固定翼艦載戰斗機關鍵技術與未來發展

王永慶

航空工業沈陽飛機設計研究所，沈陽 110035

在大國競爭的背景下，美國海軍已啟動新一代艦載機的研究，在已明確的使能技術領域進行投資，以提高技術成熟度。

2020年1月，美國國會預算辦公室發表關于替換美海軍現有機隊成本的分析報告[1]。經測算，2032年至2050年，替換F/A-18E/F“超級大黃蜂”機隊將花費670億美元，替換EA-18G“咆哮者”電子戰機隊將花費220億美元。

2020年3月，美國海軍啟動新一代航母和未來艦載航空研究，組建了名為“未來航母2030”的特別工作組，廣泛征集海軍和海軍陸戰隊領導人的意見，結合海上力量一體化戰略，針對“分布式海上作戰”和“遠征前沿基地作戰”的新作戰概念，研討未來航母艦載機聯隊發展路線。

2020年8月，美國海軍啟動新一代艦載戰斗機研發工作，旨在開發一型有人駕駛戰斗機，從2030年開始取代現役F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰斗機和EA-18G“咆哮者”電子戰飛機。

在美國重奪海上優勢戰略思維的推動下，新一代艦載機的定位、能力需求和技術特征成為多方關注的焦點。本文在回顧固定翼艦載機發展歷程的基礎上，對艦載機起飛、著艦、艦面保障、環境適應性等關鍵技術進行了探討，結合人工智能、無人機及協同作戰等技術的發展，對艦載機的未來發展進行展望，提出了新一代固定翼艦載機的主要能力和技術特征。

1 艦載機發展歷程

1.1 艦載機發展的驅動因素

縱觀艦載機的百年發展，圍繞艦載機關鍵能力指標——聯隊飛機數量、續航能力、帶載能力和低可探測性等，驅動艦載機不斷發展和完善的使能因素主要包括：

一是作戰需求的牽引[2]。艦載機在縱橫2個維度得到發展，縱向上艦載機個體平臺的能力不斷提升；橫向上隨著作戰任務譜的擴展，艦載機的種類也得到發展。為實現由海向陸的作戰，需要艦載機具備可與陸基飛機抗衡的作戰能力，迫使艦載機的本體性能和武器配置不斷提升，使得艦載機不斷升級換代。隨著航母打擊群所承擔任務的擴展，其所搭載的艦載機類型也不斷增加，由早期的戰斗機、(俯沖/魚雷)轟炸機、偵察機等演變為戰斗機、預警機、電子戰飛機、攻擊機等多機型組成的航空聯隊。

艦載機以在大洋公海自由航行的航空母艦作為起降機場，一方面化解了修建固定機場牽涉的地緣政治、經濟紛爭等問題；另一方面基于航母平臺的機動能力，極大地增強了作戰飛機的戰術運用靈活性，提高了飛機的生存力和使用效能，為飛機的使用開辟了新的模式，可以部分化解飛機航程短的窘境，通過航母打擊群的前沿部署，增加艦載機的打擊范圍。

二是技術進步的推動。二戰末期裝備噴氣式發動機的戰斗機出現，引領艦載機從螺旋槳時代進入噴氣時代。美國海軍在1947年7月推出世界海軍史上首架艦載噴氣式飛機—麥克唐納公司生產的FD(后為FH-1)“鬼怪”式戰斗機。噴氣式戰斗機采用后掠式機翼和機載雷達等電子設備后，實現了高速化和高性能。1957年3月美國海軍將錢斯沃特公司生產的F8U(后為F-8)“十字軍戰士”裝備部隊，成為美國海軍史也是世界海軍史上第一架超聲速艦載戰斗機。1961年麥克唐納公司生產的全天候戰斗攻擊機F4H(后為F-4)“鬼怪Ⅱ”開始裝備，配裝AN/APQ系列雷達和AIM-7“麻雀”導彈，具有全天候的超視距作戰能力。2001年，法國戴高樂號航母配備的“陣風-M”艦載機，具有高敏捷性及一定的隱身能力。2010年，F-35C艦載機首飛成功，其從設計之初就將隱身、殺傷力、經濟可承受性等作為設計約束，是目前全世界唯一經過檢驗的隱身艦載戰斗機。2013年7月， X-47B無人技術驗證機在“布什”號航母上實現彈射起飛和攔阻著艦，標志著艦載機步入有人/無人混合時代。

1.2 艦載機主要發展歷程

航母誕生已有百年，在二戰中，航母的超視距立體打擊能力將“大艦巨炮主義”掃進了歷史的垃圾桶，航母成為海洋大國宣示力量的重要手段[3]。艦載機作為航母編隊最主要的矛與盾，其作戰能力直接決定了航母戰斗群能否實現戰術目標和戰略意圖，是航母編隊作戰的核心力量。二戰后，美國成為唯一的航母大國，其航母與遍布全球的基地相配合，參與了美軍幾乎所有的作戰行動，起到了決定性的作用[4]。

朝鮮戰爭初期，受限于美軍依靠核武器取勝的戰略思想，航母艦載機的發展一度被忽視，二戰中的許多螺旋槳飛機仍然是航母的主力機種。隨著戰爭推進，逐步換裝F-9F“黑豹”和具有核打擊能力的F-2H“女妖”噴氣式戰斗機，形成了螺旋槳飛機和噴氣式飛機混合搭載的局面。這一時期，艦載機主要執行近距空中支援、防空和部分攻擊任務，掩護盟軍部隊的撤退[5]。

朝鮮戰爭結束后，核打擊戰略依然有效，大型航母繼續建造，使得以A-3“空中戰士”和A-5“民兵團員”為代表的具有遠距核打擊能力的大型攻擊機成為航母艦載機的核心[6]。艦載機作為海上核攻擊平臺，成為海軍戰略核投送的核心。

核潛艇和潛射導彈的出現，使得艦載機再次回到常規攻擊和近距空中支援的任務中。具有全天候精確打擊能力的A-6“入侵者”和A-7“海盜”Ⅱ成為美海軍在越南戰爭時期主要的攻擊兵力，裝備了雷達系統和先進的火力控制系統的F-4“鬼怪”Ⅱ則兼顧空中護航與精確對面打擊。艦載機作戰半徑的提升使航母可以在海上遠離作戰前線部署，無需負擔較重的防空任務。同期，面對空導彈、能夠攜帶反艦巡航導彈的轟炸機的出現，拓展了航母編隊對特種艦載機的需求，即打擊敵大縱深目標，擊敗日益復雜的防空系統，應對航母面臨的新威脅。隨著EA-6B“徘徊者”艦載電子戰飛機、E-2A/B“鷹眼”艦載預警機、KA-3加油機等先后服役。從1966年至1978年，海軍艦載機聯隊中特種飛機的比例增長超過1倍。

越南戰爭后，蘇聯Tu-22M“逆火”轟炸機和Kh-22遠距反艦巡航導彈出現，使美國航母不得不面對來自空中的巨大威脅。美海軍希望通過增加艦載機聯隊防空能力，并構建航母編隊外部巡邏圈的方式來應對蘇聯反艦威脅。依據這種作戰思想發展的F-14A“雄貓”超聲速戰斗攔截機，通過配裝AWG-9雷達和AIM-54遠距空空導彈，能夠同時與多個目標交戰，大幅提高了航母編隊的防空能力。20世紀80年代，美海軍部署了更具多用途特征的F/A-18A/B“大黃蜂”攻擊戰斗機，取代了功能單一的A-7攻擊機，進一步提升了艦載機聯隊的防空能力。另一方面，這一時期對防空能力的強調，相對削弱了艦載機聯隊的打擊能力，使得航母一定程度上落入至海軍歷史學家Norman Friedman所述的“自生自存”悖論，即“航母存在的唯一目的是保護自己”[7]。

隨著1991年蘇聯解體進入后冷戰時代，缺乏大國競爭的國際環境和美國軍事力量的壓倒性優勢，使得艦載航空兵的作戰價值在地區行動中再一次體現。當2001年美軍在阿富汗發起“持久自由”行動時，幾乎沒有機場適用于美國陸基戰斗機。在戰爭的前3個月，艦載戰斗機承擔了美軍75%的攻擊架次和50%的彈藥投送。隨著F/A-18E/F替代F-14,美艦載機聯隊已經從美蘇爭霸時的遠程截擊機+攻擊機的組合，轉變為相對短程的多用途戰斗機，用于應對非對稱作戰對手。

進入隱身時代以來，美海軍采購F-35C“閃電”Ⅱ以替換較為老舊的F/A-18C/D，實現F-35C與F/A-18E/F的搭配使用[8]，F-35C重點承擔前出進攻性制空、防空壓制和縱深打擊任務，F/A-18E/F重點承擔艦隊防空任務。

不同于美軍“立足兩洲、控制兩洋、主導世界”的全球戰略，蘇聯強調依靠核武器來應對大國競爭，因此在航母的發展上重視程度不高。赫魯曉夫甚至曾表示，“航空母艦是海上的活棺材”。直到1962年古巴導彈危機中，蘇聯核潛艇被美軍逼出水面，蘇聯才意識到航母的重要性，并將護航核潛艇作為航母的主要任務。20世紀70年代中期，雅克-38垂直起降飛機作為蘇軍首型艦載固定翼戰斗機開始服役，但相對于同期美軍的F-14飛機，雅克-38在搭載數量、作戰半徑和攻擊能力等方面均處于較大劣勢。隨著更大噸位的庫茲涅佐夫元帥級航母的研制，具有更大起飛重量、更大航程的蘇-33艦載機開始服役，繼續承擔航母編隊內奪取制空權和制海權的作戰任務，為核潛艇保駕護航。蘇聯解體后，受限于經濟衰退影響，俄羅斯雖然繼承了絕大多數航母，但在艦載機的發展上卻始終步履蹣跚，在蘇-33退役后不得不換裝本為印度研制的米格-29K，在后續發展上與世界主流趨勢漸行漸遠。

美、俄等國以外，英國、法國、印度和日本等有航母國家，除了法國裝備陣風-M艦載機，均外購美制F-35B或俄制米格-29K艦載機，僅能在局部作戰中發揮有限的威懾和打擊作用。

綜合來看，艦載機聯隊作為航母編隊的主要作戰力量，其主戰裝備的研發從來都不是一成不變的，而是結合時代背景、軍事戰略和對手威脅整體籌劃的結果。就美軍而言，其艦載機聯隊整體上呈現出“高威脅時突出專用、強調能力，低威脅時突出多用途、降低成本”的發展趨勢，同時通過“逐步替換、混合使用”來保障艦上使用的連續性。面向未來“中美大國競爭”背景，美軍已經規劃的下一代艦載機F/A-XX，雖然現階段尚未見到明確的公開信息，但極有可能帶來美艦載戰斗機新的變革。

2 艦載機關鍵技術

2.1 起飛技術

隨著作戰使用需求演進及航空技術發展，艦載機的能力不斷提升，起飛重量及離板速度逐漸增大，促進了艦上起飛技術的發展，主要經歷了局部/全通式甲板自主式滑跑起飛、彈射起飛、滑躍起飛等不同的階段[9]。

早期的雙/單翼活塞式艦載機，飛機重量較輕、翼載小、起飛速度較低、滑跑距離短，艦載機在較短的航母飛行甲板上即可實現離艦起飛。

二戰后，噴氣式艦載機相繼上艦，艦載機的重量和起飛速度急劇增大，需要較長的滑跑距離才能離艦起飛，航母200～300 m的飛行甲板長度已無法滿足使用需求，必須采用新的起飛方式。

從起飛機理上分析，借助母艦提供的一定甲板風[10]，在較短的滑跑距離內起飛離艦，一種途徑是借助外力助推、增加離板速度，即“先建立速度、后建立迎角”；另一種途徑是借助特殊的甲板型面，增加起飛離板迎角，即“先建立迎角、后建立速度”[11]，核心是滿足離板后飛機的重心下沉不大于3 m、旋轉角速度不大于12(°)/s等起飛安全準則。由此，催生了彈射起飛和滑躍起飛2種主流的艦載機起飛方式。

(1) 彈射起飛

彈射起飛是指用航母彈射器給艦載機施加外力，使其在不到100 m的彈射動力沖程內迅速加速至起飛離板速度、離艦起飛的過程。1950年8月， 英國海軍在“英仙座”號航母甲板中線上安裝BXS-1型蒸汽彈射器進行彈射飛機試驗，并獲得初步成功。美海軍購買了英國專利，并以此為基礎進行研究發展。目前，美海軍艦載機全部采用彈射起飛方式，法國、巴西、阿根廷等國的航母上也采用了這種起飛技術。

依據艦載機與航母彈射器拖梭的連接方法，彈射起飛方式可以分為拖索式彈射和前輪拖曳式彈射2種方式。[12]

① 拖索式彈射 甲板保障人員先用鋼質拖索把飛機掛在彈射器拖梭上，再用一根牽制桿把尾部與彈射器后端卡槽固定住。彈射時彈射器拖梭拉斷牽制桿上的定力栓，拖拽飛機沿彈射道迅速加速，在彈射道末端把飛機加速到起飛速度拋離甲板，拖索從飛機上脫落，彈射器拖梭返回彈射器起點準備下一次彈射。

② 前輪拖曳式彈射 該方式在1964年由美國海軍試驗成功。彈射桿安裝在艦載機前輪支柱上，彈射起飛時彈射桿放下與彈射器拖梭嚙合，彈射時由拖梭直接拖曳飛機加速起飛。

為實現彈射起飛，母艦應配置與艦載機適配的彈射裝置。現代的航母通常配有3～4部彈射裝置及其配套的彈射指揮裝置。

為克服蒸汽彈射器載荷有限、淡水需求量大和彈射效率低等缺陷，美國研制了電磁彈射器。電磁彈射器是一種利用直線電機產生的電磁力將艦載機在航母甲板上加速到起飛速度的彈射裝置。與傳統的蒸汽彈射器相比，具有體積小、對艦上輔助系統要求低、效率高、重量輕、運行和維護成本低廉的優點。

為實現艦載機安全彈射起飛，航母應滿足一定的條件，包括以一定的航速、穩定直線航行，提供艦載機起飛所必須的甲板風和母艦姿態[13]。從飛機設計的角度，為滿足彈射使用，應關注飛機結構應能承受彈射過載、氣動與控制系統聯合確保飛機低速離板的姿態和航跡穩定、機載系統可承受彈射過載/母艦的電磁環境、推進系統在彈射蒸汽泄漏的情況下仍可穩定工作、前起落架彈射桿應與母艦的彈射裝置適配等能力要求。

彈射起飛方式可在一定程度上降低對艦載機氣動布局、重量、推重比等方面的設計要求，同時可保證多架艦載機以較短時間間隔起飛作戰。如美國“尼米茲”級航母上配置的4臺C-13彈射器，在同時工作時，可使起飛間隔僅為15 s，極大提高了艦載機出動能力，提升航母編隊作戰效能。從西方海軍大國近40多年使用來看，這種起飛方式可滿足實戰需要。

(2) 滑躍起飛

滑躍起飛是艦載機先依靠自身動力在航母甲板上滑跑，后經出板角為12°～14°的艦艏斜角甲板，使艦載機在離艦瞬間被賦予一定迎角和向上的垂直分速度，從而實現離艦起飛的過程，通常需配合止動輪擋。

滑躍起飛技術是由英國海軍軍官道格·泰勒發明的，該技術最先應用在“無敵”級航母上，使“海鴉”垂直/短距起降飛機起飛重量、載彈量、作戰半徑均得到較大提高，從而提高了其作戰能力。蘇聯也將滑躍起飛技術用于蘇-33艦載機在航母上起飛。目前采用滑躍起飛的國家還有英國、俄羅斯、西班牙、意大利和印度等。

滑躍起飛技術依賴飛機本身的推重比、15°～21°迎角間的升力系數、翼載荷及飛機姿態穩定性。為實現滑躍起飛，母艦應配置與艦載機適配的滑躍起飛甲板。滑躍起飛甲板型面應使艦載飛機在滑躍起飛離板時能夠建立規定的迎角且不產生過度上仰趨勢，同時在滑躍起飛過程中不應對飛機起落架產生較大的載荷突變及振蕩。

滑躍起飛方式也存在不足之處。滑躍起飛對飛機的氣動布局、推重比要求較高，推重比小于0.6的固定翼艦載機(如預警機、反潛機等)，都無法采用滑躍起飛方式。

另外，由于艦艏滑躍甲板為上翹斜曲面，不利于艦載機停放，使航母的載機數量減少，在一定程度上影響航母作戰威力。如果美國的“尼米茲”級、“小鷹”級航母采用滑躍起飛方式，并采用俄航母滑躍斜板的曲面參數，所能搭載的艦載機數量將減少10架左右。

除上述2種起飛方式外，英國的“海鷂”、美國的F-35B等艦載機采取了第3種起飛和著艦方式——短距起飛垂直降落。雖然均具備垂直起飛能力，但因其對燃油的消耗極大，且對起飛重量有較大限制，影響后續作戰使用，實際作戰使用過程中一般采用平直甲板短距滑跑起飛與垂直降落方式。

平直甲板短距滑跑起飛，是利用氣動升力與動力升力的聯合作用，無需滑躍甲板即可實現艦載機離艦起飛。起飛時，動力升力系統打開艙門，發動機矢量噴管向后下方偏轉、風扇噴流向后傾斜。飛機加速滑跑起飛至一定距離產生旋轉機動，矢量噴管逐漸減小偏轉角度建立起飛迎角。飛機建立爬升姿態后，繼續加速，在達到一定高度和速度后，噴管恢復到完全向后位置，關閉升力系統艙門，進入常規氣動構型[14]。

綜上所述，對于發展大、中型航母的國家來說，如果掌握了航母及艦載機彈射起飛相關設計技術，采用彈射起飛方式更為有利，尤其是電磁彈射起飛技術，有利于提升航母編隊作戰效能。對于中小國家海軍發展小型航母，宜采用滑躍起飛，具有操作簡單、安全性好等優點，取消了彈射器，還有助于簡化航母及艦載機設計、降低造價、節省訓練和維修費用。

2.2 著艦技術

艦載機著艦是人-機-艦三方協同作用的結果：飛行員操縱或監控艦載機沿給定的理想下滑道飛行，艦載引導系統以光學或射頻的方式向艦載機提供下滑道偏差、著艦距離、母艦航向、航速及動態信息等，著艦指揮控制戰位的著艦信號官(LSO)小組實時監控著艦飛機的姿態、速度等，協助飛行員確保艦載機安全著艦。

艦載引導系統用于輔助飛行員著艦，為其提供所需的著艦態勢信息，主要的著艦引導系統包括：艦載精密著艦引導雷達、衛星著艦引導系統、菲涅爾光學助降裝置、甲板燈光系統、尾垂燈以及遠距激光對中系統等。

艦載機著艦可分為3種方式：人工著艦、半自動著艦和全自動著艦。

(1)人工著艦。指依靠飛行員目視觀察艦上的光學助降系統(菲涅爾透鏡)，同時借助艦上著艦信號官的語音輔助，全程由飛行員完成飛機控制的著艦。在此過程中，飛行員需要同時完成3件事：① 首先是用駕駛桿控制機頭指向，完成對中斜角中心線，使飛機翼展處在規定的著艦區域內，防止機翼碰撞艦島；② 是用油門桿調整發動機的輸出功率，控制下沉率，使艦載機沿光學下滑道飛行，以便保持著艦所需的安全鉤坡距；③ 是用駕駛桿控制俯仰姿態，保持迎角誤差在±0.5°以內，確保鉤索嚙合。

在人工著艦過程中，飛行員需同時完成的“對中、看燈、保角”三件事是高度耦合的：橫向操縱駕駛桿對中會導致飛機的高度損失，使飛機偏離理想下滑道；前后拉桿調整下滑道高低會導致飛機迎角發生變化。飛行員需不斷協調操縱雙桿，工作負荷巨大。“一個有充分控制能力的飛行員可以非常精確地控制一個動態變量，精確控制2個變量，勉強控制3個變量，但飛行員同時控制3個以上的變量就力不從心。”據統計，國外的飛行員，在觸艦前的最后18 s，需要協調操縱雙桿200～300 次，著艦工作強度甚至較空戰更大。飛行員在完成訓練、戰斗任務后，身心本就疲憊，又要完成高難度、高危險性的著艦任務，會產生很大的心理壓力，夜間尤其如此。為減輕人工著艦時的飛行員工作負荷、提高著艦精度，英美聯合開發了“艦載機精確進近與著艦增強控制技術”(簡稱魔毯)[15]。

魔毯技術的本質是基于直接升力的飛行軌跡與姿態解耦控制，由舵面的組合偏轉生成加快航跡控制所必須的直接升力，其迎角和速度由飛控系統自動保持，在良好的著艦態勢輔助下，飛行員只需關注“看燈、對中”2個動作即可完成著艦，減少飛行操縱變量，有效降低著艦操縱難度和負荷。現有著艦技術與魔毯著艦技術的比較如圖1所示。

圖1 現有著艦技術與魔毯著艦技術的比較Fig.1 Comparison of existing landing technology with Magic Carpet landing technology

(2)半自動著艦。指機載系統依據引導系統測得的著艦航跡偏差，生成著艦操縱指令，驅動座艙儀表的指令桿偏轉，飛行員通過駕駛桿和油門桿的偏轉實施“追(隨)指令桿”操縱，消除著艦偏差，完成著艦。

(3)全自動著艦。指整個著艦過程中無需飛行員人工操縱雙桿，機載系統依據航跡偏差生成飛行控制指令，送給機上的自動飛行控制系統和自動油門機構，由其聯合工作，消除著艦偏差，使飛機沿理想下滑道飛行，直至觸艦。全自動著艦作為航母艦載機的標志性技術，代表了著艦技術的發展方向，依據機艦閉環系統的自動化程度水平，由高到低分為3種工作模態：全自動著艦、半自動指引著艦以及母艦控制的語音著艦。

全自動著艦技術源于克服惡劣氣象條件及海況對著艦造成的影響，確保在飛行員無法人工操縱飛機的情況下使艦載機安全著艦。隨著控制技術、引導技術、導航技術以及計算機技術的發展，由最初的艦載雷達引導著艦發展為光電引導著艦、衛星引導著艦，為克服著艦過程對母艦引導的依賴，實現艦載機著艦不依賴外界引導，基于機載機器視覺技術的自主著艦將是未來全自動著艦的追求目標[16-17]。與此同時，全自動著艦技術也是無人機上艦的瓶頸技術，是未來無人艦載航空發展的必要支撐。

美國海軍于1948年提出了艦載機全天候著艦/全自動著艦需求，迄今已完成三代雷達全自動著艦系統的研制。1996年5月，美國提出基于差分GPS的聯合精密進近著陸/著艦系統(JPALS)研究計劃，其目標是實現美軍與民航、美國與北約的精密著陸/著艦。采用JPALS系統的X-47B無人技術驗證機于2013年7月10日在“布什”號航母上實現彈射起飛和攔阻著艦，成為目前世界上唯一成功實現全自動著艦的艦載固定翼無人機[18]。相關技術驗證成果在后續的MQ-25“黃貂魚”無人加油機上得到了應用。為實現無線電靜默條件下的自動著艦，美國還在開展增強視覺系統方面的技術研究和試驗，以便釋放現有著艦系統對機艦數據鏈的高度依賴，實現“艦載機睜眼找艦、落艦的自主著艦”——看到母艦，自己就可以落艦。

俄羅斯海軍正在研究開發基于GPS和GLONASS的衛星全自動著艦系統，該系統類似于美國的JPALS。2012年下半年完成樣機研制，完成了陸基起飛、滑行、著陸飛行等試驗，并使用2架蘇-33艦載機在“庫茲涅佐夫”號航母上進行了著艦飛行試驗。

法國于1985年利用其成熟的艦載光電火控技術，研制出以激光跟蹤/測距儀，紅外攝像儀和電視攝像儀為主體的“甲板進近著艦激光系統”(DALLAS)，并裝備于福煦號和戴高樂航母。DALLAS系統具有高精度定位和高分辨率成像的特點，向著艦指揮官(LSO)提供有關著艦飛機相對于航母的位置和運動的信息。目前法國計劃在DALLAS系統的基礎上，構建機艦數據鏈，使艦載機具備全自動著艦能力。

2.3 有限空間的快速保障技術

航空母艦以編隊的形式遂行作戰，作戰使命任務也從誕生之日起不斷演進。根據目前美海軍的戰略轉型規劃，航空母艦從大洋艦隊對抗的核心平臺轉變為左右陸上局勢和對陸上縱深及近海進行打擊的作戰基地和打擊平臺[19]。為了遂行其復雜的作戰任務，航空母艦上需要搭載各型艦載機，以美軍新一代“福特”級航母為例，搭載了F-35C、F/A-18E/F、EA-18G、E-2D等各型飛機。提升艦載機出動架次率與可用性，可以為航空母艦應對各種作戰需求提供有力支撐。

艦基保障作業是由多環節、多部門、多種裝置/設備參與，按離艦和回收周期組織運行的。單架飛機的出動架次率通常是指單架飛機的日出動次數。為提高艦載機的出動架次率，首先應提高飛機的可用性，減少飛機的艦面停機時間,其次是縮短飛機出動的保障時間，加快飛機的出動循環節拍。

可用性是任務需要時飛機的可使用程度，分為固有可用性和使用可用性。固有可用性取決于飛機的可靠性和維修性，使用可用性則與實際使用環境有關，包括飛機的具體使用策略、預防性維修規劃情況及保障延誤情況等。

以航空母艦移動平臺為基礎，構建種類齊全、功能互補、性能協調的艦載機配置和使用體系，是遂行航母作戰任務的保證[20]。為實現艦載機在航母有限空間的快速保障，需要面向航母作戰任務，開展各型艦載機本體保障特性協調設計，全壽命周期保障活動協同設計和保障資源通用化設計。同時，面向艦載機未來發展，應充分采用信息化、智能化技術，構建機艦一體化保障指揮體系，實現指揮管理自動化、自主化，實現艦載機高效保障，提高保障資源的使用效率。

(1) 飛機保障特性設計是快速保障的基礎

艦載機保障特性是實現艦載機有限空間快速保障的基礎，艦載機本體保障特性設計首先應確保頂層指標協調，面向航母編隊的作戰使用任務，實現“從作戰需求到能力需求，再到裝備需求”的整體設計思路[21]，將作戰需求最終落實到裝備指標設計上，使各型裝備的指標綜合協調、統一，避免產生裝備短板。此外，艦載機還應從以下3個方面開展保障特性優化：一是從保障功能上實現優化設計，艦載機盡可能從根本上采用自保障技術，如采用自主供電、供壓、供氣、故障預測與健康管理等技術，減少對艦面保障系統的依賴；二是艦載機在保障接口設計上，應采用通用設計，減少保障資源配備，提升保障站位的使用效率；三是加強艦載機的狀態監控、趨勢分析、故障預測、健康評價和單機壽命監控等能力，減少艦載機使用維護活動，提高保障的感知能力，加快保障運行鏈條，提高保障效率。

(2) 保障活動協同設計是快速保障的手段

艦載機艦面保障活動是保障艦載機使用的事件載體，驅動了艦基資源配置。保障活動協同設計即面向艦載機的作戰使用需求，合理規劃使用和維修活動，綜合考慮與其他保障活動之間的協調和統一，確保艦載機完成規定的出動任務。

艦載機保障活動規劃包括2個維度的規劃，一是從頂層設計開展艦載機全壽命周期規劃，綜合考慮艦載機的作戰任務、維修體制、岸基和艦基的維修活動分配，可利用系統工程方法，開展各型機的保障概念構建，確保各型機在艦面使用和維修過程中高度協調，確保艦基航空保障系統在限定時空條件下，可滿足艦載機的使用和維修需求；二是在具體保障作業實施場景下，保障活動的一體化組織和實施，包括采用模擬退火算法、改進遺傳算法、混合遺傳禁忌算法的艦載機保障作業調度策略[22-25]。艦載機全壽命周期典型事件如圖2所示。

圖2 艦載機全壽命周期典型事件Fig.2 Typical life cycle event of carrier-based aircraft

(3) 通用敏捷保障設計是快速保障的支撐

保障系統是實施艦載機保障的物理實體，受到艦面空間的約束極大。為實現多型艦載機高效一體化保障，必須配置合理的保障系統。保障系統來源于艦載機的使用和維修活動，通過分析保障活動，明確保障功能，并將保障功能分解至飛機和保障系統，進一步將對保障系統的功能分解至保障設備、保障信息化系統、供應保障等資源要素，以實現保障系統的合理規劃。

保障系統通用化設計是對功能、工作介質、使用方式相近的設備進行綜合設計，可減少資源的配置種類，顯著縮小保障規模，如美軍實施的PMA260工程。保障系統敏捷化設計是通過減少保障延誤，提升保障資源的利用率，進一步減少保障規模，主要基于信息化、智能化手段。信息化保障可實現資源可視化和信息共享，提高資源的使用效率和優化配置，促進保障模式的改革，使規模性保障向速度性保障發展。保障系統智能化設計作為信息化未來發展方向，具備惡劣環境下工作、持久性強、發展潛力大、具備涌現性等優點，美國防部已成立了“聯合人工智能中心”，開展了智能掛彈、智能除漆、智能檢測等多個人工智能項目。

2.4 環境適應性設計技術

2.4.1 腐蝕防護與控制技術

艦載機長期服役于海洋腐蝕環境中，面臨高溫、高濕、高鹽霧及機械誘發環境耦合作用，加速了艦載機及其機載設備的腐蝕。為滿足飛機高隱身性能、長期艦上服役、高出勤率和高出動強度的需求，達到機體壽命指標，減少維護費用，必須開展全壽命腐蝕防護與控制。其中，對腐蝕環境分析、隱身/抗腐蝕協同設計、抗腐蝕能力驗證評估和腐蝕故障視情維護方法等關鍵技術的研究尤為重要。

(1) 艦載機局部腐蝕環境分析技術

飛機結構腐蝕除受總體環境影響外，與結構局部環境密切相關。基于艦載機部署海域環境數據，對全壽命周期典型使用環境比例加權分析，編制服役環境雨、霧露和濕度累積譜及全壽命周期環境總譜。針對關鍵結構在飛機上所處部位、結構形式、密封排水等具體分析，結合試驗、計算及實測方法找出局部環境譜與環境總譜之間的對應關系，并依據飛機結構的主要腐蝕環境因數分析、外場調研與檢查結果建立局部環境譜。

(2) 艦載機隱身/抗腐蝕協同防護技術

基于艦載機隱身性能要求及海洋環境抗腐蝕要求，從材料性能及穩定性研究、工藝適應性研究、耐海洋環境性能試驗以及典型連接件加速腐蝕考核等方面，綜合優選艦載機表面防護體系，形成隱身/防腐協同防護技術。

(3) 艦載機抗腐蝕能力驗證評估技術

在海洋大氣腐蝕環境因素分析的基礎上，開展艦載機局部環境加速腐蝕試驗驗證方法研究，測定不同溫度、不同濕度、不同濃度溶液介質下的典型金屬材料腐蝕電流，建立不同組合對應的當量折算系數，通過當量折算法建立加速腐蝕試驗環境譜與使用周期當量轉換關系，制定艦載機成附件腐蝕環境試驗驗證方法。

(4) 艦載機腐蝕故障視情維護方法

艦載機腐蝕問題視情維修和預估處理是當前外場腐蝕維護方法的發展趨勢。通過無損檢測得到結構腐蝕損傷狀態, 以檢測信息為基礎對后續服役期內腐蝕損傷的演化進行預測，并對遭受腐蝕損傷的結構進行壽命預測和損傷容限分析。通過外場服役飛機的的腐蝕情況調研和加速腐蝕試驗確定艦載機防護涂層體系腐蝕失效形態和表征方法，采用模糊綜合評估法對外場腐蝕損傷進行量化評級，從而合理確定外場預防、檢測和修理時機，實現對艦載機防腐全壽命精確管理。

2.4.2 電磁兼容性設計技術

航母的艦島上安裝了大量大功率、寬頻段的雷達、通信、電子戰射頻輻射設備，使艦載機在駐艦、起飛、復飛和著艦等作業過程中受到了相對于陸基飛機更加嚴酷惡劣的射頻電磁環境，頻段覆蓋了10 kHz～40 GHz，最高場強達到6 000 V/m。此外，由于航母編隊其他艦船以及飛機編隊都會造成對艦載機的射頻電磁輻照，使艦載機抗外部高場強射頻電磁環境設計成為重點關注的問題。

外部高場強射頻電磁環境要求是開展艦載機電磁環境效應設計的重要輸入。國外早期航母和艦載機的電子電氣設備使用較少，隨著大規模數字集成電路和高功率射頻輻射設備的廣泛應用，母艦周圍空域的射頻電磁環境越來越惡劣，包括艦載平臺甲板、艦載平臺主波束、固定翼空軍飛機、空間系統、地面系統等多種類別的射頻電磁環境。由于各型艦載機使用的具體平臺和條件不同，為避免過設計，艦載機的外部射頻電磁環境一般根據艦載機使用流程和任務剖面優先采用實測或預測分析的數據。

在艦載機的電磁環境效應設計中，首先開展飛機遇到母艦射頻電磁環境評估分析，針對環境要求開展指標分解，然后從機體的屏蔽效能設計、敏感電子電氣設備的干擾防護、人員/燃油/軍械電磁輻射危害防護等方面開展防止前門和后門耦合的防護設計。

(1) 外部射頻電磁環境評估和指標分解

外部射頻電磁環境評估是開展飛機電磁環境設計的第1步，為指標分解提供輸入。在母艦、飛機編隊、機場、戰場等各種使用剖面下，大功率輻射源是分析重點。根據對艦載機航母艦面及起降區域電磁環境、編隊飛行電磁環境、典型場站電磁環境和空戰電磁環境的分析，建立外部電磁環境表征方法，在母艦電磁環境預測數據的基礎上，根據射頻輻射電磁參數，結合艦載機起飛、進近、復飛/逃逸、著艦的艦基起降流程和飛行軌跡，通過理論推算、電磁仿真計算或者實際測量的方法，建立涵蓋航母輻射源特性、艦載機任務剖面輻射特性和飛機角度-速度-時間-距離等多元的機-艦電磁環境數據，電磁環境數據一般覆蓋大功率輻射源的所有工況、所有頻段。

指標分解是各項電磁兼容設計的直接輸入，電子設備在飛機上的安裝和使用位置是指標分解過程中要考慮的重要要素，不同位置的射頻環境也不盡相同，在指標分解過程中應重點考慮機載設備安裝處艙體的屏蔽效能，以及非金屬蒙皮、天線罩、活動口蓋等對外部射頻電磁環境衰減影響，主要通過構建典型區域電磁仿真模型對電子設備安裝區域電磁環境進行仿真分析，以及典型艙區屏蔽效能測試獲取電子設備安裝區域電磁環境，電磁環境分析結果作為機載設備的射頻電磁環境指標分解依據。

(2) 艦載機抗外部射頻電磁環境設計

抗外部射頻電磁環境設計首先要開展機體及座艙的屏蔽效能設計與評估，其目的是防護敏感機載設備免受外部射頻電磁環境的干擾，同時可提出設備艙內部機載設備的抗射頻電磁環境要求；其次應從設備布局、電搭接、電纜敷設、電纜選型、射頻接收機抗燒毀、頻譜兼容性等方面對機載電子電氣設備，特別是涉及飛控、發動機控制等涉及飛行安全的機載設備開展抗干擾設計。通過多模態形式低頻線束的電磁環境耦合特性研究和測試，可得到多模態飛機低頻線束屏蔽設計方案，為艦載機強射頻防護提供基礎手段。除此之外，艦載機的電磁輻射危害防護設計也是抗外部射頻電磁環境的設計重點之一，對于人員防護，為保證人員受到的輻射滿足安全要求，應重點開展座艙透明件的屏蔽防護設計；對于燃油防護，為消除高壓電弧和燃油蒸汽被意外點燃后引起的燃燒，應重點降低油箱處的電磁場強度；對于電起爆軍械，應重點控制敏感火工品電起爆裝置的使用和降低點火控制線路對射頻能量的耦合。由此可見，艦載機滿足高場強射頻電磁環境要求是通過多維度、多要素的抗外部射頻電磁環境設計手段實現的。

3 艦載機未來發展

3.1 體系作戰的關鍵要素

體系作戰是諸多作戰單元、作戰要素通過有效集成而形成的一種作戰樣式，已經成為現代戰爭的典型范式。航母編隊作為國家海上力量的象征，其作戰區域往往遠離本土，缺乏其他渠道的支撐，這就要求航母編隊自身是一個相對獨立的作戰體系，航母編隊體系的作戰能力應覆蓋陸、海、空、天、電、網多個作戰域，而艦載機正是航母編隊在這6個作戰域內施加影響并取得效果的最主要手段。

在航母編隊體系的未來作戰中，為保證在不同作戰域內都能取得最佳效果，“專用與多用途”相結合的方式，可能仍會是未來航母編隊艦載機的主要特征[26]，而艦載機的種類也可能變得更加多樣：奪取空戰優勢的戰斗機、執行對面/對海/對潛打擊的攻擊機、提供信息情報支援的偵察機、艦隊防空反導的作戰飛機，以及能夠在電磁頻譜域奪取控制權的電磁作戰飛機等。同時，為保證航母編隊的安全，航母要比如今更加遠離作戰對象，因此，能夠為編隊作戰飛機提供燃油補充的加油機，也會成為航母編隊的必需品。人工智能技術的發展，使得對面攻擊、加油等相對低動態任務飛機成為無人化的先行者。

從未來的發展趨勢看，美國海軍在2040年前后，將面向與中國、俄羅斯的大國競爭，進一步保持航母編隊的續航、快速響應性和殺傷力，以抵擋第一波次的攻擊，直至后續增援部隊到達，這就要求增強艦載機的續航能力、生存力及帶載能力。隨著空空導彈射程和運動特性的提升，飛機的續航能力、攜帶傳感器和武器的能力愈發關鍵。

經綜合分析，美軍航母艦載機體系未來可能的主要作戰兵力包括：

一是多任務無人機，主要執行一體化防空反導、持久偵查監視、反潛、反艦和電子戰等作戰任務。

二是打擊戰斗機，主要是在壽命中期的F-35C飛機，主要承擔遠距打擊和艦隊防空任務。

三是戰斗機，海軍正在研發的下一代戰斗機F/A-XX，主要執行進攻性制空作戰任務。

四是電磁頻譜戰無人機，即專用電子戰飛機，任務是對抗敵方飛機和防空系統。

五是預警指揮控制飛機，包括E-2D及其后續升級，在艦隊防空作戰中承擔指揮控制任務，為巡航導彈防御提供信息支撐。

六是無人加油機，包括正在研制的MQ-25和新的無人加油機的組合，飛機平臺與多任務無人機保持一致。

一種美軍未來艦載機聯隊如圖3[5]所示。

圖3 未來艦載機聯隊的組成及作用[5]Fig.3 Composition and role of future carrier air wing[5]

3.2 多域協同作戰

艦載機與航母編隊的艦艇之間的協同是典型的多域作戰協同，航母-艦載機聯隊的多域協同作戰技術為未來形成分布式作戰提供了支撐。通過構建作戰體系架構、發展單一態勢圖、智能決策和一體化火控等關鍵技術，使航母編隊(包括艦載機、艦艇、武器平臺)具備跨域(空、天、地、海、賽博和電磁空間)的互聯/互操作/信息共享的體系作戰能力。

多域協同作戰技術最早源于美海軍的網絡中心戰概念，網絡中心戰也是當前美海軍新軍事變革的軍事理論和聯合作戰思想的基礎。美海軍實施的網絡中心戰方案包括協同作戰能力和海軍綜合一體化火控-制空(NIFC-CA)項目、IT-21項目和FORCEnet[27]項目。

NIFC-CA項目從2002年提出至今，通過對現役和在研階段技術與裝備的結合，逐步實現了分布式、網絡化的防空作戰體系。NIFC-CA采用開放式的作戰體系架構，如圖4所示。打破了傳統武器與專用火控系統硬連接的設計，由現有的數個基礎系統構筑而成，每個子系統提供標準界面供NIFC-CA存取，不會影響每個相關子系統各自的發展，實現了傳感器網、火控網、武器網的三網合一，是美軍典型的網絡中心戰系統之一，NIFC-CA設計了海上、空中和陸上3類殺傷鏈，如表1[28]所示，并能夠將防空反導作戰的殺傷鏈路交迭并擴展到整個作戰空域，從而減少防御漏洞，提供最大限度的對目標再次攔截能力。2016年9月13日，美海軍陸戰隊一架F-35B與海軍宙斯盾武器系統首次完成聯合實彈演習，首次成功演示驗證了在NIFC-CA框架下F-35作為節點的一體化實彈攔截能力。

表1 NIFC-CA的海上、空中和陸上三類殺傷鏈[28]

圖4 NIFC-CA系統架構Fig.4 NIFC-CA system architecture

FORCEnet項目是美國海軍轉型路線圖的核心[29]，將徹底改變海軍的指揮和控制。FORCEnet項目構建了海軍信息化作戰架構，將平臺、傳感器和武器整合到一個網絡化指揮控制的分布式作戰部隊中，囊括從陸地到海洋、從海底到太空的各種交戰過程。FORCEnet調整和整合涉及整個航母編隊的作戰計劃，其作戰想定如圖5[30]所示，實現了戰場的單一態勢、更快的指控速度、更優的作戰決策、更高的殺傷力和生存能力。

圖5 FORCEnet作戰想定[30]Fig.5 FORCEnet operational scenario[30]

綜合來看，未來的航母-艦載機聯隊多域協同作戰技術首要解決的是體系架構問題，新一代多域協同作戰技術均采用開放式架構標準(參考OACE及FACE架構標準)，基于模塊化設計，使用中間件來管理支撐環境和作戰系統變更(聯接新老系統設備)，使作戰應用程序(APP)通過組件替換、升級或更新，快速獲得新的作戰能力。

改變帶中心的集中指揮控制的傳統技術體制，采用去中心化的分布式指控的設計思想，建立協同傳感器網+協同指控網+火力控制網的三網合一的信息體系架構，實現跨主要作戰域(海面、海底、空中、太空、陸上、賽博和電磁空間)的互聯、互通。將作戰單元(包括：艦載作戰飛機、航母、機載/艦載傳感器、網絡、指揮控制和武器系統等)聯接成一個有機的作戰整體，通過火控作戰網，形成可以互操作的協作環境，使參與同一作戰任務的多個作戰單元可以進行互操作的作戰協同。

構建單一態勢圖，所有作戰單元都在交換傳感器測量和狀態數據導入到分布式處理系統中，采用相同的融合算法，生成相同的態勢圖。單一態勢圖使得“無中心”的數據融合成為可能，由于平臺之間的數據的一致性，不再需要將所有傳感器的數據傳到融合中心進行處理，融合的壓力大幅緩解，任何一個平臺都可以獲取其他平臺的數據并進行融合。

智能決策是未來多域協同作戰的核心規劃技術，在系統控制和決策中集成智能決策技術，可提高系統自適應解決問題的能力，縮短系統響應時間。未來系統根據體系中獲得的作戰信息，采用人工智能算法，構建基于作戰效果的智能規劃決策[31]，為各級指揮員提供最優的作戰計劃。

一體化火力控制是未來多域協同作戰的重要實施技術。先進的一體化火控系統設計，將實現同一作戰環境中作戰平臺間的火控協同，平臺間可以無縫地協同探測及協同攻擊。

3.3 未來艦載機的主要能力特點和技術特征

面向未來海上復雜作戰環境，艦載機為提高作戰能力，應具有的主要能力特點包括：

(1) 遠航程/長航時能力。目前艦載機對加油機依賴較強，影響飛機作戰半徑和續航能力。未來艦載機需要能夠提供1 800 km以上區域的持續控制能力。美國在持續提升飛機平臺能力的同時，在發動機方面開展了大量研究。美國空軍已經開展多個項目進行自適應變循環發動機技術研究，持續提升三涵道自適應發動機技術的成熟度。開展了“自適應發動機轉化”、“經濟可承受先進渦輪技術”、“自適應多功能發動機技術”等項目用于發動機原型機的設計、研發和試驗。同時，普惠公司還用裝備F135發動機核心機的三涵道發動機，對三涵道發動機的性能進行了測試，測試結果達到或超過了預期。

(2) 寬頻全向隱身能力[32]。為了在高威脅環境下具有更好的生存能力，未來艦載機將會采用多種技術手段，在頻段、角域上都大幅拓展飛機隱身能力。美國的下一代飛機也將寬頻全向隱身作為核心能力之一，洛馬、波音、諾格三大武器供應商不約而同地推出了超聲速無尾布局方案，并已投入大量資源推動技術發展，目前技術驗證機已完成首飛。同時，積極推動核心平臺布局技術的攻關，DARPA開展主動流控制技術演示驗證，實現不依賴舵面的飛行控制。試驗中展示了機翼環量控制和射流推矢控制，在改善飛機控制性能的同時還可提升隱身性能。

(3) 超聲速巡航能力。未來艦載機在提高隱身性能的同時，超聲速巡航能力同樣重要。飛機的遠航程，需要與其相匹配的飛行速度，才能更好地完成作戰任務。美國空軍研究實驗室完成可變大彎度柔性翼技術飛行演示驗證通過改變機翼外形改善氣動性能，使飛行器能夠適應各種飛行條件和任務。

(4) 全向感知能力。未來戰爭將是信息化主導的戰爭，艦載機在軟硬件技術的支持下，傳感器能力大幅提升，具備全向感知能力。

(5) 高效綜合能量管理。面向全向探測能力和高能武器，對飛機能量管理技術提出了更高的要求。在系統技術方面，美國空軍開展了“兆瓦級戰術飛機”、“飛行器綜合能源技術”、“電力、能源、熱綜合控制”以及“電力及熱綜合管理系統演示驗證”項目，尋求機載能量系統技術新突破。

(6) 智能作戰能力。智能作戰能力是未來艦載機新的能力增長點。面向人工智能技術，美國空軍正在推進2種新型自主飛行器Skyborg和XQ-58A，技術發展將聚焦于在指揮控制系統中增加更多的自主和人工智能。

(7) 互聯互通互操作能力。未來艦載機作為航母編隊的核心節點之一，應能接入航母、天基等其他信息系統，具備跨域互聯互通的能力。美國面向作戰管理，安排并開展了“忠誠僚機”、“小精靈”、“分布式作戰管理”等多個協同作戰項目的研究。

(8) 高密度全方位火力輸出能力。不同于目前的常規動能武器，未來艦載機將具備更先進、更多樣化的武器能力。美國空軍研發的新型遠程空空導彈(AIM-260)體積更小，重量更輕，飛行速度更快，打擊低空目標更有效。美國空軍研究實驗室開發的新型戰斗機微型自衛彈藥可提升單架次攜帶武器數量和單發武器作戰效能，增強平臺在A2/AD環境下面對各種威脅的生存能力，確保美軍空中優勢。此外，美國空軍正在開展“自防護高能激光演示驗證”項目以及“下一代緊湊環境激光技術”項目，并通過“緊湊型高能激光子系統評估”項目識別能夠提升激光武器效能的工程技術。

4 結束語

從艦載裝備的應用來看，固定翼艦載機總體/氣動布局綜合設計、強度、特種結構設計及驗證、起降動力學及飛行控制設計、腐蝕防護及電磁兼容性設計、陸基/艦基綜合保障設計和機艦適配性設計及驗證等關鍵技術已得到掌握，后續需重點針對艦載機寬域隱身設計、機載異構系統集成設計以及隱身飛機艦上保障等問題開展研究。新一代艦載機應具備全向隱身、超聲速巡航及續航能力，采用高集成的先進機載系統，可在有人/無人協同網絡作戰中進行空中指揮，將在未來的航母艦載機體系作戰中發揮更大的作用。