硬式空中加油機發展趨勢及設計技術分析

王秀香，高旭，高亞奎

(航空工業第一飛機設計研究院 總體氣動研究所， 西安 710089)

0 引 言

現代空中加油技術已經給空中作戰的力量部署、機動和使用帶來了革命性的變化，增強了航空兵的遠程作戰、快速反應和持續作戰能力，使整個空戰能力提升了一個新臺階[1]。

鑒于當前我國空中作戰能力的拓展，有必要對硬式加油機以及硬式加油裝置發展歷程進行研究。本文分析硬式空中加油的發展趨勢，提煉出硬式加油裝置設計主要關鍵技術，以期為我國發展和建立大型空中加受油體系提供技術支持。

1 硬式空中加油機簡介

硬式加油設備也稱為伸縮管式空中加油設備，這一設備最早是美國波音公司研制的，在1949年末開始投入市場應用。其主要結構是一根剛性伸縮管，位于機體內部，在需要實施空中加油任務的情況下伸出來，伸縮管中包含一個130°的舵形面，可以實現在一定范圍內的伸縮活動。在相關任務執行的過程中，受油機在信號指引下逐漸向加油機靠近，當距離達到一定數值時，加油機操作員可以進行操作，使得雙方加油管能夠連接，并鎖定加油桿。完成加油任務后，受油方減速慢行，這時加油桿鎖解開，兩機隨即分離[2]。針對硬式加油機，美軍空軍實驗室設計“三步走”戰略：第一步是駕駛硬式加油機，構建加油平臺，實施空中加油試飛；第二步是駕駛硬式加油機，通過變穩定性飛行模擬器實施空中加油試飛；第三步是無人機空中加油試飛。現階段，美國空軍實驗室已經完成第一步的設計工作，正在積極開展第二步研究設計工作[3]。2012年9月，美國國防部預防研究局已經完成了兩架改進型硬式加油機的飛行測試工作，硬式空中加油技術相應的理論研究方面也獲得了一定的進展，例如，英國Bristol大學的Thomas Richardson提出的應用于增大算法可容許運動范圍的組成圖像正反算法，C.Giampiero教授以機器視覺為基礎針對加油機的具體特征進行提取和配對研究[4]。

我國在加油機研究方面尚處于起步階段，但也取得了一定成效。1997年，盧成文[5]針對硬式空中加油桿的建模和仿真模型，研究基于輸入和輸出非線性反饋線性方案對加油機的空中飛行姿態進行控制和解耦，為加油機的控制方案提供了參考；2000年，槐之杰[6]以國外先進技術和經驗為基礎，研究了加油機尾部渦流場建模方案，為硬式加油機的相關加油技術奠定了理論基礎；2002年，李浩源[7]針對戰機的保姆——空中加油機，對于硬式加油機的近距離導航問題進行了分析，提出基于雙目視覺的導航算法，并通過三維實景仿真，進行了加油桿的精確測量和位置狀態等信息的檢測方案設計；2008年，趙仲武[8]以KC-45空中加油機為例，分析空中加油機的特性。

近年來，對于空中加油加的研究也比較多，主要研究集中在空中加油機的技術經驗總結和未來發展展望方面。2014年，蕭蕭[9]基于美俄大型空中加油機研究兩國在空中加油機技術上的異同，分析我國空中加油機在其中可以借鑒的技術和經驗；2017年，程龍[10]對于世界空中加油機的發展史進行了闡述，進一步分析了空中加油機的發展動態和方向，研究空中加油機的未來發展趨勢；2017年，車海林等[11]提出空中加油機的發展使命，進一步奠定空中加油技術的研究基礎和方向；2018年，顧俊[12]研究分析了空中加油機的特點和發展趨勢，為我國的空中加油機研究奠定了方向。

就硬式空中加油機的主要研究優勢來看，研究總結出現階段的硬式空中加油具有以下優勢：伸縮管由剛性材料組成，在加油過程中受到陣風、紊流等對其影響較小，且在加油過程中不會產生太大的變形；另外，伸縮管半徑較軟管大，能夠一次性快速完成大量加油，尤其是在戰爭中，能夠快速完成加油極為重要；此外，加油機上有專門的加油員來操縱伸縮管完成與受油機的對接過程，降低了受油機駕駛員編隊飛行的難度，節省了飛行員訓練成本；除了采用加油員手工完成對接外，硬式受油系統還有輔助的自動控制系統來完成對接，為實現硬式空中加油自動化提供了條件，并在緊急情況下減小損失。基于這些優點，硬式空中加油技術是未來空中加油的發展趨勢，在未來作戰使用中將發揮越來越重要的作用[13]。

2 硬式空中加油機發展

美國空軍自成立以來，非常重視空中加油機的發展和運用，巔峰時期曾裝備各型空中加油機1 300余架。美國空軍強大的空中加油能力現已成為美國實現“全球警戒、全球到達、全球力量”的關鍵性支援保障力量[4]。本文以典型機型為代表進行分析，提煉硬式加油裝置發展的主要技術特征。

2.1 第一代硬式空中加油機

朝鮮戰爭期間，美國空軍要求波音公司設計一套氣動控制的、可以轉動和伸縮的硬式加油管，稱之為伸縮管式加油系統，即硬式加油系統。從而誕生了第一代硬式空中加油機KB-29P(如圖1所示[14])，在20世紀50年代被美國空軍大量使用。

KB-29P加油操作員在飛機尾部炮塔中操作硬式伸縮管的V形小翼，將加油嘴伸到受油機機身上的受油口中。伸縮管根部裝有一組指示信號燈，幫助受油機辨認與加油機的相對位置。

第一代硬式空中加油機典型特征是以轟炸機為改裝平臺，受到載機有效載荷的限制，只能提供有限的外供油量。

2.2 第二代硬式空中加油機

新研制的飛機速度更快、航程更遠，KB-29P已經不能滿足美國空軍的需求，并被新研制的KC-97所取代(如圖2所示[15])。KC-97所做的改進主要是更快的飛行速度和改進的伸縮管位置，以便于更準確的實施加油。KC-97仍然是一架螺旋槳式飛機，在1956年～1965年服役。

第二代硬式空中加油機典型特征是在運輸機上進行改裝，有效的外供油量增加，并為當時速度快的受油機進行加油。

2.3 第三代硬式空中加油機

由于具有遠航程和大運載能力的大型噴氣式客機出現， KC-97P很快于1957年被KC-135噴氣式空中加油機取代(如圖3所示[16])。KC-135的主要任務是給遠程轟炸機空中加油，同時向空軍、海軍、海軍陸戰隊和盟國飛機提供空中加油支援。

圖3 KC-135加油機及其后部加油控制艙

KC-135主要的空中加油手段是機身后部的硬式加油裝置。在伸縮套管的末端安裝一個軟管錐套適配器(Boom Drogue Adapter,簡稱BDA)，以滿足裝備軟式受油的飛機加油需要。加油操作員在機身后部控制艙內操縱伸縮加油管。KC-135的加油系統全部位于飛機機艙地板以下，因此飛機機艙可以用來運送貨物或人員[16]。

第三代硬式空中加油機具有一定的運輸能力，配置了先進的硬式加油裝置系統，并設置了專用加油操作員，但是加油操作環境簡陋，加油環境、加油方式、加油點單一。

2.4 第四代硬式空中加油機

為了實現空軍力量盡可能快速地投入戰場，美國空軍提出了“先進加油/貨運飛機” (Advanced Tanker/Cargo Aircraft，簡稱ATCA)計劃，要求新的加油機在實現更高的空中加油能力的同時，具有較大的載貨能力，由此發展出了在DC-10基礎上改進而來的KC-10加油機(如圖4所示[17])。

KC-10加油機的硬式加油系統具有操作安全性、效率和加油率等方面的優勢。其設計特點還包括：更大的控制包線，獨立的斷開能力，數字電傳主動控制，自動卸荷，位置速度感知，輕便的精確手動控制和操作員選擇的斷開限制。

第四代硬式空中加油機兼有一定的貨物運輸能力，向軟式、硬式三點加油方向發展，具有先進的硬式加油裝置系統，加油員可直接觀察到受油機，操作環境舒適[17]。

圖4 KC-10加油機及其硬式空中加油裝置

2.5 第五代新型多用途空中加油機

為了在未來逐步替換結構早已老化的KC-135等現有加油機機型，美軍提出了第五代KC-X空中加油機計劃[4]，要求必須具有軟式和硬式加油能力，空中受油能力，貨物、人員運輸和醫療后送能力，指揮、控制和通信能力，網絡中心能力和高生存能力等，加油員操作環境具有良好的人機工效。目前主要機型有KC-30和KC-46A。

KC-30(如圖5(a)所示[18])基于空客A330-200多用途加油機研制，第一架KC-30于2007年9月25日完成首飛。其多點式加油系統由加油吊艙、機身軟式加油管和機體尾部的硬式加油裝置組成。兩套數字式FRL 905E加油吊艙最大加油速率為1 900 L/min，可兼容美國和北約具有軟式加油能力的飛機。先進的硬式加油系統使用電傳控制技術，包括自動卸荷系統、獨立斷開功能和冗余作動器等，硬式加油裝置的加油運動包線可根據各種受油機自動設定，加油操作方式具有良好的人機界面，對加油操作員提供了全天候的三維視景增強系統[17]。

(a) KC-30加油機方案

(b) KC-46A加油機方案

波音公司的KC-46A加油機方案(如圖5(b)所示[18])基于波音767-200LR遠程貨機，裝備電傳操縱的硬式加油裝置和新型加油吊艙，以及機身中線加油平臺，并可以對這三個軟式加油點進行任意組合配置；采用移植的波音787客機駕駛艙，以及視頻遙控加油系統，使用攝像機為操縱員提供三維監控加油情況。波音公司對KC-46A加油機的伸縮套管的處理更加細膩，零部件比原來少2 600個，采用新型伸縮管和滾輪系統，改進了伸縮套管的絞車，加裝電操縱系統、自動減荷和位置傳感器及獨立的脫離系統等新部件。

2.6 硬式空中加油機主要技術特征

由上述分析可知，硬式空中加油機隨著載機平臺而發展[4-5]，主要技術特征如表1所示。

從平臺來看，第一代、第二代主要由轟炸機、運輸機改裝而來，但由于受到當時平臺的限制，只能提供有限的外供油量。從第三代直到最新的KC-X計劃，加油機由大型飛機改裝，具有較大的載油量，可進行多點加油，并兼有一定的運輸能力。

表1 硬式空中加油機的主要技術特征

從硬式加油裝置來看，從最初的機械液壓操縱向電傳操縱發展，加油流量進一步增加，有利于減少對接時間，提供加受油機生存率。從操作環境來看，第一代、第二代沒有專用的加油操作環境；從第三代開始，設置了專用加油操作員，但是加油操作環境簡陋；而第四代加油機的加油員操作環境較為舒適，但是空間擁擠；在最新的KC-X計劃中，充分考慮了加油員的操作環境的人機功效設計，有專用的加油員操作臺，提供了良好的人機界面，可為加油員提供全天候的三維視頻監控系統。

3 硬式空中加油技術發展趨勢

3.1 發展趨勢

綜合國內外關于空中加油機相關研究的綜述結果，總結得出從硬式空中加油機的各項技術特征變化，可以分析出硬式空中加油的發展趨勢如下：

(1)向多用途化發展。在選擇新的空中加油平臺時，普遍傾向于“一機多用”的選擇原則，看重加油機的使用效率。選擇現有大型運輸機為載機平臺，充分利用其裝載空間大及留空時間長的優勢，可實現以空中加油為主，兼顧運輸貨物、充當通信中繼平臺、安裝貨盤化的任務設備等功能。

(2)加油過程控制的自動化程度越來越高。加油過程中，多編隊加、受油飛機的戰術協同配合極其復雜。為提高空中加油的效能及安全性，在研制新型空中加油機或對現有加油機進行改裝時，十分注重提高加油系統的數字化程度，以期實現加油過程的自動化。目前已實現了無人機的自動受油，可以預期實現空中加油全過程自動化的將為可能。

(3)加油操作專人化。操作系統逐漸成熟，人機工效占據越來越重要的地位。

(4)大流量多點加油的需求將帶動硬式加油技術的進一步發展。新型空中加油機都采用一個硬式、兩個軟式和一個中心線空中加油平臺的三點加油方式。對于如戰略轟炸機、大型特種飛機等大型飛機，為縮短加油時間，要求盡可能提高硬式空中加油系統加油流量。

3.2 關鍵技術分析

硬式空中加油技術的發展對硬式空中加油裝置的設計提出了越來越高的要求，硬式加油裝置要實現高精度俯仰、偏擺、滾轉、大行程伸縮、動密封與沖擊壓力抑制等功能，相當于一套小型化的無人控制系統，直接影響加油機、受油機的剛性與柔性連接體一體化，研究難度大、系統復雜、安全系數要求高。因此需要對其關鍵技術展開攻關。

(1) 硬式加油裝置總體布局設計技術

由于硬式加油裝置處于機身后體強干擾區域，飛機后體的流動比較復雜，硬式加油裝置在收放、運動過程中受到的后體流動特性、壓力分布因素影響與自由流中差別較大，使得伸縮套管受到機體振動和尾渦多重影響；同時由于加油機與受油機存在相對運動，加油機、加油裝置和受油機之間的相互響應也較為復雜。

(2) 硬式加油裝置結構和機構設計技術

硬式加油裝置為大擾動細長體輕質結構，由于控制翼面的約束和載機的影響，其伸縮管裝置要在各種復雜流場下的氣動載荷、慣性載荷等作用下，在飛機飛行包線和硬式加油裝置運動區域內，要求不變形。同時受到總體布局和重量的約束，內部空間狹小，要保障伸縮管機構在復雜干擾的作用下進行順暢伸縮運動，其驅動、傳動、支撐、導向等機構的設計有很高的技術難度。

(3) 硬式加油裝置控制系統設計技術

硬式加油伸縮管裝置猶如一架小型無人機，未與受油裝置對接前要求快速精確地定位，對接后要求能自動適應加受油機之間相對位置的變化，消除對接應力。設計時應綜合考慮各種模態的設置，形成最優的伸縮管控制系統總體方案。

4 結束語

空中加油機在當今地區性沖突中扮演了重要角色，從聯合打擊到設立禁飛區，在各種重要的軍事行動中都出現了空中加油機的身影。而在未來，空中加油機在類似任務中的作用將更加重要。目前以美國為代表的世界軍事強國大多裝備了空中加油機，發展包括“伙伴加油”在內的多種空中加油手段，并開始了下一代空中加油機的研制，使多種作戰飛機具備空中加油能力，提高其航空武器裝備作戰效能。硬式空中加油機作為未來空中加油機的發展趨勢，其研究尤為重要，本文通過梳理硬式空中加油機的發展，指出相關需求變革的思路和關鍵技術，為進一步深入研究硬式加油裝置提供參考。