劉廣，顏世偉，李海旭，＊，馬欣瑞，彭修全

1.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京100036

2.中國人民解放軍92942部隊，北京100161

人類在探索海洋和天空的征程中發(fā)明了艦船和飛機(jī)，艦載航空則是二者結(jié)合的重要力量。艦船航空保障是實現(xiàn)艦載航空力量的基石，是連接艦和機(jī)的紐帶、聯(lián)系海和天的橋梁。航母的誕生使人類海戰(zhàn)模式發(fā)生了由平面到立體的根本性變革，實現(xiàn)了真正的超視距戰(zhàn)斗，對海上作戰(zhàn)方式產(chǎn)生了重大影響。

與陸基機(jī)場長3000m、寬80m相比，航母的跑道約為長200m、寬30m，航母跑道面積僅為陸基跑道的2.5%，而且處于海浪運動下不規(guī)則的六自由度運動，艦載機(jī)完成起飛回收、駐留轉(zhuǎn)運、充填加掛等作業(yè)技術(shù)復(fù)雜、難度大、風(fēng)險高。為破解艦載機(jī)起降的這些難題，航空保障技術(shù)應(yīng)運而生。本文概括國外航母航空保障技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述航空保障技術(shù)內(nèi)涵及現(xiàn)狀、原理機(jī)理、主要性能等內(nèi)容。

1 概述

艦船航空保障技術(shù)是保障各類艦載機(jī)實現(xiàn)塔臺飛行指揮、高效出動、安全回收、艦面集群轉(zhuǎn)運、油水氣電供給、彈藥流轉(zhuǎn)加掛、維修任務(wù)支援等各類航空作業(yè)的各項技術(shù)總和，該技術(shù)涉及飛行甲板、機(jī)庫、飛行塔臺、機(jī)務(wù)勤務(wù)中心、起飛站、回收站、保障站、噴氣燃料艙室、機(jī)載武器艙室以及上千名航空作業(yè)人員，由多個子系統(tǒng)組成，具有復(fù)雜的交互流程，是實現(xiàn)艦載機(jī)安全上艦、實現(xiàn)良好艦機(jī)適配和形成出動回收能力的核心系統(tǒng)，其頂層能力衡量指標(biāo)為航空保障作業(yè)架次率。

航空保障技術(shù)主要用于：管控母艦20km以內(nèi)艦載機(jī)的各類作業(yè)；助力艦載機(jī)起飛離艦；引導(dǎo)艦載機(jī)著艦下滑并精確降落；實現(xiàn)艦載機(jī)在飛行甲板和機(jī)庫的轉(zhuǎn)運和系留停放；完成艦載機(jī)在母艦的燃油補給和彈藥掛載，以及輔助性的供電、供氣、沖洗、救援等保障作業(yè)。

本文將從航空保障任務(wù)規(guī)劃與指揮管理技術(shù)、艦載機(jī)起飛保障技術(shù)、飛行器著艦引導(dǎo)技術(shù)、艦載機(jī)攔阻回收技術(shù)、艦載機(jī)駐留轉(zhuǎn)運及資源保障技術(shù)、面向架次率的航空保障集成設(shè)計與驗證技術(shù)6個方面分別闡述。

2 航空保障任務(wù)規(guī)劃與指揮管理技術(shù)

美國海軍航空指揮管理作業(yè)早期是根據(jù)不同作業(yè)開展相對獨立的指揮，如著艦指揮員負(fù)責(zé)艦載機(jī)著艦引導(dǎo)回收作業(yè)指揮、彈射器部位負(fù)責(zé)指揮起飛、甲板引導(dǎo)人員指揮飛機(jī)轉(zhuǎn)運，都屬于現(xiàn)場指揮方式。

自第二次世界大戰(zhàn)（簡稱二戰(zhàn)）后，航母航空聯(lián)隊為了及時方便地了解飛行甲板和機(jī)庫甲板上艦載機(jī)的位置和載荷等信息，利用基于飛行甲板、機(jī)庫、艦載機(jī)小比例模型的指揮沙盤作為航母上進(jìn)行艦載機(jī)調(diào)度規(guī)劃的重要工具[1]。美國海軍將這種沙盤設(shè)備形象地稱作“顯靈板”（Ouijia Board），如圖1所示，就好像巫師進(jìn)行占卜的工具一樣，航空保障任務(wù)規(guī)劃與指揮人員可通過沙盤對即將實施的艦載機(jī)調(diào)度方案進(jìn)行規(guī)劃、驗證和優(yōu)化。顯靈板沙盤操作人員通過甲板記錄人員獲取甲板上艦載機(jī)的信息，如艦載機(jī)的位置、掛載的武器種類、燃油量等，在沙盤上移動和擺放艦載機(jī)模型，表示不同艦載機(jī)在飛行甲板上的位置，并使用專用配件表示艦載機(jī)的不同保障狀態(tài)，從而實現(xiàn)所有艦載機(jī)保障作業(yè)的管控。

圖1 美國航母顯靈板沙盤Fig.1 Ouijia board of American carrier

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，美國研制了航空數(shù)據(jù)管理和控制系統(tǒng)（ADMACS）。其是一種用于航母航空保障作業(yè)指揮管理的的戰(zhàn)術(shù)實時數(shù)據(jù)管理與指揮系統(tǒng)[2]。航空數(shù)據(jù)管理和控制系統(tǒng)的試用版本Block 0于1998年就有了工程發(fā)展模型，首次為塔臺飛行指揮、空中交通管制、著艦引導(dǎo)提供了數(shù)字化顯示。其正式版本Block 1隨后安裝到9艘“尼米茲”級航母，進(jìn)一步擴(kuò)展為緊密跟蹤監(jiān)測飛機(jī)和直升機(jī)發(fā)射回收狀態(tài)及艦上保障作業(yè)的信息管理系統(tǒng)，如圖2所示。改進(jìn)的Block 2版本則整合了航空保障作業(yè)管理、武器裝載系統(tǒng)、彈射裝置、攔阻裝置的狀態(tài)和維護(hù)功能。

圖2 航空數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)Fig.2 Aviation data management and control system

航空數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)通過大量的軟硬件（傳感器、局域網(wǎng)、顯示與控制設(shè)備），連接航空作業(yè)相關(guān)系統(tǒng)（包括彈射起飛系統(tǒng)、著艦引導(dǎo)系統(tǒng)、攔阻回收系統(tǒng)等），經(jīng)過航空作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的融合、分發(fā)和控制，實現(xiàn)包括艦載機(jī)任務(wù)規(guī)劃、航空彈藥儲運、噴氣燃料充填、航母維修、艦載機(jī)維修、艦載機(jī)調(diào)度、艦載機(jī)彈射與回收、飛行甲板管理等的集成。航空數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)還能夠與航母作戰(zhàn)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和氣象系統(tǒng)相連。

3 艦載機(jī)起飛保障技術(shù)

二戰(zhàn)后，隨著噴氣式艦載機(jī)上艦，艦載機(jī)重量（質(zhì)量）和起飛速度大幅增加，無法在平直甲板上直接滑跑起飛，必須借助專門的輔助手段，為此出現(xiàn)了彈射起飛系統(tǒng)[3]。由于彈射起飛系統(tǒng)復(fù)雜，對技術(shù)的要求高，英國、俄羅斯等國家還研制出了滑躍起飛方式。為避免艦載機(jī)發(fā)動機(jī)高速、高溫尾噴流對艦面其他飛機(jī)和人員造成損傷，無論是彈射還是滑躍起飛，均在起飛站位加裝噴氣偏流板裝置。

3.1 蒸汽彈射裝置

彈射裝置的發(fā)展始于1912年，到二戰(zhàn)前，分別經(jīng)歷了壓縮空氣彈射裝置、飛輪彈射裝置、火藥彈射裝置等多種形式。二戰(zhàn)時期，艦載機(jī)的重量急速增長，航母開始采用液壓彈射裝置[4]。二戰(zhàn)后，隨著噴氣式艦載機(jī)的上艦，對起飛速度的要求更高，當(dāng)時大量采用的液壓彈射裝置暴露出日益突出的安全問題，為此美國研制了彈射能量更大的火藥彈射裝置和內(nèi)燃彈射裝置，但沒有投入使用。20世紀(jì)50年代，英國人發(fā)明了功率更高且更安全的蒸汽彈射裝置[5]，后由美國引進(jìn)并不斷改進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展到C-13型。目前美國已研制出電磁彈射裝置，并應(yīng)用于最新的“福特”級航母，發(fā)展過程如圖3所示。

圖3 航母彈射裝置的發(fā)展過程Fig.3 Development process of carrier catapult

蒸汽彈射裝置的基本原理是將高溫高壓蒸汽儲存在儲汽筒內(nèi)，彈射時，將高壓蒸汽從儲汽筒內(nèi)迅速釋放至彈射裝置汽缸，推動汽缸內(nèi)的活塞，帶動艦載機(jī)加速到起飛速度。

蒸汽彈射裝置從20世紀(jì)50年代發(fā)展至今，技術(shù)成熟，除“福特”號外，目前國外現(xiàn)役航母上采用的彈射裝置均為蒸汽彈射裝置，包括美國“尼米茲”級航母、法國“戴高樂”號航母、巴西“圣保羅”號航母。各型彈射裝置的主要參數(shù)見表1和表2。

蒸汽彈射裝置主要組成包括彈射機(jī)系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、首輪拖曳牽制系統(tǒng)，儲汽系統(tǒng)和測控系統(tǒng)，如圖4 所示，濕式儲汽筒是儲汽系統(tǒng)的重要組成部分；發(fā)射閥、汽缸組件、往復(fù)車等是彈射機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分；抓曳車和復(fù)位機(jī)是復(fù)位系統(tǒng)的重要組成部分。

表1 早期蒸汽彈射裝置的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of early steam catapult

表2 后期蒸汽彈射裝置的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of later steam catapult

圖4 蒸汽彈射裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of steam catapult

3.2 電磁彈射裝置

電磁彈射裝置是利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力，帶動艦載機(jī)加速到起飛速度的裝置，其本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為艦載機(jī)的動能。美國海軍最新的“福特”級航母采用了電磁彈射裝置[6]。相比蒸汽彈射裝置，電磁彈射裝置具有以下優(yōu)點：

（1）電磁彈射裝置能量利用效率高

以美國核動力航母為例，其蒸汽彈射裝置綜合效率約為5%，彈射一次最大消耗蒸汽600kg。電磁彈射裝置自身能量利用率約60%，電磁彈射裝置綜合效率約為15%。

（2）電磁彈射裝置具有糾錯和容錯能力

實現(xiàn)了狀態(tài)實時監(jiān)測與故障診斷預(yù)測，提高了可靠性，降低了維修需求，人員數(shù)量需求比蒸汽彈射減少30%左右。

（3）電磁彈射過程平穩(wěn)柔和，有助延長艦載機(jī)使用壽命。

電磁彈射裝置為閉環(huán)控制系統(tǒng)，對艦載機(jī)的推力峰均比（即推力最大值和平均值的比值）可控制在1.05 以內(nèi)，而蒸汽彈射裝置為開環(huán)控制系統(tǒng)，推力峰-均比平均值為1.25，最大可達(dá)到2.0。因此電磁彈射裝置對艦載機(jī)損傷和對飛行員身體損害更小，且可滿足不同型號飛機(jī)的彈射任務(wù)。電磁彈射準(zhǔn)備時間短。蒸汽彈射裝置從準(zhǔn)備到具備彈射條件需要數(shù)小時，而電磁彈射裝置只需要15min 就能達(dá)到待用狀態(tài)。電磁彈射裝置符合艦艇全電化的發(fā)展趨勢，代表了未來航母彈射裝置的發(fā)展方向。

電磁彈射裝置由能量存儲、能量調(diào)節(jié)、能量轉(zhuǎn)換、控制與狀態(tài)監(jiān)測等單元構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 電磁彈射裝置構(gòu)成圖Fig.5 Structure of EMALS

3.3 噴氣偏流板裝置

噴氣偏流板裝置用于將起飛狀態(tài)的艦載機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)高溫高速氣流向上、向外偏折，以保證在艦載機(jī)后方飛行甲板上的人員、設(shè)備及其他飛機(jī)的安全[7]。

航母上為了保障艦載機(jī)實現(xiàn)連續(xù)起飛，需要在前一架飛機(jī)彈射作業(yè)時，后一架飛機(jī)排隊等待，因此需要通過偏流板遮擋前一架飛機(jī)尾噴流，從而保護(hù)下一架排隊飛機(jī)。各國航母大多配備噴氣偏流板，其中印度新改裝的“維克拉瑪?shù)賮啞碧柡侥覆捎米笙闲敝闷痫w跑道，省掉了舷邊偏流板。

美國現(xiàn)役航母采用海水冷卻式噴氣偏流板裝置，該裝置由偏流板組件、運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、海水冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，如圖6 所示。美國現(xiàn)役每艘航母上均裝有4 部Mk7 型海水冷卻式噴氣偏流板，分別對應(yīng)4個艦載機(jī)起飛站位。目前其正在積極探索研究省略掉海水冷卻系統(tǒng)的被動隔熱式噴氣偏流板技術(shù)。

圖6 海水冷卻式噴氣偏流板Fig.6 Seawater cooled jet deflector

3.4 滑躍起飛技術(shù)

滑躍起飛是指艦載機(jī)僅依靠自身動力，在航母飛行甲板跑道上加速滑跑，并經(jīng)艦艏滑躍甲板離艦起飛[8]。至2019年國外現(xiàn)役航母中，俄羅斯“庫茲涅佐夫”號航母、意大利“加里博迪”號和“加富爾”號航母、印度“維拉特”號和“維克拉瑪?shù)賮啞碧柡侥浮⑻﹪安榭死锿醭碧柡侥妇捎没S起飛方式。

滑躍起飛利用向上帶有滑躍角度的甲板使艦載機(jī)依靠發(fā)動機(jī)推力加速時獲得一定的離艦迎角和速度，從而產(chǎn)生足夠的升力和速度實現(xiàn)起飛。

采用滑躍起飛方式節(jié)省了安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈射裝置，大幅減少了使用和維護(hù)工作量。但是需要艦載機(jī)具有良好的起飛段特性，通常該要求會犧牲艦載機(jī)一定程度的航程和空中性能。

艦載機(jī)利用滑躍甲板滑跑起飛，在同樣起飛重量條件下可比平直跑道縮短一半起飛滑跑距離。相對常規(guī)跑道起飛而言，滑躍起飛能大幅縮短艦載機(jī)起飛滑跑距離或增加艦載機(jī)有效載荷。如蘇-33滑躍起飛時所需跑道長度僅為常規(guī)平直跑道的30%，而AV-8B“鷂”式艦載機(jī)滑躍起飛要比常規(guī)平直跑道起飛增加50%有效載荷。

另外，滑躍起飛可以減輕飛行員負(fù)擔(dān)并增加安全性?；S甲板使得艦載機(jī)離艦后獲得一個垂直向上的分速度，保持正值爬升率可增加飛行員距離海面高度，能夠用于處理可能遇到的緊急情況，避免發(fā)生事故。

4 飛行器著艦引導(dǎo)技術(shù)

為了便于梳理發(fā)展脈絡(luò)，可以將著艦引導(dǎo)技術(shù)大致劃分為4 個發(fā)展階段，1910—1950 年為人工著艦引導(dǎo)階段，1950—1980 年為半自動著艦引導(dǎo)階段，1980—2000 年為全自動著艦引導(dǎo)階段，2000年至今為多手段融合全自動著艦引導(dǎo)階段。實際上4 個階段的劃分并不十分嚴(yán)格，如全自動著艦引導(dǎo)自1960 年前后即開始探索，而這里的4 個階段劃分則主要依據(jù)技術(shù)應(yīng)用成熟情況進(jìn)行。

4.1 人工著艦引導(dǎo)階段

20 世紀(jì)50 年代以前，航母搭載螺旋槳式艦載機(jī)，速度慢，著艦過程可直接由著艦指揮員在艦載機(jī)即將觸艦的最后階段通過人工引導(dǎo)方式實現(xiàn)。著艦指揮員通過手勢作為信號，引導(dǎo)艦載機(jī)著艦[9]。為了讓飛行員更清楚地看見信號，將人工手勢改為手持彩色信號旗，以此來提高信號的能見度。為消除信號旗易受風(fēng)向變化影響的缺點，后又改用球拍狀彩色信號板，如圖7所示。為了適應(yīng)戰(zhàn)時夜間著艦作業(yè)的要求，著艦指揮員通過手拿長60～90cm 的霓虹管發(fā)光棒或閃光燈，取代白天使用的信號板，以便飛行員能看清信號。

圖7 著艦引導(dǎo)員指示牌指揮Fig.7 Guide sign command of LSO

4.2 半自動著艦引導(dǎo)階段

20世紀(jì)50年代后期至80年代初，噴氣式艦載機(jī)上艦，飛行員觀察和判斷時間大幅縮短，加劇了航母著艦作業(yè)的危險性。該階段出現(xiàn)了光學(xué)助降設(shè)備和雷達(dá)助降設(shè)備。光學(xué)助降設(shè)備采用菲涅爾透鏡，能確保艦載機(jī)在著艦前處于正確的下滑道內(nèi)。雷達(dá)助降設(shè)備能夠為艦載機(jī)的著艦提供下滑道偏差信息，以便艦載機(jī)盡早調(diào)整著艦姿態(tài)[10]。在該階段，雷達(dá)助降設(shè)備的核心為AN/SPN-10、AN/SPN-42 型雷達(dá)。半自動著艦?zāi)Ｊ降囊龑?dǎo)指揮員工作臺如圖8所示。

圖8 著艦指揮員工作臺Fig.8 Control panel of LSO

4.3 全自動著艦引導(dǎo)階段

20 世紀(jì)80 年代初到90 年代末期，AN/SPN-46 型雷達(dá)成功上艦使用，標(biāo)志著全自動著艦方式的成熟運用，艦載機(jī)不需要飛行員操控而能夠自動著艦，著艦引導(dǎo)系統(tǒng)稱為精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)（PALS）。根據(jù)引導(dǎo)模式不同，該系統(tǒng)可以單獨引導(dǎo)艦載機(jī)著艦，也可以與光學(xué)助降配合使用。

20世紀(jì)80年代初，AN/SPN-46型雷達(dá)的研制和使用，使全自動著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的使用更加成熟[11]。全自動著艦引導(dǎo)系統(tǒng)以AN/SPN-46型著艦引導(dǎo)雷達(dá)為主，以儀表著艦系統(tǒng)的AN/SPN-41型雷達(dá)為輔，構(gòu)成相互獨立、相互融合、相互監(jiān)視的全自動著艦引導(dǎo)體制，整個著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖9所示。

圖9 全自動著艦引導(dǎo)系統(tǒng)組成Fig.9 Composition of automatic landing guidance system

4.4 多手段融合全自動著艦引導(dǎo)階段

自2000年前后至今，艦載機(jī)在原有著艦引導(dǎo)方式的基礎(chǔ)上增加了GPS 技術(shù)和光電系統(tǒng)用于著艦引導(dǎo)；原有的光學(xué)助降系統(tǒng)性能進(jìn)一步改進(jìn)，先后研發(fā)并使用了改進(jìn)型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)和激光著艦系統(tǒng)。多種系統(tǒng)的融合使用，降低了著艦風(fēng)險，提高了著艦的準(zhǔn)確性。

（1）衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)

以GPS衛(wèi)星為核心的聯(lián)合精確進(jìn)近著艦，在370km即開始對100架艦載機(jī)進(jìn)行空中交通管制。離艦37km時，聯(lián)合精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)將融合AN/SPN-46雷達(dá)為艦載機(jī)提供進(jìn)近與著艦服務(wù)。離艦18.5km范圍內(nèi)，可繼續(xù)采用光學(xué)助降設(shè)備輔助調(diào)整下滑航線。在電磁管制條件下，著艦指揮員仍僅在緊急情況下直接命令飛行員復(fù)飛。隨著基于GPS技術(shù)為核心的聯(lián)合精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)的正式使用和性能的提升，艦載機(jī)的著艦引導(dǎo)將通過聯(lián)合精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)完成。

（2）電視監(jiān)視系統(tǒng)

電視監(jiān)視系統(tǒng)集電子圖像和聲音記錄功能于一體，主要作用是在回收作業(yè)期間為著艦指揮員提供艦載機(jī)下滑道參考信息，并能夠晝夜監(jiān)視艦載機(jī)起降作業(yè)，為飛行評估、飛行后講評提供影像資料。

（3）改進(jìn)型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)

此階段使用改進(jìn)型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)替代了原有的菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)。改進(jìn)型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)的原理與菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)相似，但增加了燈箱的數(shù)量，達(dá)到了細(xì)分下滑道的目的。

（4）激光助降系統(tǒng)

激光助降系統(tǒng)于20 世紀(jì)90 年代末研制成功并使用。由于其在無線電和雷達(dá)管制條件下可用，因此將艦載機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)可用性提高至99%。對于光學(xué)助降系統(tǒng)而言，大氣的散射作用會優(yōu)先濾掉光譜中的藍(lán)光部分，從而使燈光顏色隨遠(yuǎn)近變化，增加飛行員判別的難度。而激光具備空間定向性好和顏色純度高兩個特性，使得激光助降系統(tǒng)與透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)相比，具有透光性強、聚焦性強、適應(yīng)低能見度環(huán)境等優(yōu)點。

簡單來說，激光助降系統(tǒng)就是讓飛行員看到不同顏色的激光，表示飛行員相對于正確下滑航線的偏移量。由于衍射非常少，激光束形成的進(jìn)近航線邊緣非常清晰，利于飛行員辨認(rèn)。

5 艦載機(jī)攔阻回收技術(shù)

攔阻回收系統(tǒng)的作用是在有限定長距離內(nèi)將艦載機(jī)攔阻減速，消耗吸收其動能，使其在既定攔阻距離范圍內(nèi)安全停穩(wěn)。從艦載機(jī)尾鉤鉤住攔阻索到艦載機(jī)停穩(wěn)，整個過程只有短短2～3s。

5.1 液壓型攔阻裝置

美國現(xiàn)役的“尼米茲”級航母全部采用Mk7型液壓緩沖式攔阻裝置。從20世紀(jì)50年代以來，該型裝置一直是美軍航母上的標(biāo)準(zhǔn)攔阻裝置，已經(jīng)發(fā)展了4型（Mk7 Mod1～Mk7 Mod4）[12]，總的趨勢是裝置能夠吸收的能量越來越高，允許的艦載機(jī)著艦重量越來越大、著艦速度越來越快、過載越來越平緩。Mk7型液壓攔阻裝置的主要性能參數(shù)見表3。

表3 美國航母各型攔阻裝置參數(shù)Table 3 Main parameters of arresting gear

美國現(xiàn)役航母裝備的Mk7型液壓攔阻裝置主要由攔阻機(jī)系統(tǒng)、鋼索系統(tǒng)、甲板裝置等系統(tǒng)部件構(gòu)成，如圖10所示。

圖10 Mk7型液壓攔阻裝置構(gòu)造Fig.10 Structure of Mk7 hydraulic arresting gear

5.2 渦輪電力攔阻裝置

渦輪電力攔阻裝置是利用水力渦輪機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及摩擦制動裝置吸收艦載機(jī)的動能，從而在較短距離內(nèi)將艦載機(jī)停在航母飛行甲板上的裝置。其中，水力渦輪機(jī)把艦載機(jī)的動能轉(zhuǎn)變成水的熱能；感應(yīng)電機(jī)通過改變對旋轉(zhuǎn)軸的作用力，進(jìn)而改變攔阻索對艦載機(jī)的作用力；摩擦制動器起到備用的作用，當(dāng)水力渦輪機(jī)和感應(yīng)電機(jī)之一失效時發(fā)揮作用，仍可以對艦載機(jī)進(jìn)行攔阻。

與液壓攔阻裝置相比，渦輪電力攔阻裝置的優(yōu)勢包括：（1）可靠性更高，有助于提高艦載機(jī)的安全性；（2）重量包絡(luò)更大，更適合于攔阻重型艦載機(jī)和輕型無人機(jī)；（3）攔阻過程更平穩(wěn)柔和，可降低艦載機(jī)攔阻過程過載峰均比；（4）運控實現(xiàn)閉環(huán)，便于通過狀態(tài)監(jiān)測支撐健康管理，從而更及時、方便地實施維修。

渦輪電力攔阻裝置主要由攔阻機(jī)、軟件控制系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、攔阻索及滑輪索組成，如圖11 所示。其中攔阻機(jī)和軟件控制系統(tǒng)是最重要的部件。攔阻機(jī)是渦輪電力攔阻裝置的吸能部件，構(gòu)成簡潔，包括水力渦輪、帶有一定慣量的錐形鼓輪、機(jī)械制動裝置、感應(yīng)電機(jī)以及一根連接以上構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)軸；軟件控制系統(tǒng)包括動態(tài)控制子系統(tǒng)、操作人員工作臺以及維護(hù)人員工作臺，該系統(tǒng)能夠精確控制艦載機(jī)攔阻著艦的過程，并能控制艦載機(jī)在甲板上滑跑的距離；電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要實現(xiàn)能量存儲、電力分配與調(diào)節(jié)；攔阻索和滑輪索采用了輕質(zhì)復(fù)合材料，可以減少系統(tǒng)總慣性，降低結(jié)構(gòu)載荷，并縮小滑輪減振器尺寸，攔阻索與滑輪索相連，通過隨動滑輪纏繞錐形鼓輪，最終固定在錐形鼓輪上。

圖11 先進(jìn)攔阻裝置構(gòu)成圖Fig.11 Structure of advanced arresting gear

6 艦載機(jī)駐留轉(zhuǎn)運及資源保障技術(shù)

航母作為海上浮動機(jī)場，除了實現(xiàn)艦載機(jī)起飛和著艦，還設(shè)置了艦載機(jī)調(diào)運系統(tǒng)用于完成艦載機(jī)的安全、高效轉(zhuǎn)運和系留；設(shè)置了航空彈藥儲運系統(tǒng)用于完成航空彈藥的儲存、轉(zhuǎn)運、裝配、掛載；設(shè)置了艦面保障系統(tǒng)用于為艦載機(jī)提供航空作業(yè)所需的油、氣、水、電供應(yīng)和日常維護(hù)。

6.1 艦載機(jī)駐留轉(zhuǎn)運技術(shù)

飛機(jī)升降機(jī)用于在飛行甲板與機(jī)庫間調(diào)運艦載機(jī)、艦面保障車輛、設(shè)備和人員。世界上的輕型航母基本采用舷內(nèi)升降機(jī)，而巴西的“圣保羅”號航母、意大利的“加富爾”號航母則選擇了一部在舷側(cè)，一部在舷內(nèi)的布局。大型和中型航母大都把飛機(jī)升降機(jī)布置在舷側(cè)。美國在二戰(zhàn)后從建造的“福萊斯特”級航母起，所建各型航母均將飛機(jī)升降機(jī)布置在舷側(cè)。例如，“福萊斯特”級航母共4部升降機(jī)，其中右舷島前有一部，島后有2部，左舷有一部。而“小鷹”級和“尼米茲”級航母將左舷的一部升降機(jī)移至斜角甲板后部。這種布局不會影響艦載機(jī)的起降作業(yè)，又方便將飛行甲板上停放的艦載機(jī)及時地轉(zhuǎn)運，從而解決了“福萊斯特”級航母升降機(jī)布置在斜角甲板前端，影響艦載機(jī)起降的問題，提高了艦載機(jī)的出動架次率。美國新一代“福特”級航母采用能力增強型飛機(jī)升降機(jī)，因此只設(shè)計了三部飛機(jī)升降機(jī)，右舷島前有兩部，左舷有一部，如圖12所示。

圖12 美國航母飛機(jī)升降機(jī)布置變遷Fig.12 Changes in American aircraft carrier lift layout

6.2 機(jī)載武器保障技術(shù)

航空彈藥儲運技術(shù)是為了實現(xiàn)艦載機(jī)彈藥在航母上的儲存、轉(zhuǎn)運、裝配、檢測和掛載。

彈藥從出庫到掛載到艦載機(jī)的過程環(huán)節(jié)很多。首先，需要從彈藥庫中取出準(zhǔn)備掛載的各類機(jī)載武器；其次，通過下層武器升降機(jī)送達(dá)至彈藥裝配區(qū)進(jìn)行裝配，為了不占用飛行甲板，彈藥裝配區(qū)一般盡量設(shè)置在飛行甲板下層二甲板或三甲板；然后，裝配好的彈藥通過上層武器升降機(jī)或飛機(jī)升降機(jī)送達(dá)飛行甲板，如果裝配區(qū)就在飛行甲板，則不再分上下層升降機(jī)；最后，在飛行甲板上完成艦載機(jī)彈藥到艦載機(jī)的轉(zhuǎn)運和掛載。

與“尼米茲”級航母相比，“福特”級航母在武器升降機(jī)和彈藥轉(zhuǎn)運車方面采用了新技術(shù)，提高了設(shè)備的轉(zhuǎn)運能力和自動化水平。

6.2.1 武器升降機(jī)

“尼米茲”級航母上的武器升降機(jī)依靠電動鋼絲繩或電動液壓裝置產(chǎn)生的動力升降。為進(jìn)一步提高載荷和升降速度，同時提高維護(hù)性，美國研發(fā)了不需繩索而利用電磁力移動的先進(jìn)電磁武器升降機(jī)。

先進(jìn)電磁武器升降機(jī)的關(guān)鍵部件為永磁同步直線電機(jī)。升降機(jī)直線電機(jī)的初級永磁陣列布置于井道內(nèi)壁，兩側(cè)布置鋼軌，實現(xiàn)升降機(jī)平臺導(dǎo)向輪導(dǎo)引和機(jī)械制動作業(yè)；升降機(jī)直線電機(jī)次級永磁陣列布置于升降機(jī)平臺，初級和次級之間的電磁吸引力可以將導(dǎo)向輪緊貼于鋼軌。升降機(jī)的上升和下降通過直線電機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)，主要通過變換器向電磁陣列供電，微處理器可以精確控制線圈電流從而實現(xiàn)電磁場移動，這樣就生成可控的升降機(jī)推力，圖13 為先進(jìn)武器升降機(jī)的模型和全尺寸樣機(jī)。

圖13 先進(jìn)武器升降機(jī)模型（左）及樣機(jī)（右）Fig.13 Advanced weapon lift model(left)and prototype(right)

與“尼米茲”級航母的武器升降機(jī)相比，“福特”級航母的先進(jìn)武器升降機(jī)具有如下優(yōu)點：（1）平臺面積大，載重能力高，先進(jìn)武器升降機(jī)的平臺達(dá)到6m×2.5m，面積15m2，載重能力約11t；（2）采用電磁力驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)快速升降，并增加設(shè)備的可靠性；（3）不需要纜索或電纜連接到升降機(jī)平臺上，可以在垂直升降通道上安裝橫向隔離門，更有利于保證彈藥庫和各層甲板的安全。

6.2.2 彈藥自動搬運車

除了先進(jìn)武器升降機(jī)，在“福特”級航母最初的設(shè)計方案中，曾計劃使用全向自動搬運車替代“尼米茲”級航母上的彈藥轉(zhuǎn)運車和叉車等多種搬運工具。全向搬運車采用智能控制和自主導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)自主駕駛穿梭于飛行甲板和彈庫，減少人員勞動量并提高效率，其搬運重量達(dá)到5.5t，是普通人力搬運車的兩倍，同時其尺寸小，從而有利于航母內(nèi)部空間的布置。全向自動搬運車操作時對航母其他操作的影響較小，所需的維護(hù)工作量也較少。

6.3 噴氣燃料保障技術(shù)

艦載機(jī)由于飛行速度快、升限高、工作的高空環(huán)境溫度低且發(fā)動機(jī)構(gòu)造精密，所使用的噴氣燃料中任何超標(biāo)的雜質(zhì)顆粒和水分都可能引起發(fā)動機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的事故癥候，降低艦載機(jī)的作戰(zhàn)能力，所以艦載機(jī)對所使用的噴氣燃料的清潔性提出了很高要求。同時，為了保證噴氣燃料的存儲安全，研發(fā)了飛機(jī)專用的JP-5 型靜態(tài)不可燃噴氣燃油，只有通過發(fā)動機(jī)內(nèi)部高壓將其噴成霧狀才能點燃。

噴氣燃料系統(tǒng)作為艦載機(jī)的燃油保障系統(tǒng)，其使命主要是為波次出動回收執(zhí)行任務(wù)的艦載機(jī)安全高效地補給干凈、清潔的噴氣燃料，相當(dāng)于多座加油站。此外，噴氣燃料系統(tǒng)還需要接收?；鞍痘膰姎馊剂系臋M向補給，實現(xiàn)噴氣燃料的安全存儲，在必要時回收艦載機(jī)剩下的燃油并具備污油存儲等基本功能。此外，該系統(tǒng)還須具備噴氣燃料品質(zhì)量保障的能力，這也使得噴氣燃料系統(tǒng)相比于其他系統(tǒng)要求更高、系統(tǒng)組成更復(fù)雜。

6.4 航空輔助保障技術(shù)

6.4.1 航空電源保障技術(shù)

航空電源系統(tǒng)為艦載機(jī)起飛前準(zhǔn)備及再次出動準(zhǔn)備提供電源供給，為飛行甲板及機(jī)庫內(nèi)艦載機(jī)維護(hù)、維修提供電源供給，為航空維護(hù)、維修相關(guān)艙室提供電源供給，并具有艦面啟動艦載機(jī)的保障能力。

艦載機(jī)發(fā)動機(jī)可利用輔助動力系統(tǒng)啟動，也可利用外部電力啟動。美國“尼米茲”級航母的艦載機(jī)在利用外部電力啟動時，外部電源供電電制統(tǒng)一為三相四線制115V/400Hz交流電，部分艦載機(jī)兼容28V直流電。因此，“尼米茲”級航母艦面航空電源設(shè)備的電制為115V交流和28V直流。為了作業(yè)方便，設(shè)置了固定式艦載機(jī)電力服務(wù)站和航空電源車兩種航空電源保障設(shè)備。其中，固定式艦載機(jī)電力服務(wù)站大量布置在飛行甲板。如“尼米茲”級航母飛行甲板上布置的艦載機(jī)電力服務(wù)站多達(dá)36個，其中19個分布在舷邊。

航空電源車包括牽引車搭載式和獨立式兩種。以前，美國航母上的飛機(jī)牽引車后部帶有航空電源車；隨著F/A-18成為主要艦載機(jī)，美國航母上飛機(jī)牽引車后部已不再裝備電力裝置，而代之以噴氣式艦載機(jī)發(fā)動機(jī)起動裝置。美國航母上使用的獨立式航空電源車包括NC-2A、MMG-1A和A/S37A-3等型號。

另外，美國海軍正在研發(fā)的F-35C“閃電Ⅱ”艦載機(jī)的電制為270V 直流。這與“尼米茲”級航母上的電力裝置并不匹配，為了適應(yīng)這型艦載機(jī)，“福特”級航母上的艦載機(jī)電力服務(wù)站將具備270V直流供電能力，同時還具備適用現(xiàn)役艦載機(jī)的115V/400Hz交流電供電能力。

6.4.2 航空供氣保障技術(shù)

航空供氣系統(tǒng)的功能是保障艦載機(jī)飛行準(zhǔn)備、維護(hù)所需主要氣體，包括保障艦載機(jī)用氧氣、氮氣的充填，保障艦載機(jī)艦面通電檢查時電子設(shè)備的冷卻，保障艦載機(jī)輪胎的充氣。為此需要配備多種供氣設(shè)備，包括供氧終端、供氮終端、航空空調(diào)車、壓縮空氣終端等。

6.4.3 飛機(jī)救援吊車

航母上部署有多種應(yīng)急救援設(shè)備，包括飛機(jī)救援吊車、叉車等。當(dāng)艦載機(jī)在飛行甲板上發(fā)生故障、受損或墜毀時，這些設(shè)備可以對事故艦載機(jī)進(jìn)行及時處理。根據(jù)事故的具體情況，需要使用不同的設(shè)備，其中最重要的就是飛機(jī)救援吊車。美國“尼米茲”級航母使用的是A/S32A-35A型飛機(jī)救援吊車（CVCC），用于在航母飛行甲板上起重、挪動和移除失事艦載機(jī)，如圖14所示。

圖14 救援吊車正在吊運直升機(jī)Fig.14 The rescue crane is lifting the helicopter

6.4.4 飛機(jī)沖洗車

根據(jù)艦載機(jī)使用經(jīng)驗，需要視情對其發(fā)動機(jī)和機(jī)身進(jìn)行清洗，這對保障艦載機(jī)性能是非常重要的維護(hù)項目。在飛行甲板區(qū)域?qū)ε炤d機(jī)的機(jī)身和發(fā)動機(jī)進(jìn)行沖洗作業(yè)時，飛機(jī)沖洗車是重要的保障設(shè)備，如圖15所示。

圖15 發(fā)動機(jī)沖洗車Fig.15 Engine flushing vehicle

6.5 艦載機(jī)機(jī)務(wù)維修保障技術(shù)

艦載機(jī)的維修保障是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括保持、改善、恢復(fù)艦載機(jī)技術(shù)狀態(tài)的各類活動。艦載機(jī)艦基維修保障分為基層級和中繼級兩層維修組，維修組的數(shù)量以及維修效率直接影響艦載機(jī)的戰(zhàn)備完好率和日出動架次。成熟的艦基航空保障裝備維修保障應(yīng)該具有完整的維修管理、實施、法規(guī)、制度、培訓(xùn)等方面體系。

在維修管理方面，美國海軍維修管理層次分明，信息支持手段豐富。美軍建立了“岸基統(tǒng)管、艦基組織、基層維修”三級管理模式。岸基維修管理部門包括領(lǐng)導(dǎo)層、組織管理部門、維修器材供應(yīng)部門、維修監(jiān)督小組。艦基維修管理由艦長全面負(fù)責(zé)本艦裝備維修與器材管理工作，供應(yīng)部門統(tǒng)一負(fù)責(zé)本艦維修器材申領(lǐng)、保管和分發(fā)，各部門按照“誰使用、誰維護(hù)”的原則，具體負(fù)責(zé)相應(yīng)裝備的修理保障，少數(shù)通用和專用裝備專門指定負(fù)責(zé)部門。航空保障裝備的維修部門主要為航空部門和飛機(jī)艦基維修部門。為了更好地進(jìn)行維修管理工作，美海軍研發(fā)了維修與器材管理系統(tǒng)，用于維修的計劃、管理、控制、監(jiān)管、協(xié)調(diào)、器材供應(yīng)等，為艦基和岸基維修部門提供各類維修管理相關(guān)信息。其主要包括計劃維修系統(tǒng)（PMS）、維修數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MDS）等。

在維修實施方面，美海軍建立了以中級士官為主體、專職維修人員和兼職維修人員搭配，士官士兵和新兵搭配的維修力量層次。其設(shè)有維修支持分隊，按照層次搭配設(shè)置了維修力量，并使用航修隊、航母與現(xiàn)場服務(wù)分隊加強維修能力。維修支持分隊由經(jīng)驗豐富、維修技能高超的專職維修人員（服役時間較長的高級士官）構(gòu)成，有效增強了各中隊的艦員級維修力量。維修支持分隊對外的職責(zé)是輔助所在中隊維修工作組的某些維修工作，既可與工作組共同完成，也可獨立承擔(dān)完成。

艦上基層維修能夠使用可視化信息板、維修需求板、維修與器材管理系統(tǒng)，為岸艦維修部門提供艦載機(jī)和保障裝備的維修計劃、進(jìn)度、行動控制和實施方法。美海軍在計劃維修系統(tǒng)（PMS）基礎(chǔ)上開發(fā)了新一代艦員級維修管理系統(tǒng)（OMMSNG），負(fù)責(zé)艦員級維修任務(wù)具體實施的規(guī)劃、安排、報告和跟蹤。海軍海上后勤中心數(shù)據(jù)庫接收和分發(fā)維修和器材數(shù)據(jù)，是海軍艦船的中心岸基數(shù)據(jù)庫，對維修和配置信息進(jìn)行歸檔和維護(hù)。

通過信息化平臺提高了維修工作效率，可以全面記錄航空保障裝備維修保障細(xì)節(jié)，包括維修實施情況、裝備故障歷史數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)的問題和整改建議等，這為實現(xiàn)裝備健康管理和實時戰(zhàn)備狀態(tài)控制提供了基礎(chǔ)。

7 面向架次率的航空保障集成設(shè)計與驗證技術(shù)

面向架次率的航空保障集成設(shè)計的主要任務(wù)是采用均衡的航空保障資源和恰當(dāng)?shù)暮娇毡Ｕ霞夹g(shù)實現(xiàn)航空保障作業(yè)架次率目標(biāo)。航空保障集成設(shè)計是實現(xiàn)指揮管理與任務(wù)規(guī)劃、起飛保障、著艦引導(dǎo)、回收保障、駐留轉(zhuǎn)運及資源保障等技術(shù)高效均衡集成的核心技術(shù)。航空保障系統(tǒng)的集成設(shè)計與驗證技術(shù)研究對于提高母艦保障資源利用率、提高綜合保障效率、提升艦載機(jī)出動回收能力具有重要意義。

航空保障作業(yè)架次率定義為在特定任務(wù)和環(huán)境條件下，能夠保障艦載機(jī)在規(guī)定時間實現(xiàn)的出動回收架次數(shù)。航空保障作業(yè)架次率可以看作航空保障作業(yè)循環(huán)樣式、航空保障作業(yè)周期、波次保障艦載機(jī)數(shù)量、持續(xù)時間的函數(shù)。

例如，航空保障作業(yè)循環(huán)樣式按照雙波次循環(huán)出動、航空保障作業(yè)周期1.5h（1+30），波次保障艦載機(jī)數(shù)量12 架，每天持續(xù)12h，則計算可得航空保障作業(yè)架次率96架次/12h。

美國海軍用兩個典型的航空保障作業(yè)架次率表征航母航空保障能力。一是持續(xù)作業(yè)架次率，定義為持續(xù)30天（26個飛行日，4個機(jī)械日），每天作業(yè)12h，能夠保障艦載機(jī)（包括固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)）的平均日出動架次?！澳崦灼潯奔壓侥缸罡吣軌?qū)崿F(xiàn)每月4284個架次，平均165架次/天。二是高強度出動架次率，定義為持續(xù)4天，每天作業(yè)24h，能夠保障艦載機(jī)（包括固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)）的平均日出動架次?！澳崦灼潯奔壠骄刻炜梢猿鰟?28架次，4天合計912架次。

根據(jù)當(dāng)日作戰(zhàn)任務(wù)，美國海軍日飛行時間12h 可分為晝間、夜間、晝夜交替三種，晝間為6～18 時或9～21時，晝夜交替為0～12時，夜間為18 時至次日6時。

架次率生成主要由艦載機(jī)可用能力、飛行員可用能力、航空保障作業(yè)能力三方面能力構(gòu)成。1997年7月，美國“尼米茲”號航母與第9 航空聯(lián)隊進(jìn)行了為期4 天的高強度演習(xí)，美國海軍分析中心（CNA）對該次演習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析認(rèn)為：航空保障作業(yè)是生成出動架次率的首要因素，其次是飛行員可用能力，最后是艦載機(jī)可用能力。

面向架次率的航空保障集成驗證主要采用實船試驗和仿真推演兩種手段。

1997年美國航母高強度演習(xí)，設(shè)定了攻擊任務(wù)、戰(zhàn)場控制任務(wù)、其他任務(wù)。攻擊任務(wù)包括空中遮斷（AI）、近程空中支援（CAS）、阻斷（INT）、進(jìn)攻性防空作戰(zhàn)（OCA）、壓制敵防空火力（SEAD）；攻擊支援任務(wù)包括電子支援（ES）、空中加油（MTNK）、戰(zhàn)術(shù)空中偵察（TARPS）；戰(zhàn)場控制任務(wù)是指對海陸空作戰(zhàn)空間實施控制，保護(hù)關(guān)鍵的設(shè)施和部隊，支持火力投送；其他任務(wù)包括空中早期預(yù)警、防御性防空、海面搜救支援、武裝偵察、功能檢查試飛、后勤保障等。

除了演習(xí)這種形式，實際作戰(zhàn)也可以看作實船試驗驗證手段。2002 年阿富汗戰(zhàn)爭中，“尼米茲”級平均每天的航空保障作業(yè)架次率達(dá)到90～100 架次，2003年伊拉克戰(zhàn)爭中則為120～130架次，幾乎相當(dāng)于中小國家空軍每日能出動的總量。

仿真推演方面，美國航母項目執(zhí)行辦公室（PEO Carrier）和海軍系統(tǒng)司令部（NAVAIR）委托AVW技術(shù)公司，利用建模與仿真，進(jìn)行了“福特”級航母航空保障作業(yè)架次率的計算，包括30天持續(xù)作業(yè)（26天飛行日，4天機(jī)械日，每天作業(yè)12h），4 天高強度作業(yè)（每天作業(yè)24h）。AVW 在計算中，把“福特”級航母航空保障作業(yè)架次率作為航空保障各類集成要素的函數(shù)，通過作業(yè)流程推演確定架次率，涵蓋了艦載機(jī)加油、彈藥轉(zhuǎn)運和加掛、艦載機(jī)轉(zhuǎn)運、狀態(tài)檢查、飛機(jī)維修保養(yǎng)、起飛、引導(dǎo)、回收攔阻等作業(yè)過程?！案Ｌ亍奔壋掷m(xù)作業(yè)架次率的門限值為160 架次，目標(biāo)值為220 架次，高強度作業(yè)架次率的門限值為270架次，目標(biāo)值為310架次。

通過實船試驗或仿真推演或兩者結(jié)合，最終驗證了實際的航空保障能力，才能實現(xiàn)航空保障集成設(shè)計的閉環(huán)。

8 結(jié)束語

航空保障系統(tǒng)是連接航母與艦載機(jī)的橋梁，也是實現(xiàn)艦機(jī)適配、保障航母核心戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。縱觀航空保障技術(shù)的發(fā)展歷程，由滑躍起飛到電磁彈射、由人工著艦引導(dǎo)到全自動著艦引導(dǎo)、由油水氣電多站點獨立保障到一站式保障，高自動化、高智能化、高保障效率已成為世界航空保障技術(shù)的發(fā)展趨勢。未來隨著艦載機(jī)保障需求的不斷提升，大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，航空保障技術(shù)也將持續(xù)演進(jìn)變革，不斷向無人化、智能化邁進(jìn)。