从美国新型辅助着舰系统谈舰载机着舰

　　据美国《海军航空新闻》杂志报道，2018年3月21-23日期间，美国海军第23航空打击测试与评估中队（VX23）在“亚伯拉罕·林肯”号航母上成功测试了“精确着舰模式”（PrecisionLandingModes，PLM）系统。该系统可大大简化舰载机着舰的操作难度，显著提高舰载机的着舰成功率，是重大的技术创新。

　　“精确着舰模式”系统此前被称为“魔毯”辅助着舰系统（MAGICCARPET），是简化飞行员着舰操控的智能化系统，能使飞行员在着舰最后阶段的操控次数由过去数百次降至十余次，着舰精度提升60%。

　　为深入了解美国新型辅助着舰系统，本文将先简单科普一下舰载机着舰系统的发展历程，舰载机着舰过程及着舰主要难点，再详细介绍美国新型辅助着舰系统。

　　舰载机着舰系统发展历程

　　国外舰载机着舰系统的发展主要经历了四个阶段。

　　依靠信号灯和人工引导方式的着舰阶段

　　20世纪50年代以前，舰载机全部是螺旋桨飞机，航母甲板为直通式甲板，一般在甲板上设有10~15道阻拦索和3~5道防冲网。在相当长时期内，舰载机着舰主要依靠飞行员个人的驾驶技术，通过阻拦索和防冲网，将舰载机成功停在飞行甲板上。之后通过总结经验教训，航母上设立了专门的飞机着舰指挥官（LandingSignalOfficer，LSO），一般由经验丰富的飞行员或经过特殊训练的军官担任。在舰载机着舰过程中，LSO一般站在舰尾左舷位置，通过目视观察着舰飞机的姿态、尾钩收放情况等，用人工手势、彩色信号旗、彩色信号板等明显的着舰指示信息，向飞行员下达是否允许着舰或者复飞等指令。这种方式适用于早期飞行速度低的舰载机，允许LSO有足够反应时间的情况。

　　利用光学助降系统着舰阶段

　　20世纪50年代后期至80年代初，随着喷气式舰载机的服役，舰载机着舰速度显著提高，LSO和飞行员的观察和判断时间大幅缩短，舰载机着舰事故率不断上升。为了解决着舰难题，英国在1952年率先设计出了镜面光学助降系统（MirrorOpticalLandingSystem，MOLS）。该系统配合资深的LSO，使得航母舰载机着舰事故率大大降低。但该系统使用的镜面很大，搬运和维护都非常不方便。因此英国又研制了菲涅尔透镜光学助降系统（FresnelLensOpticalLandingSystem，FLOLS），安装在美国“罗斯福”号航母上。

　　FLOLS由4组灯光组成，主要是中央竖排的5个分段的灯箱，通过菲涅尔透镜发出5层光束，光束与降落跑道平行，和海平面保持一定角度。正中段为橙色光束，向上、向下分别转为黄色和红色光束，正中段灯箱两侧有水平的绿色基准定光灯。当舰载机高度和下滑角正确时，飞行员可以看到橙色光柱正处于绿色基准灯的中央，保持此角度就可以准确下滑着舰，并钩住阻拦索，完成降落。如飞行员看到的是黄色光柱且处于绿色基准灯之上，就要降低高度；如看到红色光柱且处于绿色基准灯之下，说明飞机飞得太低，需要马上升高，否则会撞在航母尾部。相比于MOLS，FLOLS为飞行员提供了更清楚、更丰富的信号，降低了舰载机着舰风险。但FLOLS作用距离有限，良好天气条件下可在1.8千米处向飞行员提供着舰信息，在雨雾天气下的应用效果则不理想。因此美国在上世纪90年代研发了激光助降系统（LaserLandingSystems，LLS）。

　　LLS与FLOLS原理相同，但利用激光良好的穿透性和直线性，同时将透镜灯箱由5个增加到10个，飞行员不仅可以在18千米外捕获甲板中线和正确下滑路线，还有充裕的时间调整进场的下滑位置和姿态。即使在浓雾和低空中，飞行员也可在5千米以外捕获着舰信息。激光助降系统从20世纪90年代末研制成功，一直在美国海军航母上使用。它在不依靠无线电或雷达时的可用性达到了99%，是电磁管制时辅助舰载机着舰的重要装置之一。

　　由于光学引导技术具有抗电磁干扰等特性，光学助降系统仍是舰载机着舰系统中最传统且具生命力的引导装备，迄今为止仍在使用并不断改进和发展。美国海军新型航母“福特”级仍然装备了改进型FLOLS系统。

　　利用全天候自动着舰系统着舰阶段

　　光学助降系统简单、可靠、便于掌握。但是，一旦遇上风雨和浓雾，光学助降系统作用距离将大大缩小，舰载机飞行员完全精准着舰难度仍然很大。20世纪80年代后，随着陀螺仪导航、计算机和雷达技术的不断发展，美国大力发展“全天候着舰系统”（AllWeatherCarrierLandingSystem，AWCLS）等类型的自动着舰系统，代表系统就是“精确进近着舰系统”（PrecisionApproachandLandingSystem，PALS）和仪表着舰系统（InstrumentCarrier-LandingSystem，ICLS）。舰载机进入雷达跟踪截获窗口后，舰载精密跟踪雷达捕获并跟踪舰载机；系统将测到的舰载机位置信息与甲板运动信息输入计算机，处理后与预先设定的理想着舰轨迹比较，得出空间位置误差信息，之后将这些信息以数据链形式发送至舰载机，由飞控系统和自动油门系统不断纠正飞行轨迹，以使舰载机按设定的理想轨迹着舰。若实际轨迹超过安全区，复飞决策系统发出复飞指令，迅速停止着舰运动进入逃逸/复飞模式。假如舰载机不落在自动安全着陆安全区内，自动驾驶仪自动断开，驾驶员按照飞行仪表的指示进行半自动人工着舰。20世纪末，随着GPS卫星导航技术的快速发展，美国国防部根据实战需要，提出了支持陆军、海军、空军、海军陆战队多军兵种、多国家之间可互操作的新一代“联合精确进近着舰（着陆）系统”（JPALS）。JPALS系统提升了态势感知能力，采用抗干扰GPS技术，可在恶劣气象和地形条件下运行，增强了飞行安全性，支持有人驾驶飞机和无人机进近着舰（着陆）。虽然这些系统都具备舰载机自动着舰的能力，但到目前为止，美国航母都没有真正实现全自动着舰。其一是因为航母在海上所处环境复杂，在气候条件恶劣、甲板运晃动剧烈的情况下，舰载机很难实现全自动着舰；其二，这些系统引导、控制上的精度瓶颈已经不在设备自身上，而在于舰载机平台本身的性能问题，在紊乱的舰尾气流中，不可能实现真正的高精度飞行姿态与轨迹控制。因此，当前美国航母舰载机在距离较远时采用自动着舰系统引导，接近航母的最后阶段采用光学助降系统与自动着舰系统共同引导、舰载机飞行员主控的方式着舰。可以说，当前舰载机着舰引导方式将多种系统融合使用，降低了着舰风险，提高了着舰的准确性。

　　利用人工智能技术辅助舰载机着舰阶段

　　进入到21世纪，伴随着人工智能技术的崛起，美国开始将人工智能技术应用到舰载机着舰系统中。2002年，美国提出一种基于人工智能技术的舰载机着舰支持工具。它记录大量的舰载机着舰数据，在舰载机着舰时，利用人工智能技术快速与数据库中的数据匹配，迅速给出舰载机着舰情况信息，为LSO决策提供支持。2011年，美国海军还启动了由智能化飞控系统和飞行员头盔组成的“魔毯”辅助着舰系统。相信随着人工智能、计算机等相关技术的发展，未来舰载机着舰可以真正实现自动化、无人化，大大减少舰载机着舰风险。

　　舰载机着舰过程及难点

　　舰载机是航母战斗力的来源和生存的基础，舰载机的性能、数量等方面指标是航母综合战斗能力最重要的指标。功能各异的多型舰载机所组成的航母航空联队，担负夺得局部海域制空权、制海权，实施对陆打击、反潜作战、远程预警、作战指挥等重要作战使命。舰载机能否安全、高效地在航母上起降直接影响着航母作战能力的发挥。舰载机着舰过程更是被军事专家喻为“刀尖上的舞蹈”。那么，舰载机如何着舰，难度有多大呢？

　　舰载机着舰过程，按由远到近一般分为归航、待机、进场、下滑、拦阻或复飞五大阶段。美国作为世界保有航母数量最多的国家，在舰载机着舰上积累的经验是其它国家无法比拟的。得益于此，其舰载机的着舰体系也是最为完善和成熟。下面以美国海军现役的“尼米兹”级航母为例，介绍其舰载机着舰过程。

　　归航阶段

　　舰载机在完成打击、侦察任务后返回航母的阶段即为归航阶段。此时，归航状态的舰载机首先通过安装在“尼米兹”级航母舰岛桅杆顶端的AN/URN-25“塔康”无线电导航系统确定舰载机与航母的相对距离和坐标信息。该导航系统的有效作用距离最远可达500千米以上，超过了绝大多数的舰载雷达的有效作用距离。因此，在舰载机的引导着舰流程中毫无争议地成为了第一道流程，帮助舰载机在数百千米的距离上与航母确定距离和位置坐标等信息，并由此规划舰载机的集结、导航以及归航着舰等飞行任务。

　　待机阶段

　　当舰载机距离航母100千米左右时，正好进入到空中管制雷达的作用范围。空中管制雷达首先会对舰载机进行敌我识别与机型识别。与此同时，航母空中交通管制中心开始参与并接管着舰流程。其中着舰指挥官负责引导舰载机进行集结、监视相关空域，并根据舰载机的状态（如出现故障需要优先降落、燃油不足需要空中加油等）规划着舰顺序与精确的着舰航线，提供航管与气象等保障信息。在这一阶段，各类不同的舰载机都有着不同的航线，飞行高度也不同：F/A-18战斗攻击机是600米；EA-6B电子战飞机是900米；E-2C预警机是1200米，各种舰载机保持着安全的高度差，一旦着舰指挥官下达了着舰许可，舰载机将开始进场阶段。

　　进场阶段

　　当飞行员取得着舰许可时，便可脱离待机航线进入进场阶段，之后舰载机进入航母后方10千米的位置开始减速进场。在这个阶段，舰载机需要关闭武器系统，确认飞机的重量是否符合航母着舰的标准，然后打开减速板、放下拦阻钩及起落架等，并根据天气及飞行员目视条件确定自动着舰的模式。

　　下滑阶段

　　飞行员和着舰指挥官根据当时的天气状况和飞行员的目视条件选择着舰控制模式，着舰控制模式分为全自动、半自动、人工三种。全自动模式下不需要飞行员对舰载机进行干预控制，完全根据精密进场控制雷达所提供的高精度跟踪信息通过舰机数据链控制舰载机完成最后的下滑航线直至舰载机安全着舰为止（着舰失败则拉起复飞）。半自动模式下，舰载机飞行员根据显示器或仪表上由精密进场控制雷达提供的信息操控飞机进行降落。人工模式下，飞行员只能与着舰指挥官语音通话，对相对误差进行修正进入下滑航线，直到飞行员可以目视观察到菲涅尔光学助降系统所显示的灯光信号为止。

　　拦阻或复飞阶段

　　通过精密进场雷达和在光学助降系统的指示下完成最后的下滑流程，直至舰载机尾钩安全挂住阻拦索降落在航母甲板上，如果降落出现失误，飞行员则重新拉起舰载机，进入复飞阶段。需要特别说明的是，在着舰的过程中，舰载机飞行员必须大油门下滑着舰，以保持可以复飞的速度。由此可见，舰载机着舰过程十分复杂，而且非常危险，稍有不慎，就会机毁人亡。根据国外媒体统计，舰载机起飞、着舰阶段是事故率最高的阶段，起飞、着舰阶段时间仅占舰载机执行任务时间的4%，而事故率却占60%以上。同时，我国舰载机首飞第一人戴明盟在清华大学演讲时曾说：“每一个飞行员都明白，舰载机可不是随便就能玩得起的。航母舰载机飞行员的风险系数是航天员的5倍、普通飞行员的20倍。美国刚刚发展航母时，平均每2天摔1架飞机，牺牲了1000多名飞行员。”接下来，结合舰载机着舰过程，我们分析一下舰载机着舰都有哪些难点。

　　第一，着舰的甲板空间有限。一般供歼击机、攻击机和轻型轰炸机使用的陆地机场跑道长2000～2400米，而航母降落甲板长度220～270米，仅为陆基飞机起降跑道的十分之一。在如此短的距离内，舰载机需要高速降落到甲板上并成功将尾钩挂上阻拦索；若着舰拦停失败，舰载机还必须能够在有限甲板长度内加速，实现安全逃逸复飞。

　　第二，舰载机着舰过程中，周围环境情况十分复杂。首先是为了改善舰载机着陆性能，获得较大的甲板风，航母往往需要顶风航行。而航母在顶风航行过程中，将在其上空以及后方形成特殊的流场分布，尤其是舰载机着舰阶段处于着舰飞行状态时，这些特殊的流场会对舰载机着舰产生严重干扰。其次，由于海浪等环境的影响，航母必然存在纵、横摇和升、沉运动，严重影响下滑道的稳定性，给舰载机着舰带来严重影响。

　　第三，舰载机最后的着舰时间短短数秒，对舰载机和飞行员本身考验巨大。首先，对于舰载机来说，在短距离内迅速的减速制动，会导致舰载机在此过程中需要承受巨大的载荷，例如飞机着舰瞬间的冲击载荷、阻拦索强制制动载荷等，这就要求舰载机起落架及其密切相关的结构都需要进行加强处理，以保障舰载机的安全。其次，对于飞行员来说，顶风穿云驾驶舰载机降落到摇摆不定的狭小移动甲板上，无疑是非常冒险的，这对于飞行员的身体极限、飞行技术、意志品质和心理素质都是极端考验。在抵近航母的过程中，飞行员需要根据实际情况不断调整飞行姿态，不断观察、控制飞行轨迹，保证准确进入着舰航线，在着舰瞬间更要完成收腹、收腿、绷紧肌肉等动作，否则强大的过载可能会导致飞行员脱臼、晕厥或短时失明等损害。

　　“魔毯”辅助着舰系统

　　根据上述介绍，我们知道舰载机着舰困难重重，尤其是在着舰的最后阶段，飞行员需要操控数百次来调整舰载机飞行姿态，以保障舰载机安全着舰，这对于飞行员来说是极大的负担。因此，为解决舰载机最后着舰阶段手动操控频繁的问题，美国海军航空系统司令部和海军研究局于2011年启动了“魔毯”辅助着舰系统的研发任务。

　　发展历程

　　2012年底，美国海军利用两种不同飞机模拟器对该系统进行了演示验证，确认该系统可大幅降低着舰难度。

　　2015年4月，美海军第23航空打击测试与评估中队（VX23）在“乔治·布什”号航母（CVN77）上首次测试了“魔毯”辅助着舰系统的初始版本软件。VX23使用F/A-18“超级大黄蜂”战斗机进行了180次触舰复飞和16次阻拦着舰，积累了各种风况下“魔毯”辅助着舰系统的测试数据。测试结果显示，和当前其它着舰辅助系统相比，“魔毯”着舰失败率降低了50%以上。由于在测试中的完美表现，美海军决定加速“魔毯”辅助着舰系统的研发进度。

　　2016年6月，美海军第23航空打击测试与评估中队又在“乔治·华盛顿”号航母（CVN73）上对“魔毯”辅助着舰系统进行了测试，在598次测试中，只有一次脱钩情况发生，飞行员们对“魔毯”辅助着舰系统非常满意。测试结束后，美国海军航空系统司令部和海军研究局发布了阶段性系统软件。

　　两次测试数据表明，66%着舰点位于目标点前后5米范围内，与目前66%着舰点位于目标点前后12米范围相比，精度提高60%，极大提高了着舰成功率；飞行员在着舰最后18秒内，初次使用该系统进行了20次手动操控，后续仅需10余次手动操作，极大地降低了飞行员在着舰最后阶段对油门、操纵杆的操控频次及难度。

　　2017年1月，“魔毯”辅助着舰系统更名为“精确着舰模式”（PLM）系统，并正式部署到“乔治·布什”号和“卡尔·文森”号（CVN70）航母上。“乔治·布什”号航母第8舰载机联队指挥官詹姆士·迈考尔上校称，PLM系统的一个重大改进是，对舰载机靠近航母时的功率调节进行了优化。通过PLM系统，F/A-18“超级大黄蜂”战斗机或E/A-18“咆哮者”电子战飞机在下降时将使用其襟翼来控制下降速率，从而实现更平稳的油门速度和更少的手动修正。2017年4月，美国海军航空兵司令舒梅科中将向其他海军航空兵指挥官群发邮件，推介了该系统的巨大优势和使用经验。

　　“魔毯”辅助着舰系统构成

　　PLM系统主要由智能化飞控系统和飞行员头盔组成。智能化飞控系统采用了全新的控制算法与规则，通过软件方式解耦偏航、俯仰、滚动等各项参数，具有自动控制动力、自动维持姿态稳定、自动计算参考下滑航路及其与实际航路之间误差矢量等功能，使飞行员只需专注于控制飞机的飞行路径。飞行员头盔与智能化飞控系统相连接，用于显示舰载机着舰过程中智能化飞控系统计算的数据和信息，供飞行员操控参考。

　　简单来说，PLM系统是以智能化算法计算出各种最合适的降落因素，综合判断飞机的高度、航速、风速、进场的角度等，然后导引飞行员执行它所建议的降落程序，大幅减轻了飞行员的负担与心理压力。但该系统还存在不足之处，即缺乏对故障安全的完全冗余设计，因此在出现油门控制系统和导航系统失效、机翼损伤等故障情况下，飞行员需要根据一定的基准来决定是否采用应急预案。因此，PLM系统还只是一种辅助着舰系统，并非自动着舰系统，最终还是需要由飞行员来控制飞机，人为失误和恶劣天气条件仍然可能给舰载机着舰造成危险。

　　根据实际应用情况，PLM系统取得了良好的使用效果，美海军舰载机飞行员对该系统普遍持欢迎态度，认为在保持驾驶乐趣的同时，明显降低了操作难度，提高了着舰精度。舒梅科中将曾表态称美海军计划在2019年将该系统全面推广到海军F/A-18“超级大黄蜂”和E/A-18“咆哮者”飞行中队。除F/A-18和E/A-18飞机之外，美海军F-35C“闪电”II型联合战斗机也将采用PLM系统辅助着舰。

　　据悉，PLM系统的升级版本将增加“失效模式”，即便是油门控制损坏，或者导航系统失效，抑或机翼被击中，都能在舰载机着舰时保证其安全，预计在2018年进行测试，2019年交付使用。

　　“魔毯”辅助着舰系统作用

　　PLM辅助着舰系统的研发和应用将给美国海军航母战斗群带来重要影响。一是可显著提高舰载机的着舰成功率，舰载机着舰是舰载机操作全过程中最复杂、最危险的阶段之一，PLM系统的应用将极大提高舰载机着舰最后阶段的自动化水平，降低忙中出错的危险；二是PLM辅助着舰系统可大幅降低舰载机着舰操控难度，飞行员可通过较少的手动操作即可完成着舰，因此舰载机飞行员的训练强度和成本也可随之降低；三是可提高舰载机及航母相关设施的耐用性，着舰精准度的显著提高，将改善着舰过程中对阻拦索、飞行甲板及舰载机的冲击状况。简而言之，PLM系统可直接影响舰载机出动架次率，提升航母作战能力。

　　结语

　　为满足未来作战的需求，各海军强国在升级传统的光学和雷达着舰引导系统的发展同时，必定会十分重视研制新型智能化着舰引导系统。例如，美国正在以全球卫星导航系统（GPS）基础，研制能够对无人机进行进场控制与着舰引导的的联合精确进场着舰系统（JPALS），以及能减少飞行员手动操作的精确着舰模式（PLM）系统等。虽然目前美军已经成功完成X-47B无人机的阻拦着舰，但是其背后仍需要大量的人员指挥才能完成。因此，随着科技的不断发展，不论是舰载有人机还是舰载无人机，研制全自动着舰系统将是未来各海军强国的主要发展方向。

　　文/史腾飞 丁宏 董姗姗 李仲铀