史騰飛 丁宏

據(jù)美國《海軍航空新聞》雜志報(bào)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(duì)（VX 23）在“亞伯拉罕·林肯”號(hào)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(jī)著艦的操作難度，顯著提高艦載機(jī)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(jī)著艦系統(tǒng)的發(fā)展歷程，艦載機(jī)著艦過程及著艦主要難點(diǎn)，再詳細(xì)介紹美國新型輔助著艦系統(tǒng)。

艦載機(jī)著艦系統(tǒng)發(fā)展歷程

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

依靠信號(hào)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(jī)全部是螺旋槳飛機(jī)，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(shí)期內(nèi)，艦載機(jī)著艦主要依靠飛行員個(gè)人的駕駛技術(shù)，通過阻攔索和防沖網(wǎng)，將艦載機(jī)成功停在飛行甲板上。之后通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，航母上設(shè)立了專門的飛機(jī)著艦指揮官（Landing Signal Officer，LSO），一般由經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(jī)的姿態(tài)、尾鉤收放情況等，用人工手勢、彩色信號(hào)旗、彩色信號(hào)板等明顯的著艦指示信息，向飛行員下達(dá)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(jī)，允許LSO有足夠反應(yīng)時(shí)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(jī)的服役，艦載機(jī)著艦速度顯著提高，LSO和飛行員的觀察和判斷時(shí)間大幅縮短，艦載機(jī)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(jì)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(jī)著艦事故率大大降低。但該系統(tǒng)使用的鏡面很大，搬運(yùn)和維護(hù)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“羅斯福”號(hào)航母上。

FLOLS由4組燈光組成，主要是中央豎排的5個(gè)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(jī)高度和下滑角正確時(shí)，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(jī)飛得太低，需要馬上升高，否則會(huì)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(hào)，降低了艦載機(jī)著艦風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)將透鏡燈箱由5個(gè)增加到10個(gè)，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(shí)間調(diào)整進(jìn)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(dá)時(shí)的可用性達(dá)到了99%，是電磁管制時(shí)輔助艦載機(jī)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(jī)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(jìn)和發(fā)展。美國海軍新型航母“福特”級仍然裝備了改進(jìn)型FLOLS系統(tǒng)。

利用全天候自動(dòng)著艦系統(tǒng)著艦階段

待機(jī)階段

當(dāng)艦載機(jī)距離航母100千米左右時(shí)，正好進(jìn)入到空中管制雷達(dá)的作用范圍。空中管制雷達(dá)首先會(huì)對艦載機(jī)進(jìn)行敵我識(shí)別與機(jī)型識(shí)別。與此同時(shí)，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(fù)責(zé)引導(dǎo)艦載機(jī)進(jìn)行集結(jié)、監(jiān)視相關(guān)空域，并根據(jù)艦載機(jī)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(jī)都有著不同的航線，飛行高度也不同：F/A-18戰(zhàn)斗攻擊機(jī)是600米；EA-6B電子戰(zhàn)飛機(jī)是900米；E-2C預(yù)警機(jī)是1 200米，各種艦載機(jī)保持著安全的高度差，一旦著艦指揮官下達(dá)了著艦許可，艦載機(jī)將開始進(jìn)場階段。

進(jìn)場階段

當(dāng)飛行員取得著艦許可時(shí)，便可脫離待機(jī)航線進(jìn)入進(jìn)場階段，之后艦載機(jī)進(jìn)入航母后方10千米的位置開始減速進(jìn)場。在這個(gè)階段，艦載機(jī)需要關(guān)閉武器系統(tǒng)，確認(rèn)飛機(jī)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(dòng)著艦的模式。

下滑階段

飛行員和著艦指揮官根據(jù)當(dāng)時(shí)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(dòng)、半自動(dòng)、人工三種。全自動(dòng)模式下不需要飛行員對艦載機(jī)進(jìn)行干預(yù)控制，完全根據(jù)精密進(jìn)場控制雷達(dá)所提供的高精度跟蹤信息通過艦機(jī)數(shù)據(jù)鏈控制艦載機(jī)完成最后的下滑航線直至艦載機(jī)安全著艦為止（著艦失敗則拉起復(fù)飛）。半自動(dòng)模式下，艦載機(jī)飛行員根據(jù)顯示器或儀表上由精密進(jìn)場控制雷達(dá)提供的信息操控飛機(jī)進(jìn)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(jìn)行修正進(jìn)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(hào)為止。

攔阻或復(fù)飛階段

通過精密進(jìn)場雷達(dá)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(jī)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(jī)，進(jìn)入復(fù)飛階段。需要特別說明的是，在著艦的過程中，艦載機(jī)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(jī)著艦過程十分復(fù)雜，而且非常危險(xiǎn)，稍有不慎，就會(huì)機(jī)毀人亡。根據(jù)國外媒體統(tǒng)計(jì)，艦載機(jī)起飛、著艦階段是事故率最高的階段，起飛、著艦階段時(shí)間僅占艦載機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的4%，而事故率卻占60%以上。同時(shí)，我國艦載機(jī)首飛第一人戴明盟在清華大學(xué)演講時(shí)曾說：“每一個(gè)飛行員都明白，艦載機(jī)可不是隨便就能玩得起的。航母艦載機(jī)飛行員的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，平均每2天摔1架飛機(jī)，犧牲了1 000多名飛行員?！苯酉聛恚Y(jié)合艦載機(jī)著艦過程，我們分析一下艦載機(jī)著艦都有哪些難點(diǎn)。

第一，著艦的甲板空間有限。一般供殲擊機(jī)、攻擊機(jī)和輕型轟炸機(jī)使用的陸地機(jī)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(jī)起降跑道的十分之一。在如此短的距離內(nèi)，艦載機(jī)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(jī)還必須能夠在有限甲板長度內(nèi)加速，實(shí)現(xiàn)安全逃逸復(fù)飛。

第二，艦載機(jī)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(jī)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(jī)著艦階段處于著艦飛行狀態(tài)時(shí)，這些特殊的流場會(huì)對艦載機(jī)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(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響下滑道的穩(wěn)定性，給艦載機(jī)著艦帶來嚴(yán)重影響。

第三，艦載機(jī)最后的著艦時(shí)間短短數(shù)秒，對艦載機(jī)和飛行員本身考驗(yàn)巨大。首先，對于艦載機(jī)來說，在短距離內(nèi)迅速的減速制動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致艦載機(jī)在此過程中需要承受巨大的載荷，例如飛機(jī)著艦瞬間的沖擊載荷、阻攔索強(qiáng)制制動(dòng)載荷等，這就要求艦載機(jī)起落架及其密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行加強(qiáng)處理，以保障艦載機(jī)的安全。其次，對于飛行員來說，頂風(fēng)穿云駕駛艦載機(jī)降落到搖擺不定的狹小移動(dòng)甲板上，無疑是非常冒險(xiǎn)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(yàn)。在抵近航母的過程中，飛行員需要根據(jù)實(shí)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(jìn)入著艦航線，在著艦瞬間更要完成收腹、收腿、繃緊肌肉等動(dòng)作，否則強(qiáng)大的過載可能會(huì)導(dǎo)致飛行員脫臼、暈厥或短時(shí)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(jī)著艦困難重重，尤其是在著艦的最后階段，飛行員需要操控?cái)?shù)百次來調(diào)整艦載機(jī)飛行姿態(tài)，以保障艦載機(jī)安全著艦，這對于飛行員來說是極大的負(fù)擔(dān)。因此，為解決艦載機(jī)最后著艦階段手動(dòng)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(dòng)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(jī)模擬器對該系統(tǒng)進(jìn)行了演示驗(yàn)證，確認(rèn)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(duì)（VX 23）在“喬治·布什”號(hào)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(jī)進(jìn)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(jìn)度。

2016年6月，美海軍第23航空打擊測試與評估中隊(duì)又在“喬治·華盛頓”號(hào)航母（CVN 73）上對“魔毯”輔助著艦系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)位于目標(biāo)點(diǎn)前后5米范圍內(nèi)，與目前66%著艦點(diǎn)位于目標(biāo)點(diǎn)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(jìn)行了20次手動(dòng)操控，后續(xù)僅需10余次手動(dòng)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(hào)和“卡爾·文森”號(hào)（CVN 70）航母上。“喬治·布什”號(hào)航母第8艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)指揮官詹姆士·邁考爾上校稱，PLM系統(tǒng)的一個(gè)重大改進(jìn)是，對艦載機(jī)靠近航母時(shí)的功率調(diào)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。通過PLM系統(tǒng)，F(xiàn)/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)或E/A-18“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)在下降時(shí)將使用其襟翼來控制下降速率，從而實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的油門速度和更少的手動(dòng)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(yàn)。

“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(dòng)等各項(xiàng)參數(shù)，具有自動(dòng)控制動(dòng)力、自動(dòng)維持姿態(tài)穩(wěn)定、自動(dòng)計(jì)算參考下滑航路及其與實(shí)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(jī)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(jī)著艦過程中智能化飛控系統(tǒng)計(jì)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(jì)算出各種最合適的降落因素，綜合判斷飛機(jī)的高度、航速、風(fēng)速、進(jìn)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(fù)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(jì)，因此在出現(xiàn)油門控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)失效、機(jī)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(dòng)著艦系統(tǒng)，最終還是需要由飛行員來控制飛機(jī)，人為失誤和惡劣天氣條件仍然可能給艦載機(jī)著艦造成危險(xiǎn)。

根據(jù)實(shí)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(jī)飛行員對該系統(tǒng)普遍持歡迎態(tài)度，認(rèn)為在保持駕駛樂趣的同時(shí)，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(jì)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(duì)。除F/A-18和E/A-18飛機(jī)之外，美海軍F-35C“閃電”II型聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)翼被擊中，都能在艦載機(jī)著艦時(shí)保證其安全，預(yù)計(jì)在2018年進(jìn)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(jī)的著艦成功率，艦載機(jī)著艦是艦載機(jī)操作全過程中最復(fù)雜、最危險(xiǎn)的階段之一，PLM系統(tǒng)的應(yīng)用將極大提高艦載機(jī)著艦最后階段的自動(dòng)化水平，降低忙中出錯(cuò)的危險(xiǎn)；二是PLM輔助著艦系統(tǒng)可大幅降低艦載機(jī)著艦操控難度，飛行員可通過較少的手動(dòng)操作即可完成著艦，因此艦載機(jī)飛行員的訓(xùn)練強(qiáng)度和成本也可隨之降低；三是可提高艦載機(jī)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(jī)的沖擊狀況。簡而言之，PLM系統(tǒng)可直接影響艦載機(jī)出動(dòng)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(qiáng)國在升級傳統(tǒng)的光學(xué)和雷達(dá)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展同時(shí)，必定會(huì)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(jī)進(jìn)行進(jìn)場控制與著艦引導(dǎo)的的聯(lián)合精確進(jìn)場著艦系統(tǒng)（JPALS），以及能減少飛行員手動(dòng)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(jī)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(jī)還是艦載無人機(jī)，研制全自動(dòng)著艦系統(tǒng)將是未來各海軍強(qiáng)國的主要發(fā)展方向。