艦載機著艦技術創新與發展

劉峻豪，石佳偉

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710000）

1 引言

艦載機起降技術是指艦載機在運動的、有限長的航母飛行甲板上起飛以及回收的過程。就兩者來說，艦載機著艦比起飛難度大的多。自從第一架飛機從航母上起飛后，艦載機的著艦任務就成了飛機設計師和艦隊工作者的挑戰。即使在良好的氣候和海況條件下，艦運動、艦機動等不利條件以及大氣紊流都將成為這項作業的難點。艦載機的著艦比陸基飛機的著陸更具危險性和復雜性，事故率也更高。

所有艦載機飛行試驗都會經過陸基試驗及艦上試飛兩個階段，這其中陸基飛行試驗是艦載機起降試驗的基礎，大量的技術研究和探索工作在陸基試飛場完成。在艦載機阻攔著艦試飛中采用什么樣的試飛技術，如何科學地安排和組織這兩個階段的試飛工作，從而保證艦載機安全、順利地完成試飛工作，是非常關鍵的問題，航空強國在這方面已經積累了豐富的技術和經驗。

2 國外艦載機著艦技術的發展

2.1 平槳進場技術

飛機在航空母艦上著艦非常特殊，速度和負載有相互矛盾的要求；在達到適當的低速飛行品質的同時，還應加強飛機結構，以適應著艦要求。第二次世界大戰中使用的螺旋槳艦載機種類繁多，包括F6F“惡婦”飛機、Corsair“海盜”飛機、F8F“熊貓”飛機，還有SB2C“俯沖者”轟炸機和Avenger“復仇者”魚雷攻擊機等。平直機翼飛機在直線甲板上，使用由著艦信號官（LSO）控制的“平槳”進場技術，也叫“槳式”技術。海上航空開始于20 世紀20 年代，而這種著艦方式早在那時起就在美國軍艦“蘭利”號輕型航母上使用。

如圖1 所示，著艦信號官工作于艦尾，站在飛行甲板的左側，在航空母艦的左舷兩手各拿一面彩色的信號旗，給飛行員發送設定好的標準信號。飛機以很低的高度在航空母艦左側順風飛行，當飛機和艦體艦體龍骨成90°時，飛機開始逐漸下降轉彎，力求在飛機速度、高度和甲板中心之間找到結合點，就是LSO 指揮飛行員快速地收回油門，使發動機為慢車狀態。這種方式的著艦任務完成的好壞和LSO 的指揮有很大關系。

圖1 螺旋槳飛機的著艦方式（二次世界大戰期間）

“平槳”進場的方式對直線甲板來說是可靠的技術，這是因為直線甲板著艦區域有限，且未考慮接艦后起飛（touch and go）的功能（在著艦區域前方停放的飛機和保護性的障礙物排除了接艦后起飛的功能）。但隨著新任務要求的出現，包括噴氣式戰斗機等新型飛機的研制成功，“平槳”技術逐漸暴露其不足。為了滿足新要求，需要改變飛機設計，飛機動力進場速度必須做出很大調整，而提高動力進場速度則顯露出LSO 飛行員著艦進場方式的不足。

2.2 螺旋槳到噴氣式飛機的過渡

在朝鮮戰爭期間及結束后的一段時期內，由于發動機響應慢且進場速度高，噴氣式飛機著艦經常發生事故。另外，來自各方的壓力要求建造大型航空母艦，以支持日趨復雜的海上航空任務。

1948 年，第一架使用的噴氣式艦載機（平直機翼）首次在所推薦的100～115 kn 動力進場速度（Vpa）下成功著艦。采用更長更寬的方式給飛行員對準和高度調整提供了充足的時間，但著艦速度增加也必然降低LSO 和飛行員視覺交流的實時性，從而影響著艦安全性。

FJ-1“狂怒”艦載機和FH-1“鬼怪”I 型艦載機如圖2所示，1948 年開始服役。噴氣式戰機加入朝鮮戰爭（1950—1953 年）時，美國的主要噴氣式艦載機F9F“黑豹”、F2H“女妖”和F3D“天空騎士”都使用平直機翼。實踐證明，這些飛機的性能沒有北朝鮮后掠翼飛機的性能好。當時，夜戰則大量使用F4U-5N“海盜”艦載機。

圖2 FJ-1“狂怒”艦載機和FH-1“鬼怪”艦載機

因為發動機響應慢且進場速度高，所以噴氣式艦載機著艦更加危險。實踐證明發動機響應在確定著艦安全性方面異常重要，尤其在進場、復飛和逃逸階段。F-4“鬼怪”II 和A-6“入侵者”系列飛機使用快速響應的渦輪噴氣發動機在進場和著艦階段有著優異的性能。英國給F-4K 安裝了斯貝渦扇發動機后也明顯改善了進場時的發動機響應性能和減小了對下滑道的修正誤差。

2.3 航母著艦區的發展

早在1950 年左右，英國海軍就開始探索斜角甲板和鏡面光學助降系統的可能性。美國海軍繼承了他們的先進思想，使海上航空事業發生了重大革命，也使得后來發展起來的高性能、后掠翼和超聲速飛機能夠更加順利地著艦。這些革新應用到具有前三點式起落架的飛機上就使“平槳”技術落伍了，從而產生了現在的定常下滑道（GS）、恒定迎角方式的著艦技術。美國海軍采用新型著艦技術，不僅是因為引入了斜角甲板和鏡面光學助降系統，而且還考慮到這一技術會降低飛機的結構負載。圖3 為直角甲板和斜角甲板的航母對比。

斜角甲板使著艦區域面積大大增加，方便艦載機較大距離降落和逃逸。光學助降使用定常下滑道技術，由于照明效果更好，使偏差信號放大到LSO 不能給出的水平。光學助降和LSO方式一樣不能提供量化的信息，但是可以消除LSO引起的人為誤差，同時具有更大的指示范圍可使著艦更加安全。

但是，新技術也不是完美的，20 世紀50 年代中期使用的這些高性能噴氣戰斗機（進場速度120～135 kn）也顯露出這些新技術的缺點，即和艦上設備不兼容。隨著理論研究的深入和工程實踐，海上航空逐漸興起。因此艦船必須加以改進，新技術必須發展，現存的和將來的飛機為適應這種完全不同的著艦方式的要求，在飛機結構、氣動布局和推進系統等方面要做大量的改進。

圖3 直角甲板和斜角甲板對比

3 現代艦載機的著艦技術

早期，輕型飛機、直機翼飛機、螺旋槳飛機速度在60～90 kn 且著艦速度很低，可以直接在甲板上降落。隨著噴氣式艦載機開始執行海上任務，大型航母執行的海軍航空任務量增大，航母的壓力逐漸增大，因此航母上采用了輔助裝置進行輔助著艦。同時對艦載機與航母技術水平的要求提高。在1950 年左右，英國皇家海軍發明了斜角甲板和光學助降系統，使航母的著艦系統的技術水平得到提高。隨著自動著艦系統（ACLS）的引入，艦載機從依靠飛行員的人工操作實現了完全由計算機自動控制的非常準確的高精度的著艦。

3.1 著艦程序及過程

對于一架艦載機，其從進場到最終著艦的流程是：艦載機按進場隊形沿進場小航線逆航母航向平行于航母右舷飛行，轉彎飛躍艦艏，進入三邊飛行，放攔阻鉤、減速裝置和起落架，嚴格保持進場速度和高度，最后沿3.5°～4°的下滑線無平飄最終進場著艦。

著艦后的正常回收方式是：攔阻鉤鉤住攔阻索，接著在攔阻發動機作用下吸收艦載機的動能，艦載機被攔阻住。螺旋槳飛機著艦時應減小油門，著艦下滑時有平飛段。噴氣式飛機著艦時則應保持推力，不減油門；它著艦時一般采用不拉平著艦方式，可以較準確地落在規定位置。由于噴氣式飛機著艦時無平飄段，使得著艦時下沉率較大，因而要求艦載機起落架的設計載荷較大。著艦過程如圖4 所示。

3.2 著艦方式

實現艦載機著艦下滑軌跡準確控制，必須由相應的飛行控制系統來完成，目前艦載機飛行控制主要有兩種操縱方式：人工操縱和自動著艦。

3.2.1 人工操縱方式

這一操縱系統主要由增穩系統（SAS）、進場功率補償器（APC）和直接力（DLC）三部分組成。增穩系統主要考慮的是短周期項，而進場功率補償主要考慮的是長周期項，即速度阻尼項，用于自動調節艦載機進場速度和高度，使飛機的著艦速度誤差保持在±（3～5）km/h。如圖5 所示的F/A-18 艦載戰斗機著艦。

圖4 著艦示意圖

圖5 F/A-18 艦載戰斗機著艦

3.2.2 自動著艦方式

從20 世紀60 年代開始的自動著艦系統（ACLS）成為艦載機著艦過程中起主要作用的系統。艦載機從依靠飛行員個人豐富的駕駛經驗及飛機的優秀性能，到完全實現由計算機自動控制完成著艦，這是技術上的重大突破。ACLS 的核心是控制飛機的飛行高度，以盡可能符合理想下滑道的高度變化。由于這一控制過程中沒有駕駛員的作用，因而對航母甲板運動的判斷需要由甲板運動補償系統來替代。美國AN/SPN-46 型ACLS 包含精密跟蹤雷達、計算機、數據鏈發射器等幾部分，設計用于自動控制飛機以自動模式著艦，作為飛機光學系統的跟蹤雷達確定飛機方位，飛機軟件完成飛機直接沿下滑道的邏輯控制、俯仰控制、橫向控制，數據鏈負責發出指令。

3.3 著艦阻攔裝置

艦載機在航母的斜甲板上著艦，斜甲板一般長度不超過150～200 m，必須采取有效的著艦方法，因此，航母甲板上裝有一套阻攔裝置強制艦載機在短距離內迅速減速制動。航母上使用的艦載機攔阻裝置一般有兩種：阻攔索和攔阻網。而現代航母通常使用的都是阻攔索系統。如果著艦時飛機攔阻鉤沒有鉤住阻攔索，那么還設置一個攔阻網可以使飛機停止前進。

一般航母上阻攔索設置3～5 道。阻攔索垂直于斜角甲板中心線，自甲板尾端50 m 處開始，向艦艏方向每隔6 m（有些艦間距變化）橫設一根鋼索，高度距甲板30～50 cm，攔阻索的兩端通過滑輪與甲板阻攔索緩沖器相連。艦載機停止后，阻攔索自動復位，迎接下一架著艦飛機的到來。艦載機理想的著艦點是第2 根與第3 根攔阻索中間。

如圖6 所示，美國的絕大多數航母在斜角甲板上都設有4 根阻攔索和1 道攔阻網（如小鷹號、尼米茲號等）。

圖6 美國航母上的4 根攔阻索

攔阻網是艦載機著艦的一種緊急攔阻裝置，用堅韌的尼龍帶制成，橫著拉緊在跑道上，網端用鋼索固定在金屬支架上。在艦載機攔阻鉤故障、燃油耗盡或損傷等緊急迫降情況下使用。它一般設于第3 道阻攔索位置，高約4.5 m，略寬于阻攔索，艦載機撞網后可在50 m 左右距離內停下。

3.4 助降裝置

現代航母都裝有一套完整的艦載機助降系統，它為飛行員提供甲板上各種方位和高度的準確信息，保證艦載機在下滑時軌跡正確，引導艦載機以合適的姿態和速度安全降落在航母甲板上。

1950 年以前，著艦指揮官站在航母甲板左端，雙手持旗板打信號語來輔助艦載機著艦。50 年代，引入了第一代光學助降系統——反射式光學助降鏡輔助著艦。如圖7 所示，它是在甲板上設置一面大曲率的反射鏡，從艦艉向鏡面打出燈光，燈光通過鏡面反射到空中，給飛行員提供與海平面稱3.5°～4°夾角的光柱。艦載機沿著這條光柱下滑，同時不斷修正誤差，使艦載機安全降落在甲板上。

20 世紀60 年代，隨著艦載機速度的增加，英國人發明了更先進的菲涅耳透鏡光學助降系統，即第二代助降系統，它的工作原理與助降鏡相似，是在空中提供一個下滑光坡面。

20 世紀70 年代，第三代助降系統面世，這就是以雷達為探測傳感器的全天候電子助降系統，由于菲涅耳透鏡光學助降系統不存在電磁干擾問題，工作可靠，價格便宜，至今仍是航母的基本助降設備。

3.4.1 著艦信號官（LSO）

著艦信號官（Landing Signal Officer）/著艦安全官（Landing Safety Officer）是向飛行員發出操縱指令，引導艦載機安全著艦的軍官。LSO 的職責是保障艦載機安全、快捷的著艦。需要根據飛機性能及飛行品質，不間斷地同步監測艦載機的下滑航跡、列隊、著艦迎角是否偏離理想位置；如果偏離，則引導幫助飛行員修正到正確的進場著艦位置，并且對飛行員發出著艦、復飛、逃逸等的指令。著艦指揮官如圖8 所示。

圖7 反射式助降鏡工作原理圖

圖8 著艦指揮官

如圖9 所示，在艦載機著艦過程中，并不只是LSO 一個人在引導艦載機，而是由各負其責的6 名人員組成的著艦安全小組在做著艦引導工作。艦載機著艦時，著艦安全小組成員在位于著艦區后部左舷的LSO 平臺上各司其職。小組成員包括：負責觀察攔阻鉤、起落架和襟翼工作情況的觀察員，負責記錄著艦成績的記錄員，負責用著艦記錄照相系統引導艦載機對準跑道中心的助理LSO，負責引導艦載機著艦的具體工作的控制LSO，由老資格的LSO 擔任負責監察整個小組工作情況的組長。

圖9 LSO 指揮小組

3.4.2 菲涅耳光學助降系統（FLOLS）

20 世紀60 年代，英國人研制了菲涅耳光學助降系統（Fresnel Lens Optical Landing System），它發出的光學下滑道更精確、穩定與可靠。如圖10 所示，該裝置設在著艦區中部左舷處伸向海面的結構上，尼米茲級航母的FLOLS 與飛行甲板平齊，位于艦艉前方148 m 處。主要由菲涅耳指示器組件、俯仰及滾轉穩定控制機構、輔助燈組件、顯示控制臺和控制板等組成。其核心部分是位于中央的菲涅耳透鏡和位于透鏡兩側的水平基準燈（即基準面），基準燈在菲涅耳透鏡左右的基準面，由沿水平方向排列的每側7 個綠燈組成。

圖10 菲涅耳透鏡助降裝置

菲涅耳透鏡助降裝置通過菲涅耳透鏡可發出5 層光束，正中段為橙色光束，向上、向下分別轉為黃色和紅色光束。當艦載機下降時，艦載機飛行員觀察助降鏡，如果基準面與中央的黃燈光在一條線上，表示艦載機飛行在適宜的下滑道上；如果黃色燈光在基準面之上，表示艦載機在下滑道之上飛行，需要降低高度；如果黃色燈管在基準面之下，表示艦載機在下滑道之下飛行，必須上升高度，否則就會撞在航母的艦艉上。如果在此情況下艦載機仍繼續下降，紅燈就會點亮，指示艦載機立即爬升并復飛。當艦載機高度和下滑角正確時，飛行員可以看在橙色光正處在綠色基準燈的中央。

復飛指示燈是縱向排列在菲涅耳透鏡左右的一組紅燈，由LSO 控制，用來指示飛行員復飛。切斷燈是水平排列在復飛指示等上面的一組綠燈，由LSO 控制，用來提醒飛行員艦載機已進入下滑道。當該系統發生故障以及海上發生大的浪涌，超過該系統穩定器的穩定功能而無法使用時，LSO可以操縱設在菲涅耳透鏡前或著艦區右側的手動光學目視輔助著艦系統來引導艦載機著艦。

人工目視助降系統是一套艦上備用助降系統，它在主光學系統（菲涅耳透鏡光學著艦系統）不工作、穩定極限超限或飛行員/著艦信號官訓練時使用。系統提供下滑道信息的視覺形式與菲涅耳透鏡光學著艦系統相同。

3.4.3 改進型菲涅耳光學助降系統（IFLOLS）

1997 年美國航母“喬治·華盛頓”號率先試驗和使用了一種改進型菲涅耳光學助降系統（Improved Fresnel Lens Optical Landing System），如圖11 所示，為了提高光學助降系統的分辨率，工程師設計了更高端的光學助降系統。改進型菲涅耳光學助降系統使用了12 燈箱用來指示飛機的下滑道，而基本型的菲涅耳光學系統只有5 個燈箱，這就使得型改進型菲涅耳光學助降系統對于下滑道的指示更精確，“肉球”的運動也更平滑。雖然這個系統稱為改進型菲涅耳光學助降系統，但是在很多情況下，這個系統已經不再使用菲涅耳透鏡作為燈箱器件，取而代之的是新型的光纖材料。

圖11 改進型菲涅耳光學助降系統

3.4.4 激光助降系統

為適應新型艦載機著艦要求，并增強它在夜間或不利條件下的著艦能力，一些國家近年來又研制出幾種新型的光電或激光艦載機助降系統，美國海軍的艾科爾斯光學助降系統便是代表性的系統之一。這個系統的關鍵是引入激光束，因而又稱為艾科爾斯激光助降系統。

艾科爾斯系統可分為兩大部分：一部分為激光助降系統，作用距離4～10 n mile，稱為遠程助降系統；另一部分為改進型常規光學助降系統，作用距離在4 n mile 以內，稱為近程助降系統。

激光助降系統包括下滑道引導燈陣和對中線引導燈陣，分別放置在后甲板邊緣下側的右端和中部，激光助降系統在工作原理上非常類似于菲涅耳透鏡，所不同的是它采用了高功率激光燈，從而形成原有燈陣無法實現的遠程助降系統。

艾科爾斯近程助降系統對常規光學助降系統做了較大改進，首先時對菲涅耳透鏡燈箱的改進，其燈數由5 個變為10 個。這不僅增加了著艦的準確率，作用距離也從0.75 n mile 增加至1.25 n mile。其次，增加一個前后下滑航路燈陣，作用距離為1.25～4 n mile。

3.4.5 全天候電子助降系統

現代艦載機還采用了更為先進的全自動、全天候電子助降系統，從依靠飛行員的豐富駕駛經驗發展到完全由計算機自動控制著艦。全天候電子助降系統在各種不利條件下也可以安全引導艦載機著艦，使艦載機著艦更加準確、可靠和安全。它的基本原理是由航母上的精確跟蹤雷達準確測出艦載機在降落中的實際位置和運動情況，通過其他儀器測出航母飛行甲板的運動情況，然后以數據形式輸入計算機中心，得出加載機的正確下滑位置，再由指令計劃計算機將該位置和艦載機的實際位置進行比較，將誤差信號發送到艦載機的終端設備內。艦載機上的自動駕駛儀自動消除誤差，操縱艦載機準確、安全地降落。

3.4.6 艦載機進場系統

艦載機進場系統是一種采用微波掃描技術的艦用微波降落系統。作為艦用低高度進場設備，為飛機進入全天候航母降落系統和航母光學助降系統的工作區提供進場信號；以及作為自動降落時的機上獨立監視設備。系統有艦載方位和仰角發射臺及機上接收/譯碼器等部分組成。兩發射臺在同一頻率上按時分制工作，交替發送方位數據和仰角數據。機上接收信號后，通過譯碼器進行譯碼，并依靠機上的平視顯示器或雙針指示器指示飛機位置。

4 結束語

航空母艦是目前世界上最龐大、最復雜、威力最強的武器之一，是一個國家綜合國力的象征。艦載機能否在航母甲板上安全、準確地著艦，直接反映出本國海軍航空的實力水平。從20 世紀20 年代的“平槳”進場技術，到如今的斜角甲板和光學助降系統、定常下滑道技術，以美國為首的西方軍事強國將艦載機著艦技術發展到了全新的高度，中國作為近幾十年在經濟、軍事、文化等領域快速發展的國家，應深入研究艦載機著艦技術，這關系到中國海軍力量的進一步強大，具有重大研究價值。