微觀航母之攔阻裝置

希弦

航母上的攔阻裝置是實現(xiàn)艦載機在飛行甲板有限長度內(nèi)安全著艦的特種重要設(shè)備。其“原理”就是在最短的時間和距離內(nèi)吸收掉著艦艦載機的動能，使其迅速減速并在有限的航母斜角甲板的著艦區(qū)內(nèi)安全停下來。航母上的攔阻裝置分為攔阻索和攔阻網(wǎng)，前者在日常情況下使用，后者則是在艦載機油料不足無法復(fù)飛、尾鉤故障斷裂或無法放下、艦載機受傷等緊急情況下著艦所使用的應(yīng)急攔阻著艦裝置。攔阻裝置的使用始于1911年，到現(xiàn)在已有超過百年的發(fā)展歷史，先后發(fā)展過重力式（Mk1型）、摩擦制動式（Mk2型）、液壓式（Mk3型、Mk4型、Mk5型）、液壓緩沖式（Mk7型）、渦輪電力式等幾種類型。其中液壓緩沖攔阻裝置是目前所有現(xiàn)役航母使用的唯一一種攔阻裝置。

1930年美國海軍航空局在諾福克海軍船廠設(shè)計并建造了第一部試驗用液壓型攔阻裝置，并進行了試驗。該裝置經(jīng)過不斷地改進后，發(fā)展成為今天攔阻裝置的基本狀態(tài)。在這部液壓型攔阻裝置基礎(chǔ)上改進定型的Mk3型攔阻裝置安裝到了CV-2“列克星敦”號、CV-3“薩拉托加”號和CV-4“突擊者”號航母上。隨后發(fā)展的Mk4型攔阻裝置攔阻能力更強，能夠攔阻重約5噸、速度113千米/小時的艦載機，在二戰(zhàn)中美國航母上大量使用，包括“列克星敦”級、“突擊者”級、“約克城”級、“黃蜂”級、前10艘“埃塞克斯”級這些艦隊航母和“獨立”級輕型航母，以及大量建造的“博格”級、“桑加蒙”級、“卡薩布蘭卡”級、“科芒斯曼特灣”級護航航母。此外，大量的Mk4型攔阻裝置還安裝在IX-64“狼獾”號和IX-81“黑貂”號內(nèi)湖訓(xùn)練艦上和各航空站中，用于二戰(zhàn)中大量艦載機飛行員的起降訓(xùn)練。隨后出現(xiàn)的Mk5型的攔阻能力提升到了可攔阻13.6噸重、以144.5千米/小時降落的飛機，在美國部分航母上換裝。

Mk7型以及Mk7Ⅱ和Mk7Ⅲ型攔阻裝置是裝在戰(zhàn)后攻擊型航母（CVA）、CVN-65“企業(yè)”號和“尼米茲”級超級航母上，攔阻能力最強的液壓緩沖式攔阻設(shè)備。它能攔阻重22.68噸、以222千米/小時鉤索速度進行著艦的艦載機。Mk7型的重要特點是其配備了定長沖跑控制閥，從而能將各型鉤上攔阻索的艦載機得以停在著艦甲板的指定區(qū)域。另一個重要特點是其安裝了滑輪緩沖系統(tǒng)和鋼索末端緩沖系統(tǒng)，以解決現(xiàn)代艦載機要求著艦掛索速度高而產(chǎn)生的攔阻索和相關(guān)鋼索工作張力過大、鋼索松弛等問題。Mk7Ⅱ和Mk7Ⅲ型都是安裝在現(xiàn)代大型航母上的攔阻裝置，如“企業(yè)”號上安裝的是Mk7Ⅱ型，“尼米茲”級上安裝的是Mk7Ⅲ型。由于它們能提供附加的攔阻沖跑距離，增加了攔阻裝置的吸能潛力，從而能充分保證現(xiàn)役各型艦載機的安全攔阻。

在本刊2014年第2期的《微觀航母之斜角甲板發(fā)展簡史》一文中已經(jīng)介紹過，在“斜角甲板”這種布局尚未出現(xiàn)之前的航母平直甲板時代，艦艏為艦載機起飛和停放區(qū)域，艦艉即為艦載機的著艦作業(yè)區(qū)。而為確保艦載機安全著艦并防止著艦時撞上停機區(qū)的其它艦載機，一般要在航母上設(shè)置了10～15根攔阻索，并在前端設(shè)置3～5道攔阻網(wǎng)。隨著航母斜角甲板的采用，以及艦載機光學(xué)助降系統(tǒng)的發(fā)明與改進、攔阻技術(shù)的發(fā)展以及艦載機性能上的提升，艦載機著艦時不必關(guān)閉發(fā)動機，一旦尾鉤未能成功鉤上攔阻索，艦載機可立即拉起復(fù)飛。因此現(xiàn)代航母甲板上無需再設(shè)置過多的攔阻索，僅需3～4根攔阻索和1道攔阻網(wǎng)。在布置上，艦艉方向的第一根攔阻索一般距艦艉約55米左右，然后向艦艏方向每隔約14米布置一根。攔阻網(wǎng)一般布置在第3和第4根攔阻索之間。

Mk7型攔阻裝置主要由攔阻機系統(tǒng)、定長沖跑控制系統(tǒng)、滑輪索及其支撐系統(tǒng)、滑輪緩沖系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、油液冷卻系統(tǒng)、攔阻索及其支撐系統(tǒng)等組成。航母的飛行甲板上只布置有攔阻索及支撐系統(tǒng)和滑輪索等，攔阻機等其它裝置均布置在甲板以下。

攔阻機系統(tǒng)用來吸收艦載機的著艦動能，是液壓攔阻裝置最主要的系統(tǒng)。它包括攔阻機架、主液壓缸組件、固定滑輪組、十字頭（動滑輪組）、蓄能器、膨脹氣瓶等。其中的攔阻機架是支撐攔阻機系統(tǒng)構(gòu)件的支架基礎(chǔ)，以便將整個攔阻機系統(tǒng)得以固定在艦體結(jié)構(gòu)上。該機架由上下兩層組成，上層安裝蓄能器、膨脹氣瓶以及油液冷卻系統(tǒng)等，下層安裝主液壓缸組件和十字頭、定滑輪組以及定長沖跑控制系統(tǒng)。

主液壓缸組件位于固定滑輪組與十字頭之間，主液壓缸油液的一端與定長沖跑控制閥相連，一端與柱塞相接觸。攔阻時固定滑輪與十字頭間的鋼索迫使柱塞將油液擠向控制閥及其后的蓄能器。蓄能器由臥式缸體和浮動活塞組成。浮動活塞一端與定長沖跑控制閥相通，另一端與膨脹氣瓶相連，用于吸收儲存攔阻過程中的艦載機動能。

定長沖跑控制系統(tǒng)是實現(xiàn)艦載機安全攔阻的核心系統(tǒng)之一，主要由定長沖跑控制閥、飛機重量選擇器、驅(qū)動系統(tǒng)等組成。定長沖跑控制系統(tǒng)的核心是定長沖跑控制閥，其控制著攔阻機主液壓缸液流入蓄能器的流量，也就是控制著攔阻過程中主液壓缸的壓力、攔阻索的張力和艦載機所承受的攔阻力。

隨著艦載機著艦速度和重量上的提高，早期型號的攔阻裝置在攔阻過程中出現(xiàn)了攔阻索和滑輪組索張力過大甚至超過最大安全極限的情況，這是由于攔阻索在攔阻過程中產(chǎn)生張力波動和控制閥流量控制不佳、攔阻吸收能力不夠等因素引起的。為此，液壓緩沖式攔阻裝置中引入了滑輪緩沖系統(tǒng)和鋼索末端緩沖系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)的工作原理基本相同，都是通過油液的阻尼作用來起到阻尼削峰和鋼索張緊防止松弛的。另外，定長沖跑控制閥、滑輪緩沖油缸和鋼索末端緩沖油缸在控制油液流量、降低攔阻過程中鋼索的張力峰值的同時，也防止了艦載機在攔阻過程中受到過高的攔阻力，保證了艦載機的機體壽命與飛行員的生命安全。

現(xiàn)役美國航母上Mk7Ⅲ型攔阻裝置上所用的攔阻索，每根都由6股鋼絲繩組成，每股鋼絲繩又由12根主鋼絲、12根中間尺度鋼絲和6根呈三角形布置的細鋼絲扭成。每根攔阻索芯部設(shè)有油浸大麻纖維或聚酯纖維芯，兩種攔阻索的最大可承受拉力和直徑分別為835千牛（85噸）/34.9毫米和911千牛（93噸）/36.5毫米。攔阻索直接承受艦載機尾鉤的沖擊力和攔阻力，因此每架次艦載機攔阻作業(yè)完成后或出現(xiàn)過載攔阻情況下都需要對攔阻索進行檢查及例行性的維護保養(yǎng)和更換。在攔阻索的維護或更換中，一般是先將蓄能器中的壓力降低到1兆帕左右，利用甲板上的牽引車輛將攔阻索拉出，發(fā)現(xiàn)問題盡快更換。為確保安全，攔阻索使用次數(shù)和使用周期都有限定。

攔阻索支撐系統(tǒng)是將攔阻索支離甲板升高到指定高度，以便于著艦艦載機的尾鉤鉤住攔阻索的弓形板簧。其功能上的實現(xiàn)是靠位于甲板下的氣缸通過凸輪頂桿的移動來頂起和放平板簧。攔阻索被支撐起的高度既要保證艦載機的尾鉤可以鉤到，又不能阻礙起落架機輪的越過。美國海軍航母上規(guī)定的攔阻索與飛行甲板之間的距離是5～14厘米（2～5.5英寸）。

當艦載機著艦時，從其尾鉤成功鉤住攔阻索這一瞬間開始，至艦載機攔阻沖跑約100米后停下，這一歷時3～4秒的過程，正是攔阻裝置的工作過程。艦載機尾鉤掛上由鋼索支撐系統(tǒng)支離艦面甲板的攔阻索后，拖拉著攔阻索繼續(xù)前行，也使連接著攔阻索的滑輪索從攔阻機向外抽出，同時使十字頭向攔阻機固定滑輪端移動。當十字頭向固定滑輪運動時，與之相連的柱塞被推入攔阻機的主液壓缸中，迫使液壓缸中的油液通過控制閥流入蓄能器中，這樣可以使蓄能器內(nèi)部的壓力不斷增大，從而阻停飛機。著艦成功的艦載機在停止滑行后，攔阻索從艦載機的尾鉤上脫卸下來，攔阻裝置的復(fù)位閥打開，蓄能器中的高壓油液經(jīng)油液冷卻器流回到主液壓缸，攔阻索被拉回攔阻機內(nèi)，整個攔阻裝置復(fù)位，為下一架艦載機的攔阻著艦做準備。

攔阻網(wǎng)作為航母上的應(yīng)急攔阻設(shè)備，主要由攔阻機、尼龍制成的網(wǎng)帶組件（含承載帶、釋放帶、三重帶組件、垂直嚙合帶、尼龍搭扣拴帶等）、平行索、延伸索、附件、攔阻網(wǎng)支柱等組成。在攔阻網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中，用于吸收艦載機動力的主要部件也是攔阻機。甲板上的攔阻網(wǎng)支柱平時倒放在飛行甲板的凹槽內(nèi)，與甲板齊平。支柱的升降由液壓系統(tǒng)提供動力，需要時攔阻網(wǎng)即可在2～4分鐘架設(shè)完成。而在攔阻網(wǎng)用于應(yīng)急攔阻著艦作業(yè)時，艦上消防救護小組要在周圍時刻待命，對可能出現(xiàn)的火情、機組人員的傷情等狀況做到第一時間處理、及時救助。

盡管Mk7型攔阻裝置無論是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還是在航母上的應(yīng)用流程，都已可靠穩(wěn)定、十分成熟，為現(xiàn)代航母艦載機的安全著艦發(fā)揮了舉足輕重的作用。但這種液壓緩沖式攔阻裝置也存在著天生的缺陷，比如復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使故障概率難免會高，日常的繁瑣維護需要大量的人力和時間。關(guān)鍵是Mk7型攔阻裝置對艦載機的壽命損耗大。液壓緩沖攔阻裝置就是借著攔阻索對艦載機的強制“猛拉”作用，使著艦的艦載機在最短的時間和距離內(nèi)停下來。在此過程中，控制攔阻過程的定長沖跑控制閥并不能對艦載機的攔阻著艦做到精確的控制，致使艦載機受力不均衡，對艦載機結(jié)構(gòu)損耗大，這也正是航母艦載機壽命比陸上戰(zhàn)斗機短很多的原因之一。更何況目前Mk7系列攔阻裝置性能已經(jīng)達到了極限，可繼續(xù)挖掘的潛力有限，限制了未來噸位更大、著艦鉤索速度更高的飛機上艦的可能。加之，無法對攔阻過程做到精確控制，制約了未來無人機等輕型艦載機上艦時的攔阻作業(yè)效能。

針對Mk7型攔阻裝置所存在的天生缺陷，并順應(yīng)航母的電氣化、全電推進的發(fā)展趨勢，美海軍提出了先進攔阻裝置（Ad？ vancrd Arrresting Gear，AAG）的研究計劃。AAG將具備更強大的攔阻回收能力，更多樣的機種回收能力，更少的操作與保障人員的需求，以及高可靠性下維護工作量和全壽命周期保障費用的降低。AAG的概念與技術(shù)發(fā)展階段開始于2002年3月。2003年7月，以通用原子公司（也為美海軍研制電磁彈射器）和諾·格公司為主的兩個研究團隊分別開展了AAG集成概念研發(fā)與高逼真建模仿真研究。2005年2月，經(jīng)過對兩個研究團隊的研究結(jié)果進行比較審查后，美國海軍選擇了通用原子公司電磁系統(tǒng)分部進行為期5年的系統(tǒng)開發(fā)與演示工作。

2009年10月，該分部在其加利福尼亞州的工廠成功完成了AAG第一階段的擴展可靠性試驗，共針對AAG硬件進行了5 400次的循環(huán)試驗，試驗次數(shù)和獲得的數(shù)據(jù)顯著超過了傳統(tǒng)艦用攔阻裝置的相關(guān)試驗，同時也驗證了AAG實時控制軟件的功能。2010年2月，通用原子公司在其密西西比州的工廠進行AAG第二階段的擴展可靠性試驗，設(shè)備循環(huán)試驗次數(shù)增加至104 000次。美海軍的計劃是將AAG首先安裝在“尼米茲”級航母的最后一艘“布什”號上，但直到“布什”號服役，AAG也沒有完全研制成功。于是，AAG的安裝使用計劃就調(diào)整為在下一代即2013年11月9日下水的“福特”級航母上應(yīng)用，以及在“尼米茲”級航母的換料大修中替換Mk7型攔阻裝置。

通用原子公司的AAG技術(shù)方案并非是單一的電磁攔阻方案，而是水力渦輪裝置與感應(yīng)電機裝置結(jié)合在一起的機械電磁混合形式。前者是AAG系統(tǒng)中的主體吸能機械裝置，而后者可對攔阻力做到更為精確的調(diào)控。AAG系統(tǒng)主要由攔阻機系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、攔阻索及滑輪系統(tǒng)等構(gòu)成，前兩個系統(tǒng)是該系統(tǒng)中的最新技術(shù)，也是最重要的組成部分。

作為AAG系統(tǒng)的吸能部分，攔阻機系統(tǒng)主要包括水力渦輪、感應(yīng)電機、錐形鼓輪、機械制動裝置。出于平衡作用在旋轉(zhuǎn)軸上扭矩的考慮，感應(yīng)電機放在攔阻機系統(tǒng)的外緣，機械制動裝置布放在感應(yīng)電機和錐形鼓輪之

間，錐形鼓輪放置在機械制動裝置和水力渦輪之間。整個攔阻機系統(tǒng)對艦載機能量的吸收主要靠水力渦輪來實現(xiàn)，水力渦輪包括水缸和葉輪。葉輪固定在旋轉(zhuǎn)軸上淹沒在水中，軸在旋轉(zhuǎn)時通過帶動葉輪的葉片與水相互作用而獲得扭矩的作用，從而降低旋轉(zhuǎn)速度。水力渦輪裝置此前在陸地機場的攔阻裝置中有所應(yīng)用，其特點就是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小，只不過在攔阻功率增大時所提供的阻尼（攔阻力）波動較大，不易控制。而感應(yīng)電機的優(yōu)勢就是控制上的靈活準確，可以快速降低旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，為艦載機攔阻過程提供便于控制的減速攔阻力。感應(yīng)電機在攔阻之前收縮和張緊攔阻索，并在攔阻過程中控制纜索的張力。

機械制動裝置作為AAG的備用攔阻系統(tǒng)，在水力渦輪、感應(yīng)電機或供電電纜線失效時發(fā)揮作用，保證艦載機同樣安全地攔阻著艦，也可在攔阻準備狀態(tài)時保持纜索的張力。從結(jié)構(gòu)上看，機械制動裝置包括一個固定在旋轉(zhuǎn)軸上并可隨之轉(zhuǎn)動的圓盤。這個圓盤與一個或多個固定卡鉗相互作用，在艦載機拉動攔阻索機械制動裝置啟動后，對旋轉(zhuǎn)軸施加—個減速扭矩，從而起到摩擦制動的作用。

數(shù)字控制系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)艦載機攔阻降落過程中的精確控制。該系統(tǒng)的核心就是動態(tài)控制子系統(tǒng)，其能實時獲得感應(yīng)電機的旋轉(zhuǎn)和位置等信息，控制本系統(tǒng)中的電力調(diào)節(jié)設(shè)備輸送給感應(yīng)電機的電力大小和方向，進而調(diào)節(jié)施加在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩大小，平衡攔阻機系統(tǒng)的各部件對旋轉(zhuǎn)軸的作用，最終精確控制纜索從錐形鼓輪上以恒定的張力釋放，實現(xiàn)艦載機在飛行甲板上停止位置的精確。

AAG的攔阻索及滑輪等甲板部分在外形上和Mk7型攔阻裝置的甲板部分十分類似。不同的是，AAG的攔阻索不再是用高強度鋼絲編織而成，雖然鋼絲索在強度上還算夠用，但重量已屬偏大。所以在電磁攔阻裝置上采用的是高強度輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料合成的纜索，強度是目前鋼絲索的10倍以上，且大幅降低了攔阻索的重量，降低了整個系統(tǒng)總慣性和結(jié)構(gòu)載荷。

AAG在航母艦載機的攔阻作業(yè)過程中，當艦載機的尾鉤鉤住攔阻索后，帶動滑輪索從錐形卷揚鼓輪中牽出，帶動設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸兩端的水力渦輪和感應(yīng)電機高速轉(zhuǎn)動。作為吸收艦載機動能主力的水力渦輪開始吸收艦載機的動能，一般可吸收超過50%的動能。同時，感應(yīng)電機根據(jù)動態(tài)攔阻制動過程中的載荷變化主動調(diào)整感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩，調(diào)整攔阻索的張力峰值，從而使錐形鼓輪上的纜索以恒定的張力釋放，實現(xiàn)艦載機在攔阻過程中的制動力均勻恒定。

AAG系統(tǒng)在對艦載機攔阻著艦做到了精確控制的同時，攔阻能力也有質(zhì)的提升，鉤索速度可達45～87米/秒，最大吸能量95兆焦。AAG系統(tǒng)出現(xiàn)，顯然使航母攔阻系統(tǒng)的攔阻回收能力得以大幅提升，大為拓寬了航母可攔阻回收艦載機的型號種類，為未來噸位更大、著艦速度更高的艦載機的上艦創(chuàng)造了可能。而且，作為新一代攔阻裝置，AAG系統(tǒng)融入了自我診斷和維護提醒功能，使艦員能及時獲得關(guān)鍵參數(shù)，便于對AAG系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視、故障診斷和日常維護，在增強了攔阻裝置可靠性的同時，也精簡了操作和維護人員，有效降低了攔阻裝置的全壽期費用。[編輯/山水]