艦載戰(zhàn)斗機夜間著艦引導(dǎo)方式初步研究

張健，潘華，姜程亮，呂賓，褚世永

1.海軍裝備部飛機辦公室，北京 100071

2.海軍裝備研究院，上海 200436

3.海軍指揮所，北京 100841

4.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710100

5.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

艦載機夜間著艦與晝間著艦存在較大差異，飛行員目視參考少、容易產(chǎn)生錯覺、操控技術(shù)要求高，夜間著艦對飛行員來說是極大的挑戰(zhàn)。由于夜間著艦風(fēng)險極大，美軍1965—1980年發(fā)生的354起著艦事故中夜間事故占195起，考慮到晝間著艦次數(shù)遠遠多于夜間，夜間著艦事故率遠遠高于晝間，事故萬時率（指飛機飛行1萬小時平均發(fā)生的事故數(shù)）達到晝間的3.5倍以上，因此，艦載機夜間著艦成為了國內(nèi)外軍事研究的焦點[1~3]。

1 艦載機夜間著艦發(fā)展歷程

艦載機夜間著艦的發(fā)展歷程可以歸納為起步、探索和成熟三個階段。起步階段始于二戰(zhàn)后，主要使用F-4、F-8噴氣式艦載機進行夜間著艦的嘗試，1950年2月完成首次著艦。該階段主要靠信號棒指示、目視著艦，但成功率較低，常導(dǎo)致著艦失敗、機毀人亡，只有少部分飛行員可以完成著艦，基本不具備夜間作戰(zhàn)能力；探索階段自20世紀50年代中期至80年代，主要使用F-8、F-14和F-18飛機，夜間著艦主要采用塔康導(dǎo)航系統(tǒng)、微波著艦進近引導(dǎo)設(shè)備、菲涅爾光學(xué)助降和甲板燈光系統(tǒng)，夜間著艦條件得到較大改善，特別是雷達自動精密進近系統(tǒng)的引入，使著艦成功率不斷提高，事故率逐步降低。這一階段初期，每艘航母上4個艦載機中隊中僅有一個中隊具備夜間作戰(zhàn)能力，隨著裝備技術(shù)的進步和訓(xùn)練水平的提高，逐步實現(xiàn)了全部中隊都具備夜間作戰(zhàn)能力；成熟階段自20世紀80年代中期至今，主要使用F-14、F-18、F/A-18E/F飛機，通過研制新型精密自動引導(dǎo)雷達，提高了對飛機的引導(dǎo)能力；通過改進菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)，提高了分辨率和作用距離，降低了飛行員的操作難度；通過研制激光遠距對中引導(dǎo)系統(tǒng)，提高了飛行員遠距目視對中能力。新技術(shù)的引入使事故萬時率穩(wěn)定在0.4左右，有效地降低了著艦難度和風(fēng)險。

2 艦載機夜間著艦流程及引導(dǎo)模式

2.1 夜間著艦流程

以美軍F/A-18戰(zhàn)斗機為例，夜間著艦與晝間著艦主要區(qū)別在于著艦航線和進入下滑道的方式不同。晝間著艦主要圍繞“五邊四轉(zhuǎn)彎”的航線以及15~18s的下滑軌道，以著艦指揮員的指揮為主；夜間著艦流程采取非通場型著艦航線，在艦尾13000m處即對準進入下滑軌道，以著艦引導(dǎo)設(shè)備引導(dǎo)為主。夜間著艦一般流程如圖1所示。

圖1 美軍F/A-18戰(zhàn)斗機夜間著艦一般流程Fig.1 Flowchart of F/A-18 carrier night landing

（1）等候：引導(dǎo)范圍為返航航線馬歇爾等候區(qū)。飛機按指定高度等待飛行員。艦面指揮員為首席管制員。

（2）下降：引導(dǎo)范圍為馬歇爾等候區(qū)到艦尾6500~10000m。飛行員在艦尾13000m對準艦尾（斜角甲板延長線），進入著艦航線，放尾鉤；進入后高度逐步降至約350m、速度降至約240km/h。艦面指揮員為進近管制員。

（3）進近：引導(dǎo)范圍為艦尾6500~10000m到1200m。飛行員根據(jù)管制員指令與母艦自動著艦系統(tǒng)連接，不成功就與備份的母艦儀表著艦系統(tǒng)連接；根據(jù)平顯指示下降，并按管制員指令調(diào)整飛行姿態(tài)；1200m處，按管制員指令呼叫燈球。艦面指揮員為最終管制員。

（4）著艦：引導(dǎo)范圍為艦尾1200m到著艦點。飛行員報看燈情況，報告油量，實施注意力分配按三要素進近，根據(jù)著艦指揮官（LSO）指揮著艦。艦面指揮員為LSO。

（5）復(fù)飛：如飛機未能著艦，則復(fù)飛并返回等候區(qū)。艦面指揮員為進近管制員。

2.2 夜間著艦引導(dǎo)模式

美軍夜間著艦采用母艦全天候助降系統(tǒng)引導(dǎo)，主要有三種模式（選擇權(quán)歸最終管制員）。

（1）模式1：如果天氣十分惡劣，或是飛行員因為各種原因無法自己駕駛飛機降落，控制中心的計算機可以與F/A-18戰(zhàn)斗機上的電腦連接，通過自動駕駛儀操縱飛機下降。在這種情況下，飛行員完全不操縱，讓計算機移動操縱桿和油門，實現(xiàn)著艦。該模式是不得已的選擇，幾乎沒有飛行員會在降落時坐視機器操縱。

（2）模式2：計算機通過母艦自動著艦系統(tǒng)不斷地提供飛機各種信息，為F-18設(shè)計出一個完美的路徑來降落到航母上。這種方法被飛行員稱為“針”，如圖2所示。因為航母的計算機會在F/A-18戰(zhàn)斗機的平顯上顯示出針尖指示的飛行路線，提示飛行員正確的著艦路徑。該模式是飛行員的首選。

圖2 F/A-18戰(zhàn)斗機平顯“針”方法顯示Fig.2 Exhibition of the method named “needle” of F/A-18

（3）模式3：如果計算機出現(xiàn)問題，無法實現(xiàn)母艦與飛機的互相交流，最終管制員會要求飛行員按照母艦儀表著艦系統(tǒng)指示進近，同時用語音指導(dǎo)飛機下降。最終管制員根據(jù)母艦上雷達跟蹤飛機飛行的信息與應(yīng)采取的正確飛行軌跡之間的差異，用無線電指示飛行員駕駛飛機上升或下降、左右轉(zhuǎn)向。

采用模式2和模式3，當(dāng)飛機飛到距離母艦1200m處時，飛行員可以看到甲板上菲涅耳透鏡的光球，LSO接管指揮權(quán)，在飛機觸地之前通過無線電發(fā)布最后的指令。

3 艦載機夜間著艦特點分析

與晝間著艦相比，艦載機夜間著艦主要特點有：

（1）著艦航線覆蓋的空域變大

由于夜晚?？找晥龇秶。曈X障礙多，參照物不清晰，因此戰(zhàn)斗機夜間著艦不可能采取晝夜“五邊四轉(zhuǎn)彎”的著艦航線，不會采用空中編隊通場、順序按時間差解編、再進行五邊著艦的方式，而是采用前后時間差的非并列編隊，以非通場型的方式著艦。

（2）建立下滑道準備時間加長

夜間飛行，視覺信息缺失是導(dǎo)致飛行員巨大心理壓力的主要因素。在這種情況下，給出盡可能早地建立下滑道準備時間，以便在正確的位置建立正確的著艦下滑道，使飛行員有充裕的時間建立正確的飛行姿態(tài)，降低近艦尾段的調(diào)整幅度，對于飛行員減壓、確保著艦成功率具有重要意義。因此，夜間著艦過程中，不管是儀表、雷達、微波，還是激光、電視以及增程菲涅爾透鏡系統(tǒng)，所有的導(dǎo)航、引導(dǎo)設(shè)備都是為了使飛行員盡可能容易建立下滑道，盡可能延長下滑道準備時間，為飛行員爭取足夠的調(diào)整修正時間。

（3）飛行員操控人因工程更加復(fù)雜

對艦載機采用全自動著艦方式是十分慎重的。目前，作為最終的著艦節(jié)點，完全自動著艦方式因仍不被飛行員采納，僅作為萬不得已的備份選項，絕大多數(shù)情況下仍由飛行員通過目視菲涅爾透鏡，并根據(jù)LSO指揮，靠手動完成著艦。飛行員在夜空環(huán)境下，由于參照物減少、地面線模糊、視野變窄，通常會產(chǎn)生視覺錯覺，行為反應(yīng)也相應(yīng)變慢，因此飛行員夜間飛行操控人因工程更加復(fù)雜，需要深入開展研究以增強飛行員對夜晚環(huán)境的適應(yīng)性，提高飛行員操控的準確性和效率。

4 艦載機夜間著艦引導(dǎo)系統(tǒng)

目前，艦載機夜間著艦正在使用的引導(dǎo)系統(tǒng)有如下幾種：

（1）改進型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)（IFLOLS）

美國海軍2002年就在所有航母上采用IFLOLS取代了傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)（FLOLS）。相比于FLOLS，IFLOLS的最主要優(yōu)點是能讓飛行員在觸艦前的最后1500m直至觸艦過程中接收到更為準確的下滑道信息。它通過以下措施實現(xiàn)了上述改進：把透鏡高度由1m增加到2m，使用與Mk-8型FLOLS相同的下滑道信息來提高靈敏度；將垂直單元燈由5個增加至12個，使燈球運動比FLOLS更明顯，如圖3所示，從而為飛行員提供更準確、更早的燈球運動目視提示信息，讓飛行員能夠更快地進行修正。IFLOLS改進了光學(xué)特性，增大了視覺范圍（夜間可達2000~2500m遠），為夜間著艦提供了最后階段的精確、清晰的引導(dǎo)。

（2 ）儀表著艦系統(tǒng)（ICLS）

ICLS用于為飛行員提供精確、持續(xù)、來源獨立的下滑道和對中偏差數(shù)據(jù)，主要由飛機上安裝的接收/解碼裝置AN/ARA-63、母艦上安裝的艦載傳輸裝置AN/SPN-41或陸地上安裝的岸基傳輸裝置AN/TRN-28組成。其中，AN/ARA-63是機載進近系統(tǒng)，接收并解碼由AN/SPN-41或AN/TRN-28發(fā)出的脈沖編碼信號，并將偏差指令顯示在座艙中。AN/ARA-63頻道設(shè)置正確時，處于ICLS監(jiān)視模式下的飛機，在晴朗天氣下能收到艦上或岸上基站80000m外發(fā)出的進近引導(dǎo)信號，在0.01m/h降水天氣條件下能夠收到16000m外的進近引導(dǎo)信號。AN/SPN-41系統(tǒng)使用掃描波束微波天線來發(fā)射Ku波段（15.4~15.7kMHz）對空信號。高度和方位信息分別使用不同的天線裝置來傳送，如圖4所示，通過在覆蓋區(qū)域中掃描窄扇形波束來生成下滑道和方位信息。

ICLS在LSO控制臺上沒有顯示，其狀態(tài)顯示在位于航母空管中心（CATCC）上的AN/SPN-41控制面板上，或岸基雷達空中交通管制設(shè)施中的AN/TRN-28控制面板上。它能輔助飛行員將飛行偏差降到最低，還可以在PALS任何部分發(fā)生故障的情況下為飛行員提供下滑道和對中數(shù)據(jù)。

圖3 改進型菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)Fig.3 Improved Fresnel lens optical support system

圖4 儀表著艦系統(tǒng)的示意圖Fig.4 Diagram of instrument cattier landing system

（3）精確進近著艦系統(tǒng)（PALS）

目前正在使用的PALS為AN/SPN-46A。AN/SPN-46A設(shè)計用于為最終進近和著艦程序中的飛機提供指引，由兩個工作波道組成（A和B），其中任一波道都能夠?qū)Ψ岛斤w機的進近和著艦程序進行指引，直至其在航母飛行甲板上觸艦。通過與艦載自動著艦系統(tǒng)的其他部分一同工作，每個波道都能夠在1min內(nèi)讓一架裝備正確的飛機著艦，系統(tǒng)的著艦速率為每分鐘兩架飛機。每個波道都有5個工作模式（I、IA、II、IIT、III）。其中，模式 I為全自動模式；模式 IA 在高度不小于60m、距離不小于2500m時為全自動模式；模式II為半自動模式，采用手動進近，使用SPN-41或SPN-42向飛機提供下滑道和對中信息；模式IIT同模式II相同，唯一區(qū)別是還使用航母控制進近（CCA）管制員（即最終管制員）的信息；模式III則是通話指揮著艦?zāi)Ｊ?，僅使用航母控制進近管制員提供的信息手動進近。由于飛行員在2500m以內(nèi)始終控制飛機，因此在這個距離范圍內(nèi)使用模式IA、模式IIT、模式III的PALS進近與手動進近（即模式II）一樣。模式I的進近則有很大不同，由艦載計算機控制飛機航向和高度，由機載計算機控制飛機的油門設(shè)定。

此外，美國還在進一步改進精確進近著艦系統(tǒng)，稱為“聯(lián)合精確進近與著艦系統(tǒng)”（JPALS）。JPALS是為替代目前艦載機使用的雷達自動著艦系統(tǒng)而研制，可以克服同一時間不能引導(dǎo)多架飛機或?qū)τ陔[身飛機可能會失效的缺點，提高整個艦載機聯(lián)隊的回收效率，并大幅降低進場著艦的事故率[4]。

5 結(jié)論

夜間艦載機飛行經(jīng)歷了漫長的探索發(fā)展過程，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，當(dāng)前的“尼米茲”級航母艦載機機群，其夜間著艦技術(shù)日趨成熟，形成了規(guī)范的運作流程，已經(jīng)具備全天候出動和作戰(zhàn)能力。然而，美軍為達到“未來夜晚是屬于我們的”目標，在著艦引導(dǎo)系統(tǒng)上仍在不斷升級改進，一方面，JPALS正在研制試驗；另一方面，為進一步降低飛行員操作負荷，提高著艦成功率，諸如 “航母艦載機精確進近與回收的增強引導(dǎo)綜合控制技術(shù)”（MAGIC CARPET）、“新型目視甲板燈陣引導(dǎo)”（Bedford Array）等新技術(shù)也正在研發(fā)。我國艦載機發(fā)展速度較快，但對夜間著艦的難度和風(fēng)險的認識需進一步加強，不能簡單地把晝間著艦流程方法移植到夜間，需要對夜間著艦技術(shù)進行深入系統(tǒng)地研究，不斷改進著艦引導(dǎo)設(shè)備，提升艦面輔助系統(tǒng)水平，構(gòu)建多體制著艦引導(dǎo)體系，加強新技術(shù)新手段的研發(fā)應(yīng)用，從而降低飛行員的操控難度，提高夜間和惡劣氣象下的著艦成功率。我國的夜間著艦引導(dǎo)方式擬在現(xiàn)有引導(dǎo)設(shè)備現(xiàn)有體制基礎(chǔ)上，借鑒美軍先進經(jīng)驗進行技術(shù)改進，建立起具有我軍特色的夜間引導(dǎo)機制。

[1] 張翼麟，王一琳. X-47B完成夜間飛行試驗 [J].飛航導(dǎo)彈，2014（05）： 67.ZHANG Yilin，WANG Yilin. Night flight test based on X-47B has been completed [J]. Aerodynamic Missile Journal， 2014（05）： 67. （in Chinese）

[2] 葉青.夜間飛行 [J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（18）： 232.YE Qing. Flying during the night [J]. Science and Technology Innovation Herald， 2012（18）： 232. （in Chinese）

[3] 齊曉華. 夜間飛行視覺疲勞的原因及衛(wèi)生保障 [J]. 航空軍醫(yī)，2001（06）：274 QI Xiaohua. Causes of visual fatigue and health protection during night flight [J]. Flight Surgeon， 2001（06）： 274. （in Chinese）

[4] Bett C J，Simon S A，F(xiàn)arnworth B J，et al. Flight test of the JPALS LDGPS demonstration system [J]. Advanced Drug Delivery Reviews，2001，29（1-2）：185-194.