舰载机着舰技术创新与发展

刘峻豪，石佳伟

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710000）

1 引言

舰载机起降技术是指舰载机在运动的、有限长的航母飞行甲板上起飞以及回收的过程。就两者来说，舰载机着舰比起飞难度大的多。自从第一架飞机从航母上起飞后，舰载机的着舰任务就成了飞机设计师和舰队工作者的挑战。即使在良好的气候和海况条件下，舰运动、舰机动等不利条件以及大气紊流都将成为这项作业的难点。舰载机的着舰比陆基飞机的着陆更具危险性和复杂性，事故率也更高。

所有舰载机飞行试验都会经过陆基试验及舰上试飞两个阶段，这其中陆基飞行试验是舰载机起降试验的基础，大量的技术研究和探索工作在陆基试飞场完成。在舰载机阻拦着舰试飞中采用什么样的试飞技术，如何科学地安排和组织这两个阶段的试飞工作，从而保证舰载机安全、顺利地完成试飞工作，是非常关键的问题，航空强国在这方面已经积累了丰富的技术和经验。

2 国外舰载机着舰技术的发展

2.1 平桨进场技术

飞机在航空母舰上着舰非常特殊，速度和负载有相互矛盾的要求；在达到适当的低速飞行品质的同时，还应加强飞机结构，以适应着舰要求。第二次世界大战中使用的螺旋桨舰载机种类繁多，包括F6F“恶妇”飞机、Corsair“海盗”飞机、F8F“熊猫”飞机，还有SB2C“俯冲者”轰炸机和Avenger“复仇者”鱼雷攻击机等。平直机翼飞机在直线甲板上，使用由着舰信号官（LSO）控制的“平桨”进场技术，也叫“桨式”技术。海上航空开始于20 世纪20 年代，而这种着舰方式早在那时起就在美国军舰“兰利”号轻型航母上使用。

如图1 所示，着舰信号官工作于舰尾，站在飞行甲板的左侧，在航空母舰的左舷两手各拿一面彩色的信号旗，给飞行员发送设定好的标准信号。飞机以很低的高度在航空母舰左侧顺风飞行，当飞机和舰体舰体龙骨成90°时，飞机开始逐渐下降转弯，力求在飞机速度、高度和甲板中心之间找到结合点，就是LSO 指挥飞行员快速地收回油门，使发动机为慢车状态。这种方式的着舰任务完成的好坏和LSO 的指挥有很大关系。

图1 螺旋桨飞机的着舰方式（二次世界大战期间）

“平桨”进场的方式对直线甲板来说是可靠的技术，这是因为直线甲板着舰区域有限，且未考虑接舰后起飞（touch and go）的功能（在着舰区域前方停放的飞机和保护性的障碍物排除了接舰后起飞的功能）。但随着新任务要求的出现，包括喷气式战斗机等新型飞机的研制成功，“平桨”技术逐渐暴露其不足。为了满足新要求，需要改变飞机设计，飞机动力进场速度必须做出很大调整，而提高动力进场速度则显露出LSO 飞行员着舰进场方式的不足。

2.2 螺旋桨到喷气式飞机的过渡

在朝鲜战争期间及结束后的一段时期内，由于发动机响应慢且进场速度高，喷气式飞机着舰经常发生事故。另外，来自各方的压力要求建造大型航空母舰，以支持日趋复杂的海上航空任务。

1948 年，第一架使用的喷气式舰载机（平直机翼）首次在所推荐的100～115 kn 动力进场速度（Vpa）下成功着舰。采用更长更宽的方式给飞行员对准和高度调整提供了充足的时间，但着舰速度增加也必然降低LSO 和飞行员视觉交流的实时性，从而影响着舰安全性。

FJ-1“狂怒”舰载机和FH-1“鬼怪”I 型舰载机如图2所示，1948 年开始服役。喷气式战机加入朝鲜战争（1950—1953 年）时，美国的主要喷气式舰载机F9F“黑豹”、F2H“女妖”和F3D“天空骑士”都使用平直机翼。实践证明，这些飞机的性能没有北朝鲜后掠翼飞机的性能好。当时，夜战则大量使用F4U-5N“海盗”舰载机。

图2 FJ-1“狂怒”舰载机和FH-1“鬼怪”舰载机

因为发动机响应慢且进场速度高，所以喷气式舰载机着舰更加危险。实践证明发动机响应在确定着舰安全性方面异常重要，尤其在进场、复飞和逃逸阶段。F-4“鬼怪”II 和A-6“入侵者”系列飞机使用快速响应的涡轮喷气发动机在进场和着舰阶段有着优异的性能。英国给F-4K 安装了斯贝涡扇发动机后也明显改善了进场时的发动机响应性能和减小了对下滑道的修正误差。

2.3 航母着舰区的发展

早在1950 年左右，英国海军就开始探索斜角甲板和镜面光学助降系统的可能性。美国海军继承了他们的先进思想，使海上航空事业发生了重大革命，也使得后来发展起来的高性能、后掠翼和超声速飞机能够更加顺利地着舰。这些革新应用到具有前三点式起落架的飞机上就使“平桨”技术落伍了，从而产生了现在的定常下滑道（GS）、恒定迎角方式的着舰技术。美国海军采用新型着舰技术，不仅是因为引入了斜角甲板和镜面光学助降系统，而且还考虑到这一技术会降低飞机的结构负载。图3 为直角甲板和斜角甲板的航母对比。

斜角甲板使着舰区域面积大大增加，方便舰载机较大距离降落和逃逸。光学助降使用定常下滑道技术，由于照明效果更好，使偏差信号放大到LSO 不能给出的水平。光学助降和LSO方式一样不能提供量化的信息，但是可以消除LSO引起的人为误差，同时具有更大的指示范围可使着舰更加安全。

但是，新技术也不是完美的，20 世纪50 年代中期使用的这些高性能喷气战斗机（进场速度120～135 kn）也显露出这些新技术的缺点，即和舰上设备不兼容。随着理论研究的深入和工程实践，海上航空逐渐兴起。因此舰船必须加以改进，新技术必须发展，现存的和将来的飞机为适应这种完全不同的着舰方式的要求，在飞机结构、气动布局和推进系统等方面要做大量的改进。

图3 直角甲板和斜角甲板对比

3 现代舰载机的着舰技术

早期，轻型飞机、直机翼飞机、螺旋桨飞机速度在60～90 kn 且着舰速度很低，可以直接在甲板上降落。随着喷气式舰载机开始执行海上任务，大型航母执行的海军航空任务量增大，航母的压力逐渐增大，因此航母上采用了辅助装置进行辅助着舰。同时对舰载机与航母技术水平的要求提高。在1950 年左右，英国皇家海军发明了斜角甲板和光学助降系统，使航母的着舰系统的技术水平得到提高。随着自动着舰系统（ACLS）的引入，舰载机从依靠飞行员的人工操作实现了完全由计算机自动控制的非常准确的高精度的着舰。

3.1 着舰程序及过程

对于一架舰载机，其从进场到最终着舰的流程是：舰载机按进场队形沿进场小航线逆航母航向平行于航母右舷飞行，转弯飞跃舰艏，进入三边飞行，放拦阻钩、减速装置和起落架，严格保持进场速度和高度，最后沿3.5°～4°的下滑线无平飘最终进场着舰。

着舰后的正常回收方式是：拦阻钩钩住拦阻索，接着在拦阻发动机作用下吸收舰载机的动能，舰载机被拦阻住。螺旋桨飞机着舰时应减小油门，着舰下滑时有平飞段。喷气式飞机着舰时则应保持推力，不减油门；它着舰时一般采用不拉平着舰方式，可以较准确地落在规定位置。由于喷气式飞机着舰时无平飘段，使得着舰时下沉率较大，因而要求舰载机起落架的设计载荷较大。着舰过程如图4 所示。

3.2 着舰方式

实现舰载机着舰下滑轨迹准确控制，必须由相应的飞行控制系统来完成，目前舰载机飞行控制主要有两种操纵方式：人工操纵和自动着舰。

3.2.1 人工操纵方式

这一操纵系统主要由增稳系统（SAS）、进场功率补偿器（APC）和直接力（DLC）三部分组成。增稳系统主要考虑的是短周期项，而进场功率补偿主要考虑的是长周期项，即速度阻尼项，用于自动调节舰载机进场速度和高度，使飞机的着舰速度误差保持在±（3～5）km/h。如图5 所示的F/A-18 舰载战斗机着舰。

图4 着舰示意图

图5 F/A-18 舰载战斗机着舰

3.2.2 自动着舰方式

从20 世纪60 年代开始的自动着舰系统（ACLS）成为舰载机着舰过程中起主要作用的系统。舰载机从依靠飞行员个人丰富的驾驶经验及飞机的优秀性能，到完全实现由计算机自动控制完成着舰，这是技术上的重大突破。ACLS 的核心是控制飞机的飞行高度，以尽可能符合理想下滑道的高度变化。由于这一控制过程中没有驾驶员的作用，因而对航母甲板运动的判断需要由甲板运动补偿系统来替代。美国AN/SPN-46 型ACLS 包含精密跟踪雷达、计算机、数据链发射器等几部分，设计用于自动控制飞机以自动模式着舰，作为飞机光学系统的跟踪雷达确定飞机方位，飞机软件完成飞机直接沿下滑道的逻辑控制、俯仰控制、横向控制，数据链负责发出指令。

3.3 着舰阻拦装置

舰载机在航母的斜甲板上着舰，斜甲板一般长度不超过150～200 m，必须采取有效的着舰方法，因此，航母甲板上装有一套阻拦装置强制舰载机在短距离内迅速减速制动。航母上使用的舰载机拦阻装置一般有两种：阻拦索和拦阻网。而现代航母通常使用的都是阻拦索系统。如果着舰时飞机拦阻钩没有钩住阻拦索，那么还设置一个拦阻网可以使飞机停止前进。

一般航母上阻拦索设置3～5 道。阻拦索垂直于斜角甲板中心线，自甲板尾端50 m 处开始，向舰艏方向每隔6 m（有些舰间距变化）横设一根钢索，高度距甲板30～50 cm，拦阻索的两端通过滑轮与甲板阻拦索缓冲器相连。舰载机停止后，阻拦索自动复位，迎接下一架着舰飞机的到来。舰载机理想的着舰点是第2 根与第3 根拦阻索中间。

如图6 所示，美国的绝大多数航母在斜角甲板上都设有4 根阻拦索和1 道拦阻网（如小鹰号、尼米兹号等）。

图6 美国航母上的4 根拦阻索

拦阻网是舰载机着舰的一种紧急拦阻装置，用坚韧的尼龙带制成，横着拉紧在跑道上，网端用钢索固定在金属支架上。在舰载机拦阻钩故障、燃油耗尽或损伤等紧急迫降情况下使用。它一般设于第3 道阻拦索位置，高约4.5 m，略宽于阻拦索，舰载机撞网后可在50 m 左右距离内停下。

3.4 助降装置

现代航母都装有一套完整的舰载机助降系统，它为飞行员提供甲板上各种方位和高度的准确信息，保证舰载机在下滑时轨迹正确，引导舰载机以合适的姿态和速度安全降落在航母甲板上。

1950 年以前，着舰指挥官站在航母甲板左端，双手持旗板打信号语来辅助舰载机着舰。50 年代，引入了第一代光学助降系统——反射式光学助降镜辅助着舰。如图7 所示，它是在甲板上设置一面大曲率的反射镜，从舰艉向镜面打出灯光，灯光通过镜面反射到空中，给飞行员提供与海平面称3.5°～4°夹角的光柱。舰载机沿着这条光柱下滑，同时不断修正误差，使舰载机安全降落在甲板上。

20 世纪60 年代，随着舰载机速度的增加，英国人发明了更先进的菲涅耳透镜光学助降系统，即第二代助降系统，它的工作原理与助降镜相似，是在空中提供一个下滑光坡面。

20 世纪70 年代，第三代助降系统面世，这就是以雷达为探测传感器的全天候电子助降系统，由于菲涅耳透镜光学助降系统不存在电磁干扰问题，工作可靠，价格便宜，至今仍是航母的基本助降设备。

3.4.1 着舰信号官（LSO）

着舰信号官（Landing Signal Officer）/着舰安全官（Landing Safety Officer）是向飞行员发出操纵指令，引导舰载机安全着舰的军官。LSO 的职责是保障舰载机安全、快捷的着舰。需要根据飞机性能及飞行品质，不间断地同步监测舰载机的下滑航迹、列队、着舰迎角是否偏离理想位置；如果偏离，则引导帮助飞行员修正到正确的进场着舰位置，并且对飞行员发出着舰、复飞、逃逸等的指令。着舰指挥官如图8 所示。

图7 反射式助降镜工作原理图

图8 着舰指挥官

如图9 所示，在舰载机着舰过程中，并不只是LSO 一个人在引导舰载机，而是由各负其责的6 名人员组成的着舰安全小组在做着舰引导工作。舰载机着舰时，着舰安全小组成员在位于着舰区后部左舷的LSO 平台上各司其职。小组成员包括：负责观察拦阻钩、起落架和襟翼工作情况的观察员，负责记录着舰成绩的记录员，负责用着舰记录照相系统引导舰载机对准跑道中心的助理LSO，负责引导舰载机着舰的具体工作的控制LSO，由老资格的LSO 担任负责监察整个小组工作情况的组长。

图9 LSO 指挥小组

3.4.2 菲涅耳光学助降系统（FLOLS）

20 世纪60 年代，英国人研制了菲涅耳光学助降系统（Fresnel Lens Optical Landing System），它发出的光学下滑道更精确、稳定与可靠。如图10 所示，该装置设在着舰区中部左舷处伸向海面的结构上，尼米兹级航母的FLOLS 与飞行甲板平齐，位于舰艉前方148 m 处。主要由菲涅耳指示器组件、俯仰及滚转稳定控制机构、辅助灯组件、显示控制台和控制板等组成。其核心部分是位于中央的菲涅耳透镜和位于透镜两侧的水平基准灯（即基准面），基准灯在菲涅耳透镜左右的基准面，由沿水平方向排列的每侧7 个绿灯组成。

图10 菲涅耳透镜助降装置

菲涅耳透镜助降装置通过菲涅耳透镜可发出5 层光束，正中段为橙色光束，向上、向下分别转为黄色和红色光束。当舰载机下降时，舰载机飞行员观察助降镜，如果基准面与中央的黄灯光在一条线上，表示舰载机飞行在适宜的下滑道上；如果黄色灯光在基准面之上，表示舰载机在下滑道之上飞行，需要降低高度；如果黄色灯管在基准面之下，表示舰载机在下滑道之下飞行，必须上升高度，否则就会撞在航母的舰艉上。如果在此情况下舰载机仍继续下降，红灯就会点亮，指示舰载机立即爬升并复飞。当舰载机高度和下滑角正确时，飞行员可以看在橙色光正处在绿色基准灯的中央。

复飞指示灯是纵向排列在菲涅耳透镜左右的一组红灯，由LSO 控制，用来指示飞行员复飞。切断灯是水平排列在复飞指示等上面的一组绿灯，由LSO 控制，用来提醒飞行员舰载机已进入下滑道。当该系统发生故障以及海上发生大的浪涌，超过该系统稳定器的稳定功能而无法使用时，LSO可以操纵设在菲涅耳透镜前或着舰区右侧的手动光学目视辅助着舰系统来引导舰载机着舰。

人工目视助降系统是一套舰上备用助降系统，它在主光学系统（菲涅耳透镜光学着舰系统）不工作、稳定极限超限或飞行员/着舰信号官训练时使用。系统提供下滑道信息的视觉形式与菲涅耳透镜光学着舰系统相同。

3.4.3 改进型菲涅耳光学助降系统（IFLOLS）

1997 年美国航母“乔治·华盛顿”号率先试验和使用了一种改进型菲涅耳光学助降系统（Improved Fresnel Lens Optical Landing System），如图11 所示，为了提高光学助降系统的分辨率，工程师设计了更高端的光学助降系统。改进型菲涅耳光学助降系统使用了12 灯箱用来指示飞机的下滑道，而基本型的菲涅耳光学系统只有5 个灯箱，这就使得型改进型菲涅耳光学助降系统对于下滑道的指示更精确，“肉球”的运动也更平滑。虽然这个系统称为改进型菲涅耳光学助降系统，但是在很多情况下，这个系统已经不再使用菲涅耳透镜作为灯箱器件，取而代之的是新型的光纤材料。

图11 改进型菲涅耳光学助降系统

3.4.4 激光助降系统

为适应新型舰载机着舰要求，并增强它在夜间或不利条件下的着舰能力，一些国家近年来又研制出几种新型的光电或激光舰载机助降系统，美国海军的艾科尔斯光学助降系统便是代表性的系统之一。这个系统的关键是引入激光束，因而又称为艾科尔斯激光助降系统。

艾科尔斯系统可分为两大部分：一部分为激光助降系统，作用距离4～10 n mile，称为远程助降系统；另一部分为改进型常规光学助降系统，作用距离在4 n mile 以内，称为近程助降系统。

激光助降系统包括下滑道引导灯阵和对中线引导灯阵，分别放置在后甲板边缘下侧的右端和中部，激光助降系统在工作原理上非常类似于菲涅耳透镜，所不同的是它采用了高功率激光灯，从而形成原有灯阵无法实现的远程助降系统。

艾科尔斯近程助降系统对常规光学助降系统做了较大改进，首先时对菲涅耳透镜灯箱的改进，其灯数由5 个变为10 个。这不仅增加了着舰的准确率，作用距离也从0.75 n mile 增加至1.25 n mile。其次，增加一个前后下滑航路灯阵，作用距离为1.25～4 n mile。

3.4.5 全天候电子助降系统

现代舰载机还采用了更为先进的全自动、全天候电子助降系统，从依靠飞行员的丰富驾驶经验发展到完全由计算机自动控制着舰。全天候电子助降系统在各种不利条件下也可以安全引导舰载机着舰，使舰载机着舰更加准确、可靠和安全。它的基本原理是由航母上的精确跟踪雷达准确测出舰载机在降落中的实际位置和运动情况，通过其他仪器测出航母飞行甲板的运动情况，然后以数据形式输入计算机中心，得出加载机的正确下滑位置，再由指令计划计算机将该位置和舰载机的实际位置进行比较，将误差信号发送到舰载机的终端设备内。舰载机上的自动驾驶仪自动消除误差，操纵舰载机准确、安全地降落。

3.4.6 舰载机进场系统

舰载机进场系统是一种采用微波扫描技术的舰用微波降落系统。作为舰用低高度进场设备，为飞机进入全天候航母降落系统和航母光学助降系统的工作区提供进场信号；以及作为自动降落时的机上独立监视设备。系统有舰载方位和仰角发射台及机上接收/译码器等部分组成。两发射台在同一频率上按时分制工作，交替发送方位数据和仰角数据。机上接收信号后，通过译码器进行译码，并依靠机上的平视显示器或双针指示器指示飞机位置。

4 结束语

航空母舰是目前世界上最庞大、最复杂、威力最强的武器之一，是一个国家综合国力的象征。舰载机能否在航母甲板上安全、准确地着舰，直接反映出本国海军航空的实力水平。从20 世纪20 年代的“平桨”进场技术，到如今的斜角甲板和光学助降系统、定常下滑道技术，以美国为首的西方军事强国将舰载机着舰技术发展到了全新的高度，中国作为近几十年在经济、军事、文化等领域快速发展的国家，应深入研究舰载机着舰技术，这关系到中国海军力量的进一步强大，具有重大研究价值。