美國海軍先進阻攔裝置發展情況研究

王擎宇，李啟軍，譚大力，耿建明

美國海軍先進阻攔裝置發展情況研究

王擎宇，李啟軍，譚大力，耿建明

（海軍研究院，北京 100161）

先進阻攔裝置是美國為建造“福特”級航母而專門研發的新一代航母阻攔裝置。該裝置以水渦輪機、感應電機以及機械制動器為主要吸能部件，具有阻攔能級高、阻攔過載小等性能優勢。本文首先簡要介紹了美國先進阻攔裝置的發展歷程，并對先進阻攔裝置的工作原理、系統組成以及技術方案進行了詳細剖析，總結了主要技術難點。在此基礎上，梳理并分析了先進阻攔裝置的技術指標體系，針對其中的關鍵指標分析了指標內涵與設定意義。研究內容可為我國新一代阻攔裝置的研發提供借鑒和參考。

航空母艦 阻攔裝置 福特級航母 先進阻攔裝置

0 引言

航母阻攔裝置是航母上重要的航空保障特種裝備。美國在研究新一代“福特”級航母時,提出了發展新型阻攔裝置的目標，并最終將該裝置確定為以水渦輪機和感應電機為主要吸能部件的先進阻攔裝置（AAG）[1]。相比于液壓阻攔裝置，先進阻攔裝置（也稱電力渦輪阻攔裝置）具有阻攔能級高、裝置結構緊湊、可實現閉環控制等優勢。新裝置將取代目前使用的液壓阻攔裝置，并用于所有“福特”級航母。

1 美國先進阻攔裝置發展歷程

先進阻攔裝置的研制生產經歷了技術開發、系統研發與演示驗證、生產裝艦三大階段。

1）技術開發階段

該階段主要完成阻攔裝置的技術發展趨勢分析和系統初步設計，并開展部分關鍵技術驗證，以及水渦輪機、感應電機等關鍵部套件評估。

2003年，美國海軍航空系統司令部分別授予通用原子公司和諾?格公司價值1124萬美元的概念與技術研發合同，在15個月內完成系統的技術開發工作。該階段結束后，美國海軍將從兩家公司中選出一家作為先進阻攔裝置的主承包商。經審查，美國海軍最終選擇了通用原子公司領導的工業小組，繼續進行系統研制與演示驗證階段的工作。

2）系統研發與演示驗證階段

該階段主要完成系統詳細設計和樣機制造，進行噴氣推車軌道試驗，并根據試驗結果對系統設計進行改進。在此基礎上完成生產樣機研制，并開展艦機適配性試驗等。

在系統研發過程中，先后發現水渦輪機等系統的多個主要部件和軟件系統存在缺陷，致使系統數次重新設計。同時，試驗先進阻攔裝置的噴氣推車軌道試驗站的硬件安裝、系統檢測和交付等工作進度一再推遲。2011年，先進阻攔裝置開始在赫斯特湖進行陸上噴氣推車阻攔試驗。至2015年，通過噴氣推車模擬F/A-18C/D“大黃蜂”、F/A-18E/F“超級大黃蜂”、E-2C/D“鷹眼”等艦載機，進行了1000余次陸上噴氣推車阻攔試驗，完成了先進阻攔裝置性能包絡線的檢查。2016年開始進行陸上飛機阻攔試驗，完成了F/A-18E/F“超級大黃蜂”等型號艦載機的陸上阻攔試驗。

3）生產裝艦階段

該階段主要完成先進阻攔裝置的生產裝艦，并完成艦上測試與裝備交付。

2008年福特號航母的詳細設計與建造合同授出時，先進阻攔裝置僅開展了部分部套件試驗，技術成熟度僅為5級。然而為了追趕福特號航母的研制進度，先進阻攔裝置在大量陸上試驗尚未完成的情況下就開始了首批裝置生產。期間，由于水渦輪組件暴露的缺陷，不得不對其進行重新設計，影響到了裝艦計劃。2015年5月，先進阻攔裝置的大部分設備已經完成在“福特”號航母上的安裝，并于同年7月開始進行艦上性能測試。2017年7月22日，福特號航母正式服役，并繼續開展相關試驗及訓練，至2020年2月，先進阻攔裝置在福特號航母上完成了約1000次阻攔著艦試驗。

從上述發展歷程來看，由于阻攔裝置研發進度與福特號航母設計建造計劃存在一定程度的矛盾，“系統研發及演示驗證階段”與“生產裝艦階段”在時間段上出現了較大程度的重疊，因而出現了邊設計、邊試驗、邊生產的不合理局面，為裝備的研發帶來了巨大的技術、生產和費用風險。

2 先進阻攔裝置的技術方案

2.1 先進阻攔裝置的組成及原理

先進阻攔裝置以水渦輪機、感應電機以及機械制動器為主要吸能部件，同時能夠通過調節感應電機扭矩輸出來精確控制飛機阻攔著艦過程，包括阻攔過載、阻攔距離等[2]。其基本構成如圖1所示。其中阻攔索、纜索傳動系統、前端緩沖系統均與傳統的液壓阻攔裝置類似，主要區別在于阻攔機、電力調節系統與軟件控制系統。阻攔機主要包括水渦輪機、錐形鼓輪、機械制動器、感應電機，且四者的旋轉構件共軸連接，詳見圖2；電力調節系統包括電容器組、水冷電阻器、逆變器等；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等。

圖1 先進阻攔裝置系統構成

圖2 阻攔機的系統構成

先進阻攔裝置的阻攔過程可分為“跟蹤”與“捕獲”兩個階段[3]。在“跟蹤”階段（即阻攔初始階段），當艦載機成功鉤索后，尾鉤將牽動阻攔索并帶動滑輪索從錐形鼓輪中牽出，使阻攔機旋轉軸轉動。此時感應電機先對旋轉軸施加加速扭矩，降低鉤索初期對艦載機的沖擊力，使接觸過程相對平穩。隨后，阻攔裝置作業進入“捕獲”階段（即艦載機動能吸收階段），此時感應電機對旋轉軸施加制動扭矩，并與水渦輪機共同完成能量吸收工作，摩擦制動器作為備用的吸能部件，可在感應電機或水渦輪機失效時使用，確保整個阻攔系統的可靠性。感應電機、水渦輪機與機械制動器這3個部件只要保持其中兩個正常工作，就能夠完成艦載機動能的完全吸收，實現了阻攔能力的冗余。軟件控制系統可通過電力調節系統控制感應電機作用在旋轉軸上的扭矩，使錐形鼓輪上的纜索以相對恒定的張力釋放，保證艦載機在阻攔過程中受力均勻，最終實現艦載機在甲板的降落。阻攔結束后，通過控制感應電機的旋轉，還可實現阻攔索的自動回撤。

2.2 先進阻攔裝置的關鍵部套件

1）水渦輪機

水渦輪機是先進阻攔裝置的主要吸能部件，其構成主要包括容納流體的缸體和葉輪，如圖3所示。葉輪固定在旋轉軸上，并浸沒在缸內流體中。當軸旋轉時，將帶動葉輪的葉片與流體相互作用，在軸上產生減速扭矩，從而降低軸的旋轉速度。同時，葉輪與缸體蓋板之間安裝有可軸向平移的擋板。通過調節擋板軸向位置可改變葉輪的有效工作空間，從而改變葉輪旋轉過程中的流體阻力，進而實現水渦輪機輸出扭矩大小的調節，以適配不同工況下阻攔作業。水渦輪機的扭矩輸出檔位通常根據待阻攔的機型預先設置好，并在阻攔過程中保持不變。待阻攔結束后，則調整至扭矩最小檔位，以減小回撤阻攔索時水渦輪機的反轉阻力。

圖3 水渦輪機實物圖

2）感應電機

感應電機是先進阻攔裝置的主要吸能部件之一，也是實現阻攔過程實時控制的執行機構。先進阻攔裝置的感應電機屬于低慣量的3相感應電機，能夠快速降低阻攔機軸系的轉速。該電機主要由一個空心杯型薄壁轉子與內外兩套獨立的定子繞組組成。轉子的杯壁在內外定子之間，如圖4所示。采用這種結構的電機可以在輸出較大的轉矩同時有效降低轉子自身的轉動慣量。

感應電機的電力來源于電力調節系統，在阻攔之前可收縮和張緊纜索，在阻攔過程中可動態調節轉矩的輸出。在初始鉤鎖階段，感應電機起到電動機的作用，向旋轉軸輸出正向扭矩，以減小對飛機的沖擊；在制動階段，感應電機起到發電機的作用，向旋轉軸輸出反向扭矩，同時輸出的電力通過逆變器為電容器組充電，用于下一次阻攔任務，而多余的電量則輸送到水冷電阻柜以熱能的形式耗散。

圖4 感應電機示意圖

3）機械制動裝置

機械制動裝置采用盤式制動結構，其主要執行機構包括若干定子摩擦片與轉子摩擦片，其中轉子摩擦片與轉軸固連并隨之轉動，定子摩擦片與轉子摩擦片交替排列堆疊。艦載機拉動纜索并帶動軸系旋轉時，定/轉子摩擦片存在旋轉相對運動，通過調節摩擦片間的軸向壓力可調節制動轉矩的大小。

機械制動裝置通常作為備用吸能部件，當阻攔機其他吸能裝置失效（如水渦機失效或感應電機失效）時將發揮吸能作用。此外，在阻攔開始之前的準備狀態下，機械制動裝置可以保持纜索的張力。

圖5 錐形鼓輪實物圖

4）錐形鼓輪

錐形鼓輪的主要功能是收放滑輪組索，同時將艦載機的直線運動轉化為阻攔機軸系的旋轉運動。錐形鼓輪固定在旋轉軸上，當降落飛機接觸并拉動阻攔索時，滑輪索將牽動錐形鼓輪帶動整個阻攔機軸系旋轉。

錐形鼓輪采用圓錐外形，如圖5所示，其目的是降低阻攔過程中軸系的轉速變化率。滑輪索從輪轂外徑較大的一側釋出，末端在外徑較小的一側固定。在阻攔初期，由于飛機的速度較高，較大的鼓輪外徑可降低輪轂的轉速，隨著飛機速度的逐漸減小，滑輪索釋放位置對應的錐形鼓輪外徑也逐漸減小，起到了平衡轉速變化的作用，更有利于阻攔機對阻攔過程的控制，使艦載機的制動過程更加平穩。

5）電力調節系統

電力調節系統主要用于分配、調節和控制阻攔感應電機作業所需的電力。主要由電容器組、逆變器以及水冷電阻器柜組成。

逆變器主要功能是根據控制系統指令向感應電機提供電力，驅動感應電機實現轉動或輸出特定的扭矩；電容器組的主要功能是向逆變器提供驅動感應電機的電能，同時在能量吸收階段存儲一部分飛機動能轉化的電能，用于下次阻攔作業用電，實現能量的臨時存儲與循環利用；水冷電阻器的主要功能是耗散剩余飛機動能轉化的電能。

6）軟件控制系統

現役液壓阻攔裝置一般通過流量控制閥來實現對阻攔過程的控制[4],先進阻攔裝置利用軟件數字控制設備替代了傳統的機械控制設備，提高了控制效率和維護成本，同時實現了一定程度的閉環控制。

先進阻攔裝置的軟件控制系統由動態控制子系統、操作人員工作臺以及維護人員工作臺組成。動態控制子系統能夠實時獲得感應電機的反饋，包括轉速和位置等信息，控制逆變器輸送給感應電機的電力大小和方向，進而調節施加在軸上的扭矩，平衡感應電機、水力渦輪、機械制動器和錐形鼓輪對軸的作用，最終控制纜索從鼓輪以充分恒定的張力釋放，并控制飛機停止的位置。此外通過軟件控制系統還可以通過配套執行機構對水渦輪機、機械制動器的扭矩輸出檔位進行遠程設定和調節。

3 先進阻攔裝置的研制難點

1）系統集成

相比于電磁彈射裝置，先進阻攔裝置沒有大量采用新技術，而是集成了許多在其他領域已經驗證過的成熟技術，如阻攔機中的三大吸能部件：水力渦輪機、感應電機和機械制動裝置，都曾在民用或軍用領域成功應用過。然而，將這些部件組合成一個新的系統用于阻攔艦載機則是個全新設想，需要考慮各部件之間的接口兼容與性能匹配問題，而且為實現系統的整體性能最優，各部件需要根據裝置的使用需求進行重新設計。

2）軟件控制系統

對阻攔過程的精確控制是先進阻攔裝置的優勢之一。因此，先進阻攔裝置需通過控制系統實時獲得感應電機的反饋，進而調節施加在軸上的扭矩，平衡感應電機、水渦輪機、機械制動器和錐形鼓輪對軸的作用，最終控制纜索以充分恒定的張力攔停飛機。如何通過軟件精確控制感應電機、水力渦輪、機械制動器等機械部件的制動扭矩輸出，對軟件控制系統提出了很高的要求。

3）水渦輪機的設計

水渦輪機為先進阻攔裝置的主要吸能部件，能夠通過摩擦將動能轉化為熱能耗散。阻攔過程中大約有65%的飛機動能由水渦輪機吸收。水渦輪機的工作原理涉及機械、流場的復雜耦合過程，設計制造的難度較大。美國在研制先進阻攔裝置的過程中，就出現了重新設計并制造水渦輪機的情況，造成了系統研制費用增長和裝艦延遲。

3.1 先進阻攔裝置的指標構成

美軍根據指標的重要程度將先進阻攔裝置的性能指標分為關鍵性能指標、主要性能指標和其他性能指標三類，每一類指標又包含若干具體的指標項目，如圖6所示。

圖6 先進阻攔裝置主要指標構成

3.2 先進阻攔裝置的關鍵性能指標

美軍為先進阻攔裝置提出的關鍵性能指標包括飛機適配性要求、阻攔作業周期和可用性3項，具體如下：

1）飛機適配性要求

飛機適配性是衡量阻攔裝置能力最為關鍵的指標，該要求主要通過綜合性能包絡圖反映，如圖7所示。該包絡圖是對裝置的阻攔能量、阻攔重量、允許嚙合速度等阻攔能力的綜合體現。圖中灰色區域為裝置的門限值要求，其邊界反映了裝置各項指標門限值的邊界。灰色區域的上界反映了裝置的最大阻攔能量，左、右邊界分別反映了能夠阻攔的最小和最大著艦速度，上、下曲線分別代表能夠阻攔的最大和最小飛機重量。針對FA-18 C/D艦載戰斗機、E2C預警機、EA-6B電子戰飛機、T-45教練機等典型阻攔對象，先進阻攔裝置的能力包絡圖應能夠囊括上述機型的著艦重量、著艦速度等工況要求，并且應能同時滿足其相應的阻攔過載要求。圖中網格區域加上灰色區域范圍為裝置的目標值要求，可以看出目標值與門限值主要區別是裝置能夠阻攔的最小飛機重量，即具備阻攔艦載無人機等輕型艦載機的能力。

圖7 先進阻攔裝置性能包絡圖示意

2）阻攔作業周期要求

該指標主要反映了阻攔裝置的連續作業能力。阻攔周期通常以甲板阻攔索張緊準備阻攔為時間起點，經阻攔飛機、索鉤分離、阻攔滑輪索復位等步驟，直至完成系統設置確認、阻攔索再次張緊準備下次阻攔為一次完整作業周期。該周期通常不超過1分鐘。

3）可用性要求

“福特”級航母擬設置4套阻攔裝置，其中2部為索聯機,僅能連接阻攔索，另2部為索/網聯機，既可連接阻攔索也可連接阻攔網。這種配置方式提高了阻攔機故障情況下的冗余性。先進阻攔裝置的可用性被定義為4套阻攔裝置中至少有2部阻攔索與1部阻攔網可用的概率。

3.3 先進阻攔裝置的主要性能指標

美軍為先進阻攔裝置提出的主要性能指標主要包括索網裝換時間、配備人員數量、高強度作業狀態下飛機的回收率（單波次）、人員系統集成等，具體如下：

1）索網轉換時間

在“福特”級航母阻攔裝置配置方案中，第3和第4部阻攔裝置均采用索/網聯機，為此，美軍對先進阻攔裝置的索網轉換時間指標提出了要求，以使緊急情況發生時，在規定時間內能夠完成兩種狀態的轉換。

2）配備人員數量

美軍采用先進阻攔裝置替代液壓阻攔裝置的目標之一就是減少裝置配備人數。因此，美軍將先進阻攔裝置的配備人員數量作為裝置的主要性能指標之一，相比于液壓阻攔可降低約10~20%。

3）高強度作業狀態下飛機的回收率（單波次）

該指標主要反映了阻攔裝置在單波次內連續實施阻攔作業的能力，主要由母艦總體出動回收架次率要求細化分解得到，與母艦總體的出動回收能力相匹配。美軍根據其預期的典型作業狀態提出了21~44分鐘內回收28~44架次的要求，平均阻攔周期小于1分鐘，對裝置的連續回收能力要求較高。

4）人員系統集成

該指標主要反映了阻攔裝置人機交互的友好性，盡可能降低裝置操作的復雜程度，提高裝置的作戰使用效能。

3.4 先進阻攔裝置的其他性能指標

美軍為先進阻攔裝置提出的其他性能指標包括持續作業狀態下的飛機回收率、高強度作業狀態下的飛機回收率、平均無故障間隔周期、平均故障修復時間、系統重量等，具體如下：

1）持續/高強度作業狀態下的飛機回收率

先進阻攔裝置在持續/高強度作業狀態下的飛機回收率指標與航母總體艦載機持續/高強度出動架次率相一致。“福特”級航母的出動回收指標要求如表1所示[6]。

表1 “福特”級航母出動架次率要求

其中持續出動架次率反映了母艦面臨中等威脅時長時間持續作戰能力，高強度出動架次率反映了母艦面臨高威脅或擔負重要使命時短時間高強度作戰能力。前述“主要性能指標”中也提出了“高強度作業狀態下的飛機回收率”指標，與此處同名指標的主要區別為：前者主要反映單波次內連續阻攔作業能力，而后者主要反映裝置多波次持續作業能力。

“尼米茲”級航母采用Mk7型液壓阻攔裝置，其持續出動架次率為120架/天，高強度出動架次率為230架次/天[6]。相比之下，“福特”級航母的先進阻攔裝置，其持續作業狀態下的飛機回收率指標門限值（160架次/天）提高了33%，目標值（230架次/天）提高了92%；高強度作業狀態下的飛機回收率指標門限值（270架次/天）提高了17%，目標值（310架次/天）提高了35%。可以看出，先進阻攔裝置較液壓阻攔裝置在這兩項指標上有明顯提升。

2）平均無故障間隔周期與平均故障修復時間

這兩項指標是反映阻攔裝置可靠性和維修性的重要指標。阻攔裝置在執行阻攔任務時若出現嚴重故障，則在空的艦載機編隊將無法降落，會導致極為嚴重的損失。因此一方面要求裝置具有較低的故障率，另一方面若出現故障需要短時間內能夠修復。平均無故障間隔周期是指裝置在使用階段中累計工作周期與故障次數的比值，通常要求在1000次以上（單部阻攔裝置），平均故障修復時間是指阻攔裝置的修復性維修（艦員級）總時間與故障總數之比，通常要求在1小時以內。

3）系統重量

針對上艦裝備通常要考慮其對母艦總體的排水量、浮性、穩性等因素的影響，因此其重量通常被限定在一定范圍內。根據先進阻攔系統在“福特”級航母上的配置方案，其系統重量為8臺阻攔機（每套阻攔裝置含有2臺阻攔機，共4套）、阻攔索、滑輪組索以及其他附屬裝置的總和。該重量整體大于Mk7型液壓阻攔裝置的重量。

4 結論與啟示

先進阻攔裝置是新一代航母阻攔裝置更新換代的產品，反映了未來航母阻攔裝置的發展趨勢。在技術方案方面，盡管先進阻攔裝置所采用的技術均為相對成熟的技術，但在具體部套件層面都需要針對阻攔裝置總體能力要求進行全新設計，同時還存在著系統集成、軟件控制等諸多研制難點，其研發難度不亞于研發全新裝備。在能力指標方面，先進阻攔裝置相比于液壓阻攔裝置具有阻攔能級更高、覆蓋機型更廣、阻攔過載更小等優勢，回收能力整體增強，能夠適應新一代航母及艦載機對航母阻攔裝置回收能力的需求。

針對我國同類裝備的發展，幾點啟示總結如下：

一是發展新一代阻攔裝置是未來航母發展的必然要求。傳統的液壓式阻攔裝置阻攔覆蓋機型有限，尤其是難以適配輕型無人機及質量更重、速度更高的重型艦載機，同時還存在著操作維護工作量大、信息化程度低等不足，難以適應未來航母的作戰能力要求，因此有必要發展新一代的航母阻攔裝置，與未來航母及艦載機的回收能力要求相匹配。

二是要結合我國整體的工業技術優勢，選擇適合自己的阻攔裝置技術方向。美國在先進阻攔裝置的技術方案上選擇了其應用相對成熟的水渦輪機作為主要吸能部件，即便如此，也在研制過程中頻頻出現問題而反復改進設計。我國機械技術水平相對落后于國外先進水平，但在電氣技術方面與國外先進水平相當，因此可考慮以感應電機為主要吸能部件的技術方案，不僅可以揚長避短，還可以整體提高阻攔裝置的自動化、信息化水平，獲得更好的裝備性能。

三是科學規劃研制流程，充分釋放風險。美國先進阻攔裝置在發展歷程上出現了諸多問題和反復，歸結其原因主要是研制過程未遵守新裝備研發的客觀規律，盲目追趕母艦建造進度而造成。一項新裝備研發通常會面臨技術、資金、進度等方面的諸多風險，因此需要規劃合理的研制流程對這些風險進行充分釋放，尤其是不能為盲目的追趕進度而放松對裝備的驗證與考核，為了考核而考核，為了交付而交付，將不成熟、不好用的裝備交給部隊。

[1] Stackley S J, Gaddis D R. Procurement, Acquisition, Testing and Oversight of Navy's Gerald R. Ford Class Aircraft Program [R]. 2015.10

[2] Zhang XX, Zhang YX, Wang GS. Comparative Analysis of Different Cable of Electromagnetic Arresting Gear[C]. 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sydney, NSW, 2017: 1-6.

[3] 劉勇, 汪光森, 丁智深，等. 渦輪阻攔裝置自動回撤軌跡規劃算法[J]. 海軍工程大學學報, 2018, 30(1): 28-32,74.

[4] 王海東, 畢玉泉, 楊炳恒, 等. MK7-3阻攔裝置攔阻特點分析[J]. 科學技術與工程, 2011, 11(9): 2038-2042.

[5] 劉向春. 航空母艦艦船適配性技術體系[J]. 中國艦船研究, 2016, 11(3): 1-4,10.

[6] 劉相春, 盧晶, 黃翔釗. 國外航母艦載機出動回收能力指標體系分析[J]. 中國艦船研究, 2011, 6(04): 1-7.

Research on the Development of Advanced Arresting Gear of US Navy

Wang Qingyu, Li Qijun, Tan Dali, Geng Jianming

(Naval Research Academy, Beijing 100161, China)

TM92

A

1003-4862（2021）07-0039-06

2020-12-14

王擎宇（1986-），工程師，博士，研究方向：艦船航空保障特種裝置和電磁發射技術。E-mail: jameswang8628@163.com.