航空保障作業指揮管理的的戰術實時數據管理與指揮系統[2]。航空數據管理和控制系統的試用版本Block 0于1998年就有了工程發展模型，首次為塔臺飛行指揮、空中交通管制、著艦引導提供了數字化顯示。其正式版本Block 1隨后安裝到9艘“尼米茲”級航母，進一步擴展為緊密跟蹤監測飛機和直升機發射回收狀態及艦上保障作業的信息管理系統，如圖2所示。改進的Block 2版本則整合了航空保障作業管理、武器裝載系統、彈射裝置、攔阻裝置的狀態和維護功能。

圖2 航空數據管理與控制系統Fig.2 Aviation data management and control system

航空數據管理與控制系統通過大量的軟硬件（傳感器、局域網、顯示與控制設備），連接航空作業相關系統（包括彈射起飛系統、著艦引導系統、攔阻回收系統等），經過航空作業相關數據的融合、分發和控制，實現包括艦載機任務規劃、航空彈藥儲運、噴氣燃料充填、航母維修、艦載機維修、艦載機調度、艦載機彈射與回收、飛行甲板管理等的集成。航空數據管理與控制系統還能夠與航母作戰系統、導航系統和氣象系統相連。

3 艦載機起飛保障技術

二戰后，隨著噴氣式艦載機上艦，艦載機重量（質量）和起飛速度大幅增加，無法在平直甲板上直接滑跑起飛，必須借助專門的輔助手段，為此出現了彈射起飛系統[3]。由于彈射起飛系統復雜，對技術的要求高，英國、俄羅斯等國家還研制出了滑躍起飛方式。為避免艦載機發動機高速、高溫尾噴流對艦面其他飛機和人員造成損傷，無論是彈射還是滑躍起飛，均在起飛站位加裝噴氣偏流板裝置。

3.1 蒸汽彈射裝置

彈射裝置的發展始于1912年，到二戰前，分別經歷了壓縮空氣彈射裝置、飛輪彈射裝置、火藥彈射裝置等多種形式。二戰時期，艦載機的重量急速增長，航母開始采用液壓彈射裝置[4]。二戰后，隨著噴氣式艦載機的上艦，對起飛速度的要求更高，當時大量采用的液壓彈射裝置暴露出日益突出的安全問題，為此美國研制了彈射能量更大的火藥彈射裝置和內燃彈射裝置，但沒有投入使用。20世紀50年代，英國人發明了功率更高且更安全的蒸汽彈射裝置[5]，后由美國引進并不斷改進，現已發展到C-13型。目前美國已研制出電磁彈射裝置，并應用于最新的“福特”級航母，發展過程如圖3所示。

圖3 航母彈射裝置的發展過程Fig.3 Development process of carrier catapult

蒸汽彈射裝置的基本原理是將高溫高壓蒸汽儲存在儲汽筒內，彈射時，將高壓蒸汽從儲汽筒內迅速釋放至彈射裝置汽缸，推動汽缸內的活塞，帶動艦載機加速到起飛速度。

蒸汽彈射裝置從20世紀50年代發展至今，技術成熟，除“福特”號外，目前國外現役航母上采用的彈射裝置均為蒸汽彈射裝置，包括美國“尼米茲”級航母、法國“戴高樂”號航母、巴西“圣保羅”號航母。各型彈射裝置的主要參數見表1和表2。

蒸汽彈射裝置主要組成包括彈射機系統、復位系統、首輪拖曳牽制系統，儲汽系統和測控系統，如圖4 所示，濕式儲汽筒是儲汽系統的重要組成部分；發射閥、汽缸組件、往復車等是彈射機系統的重要組成部分；抓曳車和復位機是復位系統的重要組成部分。

表1 早期蒸汽彈射裝置的主要參數Table 1 Main parameters of early steam catapult

表2 后期蒸汽彈射裝置的主要參數Table 2 Main parameters of later steam catapult

圖4 蒸汽彈射裝置結構圖Fig.4 Structure of steam catapult

3.2 電磁彈射裝置

電磁彈射裝置是利用直線電機產生的電磁力，帶動艦載機加速到起飛速度的裝置，其本質是將電能轉化為艦載機的動能。美國海軍最新的“福特”級航母采用了電磁彈射裝置[6]。相比蒸汽彈射裝置，電磁彈射裝置具有以下優點：

（1）電磁彈射裝置能量利用效率高

以美國核動力航母為例，其蒸汽彈射裝置綜合效率約為5%，彈射一次最大消耗蒸汽600kg。電磁彈射裝置自身能量利用率約60%，電磁彈射裝置綜合效率約為15%。

（2）電磁彈射裝置具有糾錯和容錯能力

實現了狀態實時監測與故障診斷預測，提高了可靠性，降低了維修需求，人員數量需求比蒸汽彈射減少30%左右。

（3）電磁彈射過程平穩柔和，有助延長艦載機使用壽命。

電磁彈射裝置為閉環控制系統，對艦載機的推力峰均比（即推力最大值和平均值的比值）可控制在1.05 以內，而蒸汽彈射裝置為開環控制系統，推力峰-均比平均值為1.25，最大可達到2.0。因此電磁彈射裝置對艦載機損傷和對飛行員身體損害更小，且可滿足不同型號飛機的彈射任務。電磁彈射準備時間短。蒸汽彈射裝置從準備到具備彈射條件需要數小時，而電磁彈射裝置只需要15min 就能達到待用狀態。電磁彈射裝置符合艦艇全電化的發展趨勢，代表了未來航母彈射裝置的發展方向。

電磁彈射裝置由能量存儲、能量調節、能量轉換、控制與狀態監測等單元構成，如圖5所示。

圖5 電磁彈射裝置構成圖Fig.5 Structure of EMALS

3.3 噴氣偏流板裝置

噴氣偏流板裝置用于將起飛狀態的艦載機噴氣發動機高溫高速氣流向上、向外偏折，以保證在艦載機后方飛行甲板上的人員、設備及其他飛機的安全[7]。

航母上為了保障艦載機實現連續起飛，需要在前一架飛機彈射作業時，后一架飛機排隊等待，因此需要通過偏流板遮擋前一架飛機尾噴流，從而保護下一架排隊飛機。各國航母大多配備噴氣偏流板，其中印度新改裝的“維克拉瑪蒂亞”號航母采用左舷斜置起飛跑道，省掉了舷邊偏流板。

美國現役航母采用海水冷卻式噴氣偏流板裝置，該裝置由偏流板組件、運動執行機構、海水冷卻系統、液壓系統、電氣控制系統和輔助系統組成，如圖6 所示。美國現役每艘航母上均裝有4 部Mk7 型海水冷卻式噴氣偏流板，分別對應4個艦載機起飛站位。目前其正在積極探索研究省略掉海水冷卻系統的被動隔熱式噴氣偏流板技術。

圖6 海水冷卻式噴氣偏流板Fig.6 Seawater cooled jet deflector

3.4 滑躍起飛技術

滑躍起飛是指艦載機僅依靠自身動力，在航母飛行甲板跑道上加速滑跑，并經艦艏滑躍甲板離艦起飛[8]。至2019年國外現役航母中，俄羅斯“庫茲涅佐夫”號航母、意大利“加里博迪”號和“加富爾”號航母、印度“維拉特”號和“維克拉瑪蒂亞”號航母、泰國“查克里王朝”號航母均采用滑躍起飛方式。

滑躍起飛利用向上帶有滑躍角度的甲板使艦載機依靠發動機推力加速時獲得一定的離艦迎角和速度，從而產生足夠的升力和速度實現起飛。

采用滑躍起飛方式節省了安裝結構復雜的彈射裝置，大幅減少了使用和維護工作量。但是需要艦載機具有良好的起飛段特性，通常該要求會犧牲艦載機一定程度的航程和空中性能。

艦載機利用滑躍甲板滑跑起飛，在同樣起飛重量條件下可比平直跑道縮短一半起飛滑跑距離。相對常規跑道起飛而言，滑躍起飛能大幅縮短艦載機起飛滑跑距離或增加艦載機有效載荷。如蘇-33滑躍起飛時所需跑道長度僅為常規平直跑道的30%，而AV-8B“鷂”式艦載機滑躍起飛要比常規平直跑道起飛增加50%有效載荷。

另外，滑躍起飛可以減輕飛行員負擔并增加安全性。滑躍甲板使得艦載機離艦后獲得一個垂直向上的分速度，保持正值爬升率可增加飛行員距離海面高度，能夠用于處理可能遇到的緊急情況，避免發生事故。

4 飛行器著艦引導技術

為了便于梳理發展脈絡，可以將著艦引導技術大致劃分為4 個發展階段，1910—1950 年為人工著艦引導階段，1950—1980 年為半自動著艦引導階段，1980—2000 年為全自動著艦引導階段，2000年至今為多手段融合全自動著艦引導階段。實際上4 個階段的劃分并不十分嚴格，如全自動著艦引導自1960 年前后即開始探索，而這里的4 個階段劃分則主要依據技術應用成熟情況進行。

4.1 人工著艦引導階段

20 世紀50 年代以前，航母搭載螺旋槳式艦載機，速度慢，著艦過程可直接由著艦指揮員在艦載機即將觸艦的最后階段通過人工引導方式實現。著艦指揮員通過手勢作為信號，引導艦載機著艦[9]。為了讓飛行員更清楚地看見信號，將人工手勢改為手持彩色信號旗，以此來提高信號的能見度。為消除信號旗易受風向變化影響的缺點，后又改用球拍狀彩色信號板，如圖7所示。為了適應戰時夜間著艦作業的要求，著艦指揮員通過手拿長60～90cm 的霓虹管發光棒或閃光燈，取代白天使用的信號板，以便飛行員能看清信號。

圖7 著艦引導員指示牌指揮Fig.7 Guide sign command of LSO

4.2 半自動著艦引導階段

20世紀50年代后期至80年代初，噴氣式艦載機上艦，飛行員觀察和判斷時間大幅縮短，加劇了航母著艦作業的危險性。該階段出現了光學助降設備和雷達助降設備。光學助降設備采用菲涅爾透鏡，能確保艦載機在著艦前處于正確的下滑道內。雷達助降設備能夠為艦載機的著艦提供下滑道偏差信息，以便艦載機盡早調整著艦姿態[10]。在該階段，雷達助降設備的核心為AN/SPN-10、AN/SPN-42 型雷達。半自動著艦模式的引導指揮員工作臺如圖8所示。

圖8 著艦指揮員工作臺Fig.8 Control panel of LSO

4.3 全自動著艦引導階段

20 世紀80 年代初到90 年代末期，AN/SPN-46 型雷達成功上艦使用，標志著全自動著艦方式的成熟運用，艦載機不需要飛行員操控而能夠自動著艦，著艦引導系統稱為精確進近著艦系統（PALS）。根據引導模式不同，該系統可以單獨引導艦載機著艦，也可以與光學助降配合使用。

20世紀80年代初，AN/SPN-46型雷達的研制和使用，使全自動著艦引導系統的使用更加成熟[11]。全自動著艦引導系統以AN/SPN-46型著艦引導雷達為主，以儀表著艦系統的AN/SPN-41型雷達為輔，構成相互獨立、相互融合、相互監視的全自動著艦引導體制，整個著艦引導系統的結構組成如圖9所示。

圖9 全自動著艦引導系統組成Fig.9 Composition of automatic landing guidance system

4.4 多手段融合全自動著艦引導階段

自2000年前后至今，艦載機在原有著艦引導方式的基礎上增加了GPS 技術和光電系統用于著艦引導；原有的光學助降系統性能進一步改進，先后研發并使用了改進型菲涅爾透鏡光學助降系統和激光著艦系統。多種系統的融合使用，降低了著艦風險，提高了著艦的準確性。

（1）衛星引導技術

以GPS衛星為核心的聯合精確進近著艦，在370km即開始對100架艦載機進行空中交通管制。離艦37km時，聯合精確進近著艦系統將融合AN/SPN-46雷達為艦載機提供進近與著艦服務。離艦18.5km范圍內，可繼續采用光學助降設備輔助調整下滑航線。在電磁管制條件下，著艦指揮員仍僅在緊急情況下直接命令飛行員復飛。隨著基于GPS技術為核心的聯合精確進近著艦系統的正式使用和性能的提升，艦載機的著艦引導將通過聯合精確進近著艦系統完成。

（2）電視監視系統

電視監視系統集電子圖像和聲音記錄功能于一體，主要作用是在回收作業期間為著艦指揮員提供艦載機下滑道參考信息，并能夠晝夜監視艦載機起降作業，為飛行評估、飛行后講評提供影像資料。

（3）改進型菲涅爾透鏡光學助降系統

此階段使用改進型菲涅爾透鏡光學助降系統替代了原有的菲涅爾透鏡光學助降系統。改進型菲涅爾透鏡光學助降系統的原理與菲涅爾透鏡光學助降系統相似，但增加了燈箱的數量，達到了細分下滑道的目的。

（4）激光助降系統

激光助降系統于20 世紀90 年代末研制成功并使用。由于其在無線電和雷達管制條件下可用，因此將艦載機著艦引導系統可用性提高至99%。對于光學助降系統而言，大氣的散射作用會優先濾掉光譜中的藍光部分，從而使燈光顏色隨遠近變化，增加飛行員判別的難度。而激光具備空間定向性好和顏色純度高兩個特性，使得激光助降系統與透鏡光學助降系統相比，具有透光性強、聚焦性強、適應低能見度環境等優點。

簡單來說，激光助降系統就是讓飛行員看到不同顏色的激光，表示飛行員相對于正確下滑航線的偏移量。由于衍射非常少，激光束形成的進近航線邊緣非常清晰，利于飛行員辨認。

5 艦載機攔阻回收技術

攔阻回收系統的作用是在有限定長距離內將艦載機攔阻減速，消耗吸收其動能，使其在既定攔阻距離范圍內安全停穩。從艦載機尾鉤鉤住攔阻索到艦載機停穩，整個過程只有短短2～3s。

5.1 液壓型攔阻裝置

美國現役的“尼米茲”級航母全部采用Mk7型液壓緩沖式攔阻裝置。從20世紀50年代以來，該型裝置一直是美軍航母上的標準攔阻裝置，已經發展了4型（Mk7 Mod1～Mk7 Mod4）[12]，總的趨勢是裝置能夠吸收的能量越來越高，允許的艦載機著艦重量越來越大、著艦速度越來越快、過載越來越平緩。Mk7型液壓攔阻裝置的主要性能參數見表3。

表3 美國航母各型攔阻裝置參數Table 3 Main parameters of arresting gear

美國現役航母裝備的Mk7型液壓攔阻裝置主要由攔阻機系統、鋼索系統、甲板裝置等系統部件構成，如圖10所示。

圖10 Mk7型液壓攔阻裝置構造Fig.10 Structure of Mk7 hydraulic arresting gear

5.2 渦輪電力攔阻裝置

渦輪電力攔阻裝置是利用水力渦輪機、感應電機以及摩擦制動裝置吸收艦載機的動能，從而在較短距離內將艦載機停在航母飛行甲板上的裝置。其中，水力渦輪機把艦載機的動能轉變成水的熱能；感應電機通過改變對旋轉軸的作用力，進而改變攔阻索對艦載機的作用力；摩擦制動器起到備用的作用，當水力渦輪機和感應電機之一失效時發揮作用，仍可以對艦載機進行攔阻。

與液壓攔阻裝置相比，渦輪電力攔阻裝置的優勢包括：（1）可靠性更高，有助于提高艦載機的安全性；（2）重量包絡更大，更適合于攔阻重型艦載機和輕型無人機；（3）攔阻過程更平穩柔和，可降低艦載機攔阻過程過載峰均比；（4）運控實現閉環，便于通過狀態監測支撐健康管理，從而更及時、方便地實施維修。

渦輪電力攔阻裝置主要由攔阻機、軟件控制系統、電力調節系統、攔阻索及滑輪索組成，如圖11 所示。其中攔阻機和軟件控制系統是最重要的部件。攔阻機是渦輪電力攔阻裝置的吸能部件，構成簡潔，包括水力渦輪、帶有一定慣量的錐形鼓輪、機械制動裝置、感應電機以及一根連接以上構件的旋轉軸；軟件控制系統包括動態控制子系統、操作人員工作臺以及維護人員工作臺，該系統能夠精確控制艦載機攔阻著艦的過程，并能控制艦載機在甲板上滑跑的距離；電力調節系統主要實現能量存儲、電力分配與調節；攔阻索和滑輪索采用了輕質復合材料，可以減少系統總慣性，降低結構載荷，并縮小滑輪減振器尺寸，攔阻索與滑輪索相連，通過隨動滑輪纏繞錐形鼓輪，最終固定在錐形鼓輪上。

圖11 先進攔阻裝置構成圖Fig.11 Structure of advanced arresting gear

6 艦載機駐留轉運及資源保障技術

航母作為海上浮動機場，除了實現艦載機起飛和著艦，還設置了艦載機調運系統用于完成艦載機的安全、高效轉運和系留；設置了航空彈藥儲運系統用于完成航空彈藥的儲存、轉運、裝配、掛載；設置了艦面保障系統用于為艦載機提供航空作業所需的油、氣、水、電供應和日常維護。

6.1 艦載機駐留轉運技術

飛機升降機用于在飛行甲板與機庫間調運艦載機、艦面保障車輛、設備和人員。世界上的輕型航母基本采用舷內升降機，而巴西的“圣保羅”號航母、意大利的“加富爾”號航母則選擇了一部在舷側，一部在舷內的布局。大型和中型航母大都把飛機升降機布置在舷側。美國在二戰后從建造的“福萊斯特”級航母起，所建各型航母均將飛機升降機布置在舷側。例如，“福萊斯特”級航母共4部升降機，其中右舷島前有一部，島后有2部，左舷有一部。而“小鷹”級和“尼米茲”級航母將左舷的一部升降機移至斜角甲板后部。這種布局不會影響艦載機的起降作業，又方便將飛行甲板上停放的艦載機及時地轉運，從而解決了“福萊斯特”級航母升降機布置在斜角甲板前端，影響艦載機起降的問題，提高了艦載機的出動架次率。美國新一代“福特”級航母采用能力增強型飛機升降機，因此只設計了三部飛機升降機，右舷島前有兩部，左舷有一部，如圖12所示。

圖12 美國航母飛機升降機布置變遷Fig.12 Changes in American aircraft carrier lift layout

6.2 機載武器保障技術

航空彈藥儲運技術是為了實現艦載機彈藥在航母上的儲存、轉運、裝配、檢測和掛載。

彈藥從出庫到掛載到艦載機的過程環節很多。首先，需要從彈藥庫中取出準備掛載的各類機載武器；其次，通過下層武器升降機送達至彈藥裝配區進行裝配，為了不占用飛行甲板，彈藥裝配區一般盡量設置在飛行甲板下層二甲板或三甲板；然后，裝配好的彈藥通過上層武器升降機或飛機升降機送達飛行甲板，如果裝配區就在飛行甲板，則不再分上下層升降機；最后，在飛行甲板上完成艦載機彈藥到艦載機的轉運和掛載。

與“尼米茲”級航母相比，“福特”級航母在武器升降機和彈藥轉運車方面采用了新技術，提高了設備的轉運能力和自動化水平。

6.2.1 武器升降機

“尼米茲”級航母上的武器升降機依靠電動鋼絲繩或電動液壓裝置產生的動力升降。為進一步提高載荷和升降速度，同時提高維護性，美國研發了不需繩索而利用電磁力移動的先進電磁武器升降機。

先進電磁武器升降機的關鍵部件為永磁同步直線電機。升降機直線電機的初級永磁陣列布置于井道內壁，兩側布置鋼軌，實現升降機平臺導向輪導引和機械制動作業；升降機直線電機次級永磁陣列布置于升降機平臺，初級和次級之間的電磁吸引力可以將導向輪緊貼于鋼軌。升降機的上升和下降通過直線電機控制系統實現，主要通過變換器向電磁陣列供電，微處理器可以精確控制線圈電流從而實現電磁場移動，這樣就生成可控的升降機推力，圖13 為先進武器升降機的模型和全尺寸樣機。

圖13 先進武器升降機模型（左）及樣機（右）Fig.13 Advanced weapon lift model(left)and prototype(right)

與“尼米茲”級航母的武器升降機相比，“福特”級航母的先進武器升降機具有如下優點：（1）平臺面積大，載重能力高，先進武器升降機的平臺達到6m×2.5m，面積15m2，載重能力約11t；（2）采用電磁力驅動，能夠實現快速升降，并增加設備的可靠性；（3）不需要纜索或電纜連接到升降機平臺上，可以在垂直升降通道上安裝橫向隔離門，更有利于保證彈藥庫和各層甲板的安全。

6.2.2 彈藥自動搬運車

除了先進武器升降機，在“福特”級航母最初的設計方案中，曾計劃使用全向自動搬運車替代“尼米茲”級航母上的彈藥轉運車和叉車等多種搬運工具。全向搬運車采用智能控制和自主導航系統實現自主駕駛穿梭于飛行甲板和彈庫，減少人員勞動量并提高效率，其搬運重量達到5.5t，是普通人力搬運車的兩倍，同時其尺寸小，從而有利于航母內部空間的布置。全向自動搬運車操作時對航母其他操作的影響較小，所需的維護工作量也較少。

6.3 噴氣燃料保障技術

艦載機由于飛行速度快、升限高、工作的高空環境溫度低且發動機構造精密，所使用的噴氣燃料中任何超標的雜質顆粒和水分都可能引起發動機產生嚴重的事故癥候，降低艦載機的作戰能力，所以艦載機對所使用的噴氣燃料的清潔性提出了很高要求。同時，為了保證噴氣燃料的存儲安全，研發了飛機專用的JP-5 型靜態不可燃噴氣燃油，只有通過發動機內部高壓將其噴成霧狀才能點燃。

噴氣燃料系統作為艦載機的燃油保障系統，其使命主要是為波次出動回收執行任務的艦載機安全高效地補給干凈、清潔的噴氣燃料，相當于多座加油站。此外，噴氣燃料系統還需要接收海基及岸基的噴氣燃料的橫向補給，實現噴氣燃料的安全存儲，在必要時回收艦載機剩下的燃油并具備污油存儲等基本功能。此外，該系統還須具備噴氣燃料品質量保障的能力，這也使得噴氣燃料系統相比于其他系統要求更高、系統組成更復雜。

6.4 航空輔助保障技術

6.4.1 航空電源保障技術

航空電源系統為艦載機起飛前準備及再次出動準備提供電源供給，為飛行甲板及機庫內艦載機維護、維修提供電源供給，為航空維護、維修相關艙室提供電源供給，并具有艦面啟動艦載機的保障能力。

艦載機發動機可利用輔助動力系統啟動，也可利用外部電力啟動。美國“尼米茲”級航母的艦載機在利用外部電力啟動時，外部電源供電電制統一為三相四線制115V/400Hz交流電，部分艦載機兼容28V直流電。因此，“尼米茲”級航母艦面航空電源設備的電制為115V交流和28V直流。為了作業方便，設置了固定式艦載機電力服務站和航空電源車兩種航空電源保障設備。其中，固定式艦載機電力服務站大量布置在飛行甲板。如“尼米茲”級航母飛行甲板上布置的艦載機電力服務站多達36個，其中19個分布在舷邊。

航空電源車包括牽引車搭載式和獨立式兩種。以前，美國航母上的飛機牽引車后部帶有航空電源車；隨著F/A-18成為主要艦載機，美國航母上飛機牽引車后部已不再裝備電力裝置，而代之以噴氣式艦載機發動機起動裝置。美國航母上使用的獨立式航空電源車包括NC-2A、MMG-1A和A/S37A-3等型號。

另外，美國海軍正在研發的F-35C“閃電Ⅱ”艦載機的電制為270V 直流。這與“尼米茲”級航母上的電力裝置并不匹配，為了適應這型艦載機，“福特”級航母上的艦載機電力服務站將具備270V直流供電能力，同時還具備適用現役艦載機的115V/400Hz交流電供電能力。

6.4.2 航空供氣保障技術

航空供氣系統的功能是保障艦載機飛行準備、維護所需主要氣體，包括保障艦載機用氧氣、氮氣的充填，保障艦載機艦面通電檢查時電子設備的冷卻，保障艦載機輪胎的充氣。為此需要配備多種供氣設備，包括供氧終端、供氮終端、航空空調車、壓縮空氣終端等。

6.4.3 飛機救援吊車

航母上部署有多種應急救援設備，包括飛機救援吊車、叉車等。當艦載機在飛行甲板上發生故障、受損或墜毀時，這些設備可以對事故艦載機進行及時處理。根據事故的具體情況，需要使用不同的設備，其中最重要的就是飛機救援吊車。美國“尼米茲”級航母使用的是A/S32A-35A型飛機救援吊車（CVCC），用于在航母飛行甲板上起重、挪動和移除失事艦載機，如圖14所示。

圖14 救援吊車正在吊運直升機Fig.14 The rescue crane is lifting the helicopter

6.4.4 飛機沖洗車

根據艦載機使用經驗，需要視情對其發動機和機身進行清洗，這對保障艦載機性能是非常重要的維護項目。在飛行甲板區域對艦載機的機身和發動機進行沖洗作業時，飛機沖洗車是重要的保障設備，如圖15所示。

圖15 發動機沖洗車Fig.15 Engine flushing vehicle

6.5 艦載機機務維修保障技術

艦載機的維修保障是一個復雜的系統工程，包括保持、改善、恢復艦載機技術狀態的各類活動。艦載機艦基維修保障分為基層級和中繼級兩層維修組，維修組的數量以及維修效率直接影響艦載機的戰備完好率和日出動架次。成熟的艦基航空保障裝備維修保障應該具有完整的維修管理、實施、法規、制度、培訓等方面體系。

在維修管理方面，美國海軍維修管理層次分明，信息支持手段豐富。美軍建立了“岸基統管、艦基組織、基層維修”三級管理模式。岸基維修管理部門包括領導層、組織管理部門、維修器材供應部門、維修監督小組。艦基維修管理由艦長全面負責本艦裝備維修與器材管理工作，供應部門統一負責本艦維修器材申領、保管和分發，各部門按照“誰使用、誰維護”的原則，具體負責相應裝備的修理保障，少數通用和專用裝備專門指定負責部門。航空保障裝備的維修部門主要為航空部門和飛機艦基維修部門。為了更好地進行維修管理工作，美海軍研發了維修與器材管理系統，用于維修的計劃、管理、控制、監管、協調、器材供應等，為艦基和岸基維修部門提供各類維修管理相關信息。其主要包括計劃維修系統（PMS）、維修數據系統（MDS）等。

在維修實施方面，美海軍建立了以中級士官為主體、專職維修人員和兼職維修人員搭配，士官士兵和新兵搭配的維修力量層次。其設有維修支持分隊，按照層次搭配設置了維修力量，并使用航修隊、航母與現場服務分隊加強維修能力。維修支持分隊由經驗豐富、維修技能高超的專職維修人員（服役時間較長的高級士官）構成，有效增強了各中隊的艦員級維修力量。維修支持分隊對外的職責是輔助所在中隊維修工作組的某些維修工作，既可與工作組共同完成，也可獨立承擔完成。

艦上基層維修能夠使用可視化信息板、維修需求板、維修與器材管理系統，為岸艦維修部門提供艦載機和保障裝備的維修計劃、進度、行動控制和實施方法。美海軍在計劃維修系統（PMS）基礎上開發了新一代艦員級維修管理系統（OMMSNG），負責艦員級維修任務具體實施的規劃、安排、報告和跟蹤。海軍海上后勤中心數據庫接收和分發維修和器材數據，是海軍艦船的中心岸基數據庫，對維修和配置信息進行歸檔和維護。

通過信息化平臺提高了維修工作效率，可以全面記錄航空保障裝備維修保障細節，包括維修實施情況、裝備故障歷史數據、發現的問題和整改建議等，這為實現裝備健康管理和實時戰備狀態控制提供了基礎。

7 面向架次率的航空保障集成設計與驗證技術

面向架次率的航空保障集成設計的主要任務是采用均衡的航空保障資源和恰當的航空保障技術實現航空保障作業架次率目標。航空保障集成設計是實現指揮管理與任務規劃、起飛保障、著艦引導、回收保障、駐留轉運及資源保障等技術高效均衡集成的核心技術。航空保障系統的集成設計與驗證技術研究對于提高母艦保障資源利用率、提高綜合保障效率、提升艦載機出動回收能力具有重要意義。

航空保障作業架次率定義為在特定任務和環境條件下，能夠保障艦載機在規定時間實現的出動回收架次數。航空保障作業架次率可以看作航空保障作業循環樣式、航空保障作業周期、波次保障艦載機數量、持續時間的函數。

例如，航空保障作業循環樣式按照雙波次循環出動、航空保障作業周期1.5h（1+30），波次保障艦載機數量12 架，每天持續12h，則計算可得航空保障作業架次率96架次/12h。

美國海軍用兩個典型的航空保障作業架次率表征航母航空保障能力。一是持續作業架次率，定義為持續30天（26個飛行日，4個機械日），每天作業12h，能夠保障艦載機（包括固定翼飛機和旋翼機）的平均日出動架次。“尼米茲”級航母最高能夠實現每月4284個架次，平均165架次/天。二是高強度出動架次率，定義為持續4天，每天作業24h，能夠保障艦載機（包括固定翼飛機和旋翼機）的平均日出動架次。“尼米茲”級平均每天可以出動228架次，4天合計912架次。

根據當日作戰任務，美國海軍日飛行時間12h 可分為晝間、夜間、晝夜交替三種，晝間為6～18 時或9～21時，晝夜交替為0～12時，夜間為18 時至次日6時。

架次率生成主要由艦載機可用能力、飛行員可用能力、航空保障作業能力三方面能力構成。1997年7月，美國“尼米茲”號航母與第9 航空聯隊進行了為期4 天的高強度演習，美國海軍分析中心（CNA）對該次演習的數據進行分析認為：航空保障作業是生成出動架次率的首要因素，其次是飛行員可用能力，最后是艦載機可用能力。

面向架次率的航空保障集成驗證主要采用實船試驗和仿真推演兩種手段。

1997年美國航母高強度演習，設定了攻擊任務、戰場控制任務、其他任務。攻擊任務包括空中遮斷（AI）、近程空中支援（CAS）、阻斷（INT）、進攻性防空作戰（OCA）、壓制敵防空火力（SEAD）；攻擊支援任務包括電子支援（ES）、空中加油（MTNK）、戰術空中偵察（TARPS）；戰場控制任務是指對海陸空作戰空間實施控制，保護關鍵的設施和部隊，支持火力投送；其他任務包括空中早期預警、防御性防空、海面搜救支援、武裝偵察、功能檢查試飛、后勤保障等。

除了演習這種形式，實際作戰也可以看作實船試驗驗證手段。2002 年阿富汗戰爭中，“尼米茲”級平均每天的航空保障作業架次率達到90～100 架次，2003年伊拉克戰爭中則為120～130架次，幾乎相當于中小國家空軍每日能出動的總量。

仿真推演方面，美國航母項目執行辦公室（PEO Carrier）和海軍系統司令部（NAVAIR）委托AVW技術公司，利用建模與仿真，進行了“福特”級航母航空保障作業架次率的計算，包括30天持續作業（26天飛行日，4天機械日，每天作業12h），4 天高強度作業（每天作業24h）。AVW 在計算中，把“福特”級航母航空保障作業架次率作為航空保障各類集成要素的函數，通過作業流程推演確定架次率，涵蓋了艦載機加油、彈藥轉運和加掛、艦載機轉運、狀態檢查、飛機維修保養、起飛、引導、回收攔阻等作業過程。“福特”級持續作業架次率的門限值為160 架次，目標值為220 架次，高強度作業架次率的門限值為270架次，目標值為310架次。

通過實船試驗或仿真推演或兩者結合，最終驗證了實際的航空保障能力，才能實現航空保障集成設計的閉環。

8 結束語

航空保障系統是連接航母與艦載機的橋梁，也是實現艦機適配、保障航母核心戰斗力的關鍵。縱觀航空保障技術的發展歷程，由滑躍起飛到電磁彈射、由人工著艦引導到全自動著艦引導、由油水氣電多站點獨立保障到一站式保障，高自動化、高智能化、高保障效率已成為世界航空保障技術的發展趨勢。未來隨著艦載機保障需求的不斷提升，大數據、人工智能等前沿技術的不斷發展，航空保障技術也將持續演進變革，不斷向無人化、智能化邁進。