不同起降方式的舰载机作战能力对比分析*

周晓光，张 琳，王 伟，何晓蕾

（1.海军航空大学教练机模拟训练中心，辽宁 葫芦岛 125001；2.空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安 710051）

0 引言

舰载机按照起降方式可以分为滑跃起飞/阻拦着舰、弹射起飞/阻拦着舰（常规起飞）、短距起飞/垂直着舰、垂直起降、自由起降等5 类［1］，其中滑跃起飞/阻拦着舰、弹射起飞/阻拦着舰、短距起飞/垂直着舰是目前舰载机最为主要的3 种起降方式。如何评估典型起降方式下舰载机的出动能力，优化舰载机飞行甲板作业，一直是舰载机研究的重点内容之一。美军在弹射起飞/阻拦着舰、短距起飞/垂直着舰两种起降方式舰载机出动架次评估［2-5］和作战能力对比分析［6］方面进行了大量的研究，为舰载机作战和装备发展提供了重要的理论基础。国内的专家学者在滑跃起飞/ 阻拦着舰舰载机出动架次评估［7］、作战部署［8］、出动架次规划［9-10］等方面做了一定的研究，对舰载机作战使用的认识不断提升。但是在3 种典型起降方式舰载机作战能力对比分析方面研究较少，大多是定性分析［11-12］，缺少定量分析。结合我国新型航母发展建设论证需求，本文对滑跃起飞/阻拦着舰、弹射起飞/阻拦着舰、短距起飞/垂直着舰3 种典型舰载机作战能力进行深入研究，研究结果可为我国舰载机作战规划和舰载机装备发展论证提供量化依据。

1 不同起降方式飞行甲板作业分析

1.1 滑跃起飞/阻拦着舰飞行甲板作业

滑跃起飞/阻拦着舰飞行甲板作业大体可分为3 个方面内容：一是滑跃起飞甲板作业，如图1（a）所示，舰载机在图1（a）中灰色停机区牵引至1 号～3号起飞站位，然后通过舰艏滑跃甲板滑跃起飞；二是回收牵引甲板作业，如图1（b）所示，舰载机在着舰跑道通过阻拦索实现甲板着舰，然后牵引至停机区；三是甲板航空舰面保障作业，主要包括舰载机的弹药卸载、系留、移除触发装置、维护保养（如充氮、换胎）、加油、挂弹、弹药检查等任务［13］，经过甲板航空舰面保障处理后，舰载机进行下一次的滑跃起飞作业。舰载机着舰后，立即被牵引至舰艏位置并系留，当一个波次的舰载机均回收后，对回收的舰载机实施二次重置，将舰艏系留的舰载机转运牵引至起飞位置（图1（b）中灰色部分），或者通过升降梯将舰载机转运至飞机机库。由于飞行甲板区域重叠，舰载机起飞作业、阻拦着舰和舰载机甲板转运作业是不能同时进行的。

1.2 弹射起飞/阻拦着舰飞行甲板作业

图1 滑跃式起降舰载机起飞牵和着舰回收操作

弹射起飞/阻拦着舰的飞行甲板基本布局如图2（a）所示，部署有4 个弹射器。在弹射起飞甲板作业过程中，将停机区舰载机（图2（a）中甲板灰色部分）牵制至弹射起飞站位，由弹射器助力弹射起飞。阻拦着舰作业和甲板航空舰面保障作业两个方面内容与滑跃起飞/阻拦着舰作业内容相似，如图2（b）所示。

图2 弹射式起降舰载机起飞牵引和着舰回收操作

1.3 短距起飞/垂直着舰飞行甲板作业

短距飞机/垂直着舰舰载机起飞流程如图3（a）所示，舰载机停机区主要分布在飞行甲板的舰艉、左舷、右舷和甲板中部，如图3（a）中灰色部分。舰载机的起飞位有两个，均位于舰艏位置，舰载机起飞过程中，舰载机由飞行甲板灰色部分的停机区牵引至起飞位，通过弹射系统加力起飞。相对于其他两个起飞方式，短距飞机/垂直着舰舰载机具有更好的载荷能力和更长的航时，且起飞过程中所用的飞行甲板区域少，留有更多的飞行甲板区域供舰载机停放和转运。短距飞机/垂直着舰舰载机的着舰回收相对其他两种方式的舰载机回收过程较为简单，飞行甲板左舷有4 个回收平台，舰载机通过其中1个实现垂直着舰，着舰后直接牵引至原起飞位并系留，如图3（b）所示。短距飞机/垂直着舰舰载机的回收作业和转运系留作业可以同时进行，且对舰载机起飞作业影响较小，可以同时进行。

图3 短距起飞/垂直着舰舰载机起飞牵引和着舰舰载机回收操作

2 舰载机出动架次计算模型

2.1 舰载机进攻作战飞行作业流程

舰载机遂行作战任务，飞行作业流程主要包括甲板起飞作业、出航、突击作战、返航以及甲板着舰等几个阶段［14-15］。为简化问题，不考虑舰载机在作战任务过程中的损耗问题，且认为所有的舰载机经过舰面保障后均可进行下一次的波次作战。为描述舰载机波次作业周期内的作业内容，引入如下变量：舰载机起飞时间TL（min），即单架次舰载机起飞所需要的时间；舰载机的起飞率为TL˙（min/架），即平均起飞1 架次舰载机所用的时间，假如单架次舰载机起飞时间为2 min，4 个弹射器可同时弹射4 架舰载机，那么舰载机起飞率为2 min/4 架，即0.5 min/架；舰载机起飞后恢复时间TPL，即在舰载机载起飞后，清理起飞辅助装置所需要的时间，以便为执行回收作业准备好回收区域。舰载机回收率TR˙（min/架），即平均回收1 架次舰载机所用的时间；舰载机牵引重置率TRS˙，即平均对1 架舰载机进行牵引重置所需要的时间，一般航母甲板有数个牵引组，牵引重置的时间主要包括牵引车连接飞机时间、牵引时间、牵引车切断与飞机连接时间，以及牵引组返回舰艏所需的时间；舰面保障服务率TS˙，即平均1 架舰载机舰面保障服务所需要的时间，一般飞行甲板部署有数个武器保障组和燃油保障组；舰载机飞行人员配备时间TMA，其中包含了舰载机飞行员对舰载机进行了的各种飞行前检测任务所需要的时间。

2.2 滑跃和弹射起飞舰载机出动架次评估

对于滑跃起飞/阻拦着舰和弹射起飞/阻拦着舰两种方式的舰载机，将3 个波次的舰载机飞行作业流程计划绘制如图4 所示。图4 中，横轴为舰载机作业在时间轴上的分布，纵轴为舰载机波次，从图中可以看出，一共包含了3 个舰载机波次，第1波次的舰载机起飞后，间隔时间TCL后第2 波次的舰载机执行飞行甲板起飞作业，间隔2 个TCL后，第3 波次的舰载机执行飞行甲板起飞作业。任何波次舰载机的飞行任务时间TMI包含了两个波次舰载机的甲板起飞作业时间L、舰载机起飞后恢复作业PL 和一个波次舰载机的甲板回收作业R 以及牵引重置作业RS。此种情况，将得到最多的出动架次，称此时的飞行作业计划为最优的飞行作业计划。

图4 最优飞行作业计划

在最优飞行计划条件下，如下公式成立：

从式（2）中看出，对于任何单波次起飞的舰载机数量X，都存在一个最优的飞行任务时间TMI。

根据舰载机的任务剖面，舰载机的飞行任务时间主要包括2 min 起飞、2 min 编队、5 min 作战，5 min 降落，以及出航和返航所需时间，那么飞行任务时间TMI为：

根据图4 描述的最优飞行作业计划，连续两个波次舰载机起飞时间间隔的起飞周期时间TCL可用下式计算：

在作战期内TOP，舰载机起飞波次N 为：

式（5）的计算过程中，确保了作战期TOP最后一个波次起飞的舰载机的飞行任务时间在飞行作业计划时间之内。

舰载机出动架次SN为单波次起飞的舰载机数量X 和舰载机起飞波次N 的乘积：

2.3 短距起飞/垂直着舰舰载机出动能力评估

与滑跃起飞和弹射起飞一样，为获得最大的舰载机出动架次，短距起飞/垂直着舰舰载机也是以作业周期方式进行的。滑跃起飞和弹射起飞的作业周期主要由甲板起飞作业、甲板着舰作业和牵引重置作业所决定，而短距起飞/垂直着舰舰载机相关甲板作业可以同时进行，因此，其作业周期是由飞行甲板作业服务能力所决定的。相继两次舰载机起飞波次在甲板服务周期内没有空闲时间是最优的飞行作业计划的目标，如下页图5 所示。

图5 短距起飞/垂直着舰舰载机最优飞行作业计划

从图5 中可以看出，舰载机波次起飞间隔TCL等于舰载机在飞行甲板作业服务保障周期时间TS。短距起飞/垂直着舰舰载机飞行甲板作业服务保障周期间隔取决于甲板各作业保障组的数量WT、服务率S˙和波次起飞舰载机数量X，舰载机波次起飞间隔CL 的计算公式如下：

作战期内舰载机波次起飞数量N，飞行任务时间TMI和总的出动架次计算SN的计算方法，与滑跃和弹射起飞舰载机计算方法一致。

3 舰载机防空巡逻阵位连续部署时间计算模型

航母编队舰载机防空巡逻阵位连续部署时间是衡量舰载机防空作战能力的重要指标之一，主要描述在给定数量防空巡逻阵位的条件下，在作战期内舰载机可实现连续部署时间的能力。

3.1 滑跃和弹射起飞舰载机遂行航母防空作战飞行作业计划

滑跃起飞和弹射起飞舰载机遂行航母防空任务时最优的飞行作业计划如图6 所示。其中TL为起飞作业时间；TCO为舰载机出航时间；TOS为舰载机部署巡逻阵位时间；TCB为舰载机返航时间；TR为舰载机着舰作业时间；TRS为舰载机甲板牵引重置作业时间；TS为舰载机飞行甲板航空保障作业时间；TM为舰载机飞行员配置时间。在不考虑飞行甲板作业限制的条件下，波次起飞间隔TCL等于舰载机巡逻阵位部署时间TOS，便可以实现对所有巡逻阵位的连续部署。但是当TCL=TOS时，起飞波次1 的舰载机回收作业将与起飞波次3 的舰载机甲板起飞作业相冲突。为解决冲突，第1 个选择是允许阵位巡逻出现空隙；第2 个选择是将波次起飞间隔时间TCL缩小TCI，如图6 所示。一般采取第2 种方法进行飞行作业。

图6 滑跃弹射起飞舰载机遂行航母防空作战任务飞行作业计划

滑跃和弹射起飞舰载机遂行航母防空作战任务的最优飞行作业计划设计算法如下：

Step1：设定作战周期TOP和波次起飞舰载机数量X；

Step2：计算舰载机飞行作业各阶段时间，设定波次起飞间隔TCL；

Step3：计算连续部署巡逻阵位所需起飞波次N：

Step4：查找所有起飞波次间起飞作业L、着舰作业R 和牵引重置作业RS 是否存在重叠，是转入Step5，否则转入Step6；

Step5：将波次起飞时间间隔TCL减小：

其中，TDELT减少的时间值，一般设定为1。如果TCL≥0 转入Step2；否则减少波次舰载机起飞数量X=X-1，转入Step1；。

Step6：结束。

根据舰载机舰载机遂行航母防空作战任务的最优飞行作业计划，可以进一步计算防空巡逻阵位的连续部署时间Ttotal：

其中，X 为波次起飞舰载机数量；TOS为舰载机在巡逻阵位部署的时间，等于舰载机波次起飞时间间隔TCL。

3.2 短距起飞/垂直着舰舰载机遂行航母防空作战飞行作业计划

短距起飞/垂直着舰舰载机遂行航母防空作战飞行作业计划如下页图7 所示。相对于滑跃起飞和弹射起飞，由于飞行甲板作业相互间影响较小、不受限制，考虑甲板起飞作业、甲板阻拦作业和牵引重置作业可同时进行，波次起飞间隔TCL等于舰载机巡逻阵位部署时间TOS。

图7 短距起飞/垂直着舰舰载机遂行航母防空作战任务飞行作业计划

4 仿真分析

4.1 仿真想定

由于滑跃起飞舰载机在滑跃起飞过程中没有弹射器助力支持，需要具备更好的空气动力特性，因此，滑跃起飞舰载机相对于弹射起飞和短距起飞舰载机在结构尺寸上更大，相同飞行甲板面积所承载的舰载机数量相对较少。假定航母吨位一致，飞行甲板面积一致，弹射起飞和短距起飞舰载机数量为100 架，滑跃起飞舰载机数量为80 架；作战时间TOP=12 h；舰载机的巡航速度为0.8 M；舰载机的作战半径为700 nm。其他参数设定如表1 所示。

表1 想定作战参数时定

4.2 出动架次计算

3 种典型起飞方式的舰载机出动架次和作战距离之间的关系如图8 所示。从图中可以看出，3 种起飞方式的舰载机出动架次随作战距离增大，逐渐减少，在作战距离为100 nm 的条件下，滑跃起飞舰载机出动架次184 架次，弹射起飞为231 架次，短距飞机为276 架次。在航母吨位一致的情况下，滑跃起飞舰载机出动架次最小，其次是弹射起飞，出动架次最多的是短距起飞/垂直着舰舰载机。

图8 舰载机出动架次与作战距离之间的关系

以滑跃起飞方式舰载机为例，舰载机出动架次与舰载机总数量之间的关系如图9 所示。从图中可以看出，除去作战距离因素，舰载机数量是影响舰载机出动架次的最关键因素，在舰载机数量为30架时，作战半径为［100 200 300 400 500 600 700］nm的条件下，舰载机的出动架次分别为［184 130 90 70 50 40 30］，舰载机出动架次呈凹曲线下降。为提高舰载机出动架次率，发展大吨位航母，优化飞行甲板面积，进一步增加舰载机数量，是最为重要的选择。

图9 舰载机出动架次与舰载机数量之间的关系

4.3 巡逻阵位连续部署能力计算

假定航母防空巡逻阵位数量为10，采用航母防空作战任务的最优飞行作业计划设计算法，设计滑跃起飞的最优飞行作业计划，如图10 所示。从图中可以看出，从飞行作业计划中可以看出，为避免甲板作业冲突，巡逻阵位部署时间出现重叠区域，需要更多的舰载机遂行防空作战任务。

图10 舰载机遂行航母防空作战飞行作业计划

应用舰载机遂行航母防空作战任务最优飞行计划设计方法，计算滑跃起飞、弹射起飞和短距起飞舰载机载不同巡逻阵位距离上的连续部署时间如图11 所示。从图中可以看出，在巡逻阵位距离为450 nm，巡逻阵位为10 的想定下，3 种起降方式的舰载机连续部署时间能力相同；而大于450 nm 后，滑跃起飞舰载机巡逻阵位连续部署时间急剧下降，短距起飞舰载机巡逻阵位连续部署时间持续能力最强。如果设定巡逻阵位为20 的情况下，滑跃起飞舰载机的连续部署时间将明显小于滑跃起飞和短距起飞舰载机，在200 nm 为各种起飞方式的防空巡逻阵位连续部署时间下降点。从以上分析可知，舰载机数量仍是决定舰载机放空作战能力的关键因素。

5 结论

本文构建了舰载机出动架次计算模型和防空巡逻阵位连续部署时间计算模型，对滑跃起飞/阻拦着舰，弹射起飞/阻拦着舰和短距起飞/垂直着舰3 种典型起飞方式的舰载机进行了对比分析，研究结果显示在出动架次和巡逻阵位连续部署时间上，短距起飞/垂直着舰优于弹射起飞/阻拦着舰，弹射起飞/阻拦着舰优于滑跃起飞/阻拦着舰舰载机。针对目前我国国防战略和工业水平，发展大吨位航母，增加舰载机承载数量，研发弹射系统，推进弹射起飞/阻拦着舰舰载机建设，是提升航母编队舰载机作战能力的重要发展方向。下一步将对不同起降方式的舰载机技术方案和费用消耗进行对比分析研究。