從美國新型輔助著艦系統(tǒng)談艦載機著艦

史騰飛 丁宏

據(jù)美國《海軍航空新聞》雜志報道，2018年3月21-23日期間，美國海軍第23航空打擊測試與評估中隊（VX 23）在“亞伯拉罕·林肯”號航母上成功測試了“精確著艦?zāi)Ｊ健保≒recision Landing Modes，PLM）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大簡化艦載機著艦的操作難度，顯著提高艦載機的著艦成功率，是重大的技術(shù)創(chuàng)新。

“精確著艦?zāi)Ｊ健毕到y(tǒng)此前被稱為“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)（MAGIC CARPET），是簡化飛行員著艦操控的智能化系統(tǒng)，能使飛行員在著艦最后階段的操控次數(shù)由過去數(shù)百次降至十余次，著艦精度提升60%。

為深入了解美國新型輔助著艦系統(tǒng)，本文將先簡單科普一下艦載機著艦系統(tǒng)的發(fā)展歷程，艦載機著艦過程及著艦主要難點，再詳細介紹美國新型輔助著艦系統(tǒng)。

艦載機著艦系統(tǒng)發(fā)展歷程

國外艦載機著艦系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個階段。

依靠信號燈和人工引導(dǎo)方式的著艦階段

20世紀(jì)50年代以前，艦載機全部是螺旋槳飛機，航母甲板為直通式甲板，一般在甲板上設(shè)有10～15道阻攔索和3～5道防沖網(wǎng)。在相當(dāng)長時期內(nèi)，艦載機著艦主要依靠飛行員個人的駕駛技術(shù)，通過阻攔索和防沖網(wǎng)，將艦載機成功停在飛行甲板上。之后通過總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，航母上設(shè)立了專門的飛機著艦指揮官（Landing Signal Officer，LSO），一般由經(jīng)驗豐富的飛行員或經(jīng)過特殊訓(xùn)練的軍官擔(dān)任。在艦載機著艦過程中，LSO一般站在艦尾左舷位置，通過目視觀察著艦飛機的姿態(tài)、尾鉤收放情況等，用人工手勢、彩色信號旗、彩色信號板等明顯的著艦指示信息，向飛行員下達是否允許著艦或者復(fù)飛等指令。這種方式適用于早期飛行速度低的艦載機，允許LSO有足夠反應(yīng)時間的情況。

利用光學(xué)助降系統(tǒng)著艦階段

20世紀(jì)50年代后期至80年代初，隨著噴氣式艦載機的服役，艦載機著艦速度顯著提高，LSO和飛行員的觀察和判斷時間大幅縮短，艦載機著艦事故率不斷上升。為了解決著艦難題，英國在1952年率先設(shè)計出了鏡面光學(xué)助降系統(tǒng)（Mirror Optical Landing System，MOLS）。該系統(tǒng)配合資深的LSO，使得航母艦載機著艦事故率大大降低。但該系統(tǒng)使用的鏡面很大，搬運和維護都非常不方便。因此英國又研制了菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)（Fresnel Lens Optical Landing System，F(xiàn)LOLS），安裝在美國“羅斯?！碧柡侥干?。

FLOLS由4組燈光組成，主要是中央豎排的5個分段的燈箱，通過菲涅爾透鏡發(fā)出5層光束，光束與降落跑道平行，和海平面保持一定角度。正中段為橙色光束，向上、向下分別轉(zhuǎn)為黃色和紅色光束，正中段燈箱兩側(cè)有水平的綠色基準(zhǔn)定光燈。當(dāng)艦載機高度和下滑角正確時，飛行員可以看到橙色光柱正處于綠色基準(zhǔn)燈的中央，保持此角度就可以準(zhǔn)確下滑著艦，并鉤住阻攔索，完成降落。如飛行員看到的是黃色光柱且處于綠色基準(zhǔn)燈之上，就要降低高度；如看到紅色光柱且處于綠色基準(zhǔn)燈之下，說明飛機飛得太低，需要馬上升高，否則會撞在航母尾部。相比于MOLS，F(xiàn)LOLS為飛行員提供了更清楚、更豐富的信號，降低了艦載機著艦風(fēng)險。但FLOLS作用距離有限，良好天氣條件下可在1.8千米處向飛行員提供著艦信息，在雨霧天氣下的應(yīng)用效果則不理想。因此美國在上世紀(jì)90年代研發(fā)了激光助降系統(tǒng)（Laser Landing Systems，LLS）。

LLS與FLOLS原理相同，但利用激光良好的穿透性和直線性，同時將透鏡燈箱由5個增加到10個，飛行員不僅可以在18千米外捕獲甲板中線和正確下滑路線，還有充裕的時間調(diào)整進場的下滑位置和姿態(tài)。即使在濃霧和低空中，飛行員也可在5千米以外捕獲著艦信息。激光助降系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代末研制成功，一直在美國海軍航母上使用。它在不依靠無線電或雷達時的可用性達到了99%，是電磁管制時輔助艦載機著艦的重要裝置之一。

由于光學(xué)引導(dǎo)技術(shù)具有抗電磁干擾等特性，光學(xué)助降系統(tǒng)仍是艦載機著艦系統(tǒng)中最傳統(tǒng)且具生命力的引導(dǎo)裝備，迄今為止仍在使用并不斷改進和發(fā)展。美國海軍新型航母“福特”級仍然裝備了改進型FLOLS系統(tǒng)。

利用全天候自動著艦系統(tǒng)著艦階段

待機階段

當(dāng)艦載機距離航母100千米左右時，正好進入到空中管制雷達的作用范圍?？罩泄苤评走_首先會對艦載機進行敵我識別與機型識別。與此同時，航母空中交通管制中心開始參與并接管著艦流程。其中著艦指揮官負責(zé)引導(dǎo)艦載機進行集結(jié)、監(jiān)視相關(guān)空域，并根據(jù)艦載機的狀態(tài)（如出現(xiàn)故障需要優(yōu)先降落、燃油不足需要空中加油等）規(guī)劃著艦順序與精確的著艦航線，提供航管與氣象等保障信息。在這一階段，各類不同的艦載機都有著不同的航線，飛行高度也不同：F/A-18戰(zhàn)斗攻擊機是600米；EA-6B電子戰(zhàn)飛機是900米；E-2C預(yù)警機是1 200米，各種艦載機保持著安全的高度差，一旦著艦指揮官下達了著艦許可，艦載機將開始進場階段。

進場階段

當(dāng)飛行員取得著艦許可時，便可脫離待機航線進入進場階段，之后艦載機進入航母后方10千米的位置開始減速進場。在這個階段，艦載機需要關(guān)閉武器系統(tǒng)，確認飛機的重量是否符合航母著艦的標(biāo)準(zhǔn)，然后打開減速板、放下攔阻鉤及起落架等，并根據(jù)天氣及飛行員目視條件確定自動著艦的模式。

下滑階段

飛行員和著艦指揮官根據(jù)當(dāng)時的天氣狀況和飛行員的目視條件選擇著艦控制模式，著艦控制模式分為全自動、半自動、人工三種。全自動模式下不需要飛行員對艦載機進行干預(yù)控制，完全根據(jù)精密進場控制雷達所提供的高精度跟蹤信息通過艦機數(shù)據(jù)鏈控制艦載機完成最后的下滑航線直至艦載機安全著艦為止（著艦失敗則拉起復(fù)飛）。半自動模式下，艦載機飛行員根據(jù)顯示器或儀表上由精密進場控制雷達提供的信息操控飛機進行降落。人工模式下，飛行員只能與著艦指揮官語音通話，對相對誤差進行修正進入下滑航線，直到飛行員可以目視觀察到菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)所顯示的燈光信號為止。

攔阻或復(fù)飛階段

通過精密進場雷達和在光學(xué)助降系統(tǒng)的指示下完成最后的下滑流程，直至艦載機尾鉤安全掛住阻攔索降落在航母甲板上，如果降落出現(xiàn)失誤，飛行員則重新拉起艦載機，進入復(fù)飛階段。需要特別說明的是，在著艦的過程中，艦載機飛行員必須大油門下滑著艦，以保持可以復(fù)飛的速度。

由此可見，艦載機著艦過程十分復(fù)雜，而且非常危險，稍有不慎，就會機毀人亡。根據(jù)國外媒體統(tǒng)計，艦載機起飛、著艦階段是事故率最高的階段，起飛、著艦階段時間僅占艦載機執(zhí)行任務(wù)時間的4%，而事故率卻占60%以上。同時，我國艦載機首飛第一人戴明盟在清華大學(xué)演講時曾說：“每一個飛行員都明白，艦載機可不是隨便就能玩得起的。航母艦載機飛行員的風(fēng)險系數(shù)是航天員的5倍、普通飛行員的20倍。美國剛剛發(fā)展航母時，平均每2天摔1架飛機，犧牲了1 000多名飛行員?！苯酉聛恚Y(jié)合艦載機著艦過程，我們分析一下艦載機著艦都有哪些難點。

第一，著艦的甲板空間有限。一般供殲擊機、攻擊機和輕型轟炸機使用的陸地機場跑道長2 000～2 400米，而航母降落甲板長度220～270米，僅為陸基飛機起降跑道的十分之一。在如此短的距離內(nèi)，艦載機需要高速降落到甲板上并成功將尾鉤掛上阻攔索；若著艦攔停失敗，艦載機還必須能夠在有限甲板長度內(nèi)加速，實現(xiàn)安全逃逸復(fù)飛。

第二，艦載機著艦過程中，周圍環(huán)境情況十分復(fù)雜。首先是為了改善艦載機著陸性能，獲得較大的甲板風(fēng)，航母往往需要頂風(fēng)航行。而航母在頂風(fēng)航行過程中，將在其上空以及后方形成特殊的流場分布，尤其是艦載機著艦階段處于著艦飛行狀態(tài)時，這些特殊的流場會對艦載機著艦產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。其次，由于海浪等環(huán)境的影響，航母必然存在縱、橫搖和升、沉運動，嚴(yán)重影響下滑道的穩(wěn)定性，給艦載機著艦帶來嚴(yán)重影響。

第三，艦載機最后的著艦時間短短數(shù)秒，對艦載機和飛行員本身考驗巨大。首先，對于艦載機來說，在短距離內(nèi)迅速的減速制動，會導(dǎo)致艦載機在此過程中需要承受巨大的載荷，例如飛機著艦瞬間的沖擊載荷、阻攔索強制制動載荷等，這就要求艦載機起落架及其密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)都需要進行加強處理，以保障艦載機的安全。其次，對于飛行員來說，頂風(fēng)穿云駕駛艦載機降落到搖擺不定的狹小移動甲板上，無疑是非常冒險的，這對于飛行員的身體極限、飛行技術(shù)、意志品質(zhì)和心理素質(zhì)都是極端考驗。在抵近航母的過程中，飛行員需要根據(jù)實際情況不斷調(diào)整飛行姿態(tài)，不斷觀察、控制飛行軌跡，保證準(zhǔn)確進入著艦航線，在著艦瞬間更要完成收腹、收腿、繃緊肌肉等動作，否則強大的過載可能會導(dǎo)致飛行員脫臼、暈厥或短時失明等損害。

“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)

根據(jù)上述介紹，我們知道艦載機著艦困難重重，尤其是在著艦的最后階段，飛行員需要操控數(shù)百次來調(diào)整艦載機飛行姿態(tài)，以保障艦載機安全著艦，這對于飛行員來說是極大的負擔(dān)。因此，為解決艦載機最后著艦階段手動操控頻繁的問題，美國海軍航空系統(tǒng)司令部和海軍研究局于2011年啟動了“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)的研發(fā)任務(wù)。

發(fā)展歷程

2012年底，美國海軍利用兩種不同飛機模擬器對該系統(tǒng)進行了演示驗證，確認該系統(tǒng)可大幅降低著艦難度。

2015年4月，美海軍第23航空打擊測試與評估中隊（VX 23）在“喬治·布什”號航母（CVN 77）上首次測試了“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)的初始版本軟件。VX 23使用F/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機進行了180次觸艦復(fù)飛和16次阻攔著艦，積累了各種風(fēng)況下“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)。測試結(jié)果顯示，和當(dāng)前其它著艦輔助系統(tǒng)相比，“魔毯”著艦失敗率降低了50%以上。由于在測試中的完美表現(xiàn)，美海軍決定加速“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)的研發(fā)進度。

2016年6月，美海軍第23航空打擊測試與評估中隊又在“喬治·華盛頓”號航母（CVN 73）上對“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)進行了測試，在598次測試中，只有一次脫鉤情況發(fā)生，飛行員們對“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)非常滿意。測試結(jié)束后，美國海軍航空系統(tǒng)司令部和海軍研究局發(fā)布了階段性系統(tǒng)軟件。

兩次測試數(shù)據(jù)表明，66%著艦點位于目標(biāo)點前后5米范圍內(nèi)，與目前66%著艦點位于目標(biāo)點前后12米范圍相比，精度提高60%，極大提高了著艦成功率；飛行員在著艦最后18秒內(nèi)，初次使用該系統(tǒng)進行了20次手動操控，后續(xù)僅需10余次手動操作，極大地降低了飛行員在著艦最后階段對油門、操縱桿的操控頻次及難度。

2017年1月，“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)更名為“精確著艦?zāi)Ｊ健?（PLM）系統(tǒng)，并正式部署到“喬治·布什”號和“卡爾·文森”號（CVN 70）航母上?！皢讨巍げ际病碧柡侥傅?艦載機聯(lián)隊指揮官詹姆士·邁考爾上校稱，PLM系統(tǒng)的一個重大改進是，對艦載機靠近航母時的功率調(diào)節(jié)進行了優(yōu)化。通過PLM系統(tǒng)，F(xiàn)/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機或E/A-18“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機在下降時將使用其襟翼來控制下降速率，從而實現(xiàn)更平穩(wěn)的油門速度和更少的手動修正。2017年4月，美國海軍航空兵司令舒梅科中將向其他海軍航空兵指揮官群發(fā)郵件，推介了該系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢和使用經(jīng)驗。

“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)構(gòu)成

PLM系統(tǒng)主要由智能化飛控系統(tǒng)和飛行員頭盔組成。智能化飛控系統(tǒng)采用了全新的控制算法與規(guī)則，通過軟件方式解耦偏航、俯仰、滾動等各項參數(shù)，具有自動控制動力、自動維持姿態(tài)穩(wěn)定、自動計算參考下滑航路及其與實際航路之間誤差矢量等功能，使飛行員只需專注于控制飛機的飛行路徑。飛行員頭盔與智能化飛控系統(tǒng)相連接，用于顯示艦載機著艦過程中智能化飛控系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)和信息，供飛行員操控參考。

簡單來說，PLM系統(tǒng)是以智能化算法計算出各種最合適的降落因素，綜合判斷飛機的高度、航速、風(fēng)速、進場的角度等，然后導(dǎo)引飛行員執(zhí)行它所建議的降落程序，大幅減輕了飛行員的負擔(dān)與心理壓力。但該系統(tǒng)還存在不足之處，即缺乏對故障安全的完全冗余設(shè)計，因此在出現(xiàn)油門控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)失效、機翼損傷等故障情況下，飛行員需要根據(jù)一定的基準(zhǔn)來決定是否采用應(yīng)急預(yù)案。因此，PLM系統(tǒng)還只是一種輔助著艦系統(tǒng)，并非自動著艦系統(tǒng)，最終還是需要由飛行員來控制飛機，人為失誤和惡劣天氣條件仍然可能給艦載機著艦造成危險。

根據(jù)實際應(yīng)用情況，PLM系統(tǒng)取得了良好的使用效果，美海軍艦載機飛行員對該系統(tǒng)普遍持歡迎態(tài)度，認為在保持駕駛樂趣的同時，明顯降低了操作難度，提高了著艦精度。舒梅科中將曾表態(tài)稱美海軍計劃在2019年將該系統(tǒng)全面推廣到海軍F/A-18“超級大黃蜂”和E/A-18“咆哮者”飛行中隊。除F/A-18和E/A-18飛機之外，美海軍F-35C“閃電”II型聯(lián)合戰(zhàn)斗機也將采用PLM系統(tǒng)輔助著艦。

據(jù)悉，PLM系統(tǒng)的升級版本將增加“失效模式”，即便是油門控制損壞，或者導(dǎo)航系統(tǒng)失效，抑或機翼被擊中，都能在艦載機著艦時保證其安全，預(yù)計在2018年進行測試，2019年交付使用。

“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)作用

PLM輔助著艦系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用將給美國海軍航母戰(zhàn)斗群帶來重要影響。一是可顯著提高艦載機的著艦成功率，艦載機著艦是艦載機操作全過程中最復(fù)雜、最危險的階段之一，PLM系統(tǒng)的應(yīng)用將極大提高艦載機著艦最后階段的自動化水平，降低忙中出錯的危險；二是PLM輔助著艦系統(tǒng)可大幅降低艦載機著艦操控難度，飛行員可通過較少的手動操作即可完成著艦，因此艦載機飛行員的訓(xùn)練強度和成本也可隨之降低；三是可提高艦載機及航母相關(guān)設(shè)施的耐用性，著艦精準(zhǔn)度的顯著提高，將改善著艦過程中對阻攔索、飛行甲板及艦載機的沖擊狀況。簡而言之，PLM系統(tǒng)可直接影響艦載機出動架次率，提升航母作戰(zhàn)能力。

結(jié)語

為滿足未來作戰(zhàn)的需求，各海軍強國在升級傳統(tǒng)的光學(xué)和雷達著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展同時，必定會十分重視研制新型智能化著艦引導(dǎo)系統(tǒng)。例如，美國正在以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）基礎(chǔ)，研制能夠?qū)o人機進行進場控制與著艦引導(dǎo)的的聯(lián)合精確進場著艦系統(tǒng)（JPALS），以及能減少飛行員手動操作的精確著艦?zāi)Ｊ剑≒LM）系統(tǒng)等。雖然目前美軍已經(jīng)成功完成X-47B無人機的阻攔著艦，但是其背后仍需要大量的人員指揮才能完成。因此，隨著科技的不斷發(fā)展，不論是艦載有人機還是艦載無人機，研制全自動著艦系統(tǒng)將是未來各海軍強國的主要發(fā)展方向。