美国海军先进阻拦装置发展情况研究

王擎宇，李启军，谭大力，耿建明

美国海军先进阻拦装置发展情况研究

王擎宇，李启军，谭大力，耿建明

（海军研究院，北京 100161）

先进阻拦装置是美国为建造“福特”级航母而专门研发的新一代航母阻拦装置。该装置以水涡轮机、感应电机以及机械制动器为主要吸能部件，具有阻拦能级高、阻拦过载小等性能优势。本文首先简要介绍了美国先进阻拦装置的发展历程，并对先进阻拦装置的工作原理、系统组成以及技术方案进行了详细剖析，总结了主要技术难点。在此基础上，梳理并分析了先进阻拦装置的技术指标体系，针对其中的关键指标分析了指标内涵与设定意义。研究内容可为我国新一代阻拦装置的研发提供借鉴和参考。

航空母舰 阻拦装置 福特级航母 先进阻拦装置

0 引言

航母阻拦装置是航母上重要的航空保障特种装备。美国在研究新一代“福特”级航母时,提出了发展新型阻拦装置的目标，并最终将该装置确定为以水涡轮机和感应电机为主要吸能部件的先进阻拦装置（AAG）[1]。相比于液压阻拦装置，先进阻拦装置（也称电力涡轮阻拦装置）具有阻拦能级高、装置结构紧凑、可实现闭环控制等优势。新装置将取代目前使用的液压阻拦装置，并用于所有“福特”级航母。

1 美国先进阻拦装置发展历程

先进阻拦装置的研制生产经历了技术开发、系统研发与演示验证、生产装舰三大阶段。

1）技术开发阶段

该阶段主要完成阻拦装置的技术发展趋势分析和系统初步设计，并开展部分关键技术验证，以及水涡轮机、感应电机等关键部套件评估。

2003年，美国海军航空系统司令部分别授予通用原子公司和诺•格公司价值1124万美元的概念与技术研发合同，在15个月内完成系统的技术开发工作。该阶段结束后，美国海军将从两家公司中选出一家作为先进阻拦装置的主承包商。经审查，美国海军最终选择了通用原子公司领导的工业小组，继续进行系统研制与演示验证阶段的工作。

2）系统研发与演示验证阶段

该阶段主要完成系统详细设计和样机制造，进行喷气推车轨道试验，并根据试验结果对系统设计进行改进。在此基础上完成生产样机研制，并开展舰机适配性试验等。

在系统研发过程中，先后发现水涡轮机等系统的多个主要部件和软件系统存在缺陷，致使系统数次重新设计。同时，试验先进阻拦装置的喷气推车轨道试验站的硬件安装、系统检测和交付等工作进度一再推迟。2011年，先进阻拦装置开始在赫斯特湖进行陆上喷气推车阻拦试验。至2015年，通过喷气推车模拟F/A-18C/D“大黄蜂”、F/A-18E/F“超级大黄蜂”、E-2C/D“鹰眼”等舰载机，进行了1000余次陆上喷气推车阻拦试验，完成了先进阻拦装置性能包络线的检查。2016年开始进行陆上飞机阻拦试验，完成了F/A-18E/F“超级大黄蜂”等型号舰载机的陆上阻拦试验。

3）生产装舰阶段

该阶段主要完成先进阻拦装置的生产装舰，并完成舰上测试与装备交付。

2008年福特号航母的详细设计与建造合同授出时，先进阻拦装置仅开展了部分部套件试验，技术成熟度仅为5级。然而为了追赶福特号航母的研制进度，先进阻拦装置在大量陆上试验尚未完成的情况下就开始了首批装置生产。期间，由于水涡轮组件暴露的缺陷，不得不对其进行重新设计，影响到了装舰计划。2015年5月，先进阻拦装置的大部分设备已经完成在“福特”号航母上的安装，并于同年7月开始进行舰上性能测试。2017年7月22日，福特号航母正式服役，并继续开展相关试验及训练，至2020年2月，先进阻拦装置在福特号航母上完成了约1000次阻拦着舰试验。

从上述发展历程来看，由于阻拦装置研发进度与福特号航母设计建造计划存在一定程度的矛盾，“系统研发及演示验证阶段”与“生产装舰阶段”在时间段上出现了较大程度的重叠，因而出现了边设计、边试验、边生产的不合理局面，为装备的研发带来了巨大的技术、生产和费用风险。

2 先进阻拦装置的技术方案

2.1 先进阻拦装置的组成及原理

先进阻拦装置以水涡轮机、感应电机以及机械制动器为主要吸能部件，同时能够通过调节感应电机扭矩输出来精确控制飞机阻拦着舰过程，包括阻拦过载、阻拦距离等[2]。其基本构成如图1所示。其中阻拦索、缆索传动系统、前端缓冲系统均与传统的液压阻拦装置类似，主要区别在于阻拦机、电力调节系统与软件控制系统。阻拦机主要包括水涡轮机、锥形鼓轮、机械制动器、感应电机，且四者的旋转构件共轴连接，详见图2；电力调节系统包括电容器组、水冷电阻器、逆变器等；软件控制系统包括动态控制子系统、操作人员工作台以及维护人员工作台等。

图1 先进阻拦装置系统构成

图2 阻拦机的系统构成

先进阻拦装置的阻拦过程可分为“跟踪”与“捕获”两个阶段[3]。在“跟踪”阶段（即阻拦初始阶段），当舰载机成功钩索后，尾钩将牵动阻拦索并带动滑轮索从锥形鼓轮中牵出，使阻拦机旋转轴转动。此时感应电机先对旋转轴施加加速扭矩，降低钩索初期对舰载机的冲击力，使接触过程相对平稳。随后，阻拦装置作业进入“捕获”阶段（即舰载机动能吸收阶段），此时感应电机对旋转轴施加制动扭矩，并与水涡轮机共同完成能量吸收工作，摩擦制动器作为备用的吸能部件，可在感应电机或水涡轮机失效时使用，确保整个阻拦系统的可靠性。感应电机、水涡轮机与机械制动器这3个部件只要保持其中两个正常工作，就能够完成舰载机动能的完全吸收，实现了阻拦能力的冗余。软件控制系统可通过电力调节系统控制感应电机作用在旋转轴上的扭矩，使锥形鼓轮上的缆索以相对恒定的张力释放，保证舰载机在阻拦过程中受力均匀，最终实现舰载机在甲板的降落。阻拦结束后，通过控制感应电机的旋转，还可实现阻拦索的自动回撤。

2.2 先进阻拦装置的关键部套件

1）水涡轮机

水涡轮机是先进阻拦装置的主要吸能部件，其构成主要包括容纳流体的缸体和叶轮，如图3所示。叶轮固定在旋转轴上，并浸没在缸内流体中。当轴旋转时，将带动叶轮的叶片与流体相互作用，在轴上产生减速扭矩，从而降低轴的旋转速度。同时，叶轮与缸体盖板之间安装有可轴向平移的挡板。通过调节挡板轴向位置可改变叶轮的有效工作空间，从而改变叶轮旋转过程中的流体阻力，进而实现水涡轮机输出扭矩大小的调节，以适配不同工况下阻拦作业。水涡轮机的扭矩输出档位通常根据待阻拦的机型预先设置好，并在阻拦过程中保持不变。待阻拦结束后，则调整至扭矩最小档位，以减小回撤阻拦索时水涡轮机的反转阻力。

图3 水涡轮机实物图

2）感应电机

感应电机是先进阻拦装置的主要吸能部件之一，也是实现阻拦过程实时控制的执行机构。先进阻拦装置的感应电机属于低惯量的3相感应电机，能够快速降低阻拦机轴系的转速。该电机主要由一个空心杯型薄壁转子与内外两套独立的定子绕组组成。转子的杯壁在内外定子之间，如图4所示。采用这种结构的电机可以在输出较大的转矩同时有效降低转子自身的转动惯量。

感应电机的电力来源于电力调节系统，在阻拦之前可收缩和张紧缆索，在阻拦过程中可动态调节转矩的输出。在初始钩锁阶段，感应电机起到电动机的作用，向旋转轴输出正向扭矩，以减小对飞机的冲击；在制动阶段，感应电机起到发电机的作用，向旋转轴输出反向扭矩，同时输出的电力通过逆变器为电容器组充电，用于下一次阻拦任务，而多余的电量则输送到水冷电阻柜以热能的形式耗散。

图4 感应电机示意图

3）机械制动装置

机械制动装置采用盘式制动结构，其主要执行机构包括若干定子摩擦片与转子摩擦片，其中转子摩擦片与转轴固连并随之转动，定子摩擦片与转子摩擦片交替排列堆叠。舰载机拉动缆索并带动轴系旋转时，定/转子摩擦片存在旋转相对运动，通过调节摩擦片间的轴向压力可调节制动转矩的大小。

机械制动装置通常作为备用吸能部件，当阻拦机其他吸能装置失效（如水涡机失效或感应电机失效）时将发挥吸能作用。此外，在阻拦开始之前的准备状态下，机械制动装置可以保持缆索的张力。

图5 锥形鼓轮实物图

4）锥形鼓轮

锥形鼓轮的主要功能是收放滑轮组索，同时将舰载机的直线运动转化为阻拦机轴系的旋转运动。锥形鼓轮固定在旋转轴上，当降落飞机接触并拉动阻拦索时，滑轮索将牵动锥形鼓轮带动整个阻拦机轴系旋转。

锥形鼓轮采用圆锥外形，如图5所示，其目的是降低阻拦过程中轴系的转速变化率。滑轮索从轮毂外径较大的一侧释出，末端在外径较小的一侧固定。在阻拦初期，由于飞机的速度较高，较大的鼓轮外径可降低轮毂的转速，随着飞机速度的逐渐减小，滑轮索释放位置对应的锥形鼓轮外径也逐渐减小，起到了平衡转速变化的作用，更有利于阻拦机对阻拦过程的控制，使舰载机的制动过程更加平稳。

5）电力调节系统

电力调节系统主要用于分配、调节和控制阻拦感应电机作业所需的电力。主要由电容器组、逆变器以及水冷电阻器柜组成。

逆变器主要功能是根据控制系统指令向感应电机提供电力，驱动感应电机实现转动或输出特定的扭矩；电容器组的主要功能是向逆变器提供驱动感应电机的电能，同时在能量吸收阶段存储一部分飞机动能转化的电能，用于下次阻拦作业用电，实现能量的临时存储与循环利用；水冷电阻器的主要功能是耗散剩余飞机动能转化的电能。

6）软件控制系统

现役液压阻拦装置一般通过流量控制阀来实现对阻拦过程的控制[4],先进阻拦装置利用软件数字控制设备替代了传统的机械控制设备，提高了控制效率和维护成本，同时实现了一定程度的闭环控制。

先进阻拦装置的软件控制系统由动态控制子系统、操作人员工作台以及维护人员工作台组成。动态控制子系统能够实时获得感应电机的反馈，包括转速和位置等信息，控制逆变器输送给感应电机的电力大小和方向，进而调节施加在轴上的扭矩，平衡感应电机、水力涡轮、机械制动器和锥形鼓轮对轴的作用，最终控制缆索从鼓轮以充分恒定的张力释放，并控制飞机停止的位置。此外通过软件控制系统还可以通过配套执行机构对水涡轮机、机械制动器的扭矩输出档位进行远程设定和调节。

3 先进阻拦装置的研制难点

1）系统集成

相比于电磁弹射装置，先进阻拦装置没有大量采用新技术，而是集成了许多在其他领域已经验证过的成熟技术，如阻拦机中的三大吸能部件：水力涡轮机、感应电机和机械制动装置，都曾在民用或军用领域成功应用过。然而，将这些部件组合成一个新的系统用于阻拦舰载机则是个全新设想，需要考虑各部件之间的接口兼容与性能匹配问题，而且为实现系统的整体性能最优，各部件需要根据装置的使用需求进行重新设计。

2）软件控制系统

对阻拦过程的精确控制是先进阻拦装置的优势之一。因此，先进阻拦装置需通过控制系统实时获得感应电机的反馈，进而调节施加在轴上的扭矩，平衡感应电机、水涡轮机、机械制动器和锥形鼓轮对轴的作用，最终控制缆索以充分恒定的张力拦停飞机。如何通过软件精确控制感应电机、水力涡轮、机械制动器等机械部件的制动扭矩输出，对软件控制系统提出了很高的要求。

3）水涡轮机的设计

水涡轮机为先进阻拦装置的主要吸能部件，能够通过摩擦将动能转化为热能耗散。阻拦过程中大约有65%的飞机动能由水涡轮机吸收。水涡轮机的工作原理涉及机械、流场的复杂耦合过程，设计制造的难度较大。美国在研制先进阻拦装置的过程中，就出现了重新设计并制造水涡轮机的情况，造成了系统研制费用增长和装舰延迟。

3.1 先进阻拦装置的指标构成

美军根据指标的重要程度将先进阻拦装置的性能指标分为关键性能指标、主要性能指标和其他性能指标三类，每一类指标又包含若干具体的指标项目，如图6所示。

图6 先进阻拦装置主要指标构成

3.2 先进阻拦装置的关键性能指标

美军为先进阻拦装置提出的关键性能指标包括飞机适配性要求、阻拦作业周期和可用性3项，具体如下：

1）飞机适配性要求

飞机适配性是衡量阻拦装置能力最为关键的指标，该要求主要通过综合性能包络图反映，如图7所示。该包络图是对装置的阻拦能量、阻拦重量、允许啮合速度等阻拦能力的综合体现。图中灰色区域为装置的门限值要求，其边界反映了装置各项指标门限值的边界。灰色区域的上界反映了装置的最大阻拦能量，左、右边界分别反映了能够阻拦的最小和最大着舰速度，上、下曲线分别代表能够阻拦的最大和最小飞机重量。针对FA-18 C/D舰载战斗机、E2C预警机、EA-6B电子战飞机、T-45教练机等典型阻拦对象，先进阻拦装置的能力包络图应能够囊括上述机型的着舰重量、着舰速度等工况要求，并且应能同时满足其相应的阻拦过载要求。图中网格区域加上灰色区域范围为装置的目标值要求，可以看出目标值与门限值主要区别是装置能够阻拦的最小飞机重量，即具备阻拦舰载无人机等轻型舰载机的能力。

图7 先进阻拦装置性能包络图示意

2）阻拦作业周期要求

该指标主要反映了阻拦装置的连续作业能力。阻拦周期通常以甲板阻拦索张紧准备阻拦为时间起点，经阻拦飞机、索钩分离、阻拦滑轮索复位等步骤，直至完成系统设置确认、阻拦索再次张紧准备下次阻拦为一次完整作业周期。该周期通常不超过1分钟。

3）可用性要求

“福特”级航母拟设置4套阻拦装置，其中2部为索联机,仅能连接阻拦索，另2部为索/网联机，既可连接阻拦索也可连接阻拦网。这种配置方式提高了阻拦机故障情况下的冗余性。先进阻拦装置的可用性被定义为4套阻拦装置中至少有2部阻拦索与1部阻拦网可用的概率。

3.3 先进阻拦装置的主要性能指标

美军为先进阻拦装置提出的主要性能指标主要包括索网装换时间、配备人员数量、高强度作业状态下飞机的回收率（单波次）、人员系统集成等，具体如下：

1）索网转换时间

在“福特”级航母阻拦装置配置方案中，第3和第4部阻拦装置均采用索/网联机，为此，美军对先进阻拦装置的索网转换时间指标提出了要求，以使紧急情况发生时，在规定时间内能够完成两种状态的转换。

2）配备人员数量

美军采用先进阻拦装置替代液压阻拦装置的目标之一就是减少装置配备人数。因此，美军将先进阻拦装置的配备人员数量作为装置的主要性能指标之一，相比于液压阻拦可降低约10~20%。

3）高强度作业状态下飞机的回收率（单波次）

该指标主要反映了阻拦装置在单波次内连续实施阻拦作业的能力，主要由母舰总体出动回收架次率要求细化分解得到，与母舰总体的出动回收能力相匹配。美军根据其预期的典型作业状态提出了21~44分钟内回收28~44架次的要求，平均阻拦周期小于1分钟，对装置的连续回收能力要求较高。

4）人员系统集成

该指标主要反映了阻拦装置人机交互的友好性，尽可能降低装置操作的复杂程度，提高装置的作战使用效能。

3.4 先进阻拦装置的其他性能指标

美军为先进阻拦装置提出的其他性能指标包括持续作业状态下的飞机回收率、高强度作业状态下的飞机回收率、平均无故障间隔周期、平均故障修复时间、系统重量等，具体如下：

1）持续/高强度作业状态下的飞机回收率

先进阻拦装置在持续/高强度作业状态下的飞机回收率指标与航母总体舰载机持续/高强度出动架次率相一致。“福特”级航母的出动回收指标要求如表1所示[6]。

表1 “福特”级航母出动架次率要求

其中持续出动架次率反映了母舰面临中等威胁时长时间持续作战能力，高强度出动架次率反映了母舰面临高威胁或担负重要使命时短时间高强度作战能力。前述“主要性能指标”中也提出了“高强度作业状态下的飞机回收率”指标，与此处同名指标的主要区别为：前者主要反映单波次内连续阻拦作业能力，而后者主要反映装置多波次持续作业能力。

“尼米兹”级航母采用Mk7型液压阻拦装置，其持续出动架次率为120架/天，高强度出动架次率为230架次/天[6]。相比之下，“福特”级航母的先进阻拦装置，其持续作业状态下的飞机回收率指标门限值（160架次/天）提高了33%，目标值（230架次/天）提高了92%；高强度作业状态下的飞机回收率指标门限值（270架次/天）提高了17%，目标值（310架次/天）提高了35%。可以看出，先进阻拦装置较液压阻拦装置在这两项指标上有明显提升。

2）平均无故障间隔周期与平均故障修复时间

这两项指标是反映阻拦装置可靠性和维修性的重要指标。阻拦装置在执行阻拦任务时若出现严重故障，则在空的舰载机编队将无法降落，会导致极为严重的损失。因此一方面要求装置具有较低的故障率，另一方面若出现故障需要短时间内能够修复。平均无故障间隔周期是指装置在使用阶段中累计工作周期与故障次数的比值，通常要求在1000次以上（单部阻拦装置），平均故障修复时间是指阻拦装置的修复性维修（舰员级）总时间与故障总数之比，通常要求在1小时以内。

3）系统重量

针对上舰装备通常要考虑其对母舰总体的排水量、浮性、稳性等因素的影响，因此其重量通常被限定在一定范围内。根据先进阻拦系统在“福特”级航母上的配置方案，其系统重量为8台阻拦机（每套阻拦装置含有2台阻拦机，共4套）、阻拦索、滑轮组索以及其他附属装置的总和。该重量整体大于Mk7型液压阻拦装置的重量。

4 结论与启示

先进阻拦装置是新一代航母阻拦装置更新换代的产品，反映了未来航母阻拦装置的发展趋势。在技术方案方面，尽管先进阻拦装置所采用的技术均为相对成熟的技术，但在具体部套件层面都需要针对阻拦装置总体能力要求进行全新设计，同时还存在着系统集成、软件控制等诸多研制难点，其研发难度不亚于研发全新装备。在能力指标方面，先进阻拦装置相比于液压阻拦装置具有阻拦能级更高、覆盖机型更广、阻拦过载更小等优势，回收能力整体增强，能够适应新一代航母及舰载机对航母阻拦装置回收能力的需求。

针对我国同类装备的发展，几点启示总结如下：

一是发展新一代阻拦装置是未来航母发展的必然要求。传统的液压式阻拦装置阻拦覆盖机型有限，尤其是难以适配轻型无人机及质量更重、速度更高的重型舰载机，同时还存在着操作维护工作量大、信息化程度低等不足，难以适应未来航母的作战能力要求，因此有必要发展新一代的航母阻拦装置，与未来航母及舰载机的回收能力要求相匹配。

二是要结合我国整体的工业技术优势，选择适合自己的阻拦装置技术方向。美国在先进阻拦装置的技术方案上选择了其应用相对成熟的水涡轮机作为主要吸能部件，即便如此，也在研制过程中频频出现问题而反复改进设计。我国机械技术水平相对落后于国外先进水平，但在电气技术方面与国外先进水平相当，因此可考虑以感应电机为主要吸能部件的技术方案，不仅可以扬长避短，还可以整体提高阻拦装置的自动化、信息化水平，获得更好的装备性能。

三是科学规划研制流程，充分释放风险。美国先进阻拦装置在发展历程上出现了诸多问题和反复，归结其原因主要是研制过程未遵守新装备研发的客观规律，盲目追赶母舰建造进度而造成。一项新装备研发通常会面临技术、资金、进度等方面的诸多风险，因此需要规划合理的研制流程对这些风险进行充分释放，尤其是不能为盲目的追赶进度而放松对装备的验证与考核，为了考核而考核，为了交付而交付，将不成熟、不好用的装备交给部队。

[1] Stackley S J, Gaddis D R. Procurement, Acquisition, Testing and Oversight of Navy's Gerald R. Ford Class Aircraft Program [R]. 2015.10

[2] Zhang XX, Zhang YX, Wang GS. Comparative Analysis of Different Cable of Electromagnetic Arresting Gear[C]. 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sydney, NSW, 2017: 1-6.

[3] 刘勇, 汪光森, 丁智深，等. 涡轮阻拦装置自动回撤轨迹规划算法[J]. 海军工程大学学报, 2018, 30(1): 28-32,74.

[4] 王海东, 毕玉泉, 杨炳恒, 等. MK7-3阻拦装置拦阻特点分析[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(9): 2038-2042.

[5] 刘向春. 航空母舰舰船适配性技术体系[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(3): 1-4,10.

[6] 刘相春, 卢晶, 黄翔钊. 国外航母舰载机出动回收能力指标体系分析[J]. 中国舰船研究, 2011, 6(04): 1-7.

Research on the Development of Advanced Arresting Gear of US Navy

Wang Qingyu, Li Qijun, Tan Dali, Geng Jianming

(Naval Research Academy, Beijing 100161, China)

TM92

A

1003-4862（2021）07-0039-06

2020-12-14

王擎宇（1986-），工程师，博士，研究方向：舰船航空保障特种装置和电磁发射技术。E-mail: jameswang8628@163.com.