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论舰载机在航母上的起降技术
-中国民用航空飞行学院 高等教育自学考试毕业论文论题论舰载机在航母上 的起降技术作 专者 业田贵生 航空机电设备维修
李茂炎 2016 年 11 月 17 日准考证
号 指导教师 完成日期中 国 民 用 航 空 飞 行 学 院论舰载机在航母上的起降技术摘要本文阐述了航母对于国防力量的重要性，舰载机在航母上起降安全的重要 性， 现代航母上舰载机主要的起飞方式及其安全性对比， 着重讲述舰载机降落技 术的重要因素， 舰载机辅助降落技术的现状和发展，适量推力与精确定位系统对 于飞降落安全性的重要意义， 全面改进的舰载机降落技术，降落技术发展对航母 及舰载机未来的影响。关键字：舰载机；起飞；降落IAbstractPaperdescribedhascarrierforDefensepowerofimportance，shipcontainsmachineincarri erShanglandingsecurityofimportance， moderncarrierShangshipcontainsmachinemaino ftookoffwayandsecuritycompared，focusesontellsshipcontainsmachinelandedtechnolo gyofimportantfactors，shipcontainsmachineauxiliarylandedtechnologyofstatusanddev elopment，amountthrustandprecisepositioningsystemforflylandedsecurityofimportant meaning，fullimprovedofshipcontainsmachinelandedtechnology，landedtechnologyd evelopmentoncarrierandtheshipcontainsmachinefutureofeffect。Keywords：carriermachine；takeoff；landingII目录摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................................... II 目录 ................................................................................................................................................ III 绪论 .................................................................................................................................................. 1 一、航母对于国防力量的重要意义............................................................................................... 2 二、舰载机在航母上起降安全的重要性....................................................................................... 3 三、现代舰载机在航母上的主要起飞方式................................................................................... 3 （一）弹射式起飞................................................................................................................... 3 （二）滑跳式起飞................................................................................................................... 5 （三）短距、垂直起飞........................................................................................................... 5 （四）舰载机起飞方式的比较............................................................................................... 6 1.弹射起飞（常规舰载机）............................................................................................ 6 2.滑跃起飞（有滑跃甲板，常规舰载机、垂直起降舰载机） .................................... 6 3.垂直起飞（垂直起降舰载机）.................................................................................... 7 四、舰载机降落技术的讨论........................................................................................................... 7 （一）舰载机降落安全的作重要因素................................................................................... 7 （二）舰载机辅助降落技术的现状和发展........................................................................... 9 （三）矢量推力/精确定位系统对降落安全性的重要意义................................................ 10 （四）全面改进的舰载机降落技术..................................................................................... 12 （五）降落技术发展对航母及舰载机未来的影响............................................................. 13 参考文献 ........................................................................................................................................ 15III绪论众所周知，在国家海防力量中，航母总是作为十分重要的一环。而航母的重 要性在于其能搭载大量的战斗机用于侦察以及作战， 因此舰载机在航母上的起飞 与降落的安全性就显得尤为重要了。 舰载机在起飞与降落过程中总是充斥之极大 的风险， 尤其是在降落的过程中，在茫茫大海中能够准确的降落在甲板上是非常 困难的。 随着科学技术的发展， 舰载机降落由最初的盲降到现在的全天候卫星导 航系统指引， 精准度发生了翻天覆地的变化。而舰载机的不断改良也使得降落的 滑跑距离越来越短， 安全性越来越高。 本文着重讲述舰载机降落技术的重要因素， 舰载机技术的现状及发展，还有舰载机降落技术对航母及舰载机未来的影响。1一、航母对于国防力量的重要意义时下，各类导弹武器和核潜艇威力日增，各种新概念武器层出不穷，被喻为 “海上巨无霸” 的航母是否还能够保持其原有的霸主地位？是否能够经得住联合 火力打击？即在可预见的未来， 航母的命运和前途究竟如何？这已成为各国民众 和军事专家与政要以及军工部门等关注的热门话题。然而现实情况是，具有近百 年发展历史的航母一直在不断地加强自我更新与改造， 已悄然地融入信息化军事 变革的洪流之中。 航母编队可同时使用多兵种、多舰种、多机种，能开辟独立的海战场，真正 做到全天候、大范围、高强度、长时间的连续作战，实现中远海的一体化联合作 战。 目前， 全世界共有 13 个国家拥有 32 艘左右大小不等的航母， 从发展趋势看， 大型航母依然为美国等海上军事强国所看好而继续发展。2006 年 10 月，美国海 军下水了“尼米兹”级核航母的第 10 艘“布什”号(CVN-77)，该舰作为承上启下的 航母， 运用了模块化设计与建造方式， 采取了许多新技术、 新设计等， 被称作“绿 色”航母。综合态势可见，强国海军的大型航母数量并没有呈现减少之势，反而 一些国家在加速发展中型航母的基础上，甚至还格外重视建造大型航母。 航空母舰一般总是一支航空母舰舰队中的核心舰船， 有时还作为航母舰队的 旗舰。舰队中的其它船只为它提供保护和供给。依靠航空母舰，一个国家可以在 远离其国土的地方、 不依靠当地的机场情况施加军事压力和进行作战。航空母舰 的出现， 是根据航空制胜论的出现而衍生出来的一种远洋移动航空作战平台，一 战期间出现的空战和空对地让有眼光的军事家发现： 制空权将成为主导未来战争 的主要决定因素之一。 飞机具备极快的移动速度和巨大的移动空间和机动空间， 对于地面目标和海 上移动目标的移动速度，具有极大的机动优势，在侦查技术的引导下，可以给予 这些目标致命性的打击。 同样，在海上作战当中，飞机也占有巨大而压倒性的优势，几乎二战期间所 有被击沉的航母都是由飞机击沉的。可见海上作战时候的制空权是极其重要的。 二战期间，航空母舰的主要作用是担任舰队防空，对敌方舰队的远程攻击任务， 对地登陆时的远程轰炸任务， 以及侦查等作用。 而现代航母主要集中美国、 英国、 法国等北约国家手中， 虽然印度也有，但是它并没有完整的航母作战的技术和装 备体系，在作战能力上有很大降低。现代战争：航空母舰的第一任务是威慑，以 美国的核动力航母为例，上面可载 90 多架战斗机和辅助机型， （全俄罗斯共有 400 架左右的苏 27 系列侧卫战机）相当于一个大国 1/5 的防空力量。2航母曾使传统的海战从平面走向立体，开创了现代意义上的全维海战，尚没 有其他先进海战兵器可取代之， 即在今后很长一段时间航母仍将是海空战的核心 主力， 而航母能使海战从平面走向立体的最重要因素就是其上搭载的飞机。舰载 机的出现成功地将最初单一的海面战斗引向了空中， 最初的海战也由单一的海面 作战演变成了水下水面天空三位一体协同作战。现代海战，三者缺一不可。而舰 载机作为最重要的一环，其起降的安全性则是重中之重。二、舰载机在航母上起降安全的重要性舰载机作为海战中十分重要的一环， 其起降的安全性就不得不作为重中之重 了，无论是起飞还是降落，都无一不是必须攻克的难题。舰载机起飞大致经历了 三个阶段， 由最初的弹射起飞到后来的滑跑起飞再到后来的垂直起飞，舰载机的 起飞方式可谓是几多变化，不过到现在为止这三种方式却都在使用。 在这个科技飞速发展的时代，在做好一件事情的同时，保证安全是最为重要 的。航母与舰载机发展一百多年的时间以来，已经发生了翻天覆地的变化，究其 原应，惟有安全与性能的提升，而这一切都始终围绕着安全这个主题。不断地对 飞机以及甲板的改进都是为了舰载机能够安全升空降落而作的努力。 舰载机在甲板上的起降是一个充满了危险的过程。过前、过后、靠左、靠右 都有可能使舰载机冲出甲板或者撞到旁边的飞机。 甲板的横摇幅度过大也会使舰 载机机轮触及甲板时产生倾覆。 甲板降落方式还带来了飞机结构增重，严重影响 了舰载机的战技性能， 与同类型的陆基作战飞机相比，几乎所有舰载机战士技术 性能都有相当大的下降。 为满足舰载机安全升降要求，航母的设计者不得不采用 放大排水量和加大飞行甲板面积这两个迫不得已的办法来降低事故率。 舰载机的起降安全是我们一直以来所努力的方向， 接下来的内容我将为大家 讲述有关于舰载机起降的发展历程及未来的趋势。三、现代舰载机在航母上的主要起飞方式（一）弹射式起飞31911 年美国的西奥多?戈登?埃利森上尉发明了重锤与滑轮结合的加速弹 射器装置， 而后又改进为压缩空气推动活塞的弹射器，并于 1915 年 10 月装设于 北卡罗来纳号装甲巡洋舰上， 为最初实用化的弹射器，而后又出现了油压式的弹 射器。早期由于螺旋桨飞机重量轻和起飞速度不大的缘故，一般都以自力起飞， 只有重量较重的水上飞机和无甲板空间可滑行的战列舰舰载机才需要用到弹射 器。到了喷气飞机的时代，舰载机重量大幅提升（二战时美军主力舰载战斗机― “F6F 地狱猫” 重 5.7 吨， 而现代美军舰载战斗机 “F-14 雄猫式” 重达 27。 5 吨） ， 自力起飞和原先的弹射器设备已不足以应付其需求， 于是 1951 年， 英国柯林? 米 切尔中校（ColinC。Mitchell）提出将航母蒸气轮机的蒸气连动到弹射器上，进 而发明了航母用的蒸气弹射器 （值得注意的是，第一个发明以蒸气作为弹射器动 力源的国家是德国，用于 1944 年发射 V-1 导弹之用） ，并在伯修斯号航空母舰上 首次安装试验，美国也于 1960 年研制出内燃式弹射器，但其效果不令人满意， 日后被淘汰。到了现代，弹射器形式分成两种： “拖索式”和“前轮牵引式” ，前 者是以钢索将舰载机挂载于滑块上，再以其快速向前移动，将飞机沿着甲板上的 轨道拖曳加速，进而起飞，目前仅有巴西的“圣保罗号”航母为此种弹射方式； 后者则是将飞机前轮上的弹射杆挂载于甲板上弹射器的滑块中， 经由弹射的拖曳 达到加速之效，后者比前者省下大量的人力，弹射时间也更短，但舰载机需要经 过专门设计，目前这种弹射法为主流。 现代的弹射器一般以蒸气作动力，其管线铺设于飞行甲板下，并在甲板的沟 槽上连结一滑块，在“前轮牵引式”的情况下，飞机会将弹射杆勾住于滑块，当 弹射器充气完成后，甲板会立起阻挡热蒸气、保护甲板作业人员的“喷流挡板” （分成耐热砖和流水冷却式两种，目前新建航母采用前者，在不需进行弹射作业 的情况下可盖起来成为甲板的一部分） ，飞机再借由蒸气的强大推力驱动滑块前 进而起飞，多余的蒸气再于管线末端排出，若天候恶劣、甲板勤务人员不好进行 作业时，可以自甲板的“弹射器综合控制系统”操作，其为甲板上的一个半圆形 透明操作室，可于该处操作弹射系统，不使用时可关闭而成为甲板的一部分。蒸 气弹射器造价昂贵、设计、制造和安装技术均复杂、保养非常费工夫、占用航母 空间过大和过重（以尼米兹级来说，4 台蒸气弹射器重量就有 2280 吨，体积则 有 2265 立方米） ， 一般大型航母上都有两部以上的弹射器，可以在 2 秒内将飞机 自 0 加速到每小时 300 千米，大约每 20 秒即可让一架飞机升空[55]。目前世界 上只有美国的蒸气弹射器于航母上使用着，为 C-13 型，C-13 型除了供给美国海 军使用外， 法国海军也使用此型。 美国海军目前正尝试采用新式的 “电磁弹射器” ， 其原理类似磁浮列车，能有效降低维护和发射成本，并能提升航母自动化程度。4（二）滑跳式起飞“滑跳式”起飞，须借由特殊的“滑跳式甲板” 。由英国的道格拉斯?泰勒 （DouglasTaylor）所发明，最早于 1970 年代应用在无敌级航母上。原理为飞机 贴着甲板进行滑行加速时， 经由向上抬升约 4 至 15 度的飞行甲板获得正轨迹角、 俯仰角速度和一定的初始高度。 滑跳式起飞和弹射起飞相比的优势是成本低、技 术简单和甲板人力少，缺点是飞机载重比弹射起飞者轻（载重中包括油料，影响 其航程） ，也会降低飞机离舰速度、增加起飞所需跑道距离、起飞时需额外加速， 使得飞机要耗更多油，导致飞机作战时间较短、起飞效率也比弹射起飞低（后者 约为其四倍以上） 。这种离舰方式一次只能让一架飞机起飞，要执行大规模机群 的行动时颇花时间， 俄罗斯的 “库兹涅佐夫号” 为了弥补这问题而设有两条跑道。 目前除了美国、法国和巴西外，各国航母皆使用这种甲板，虽然短程/垂直 起降机有能力不借由滑跳甲板而进行起降，但这样武器载重量就必须有所牺牲， 故一般作战时仍会尽可能以满载的状态进行滑跳起飞， 等到弹药消耗完后再以垂 直的方式着舰，亦有以拦阻网降落的类型。（三）短距、垂直起飞短距、 垂直起飞是发展最晚的一种方式，而且到现在为止也没有到达一种相 对来说比较完善的技术要求。短距、垂直起落飞机产生升力的办法有三个，一个 是偏转发动机的喷管，也就是矢量推力发动机；第二种是直接使用升力发动机提 供升力；第三个是前两种办法的组合，同时使用升力发动机和主发动机。短距、 垂直起飞大多是依靠发动机矢量推力达到起飞的目的， 这种技术经过半个世纪的 发展取得了阶段性的成功，但就其本身技术而言还是处于初级阶段。 普通航空发动机提供的推力方向是固定的， 和飞机的纵向中心重合或呈一固 定夹角，而矢量推力发动机（主要是喷气式）可将推力方向做垂直或水平调整， 这样做好处很多，如可使飞机起降滑跑距离更短，可使飞机机动性更突出，在失 速状态可给飞机一个有效的控制能力， 调整推力方向可使飞机在阻力最小的迎角 下巡航以增大航程等。 矢量推力发动机和普通航空发动机大体是相同的，只是尾 喷管是可偏转的活动部件。 俄式矢量推力发动机尾喷口和发动机是球形铰接，结 构复杂但能提供 360 度全方向偏转。美国采用矩形喷口，上下左右各是两对偏转 板，结构简单，只能选择在上下或左右方向偏转。推力矢量发动机又分二元推力 矢量发动机和多元推力矢量发动机（多元推力矢量发动机又称全推力矢量发动 机） 。 二元推力矢量发动机的喷管可上下 15 度偏转，多元推力矢量发动机的喷管5可 360 度全范围偏转。二元的设计较简单，而多元的要更为复杂，成本也较二元 的高。 推力矢量发动机的主要生产国是美国和俄罗斯。俄罗斯有 AL － 41F ， AL-41F-1S， AL－31F，AL－31FP， AL－31FU，AL 一 31FNN1，AL-37FU 等等。 美国的是 JSF 系列，其型号不详。（四）舰载机起飞方式的比较1.弹射起飞（常规舰载机） 美国、法国的航母舰载机都是弹射起飞，适用于大中型航母。 优点： 起飞重量大，可以多带些弹药和燃油；获得起飞速度大，可以实现固定翼预 警机等大型舰载机上舰；可比较复杂的海况，对飞机的气动性能要求相对较低； 飞机起飞不会受滑跃甲板产生的涡流影响；飞行甲板没有占用太长的坡道，有更 大的空间可供利用，舰载机布置调运可以灵活些；一艘舰可以有 2-4 个弹射器， 起飞效率较高且全部战损几率很小。 缺点： 弹射设备复杂，维护保养任务繁重；造价高，在战争中一旦被敌方攻击，很 容易损坏，而且修理困难；弹射器尺寸大，飞行甲板短的小型航母不适装；而且 还需要蒸汽产生器、储气罐，没有锅炉的航母就要额外添置了；整个系统要占据 大量空间， 小型航母拿不出足够的空间；弹射器对航母的动力消耗和蒸汽消耗很 大，每次都要消耗蒸汽或电能；现在使用的蒸汽弹射器起飞加速度峰值很高，对 飞行员会造成 3 个 G 以上的加速度，因此会影响飞机的结构寿命和飞行员的身 体健康。 2.滑跃起飞（有滑跃甲板，常规舰载机、垂直起降舰载机） 这种起飞方式非常普遍， 适装于中小型航母，无论是常规舰载机还是垂直起 降舰载机都能用， 常规舰载机可以靠它成功起飞，垂直起降舰载机可以用来增大 载重、航程。 优点： 不需要航母提供额外动力，设计简单，成本低廉；不需要大量复杂的设备占 用舰体空间；适装性好，无论是哪种体型的航母都可以装滑跃甲板，无非是效率 好不好罢了；滑跃起飞不需要淡水、蒸汽，不会被低温环境影响，使用范围不受 影响。 缺点： 舰载机油耗大，滑跃式起飞中会耗费大量燃料，缩短作战半径缩小；6滑跃起飞操作难度大， 滑跃式甲板的颠簸可能导致舰载机在滑行时比弹射式 更难以控制，可能发生偏航；起飞时需要甲板面积大，滑跃需要较长跑道，甲板 面积要大过相同战力的弹射起飞；最严重的是飞机起飞偏航问题；因为滑跃起飞 飞机是自由的，不象弹射起飞那样锁死在弹射器上，又都是双发飞机，两发动机 微小推力差引起滑行偏航，虽然还能起飞，但跑道宽度就要求大了，更恶化了甲 板条件。 3.垂直起飞（垂直起降舰载机） 垂直起飞实在不是好的起飞方式，估计是陆地战机在失去机场时才能有用 的，垂直起降飞机还是滑跃、滑跑起飞比较好，最好能滑跑、拦阻降落，军舰上 就垂直降落吧。 优点： 垂直起降的优点是机动性和灵活性高，受机场起降条件影响小，甚至可以在 普通的平地上起降，就是说航母可以做的很小，飞行甲板也不必大，看基辅级航 母那么点大的飞行甲板就知道了。 缺点： 耗油是几种起飞方式中最大的，还只能携带最少的燃油弹药，同样航程就需 携带更多的燃油，如果起降重量一定的情况下，能携带的弹药就少了。四、舰载机降落技术的讨论（一）舰载机降落安全的作重要因素从工程技术的角度看， 不管是采用弹射起飞还是滑跃起飞， 解决舰载机的起 飞重量问题所面临的技术难关远远超过了降落， 这主要是因为阻拦装置相对于弹 射器只是一个被动的能量转换装置，在技术含量上远不能与弹射器相比，因此液 压阻拦装置很早就己成熟， 并且一直使用到现在， 有人把这类装置与弹射器一并 说成是中国发展航母的瓶颈实在是有些不妥。从航母发展史看， 舰载机降落问题 的解决早于弹射器的完善，但这又是一个“进门容易、提高难”的问题，因为降 落牵涉到航母及舰载机设计的许多方面。 对降落安全影响最大的因素是舰载机自身的性能。据美国海军的统计，一战 中，舰载机平均每降落 50 次就有可能发生 1 次事故，事故率为 2%；当喷气机上 舰， 事故率马上就降低到了 1％的水平。 喷气机采用滑行性能好的前三点起落架，7可以采用大下滑角不拉平降落方式着舰， 靠增大航母飞行甲板对下滑飞机 “投影” 面积的比值来保证飞机“命中甲板”的概率，一下子就把当时舰载机的着舰事故 率从螺桨机的 2％降低到 1%。后来航母上又出现了光学助降设备，这种设备为 飞行员提供了一个可以看得见的下滑引导光路，进一步使事故率减少到 0.5%以 下。再后来又出现了斜角甲板，为着舰飞机增加了再次复飞拉起的机会，事故率 再次下降。 一般来说， 舰载机的降落速度越低越好， 但战后舰载机降落安全性的改善与 降落速度的大小并不矛盾，战后，舰载机为了照顾主要战术性能，飞行速度不断 增加， 这也意味着其降落时的飞行轨迹控制要比螺桨机好得多。飞机的降落速度 越高，操纵性就越好，飞行轨迹就越精确。战后舰载机的发展过程也说明了这一 点。 舰载机降落速度之所以增加，主要是为了在确保一定安全性的情况下尽量提 高飞机的主要战技性能，例如航程、载弹量等。从几代舰载机降落安全性不断提 高的角度看， 在某种意义上可说，降落速度的增加对提高舰载机的降落安全性有 一定的积极影响。 提高降落速度的限制因素一是飞机制动过载过大会引起结构增 重，二是飞行员的反应和飞机的性能跟不上，下滑轨迹稍不准确就得拉起重飞。 因此现在舰载机的降落速度基本上都保持在 240 千米/时左右。 当然，喷气机之所以能把事故率从 2%降低到 1%也与螺桨舰载机使用拦机 网作最后一道制动“防线”有很大关系。二战中的大型航母为了实现起飞降落同 时进行，在直通甲板前三分之二处设置有可收放的拦机网， 早期的拦机网用钢丝 制成， 使用频率很高，存有余速的飞机冲入网中使发动机罩或机翼前缘包皮受损 的情况很多见，严重时会使机翼产生损伤。后来，拦机网改用了高强度的尼龙， 增加了网格密度，使飞机受到阻拦时受力更为均衡，适当降低了这方面的损害。 从斜角甲板提出的时间看， 拦机网对机体损害较大也是一个重要原因，因为提出 斜角甲板的英国海军只是到螺桨飞机几乎全部退出航母后才开始采用斜角甲板。 除了起落架形式对降落安全有影响外， 起落架主轮距和前后轮距的大小也对 降落安全有着非常重要的意义。 对于前三点起落架来说， 前后轮距的大小对滑行 性能有一定影响，一般来说轮距大一些较好。起落架本身的“悬挂”性能对机轮 接触甲板过程的平稳也有非常重要的意义。在二战前单翼机上舰的一段时间中， 人们意识到了尽量增加起落架减振行程对减少飞机着舰时产生弹跳概率的重要 性，因此舰载机的液压减振装置功率都要比陆上飞机大，压缩行程也一样。美国 现代舰载机在起落架设计中已经采用了能根据降落速度和机体重量自动调整液 压减振参数的技术，变以前的被动减振为现在的主动减振， 这种起落架能大大减 少由于机轮不对称而在接触甲板或下沉速度太大时造成的侧倾和弹跳现象， 从而 减少事故的发生。 由于改善了起落架的减振吸能效率， 主动式起落架还延长了起8落架和机体的寿命。 螺桨舰载机普遍采用机首安装单台发动机的布局， 飞行员的前下视角度非常 不利于正滑着舰， 这导致二战中降落飞机的重飞次数很多， 是降落事故增加的间 接原因，而喷气机发动机在后、 飞行员靠前的布局基本上消除了这一影响安全的 因素。 早期螺桨机的阻拦钩直接安装在机体尾部的受力纵梁上， 在着舰挂住阻拦 索时， 机体会受到很大冲击， 甚至出现降落时后机尾因阻拦过载太大被拉断的情 况。 后来的舰载机在机体和着舰钩之间增加了弹簧或液压形式的减振器，减少了 这方面的事故。（二）舰载机辅助降落技术的现状和发展为提高降落的安全性， 除了改善飞机降落性能外， 在操纵规范上设法减少降 落事故也是一项非常重要的措施。 尽量增加航母的行驶速度已经成为保证降落安 全的一项硬性规定，二战中，为了保证舰载机降落安全，整个航母编队要转到风 向行驶，尽管这会严重影响编队的战术行动(完成一次转向会耗时半个多小时)。 用增大航母航速来提高降落安全性的方法到目前为止仍未改变， 美国海军航母在 起飞舰载机时航速普遍超过 20 节。 早期舰载机的安全降落涉及了飞机降落性能和着舰设备， 而飞行员的操纵技 术和舰上导引员的引导技术则属于人工化的辅助降落技术， 这种人工技术受飞行 员和导引员经验及气象条件的限制，表现出很大的不确定性， 因此战后将这些人 工技术进一步“物化”成了技术设备。二战后出现的光学助降系统可以在某种程 度上取代导引员， 但在相当长的时间内， 舰载机飞行员的作用却一直没有与光学 助降系统相类似的设备来取代。 在战争条件下 0.1%的着舰事故率是可以接受的， 但在和平时期这样高的事故率就是不可容忍的了，为了提高着舰的安全性，美国 海军早就有人设想研制自动化的着舰技术。从理论上讲， 二战后十年间已经出现 了 F-102 这样的能自动完成发现、进入攻击位置、自动发射等过程的截击机，这 与舰载机降落到航母甲板上基本上是一个原理， 但实现的手段在技术上的难度还 是有很大差别的。 由于雷达的应用， 舰载机的返航路线及找到航母的位置都己不 成问题，但限于技术的不足，着舰所需要的精度测量不能满足需要，舰载机着舰 的关键时刻还得是以飞行员结合光学助降装置的操纵为主。就重要性而言，菲涅 耳透镜光学助降装置一类的设备在舰载机下滑着舰时所起到的作用要比雷达大 得多。 先进设备不能充分发挥作用的最主要原因是受飞机性能的限制， 飞机不能充 分利用飞行指令来实现下滑过程中的轨迹精确控制。在下滑过程中，飞机依靠尾 翼不断进行小范围偏转来调整一下滑轨迹，但由于气动舵面存在着滞后效应，速 度低时不能产生足够的操纵力， 因而不能对自动着舰系统发出的指令作出快速反 应;另外一个因素是，这种着舰助降系统提供的着舰精度对舰载机的降落来说还 略显粗糙，例如电子助降系统操纵飞机可达到纵向正负 13 米、左右横向误差 3 米的着舰精度，但在通常的着舰条件下，仅靠飞行员也可以做到这样的精度，甚 至做得更好。美国现役航母测速雷达的测量速度误差为 2.5%了，这意味着每秒9钟航母与飞机之间就有 5 米的水平距离误差，再加上飞机的反应延迟时间，也就 只能达到纵向正负 13 米、横向正负 5 米的精度了。美国舰载机人工着舰时的进 场高度规定在 4 米以上，按照 3 米的误差，再考虑到人的反应延迟，依靠仪表显 然优势并不大， 加之战时有电磁静默的需要， 自动着舰系统对降落安全性的提高 并不比人工结合光学导引更多。 这套系统只是保证了在恶劣气象条件下舰载机的 降落安全性，很多情况下只是用来引导舰载机进入止确(相对粗糙)的着舰航线， 而在下滑轨迹尽头的调整上还得由飞行员依靠自己的经验和舰上着舰引导员的 指挥。 正因为如此美国第二代舰载机中的一些攻击机和支援飞机为省钱而没有安 装这套助降设备。 实际上， 影响舰载机降落安全的不利因素从飞机完成任务返航的那一时刻起 就己存在，一直到机轮触及甲板钩上阻拦索、机体完全停下来才消失，而技术的 发展就是尽可能地消除这一过程中所有的不安全因素，在技术达不到的情况下， 只好采用一些非技术化的手段来解决。为了能进入正确的下滑轨迹，美国海军规 定飞机进场时必须先建立降落航线，先从航母的后方按一定飞行高度飞越航母， 然后左转弯再次对准航母才能进入下滑轨迹。之所以要这样做， 是因为飞机本身 的性能所限，另方面是因为降落时航母和飞机都在运动，海上又缺乏地标，导致 所需飞行数据采集不全面且精确度不够。 着舰失败不仅指发生严重事故或没有挂 上阻拦索，而且还包括下滑轨迹不准确引起的重飞。从某种意义上讲，重飞和复 飞也是事故， 因为再次降落增加了事故率， 因此为飞行员提供确实可靠的降落导 航信息也是提高降落安全性的重要环节。 十多年前美国海军开发出目视远程激光 导引系统，可使飞行员在 12 海里之外就能进入正确的下滑轨迹，这样就有充分 的时间调整飞机的飞行姿态和航向， 就是在能见度不好的天气条件下目视距离也 可以达到 3 海里， 大大减轻了飞行员着舰时的心理负担。 法国海军也为 “戴高乐” 号航母开发出了一种红外光电降落导航系统， 可以提高飞行员进入正确着舰航线 的效率。 舰载机降落安全性与航母降落区的长度一直有很大关系。 二战中的美国大型 航母通常把直通甲板的三分之一做为降落区，长度在 20 米上下，剩下的做为弹 射起吃区。美国在二战航母“埃塞克斯”级的基础上改装的航母降落区长度 146 米，一百使用到上个世纪 70 年代，基本上可以满足使用要求，只是在保证安全 降落及飞行作业时有些不理想， 因此后来设计的航母降落区长度都有了较大幅度 的增加。通常，飞机阻拦制动所需的制动距离为 10 米左右，但为了防止着舰时 进场高度低而撞上降落甲板的起始端， 舰载机的机轮触及甲板的位置大都在离起 始端 70 多米处，以便为降落提供更多的“容错距离”，这样降落甲板的长度就必 须超过 190 米， 再加上阻拦制动结束后飞机离开降落区的回旋半径，总长度就超 过了 200 多米。 战后美国建造的航母降落甲板长度普遍超过 220 米，实践证明这 样的降落长度可以将事故率进一步降低， 美国“尼米兹”级的降落区长度已经增加 到 256 米左右。（三）矢量推力/精确定位系统对降落安全性的重要意义上个世纪 80 年代，飞机矢量推力技术有了长足的进步，各国专家们在研究 矢量推力的过程中意识到这种技术可以相当有效地提高飞机低速飞行时的操纵 性和飞行轨迹的精确度。 矢量推力的操纵效果与飞行速度无关，只要机翼能产生 足够的升力， 就可以使飞机的最低平飞速度降低到与之相对应的速度上去，更为10重要的是， 矢量推力能在较短时间内提供很大的操纵力矩，响应速度比气动舵面 灵敏得多，因此能大幅度提高飞机的下滑轨迹精度，对于舰载机而言，速度的降 低和下滑轨迹精度的增加就意味着降落安全性的大幅度提高。 2003 年 4 月 29 日， 美国海军利用 X-3lA 试验机成功进行了世界上首次完全 由电脑控制的超短距起降试验飞行。X-31 在自动控制系统的操纵下以惊人的 24 度大迎角状态着陆，以至于机尾的离地高度比主机还低。不要担心机尾会撞地， 就在机尾部离地面只有 60 毫米的瞬间，能够提供精确度达巧毫米的信标测量系 统就会自动发出操纵指令，“使发动机喷口处的矢量偏转面偏转，让飞机完成一 个反旋机动动作”，也就是说让飞机迅速低头，使机尾抬高，在机轮即将接地时 让机尾的离甲板高度大于机轮;紧接着，矢量推力再反偏转向上，消除机体低头 产生的转动角速度， 使之保持最佳着舰角度，这样就能让飞机机轮以最佳的两轮 或“三点”状态触及甲板。 当然，光有了矢量操纵技术还不行，X-31 还采用了以下两项新技术来完成 全自动降落:一是能提供飞行速度、高度、温度和飞行姿态等重要信息的大气数 据系统;二是先进的高精度信标着陆系统，这种系统可以使舰载机在降落时与母 舰之间的定位精度达到 15 毫米。严格地讲，这些技术在早期的自动着舰系统中 己有应用，只是精度达不到需要的水平。对提高降落安全性而言，在这三项技术 中， 以矢量推力技术最为重要， 其他两项只足充分发挥了矢量技术对提高降落安 全性的影响， 例如大气数据系统可以为飞机提供最为准确的飞行即时数据，而高 精度信标系统则能在 X-31 机尾即将触及甲板时及时“通知”矢量推力喷管向下 偏转， 使机体迅速低头， 当然精确的测量数据也可以在下滑过程中提高轨迹的精 度。 现代战斗机采用了大推力的发动机， 在起飞过程中己经可以利用机身上仰时 发动机产生的向上分力承担一部分机体重量， 但在降落时由于发动机的油门必须 位于小功率位置上，没有办法利用这一技术。而矢量技术可以让飞机以大迎角下 滑，可以适当加大发动机功率，再加上下滑迎角加大，就可以利用发动机的功率 来降低着舰速度了。相对于航母甲板 24 度的机翼迎角使得飞机发动机能够处于 较大功率状态， 既满足机轮触及甲板后要加大推力的需要， 又具有足够的推力分 量以克服机体大迎角产生的气动阻力，可以在下滑精度、降落速度这两个方面达 到最佳配合， 着舰安全性的大幅度提高也就水到渠成了。根据上述三项关键技术 结合所表现出的优势来看，未来舰载机的降落进场速度完全可以从现在的 250 干米/时左右降低到 180 千米/时上下， 着舰精度则可以从以前的纵向正负 13 米提 高到正负 2-3 米的程度，横向精度则可以达到 0.5 米以下的水平。就 5 毫米的测 量精度而言， 适当调整左右副翼的偏转角度就可以让左右机轮同时触及甲板，未 来的舰载机不会再出现因机轮没有同时触及甲板而产生弹跳现象了。 从发展的眼光看， 利用矢量推力技术增大飞机的下滑迎角还有很大潜力。美 国 NASA 的 X-31A 在 10 年前试飞时的平飞迎角就达到 70 度，此时发动机推力 儿乎承担了机体重量一半以上，如果舰载机能以这样的一半气流迎角进入下滑， 则着舰动能还能进一步降低， 达到 50%甚至更高也是可能的。 考虑到大迎角飞行 时发动机能够产生很大的推力分力以支撑飞机重量， 未来舰载机的降落速度完全 有可能降低到 130 千米/时以下，这种情况在一些新型战斗机上己经有所体现。 当然，如果真要到了这一步，对于主起落架而言，可能会抵消一部分减速效果， 因为着舰瞬间的反旋机动抵消了原来降低进场速度而减少的起落架所承受的下 沉速度。对于采用了上述三项技术的未来舰载机来说，由于要求起落架能承受 611米/秒的下沉速度，因此下滑迎角还可以增加，完全可以达到 30 度以上。 矢量推力技术不但能提高舰载机的下滑精度并降低着舰时的冲击能量， 还能 大幅度提高舰载机进入着舰“窗口”的概率，或者说使进场着舰的“窗口”扩大 了。这一点往往被人们所忽视。不管是陆基飞机还是舰载机，降落时为了不至于 “手忙脚乱” ，只要机内燃油足够，按照操作程序都会有一个建立降落航线的过 程，之所以要建立航线，就是为了能顺利地进入到降落“窗口”中。建立降落航 线的要求延长了舰载机的降落时间，同时也对舰载机的航程产生了不利影响。美 国舰载机降落时规定机内燃油最少在 400 千克以上，再加上建立航线的燃料，就 会超过 500 千克，飞行员每次降落最为担心的就是燃油不够，对于 F-18 这样的 舰载机来说，500 千克燃油相当于起飞时所载燃料的 7%，至少会减少航程 10% 以上。 在采用了矢量推进技术和精确定位系统后， 舰载机就可以取消为建立降落 航线而围绕航母飞一圈的限制， 机载计算机可以根据飞机自身相对于航母的位置 不断规划出新的下滑飞行轨迹。 美国海军的初步设想是让飞机能从相对于航母的 任何方位上一次性进入舰尾下滑降落轨迹区，从理论上讲，像 X-31A 这样带矢 量推力装置的飞机完全可以迎着航母飞行， 然后在离航母尾部几千米的空中做一 个机头回旋的高机动动作而直接进入下滑轨迹。 舰载攻击机、 预警机和其他支援飞机是不会采用矢量推力技术的，但同样可 以在高精度定位技术的帮助下大幅度提高降落安全性。 在舰载机降落过程的描述 中，经常会出现“降落窗口”的字眼，实际上用“降落通道”更为形象和准确。 这个通道可以看成是一个漏向航母甲板的巨大漏斗， 飞机只有始终保持在 “漏斗” 的范围内下滑，才可能降落到甲板上。舰载机在进入下滑着舰轨迹时，由于高度 不断降低和海面气流变化，机体的下滑轨迹总会和正确的下滑线有一定的偏离， 往往会呈现出忽高忽低、 偏左偏右的曲线变化， 这种变化趋势的大小取决于舰载 机的操纵控制。 早先的电子测量装置在探测着舰飞机与航母之间距离的时间上不 存在延迟，但同样存在着和人差不多的“感觉”误差，不能提前控制飞机的飞行 状态，但在有了高精度的定位装置后情况己有所改变。从工程角度看，没有采用 矢量推力技术的舰载机除了着舰能量不容易降低外， 着舰精度的大幅度提高也能 使着舰安全性产生巨大变化。（四）全面改进的舰载机降落技术降落技术的进步还表现在航母的甲板上， 未来航母将要采用电磁制动装置来 完成飞机的着舰阻拦作业。 现有的液压阻拦制动装置结构复杂， 重量和体积也稍 显偏大，更为要命的是这种制动装置的制动极不均衡。美国和俄罗斯航母上的制 动装置制动距离普遍在 10 米上下，按舰载机的着舰速度计算，平均过载不应超 过 3g，但这种装置的最大制动过载往往超过 4.5g，以致设计师在设计舰载机时 不得不采用较大的过载值作为“保险”，使机体付出了过多的结构增重代价。相比 之下，电磁制动器具有重量轻、维修容易、制动过程平稳等优点，再加上用轻质 高强度复合材料制作阻拦索， 因此完全可以在扣除降落时“特殊情况”因素的影响 下，使现在的舰载机制动“设计”过载从 5g 降低到 4g 以下。前有美国海军估计的 矢量推力使“着舰动能降低 38%”，后有电磁制动过载的大幅度降低，这对减少舰 载机的结构重量有多么重要的意义。 利用电磁制动器阻拦舰载机从设计航母的角度看也有相当大的意义。 为了使12阻拦索的制动作用均衡地作用到飞机上，同时又使阻拦索有较大的“偏航容错能 力”，现在航母使用的阻拦索绷紧宽度大都在 40 米以上，由于还要考虑现有阻拦 索不均衡制动引起的飞机滑行偏差，整个降落区的宽度就更大， 这就造成了降落 区面积占航母总甲板面积一半以上的情况。 电磁阻拦装置可以很容易地精确调节 阻拦索两头的制动力大小，因此具有较高的“容错能力”，再加上舰载机着舰精度 可以控制在 1 米左右， 这就意味着阻拦索的绷紧宽度可以大幅减小，如果能减小 一半， 飞行甲板就显得比较宽敞了。电磁阻拦装置同时还有及时调整降落飞机滑 行方向的能力， 可以使被制动的飞机准确地沿着降落中心线滑行， 甚至可以通过 调整阻拦索两头拉出的长度，从而把飞机“制动”到降落区外右侧的停机位置上， 以便立即进行下一架的回收，大幅度提高回收飞机的速度。从效费比的角度看， 电磁阻拦装置的优势比电磁弹射器要大得多，在技术上难度上则要小得多，应该 率先出现在航母上。 实现了高精度着舰的舰载机如果再利用电磁阻拦装置着舰， 航母就有可能把 降落区宽度缩小三分之一以上， 这将极大改善飞行甲板的拥挤状态，而且高精度 的下滑轨迹有可能使舰载机机轮在降落甲板的起始端 30 多米处就开始触及甲 板， 从而提高甲板长度的可用性。以上两个特点可使航母腾出相当大的甲板面积 供起飞、停机使用，同时也可以控制航母因加宽飞行甲板而带来的结构增重。（五）降落技术发展对航母及舰载机未来的影响舰载机降落技术是通过舰载机本身的改进和航母的发展两个方面的相互配 合而不断提高的，反过来对舰载机和航母的各自发展也有着巨大的影响。 通常认为弹射会使飞机增重，严重影响舰载机的性能， 但实际上舰载机大下 滑角无拉平着舰引起的高下沉速度和阻拦过载导致的结构增量更为严重。 现代舰 载机弹射起飞时的冲击过载也就 3g 稍多些，俄罗斯米格-27K 尾钩上的阻拦设计 过载是 4.5g，美国舰载机着舰速度较大，尾钩的设计值有可能超过 5g，这使得 舰载机的阻拦钩使用次数有一定限制，F-18 的使用 50 次就得更换。当前述技术 全面得到应用后，像 F-18 这样的舰载机就有可能减轻结构重量 500 千克以上， 这对提高其主要战术技术性能意义非常重大。 通常把满足降落安全视为航母排水 量很大的主要原因，随着降落技术的发展，这种看法似乎也得改变了。 以前， 为了提高“命中甲板的概率”， 舰载机采用了无拉平大下滑角降落方式， 而现在由于矢量技术和高精度信标着陆系统的帮助， 下滑轨迹可以达到以厘米计 的精确度，未来的舰载机在进入甲板上空后适当拉杆降落就是很自然的选择了。 当降落能量大幅度降低且采用制动过程非常平稳的电磁装置后， 舰载机就可以在 阻拦增重和起落架加强这两个方面节省不少重量，这在某种意义上也意味着，陆 基战术飞机只要稍加改装就可以成为舰载机上舰了，正是因为这一点，英国己经 考虑在未来航母发展中让空军的固定翼飞机上舰的可能性。 对许多国家来说， 最理想的舰载机应该是一种对平台排水量要求不高、同时 又具有较高战技性能和性价比的战斗机， 这就使得许多专家把轻型航母的发展前 景建立在能制造出具有垂直降落能力的舰载战斗机上。 但由于这种战斗机为获得 垂直降落能力而损失了太多的主要战技性能， 因而将其结合中小型航母形成海上 航空兵力的效果往往不能令人满意， 英国和俄罗斯通过垂直起降舰载机的研制及 使用过程已经意识到了这一点。13以上所及技术的发展己经使常规舰载机在保证降落安全的前提下大幅度降 低了对航母排水量的苛刻要求。对于想发展舰载机及航母的国家来说,意识到这 一点是很重要的。因为和研制类似于美国 F-35B 那样的飞机相比,发展常规舰载 机还是相对容易的,而发展矢量推力喷管技术和高精度定位装置也是一种涉及面 不太广、投入相对较小的技术,再加上小排量的航母就更适合自己的国情。舰载 机降落技术的飞跃为航母的发展提供了更为宽广的前景,考虑到美国 40 年前的航 母降落区只有 146 米长,而当时的飞机进场速度、飞行轨迹控制等性能远远次于 现在的飞机,相比之下,实现了高精度、超低进场速度和利用电磁阻拦装置制动的 未来舰载机完全有可能在更短一些的航母甲板上实现安全降落,而 146 米长的降 落跑道在 10000 吨排水量的直通甲板航母上也能提供。 小型航母抗风浪能力差的 弱点可以通过技术上的进步来解决,考虑到小型航母转动惯量低等物理上的因素, 采用“戴高乐”号的重物压载与主动减摇措施所取得的效果将比 “戴高乐 ”号更突 出。 从战后喷气机上舰的降落复飞次数看,斜角甲板对减少着舰事故功不可没,不 过减少的次数正随着降落技术的全面发展而逐步降低,这首先是因为现代舰载机 的降落推重比己经有了很大提高,其次是因为着舰精度己经有了质的改变。考虑 到斜角甲板相对于航母纵轴线有一个 10 度左右的斜角,会影响到飞行员降落时的 操纵(美国飞行员总是抱怨斜角甲板在 “躲避 ”降落的飞机),因此美国在未来航母 设计方案中出现了平行航母轴线、把降落甲板设计在航母左舷的设计。这种设计 不存在斜角甲板浪费有限甲板面积的缺点,能充分扩大停机面积,因而早就出现在 美国人的航母方案中 ,只是由于甲板宽度限制和舷侧甲板处风浪 “升降”幅度较大 而一直没有得到采用。而当航母采用了电磁阻拦装置和更加完善的减摇措施后, 正好适应这种布局的需要,当然这两项技术对反斜角甲板航母设计也更为有利,可 以为进一步降低航母的最低可用排水量创造条件。 谈及舰载机降落技术的未来发展,最重要的是要考虑到美国的 X-31 是利用电 脑实现无人自动降落的 ,根本不需要飞行员的参与 , 这本身就是一个革命性的进 展。这个革命性的进展将大大减少飞行员花在降落训练中的时间,美国用在飞行 员着舰训练上的费用就占了航母总运行费用的很大一部分,据说舰载机飞行员有 四分之一的时间用在了起降训练上,让舰载机自动降落就可以省掉这些费用。从 以上所有情况的综合可以得出结论:未来舰载机降落技术将完全有可能达到陆基 飞机的安全水平,也有可能利用降落安全性的提高研制出高性能的袖珍航母来。14参考文献[1]百度百科 [2]维基百科 [3]百度文库 [4]马世强.舰载机降落技术的探讨[J].《舰载武器》, -7715}