海上動(dòng)平臺(tái)飛機(jī)著降系統(tǒng)發(fā)展綜述

王曉旺，原彬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

具備飛機(jī)起降和作戰(zhàn)保障能力的海上大型移動(dòng)平臺(tái)（如航母）是當(dāng)今世界上具備強(qiáng)大綜合戰(zhàn)斗能力的平臺(tái)，也是軍事強(qiáng)國(guó)的核心標(biāo)志，其全面的作戰(zhàn)能力是目前其它各類(lèi)平臺(tái)無(wú)法替代的。對(duì)此類(lèi)動(dòng)平臺(tái)而言，配備的各類(lèi)飛機(jī)是其超強(qiáng)戰(zhàn)力的直接體現(xiàn)和保障。而在實(shí)際應(yīng)用中，要使這些飛機(jī)具有戰(zhàn)斗力，必須能在平臺(tái)上安全起降，因此飛機(jī)的安全著降尤為重要。本文以航母為例對(duì)海上動(dòng)平臺(tái)飛機(jī)著降系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行綜合研究分析。

由于航母飛行甲板不僅狹小，還處于持續(xù)運(yùn)動(dòng)中，海洋氣候環(huán)境也比陸地機(jī)場(chǎng)更為復(fù)雜，飛機(jī)在甲板上著降是非常困難又危險(xiǎn)的事情。自航母問(wèn)世以來(lái)，如何提高著降精度、最大限度降低著降風(fēng)險(xiǎn)、降低著降階段事故率，一直是航母裝備研究的關(guān)鍵所在，先后產(chǎn)生了多種著降引導(dǎo)系統(tǒng)。

國(guó)外相關(guān)著降系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷三個(gè)階段：20世紀(jì)50年代的“助降鏡”；20世紀(jì)60年代的“菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)”；基于時(shí)基波速掃描技術(shù)的第三代“全天候電子助降系統(tǒng)”。21世紀(jì)以來(lái)，基于GNSS的著降引導(dǎo)系統(tǒng)也逐漸實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

目前，歐美強(qiáng)國(guó)航母著降系統(tǒng)主要有無(wú)線電著降系統(tǒng)和光學(xué)助降系統(tǒng)[3]，前者主要通過(guò)著降引導(dǎo)雷達(dá)為飛機(jī)提供相對(duì)位置、速度信息和飛行狀態(tài)，光學(xué)助降系統(tǒng)是通過(guò)燈光信號(hào)，給飛行員提供正確的下滑軌跡。

1 航母著降系統(tǒng)發(fā)展歷程

航母問(wèn)世初期沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的著降系統(tǒng)，主要由飛行甲板上的引導(dǎo)官利用信號(hào)旗等裝置引導(dǎo)飛機(jī)降落。1945年，美國(guó)首次把著陸雷達(dá)用于航母著降引導(dǎo)，二戰(zhàn)后曾生產(chǎn)過(guò) AN/SPN-6、AN/SPN-8、AN/SPN-12等型號(hào)裝備，作為輔助設(shè)備為飛行員提供方位和距離信息。

圖1 美軍各類(lèi)著降系統(tǒng)裝備

1952年，英國(guó)首先發(fā)明了光學(xué)助降裝置——助降鏡，裝在艦尾的燈光照向鏡面再反射到空中，給飛行員提供燈光下滑斜面，引導(dǎo)飛機(jī)安全降落到航母上。1953年，助降鏡在英國(guó)航母“光輝”號(hào)上實(shí)驗(yàn)成功并得到了應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，英國(guó)又發(fā)明了菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)，幾經(jīng)改進(jìn)一直沿用到今天。美國(guó)海軍后來(lái)也采用了這種設(shè)備，將它作為目視著降的主要手段。

美國(guó)海軍在1951年開(kāi)始研制全天候全自動(dòng)著降系統(tǒng)，1957年確定了以圓錐掃描跟蹤雷達(dá)為基礎(chǔ)的自動(dòng)著降系統(tǒng)，1963年AN/SPN-10系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，1969年改進(jìn)的自動(dòng)著降系統(tǒng)AN/SPN-42投入使用并開(kāi)始裝備美國(guó)航母。20世紀(jì)80年代初期AN/SPN-42的改進(jìn)型號(hào)AN/SPN-46研制成功，目前，美國(guó)航母普遍裝備這兩種型號(hào)的系統(tǒng)。

美國(guó)海軍在1969年將微波波束掃描技術(shù)應(yīng)用于著降引導(dǎo)，這種系統(tǒng)包括設(shè)艦面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備，艦面設(shè)備型號(hào)是 AN/SPN-41，機(jī)載設(shè)備型號(hào)是AN/ARA-63。AN/SPN-41也稱為儀表著降系統(tǒng)，目前美國(guó)航母普遍裝備該系統(tǒng)，與AN/SPN-42系統(tǒng)或AN/SPN-46系統(tǒng)配套使用，可獨(dú)立完成儀表著降引導(dǎo)，也可作為獨(dú)立監(jiān)視器，監(jiān)視AN/SPN-42系統(tǒng)自動(dòng)著降引導(dǎo)過(guò)程。

1980年代以來(lái)，激光、紅外、電視和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，各種新型光學(xué)助降設(shè)備（如激光中線定位儀，激光下滑指示器，集激光、紅外、電視于一體的甲板進(jìn)近著降激光系統(tǒng)等）先后出現(xiàn)，這些設(shè)備利用激光、紅外或電視技術(shù)增強(qiáng)目視能力，為飛行員提供直接目視信號(hào)，有效增強(qiáng)了著降的安全性。同時(shí)也給著降引導(dǎo)官在夜間或惡劣天氣下精確判斷飛機(jī)狀態(tài)提供更多信息，便于確定飛機(jī)是否在許可的飛行范圍內(nèi)進(jìn)近著降。

20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)GPS系統(tǒng)正式投入使用，基于GPS的飛機(jī)著降系統(tǒng)也拉開(kāi)了序幕。雷神公司為美國(guó)海軍研制的聯(lián)合精密進(jìn)近和著陸系統(tǒng)（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）于2001年7月在潘圖生河的海軍試驗(yàn)中心用F/A-18飛機(jī)完成了首次自主著降試驗(yàn)，2014年利用X-47B無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)航母著降引導(dǎo)，具備初始工作能力，并已裝備福特級(jí)航母，后續(xù)隨著JPALS系統(tǒng)應(yīng)用逐漸成熟后逐步替代現(xiàn)有著降引導(dǎo)裝備。

2 航母著降引導(dǎo)系統(tǒng)

2.1 著降方式分析

（1）目視著降裝備

采用目視方式進(jìn)行著降的飛機(jī)在航母上空按長(zhǎng)方形航線進(jìn)行回旋飛行，航母位于長(zhǎng)方形右邊線的中心。一旦獲得著降許可，飛機(jī)飛到航母右側(cè)上方，并下降高度，放下起落架和尾鉤，飛行到規(guī)定的進(jìn)近點(diǎn)；當(dāng)?shù)竭_(dá)下滑點(diǎn)處開(kāi)始降低高度，逐漸增加下滑速度，飛行員確認(rèn)已經(jīng)看到光學(xué)助降系統(tǒng)燈光后，按助降燈光引導(dǎo)，逐漸靠近航母，完成著降。

圖2 著降引導(dǎo)方式

（2）儀表著降方式

與陸地機(jī)場(chǎng)儀表著陸系統(tǒng)方式類(lèi)似，甲板著降過(guò)程中先截獲儀表著降系統(tǒng)引導(dǎo)信號(hào)，通過(guò)儀表顯示偏差引導(dǎo)信息，飛行員操縱飛機(jī)保持垂直指針和水平指針都在中心位置繼續(xù)飛行，進(jìn)入最終進(jìn)近段，確認(rèn)看見(jiàn)光學(xué)助降系統(tǒng)燈光后按目視方式著降。

（3）自動(dòng)著降方式

目前主用的自動(dòng)著降手段主要為雷達(dá)著降系統(tǒng)，飛機(jī)通過(guò)導(dǎo)航設(shè)備引導(dǎo)向艦尾方向飛去，到達(dá)航母后部約20km處開(kāi)始降低高度，放下起落架和尾鉤，減速并向著降系統(tǒng)雷達(dá)捕獲窗口飛去，當(dāng)飛機(jī)被雷達(dá)捕獲并跟蹤后，由著降引導(dǎo)系統(tǒng)提供引導(dǎo)信息，自動(dòng)控制飛機(jī)按預(yù)定下滑道飛行，最終進(jìn)近段啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能，引導(dǎo)飛機(jī)完成著降。

2.2 著降系統(tǒng)裝備分析

2.2.1 艦面主動(dòng)系統(tǒng)

（1）雷達(dá)著降引導(dǎo)系統(tǒng)

雷達(dá)著降引導(dǎo)主要是 AN/SPN-42著降引導(dǎo)雷達(dá)或AN/SPN-46精密進(jìn)場(chǎng)著降系統(tǒng)（PALS），能為飛機(jī)提供全天候、安全可靠的著降保障，在惡劣天氣和復(fù)雜海況下也能使用，且不受低云幕和低能見(jiàn)度限制。AN/SPN-46系統(tǒng)由兩部精密跟蹤雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、一臺(tái)數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)、船體運(yùn)動(dòng)傳感器和控制平臺(tái)組成。兩部雷達(dá)可以同時(shí)對(duì)兩架飛機(jī)進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)著降引導(dǎo)。

（2）光電著降系統(tǒng)

法國(guó)研制的“達(dá)拉斯（DALLAS）”甲板進(jìn)場(chǎng)著降激光系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)測(cè)距精度±5m，方位精度±0.6mrad，仰角精度±0.3 mrad引導(dǎo)能力。

2.2.2 機(jī)上主動(dòng)系統(tǒng)

（1）儀表著降系統(tǒng)

由航母上的發(fā)射設(shè)備AN/SPN-41、飛機(jī)上的接收/解碼設(shè)備AN/ARA-63組成，在座艙顯示出偏差指令。

圖5 儀表著降系統(tǒng)

（2）微波著降系統(tǒng)

法國(guó)在戴高樂(lè)號(hào)航母上對(duì) TEXTRON Systems公司的 AN/TRA-45型微波著降引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行過(guò)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。這種系統(tǒng)與AN/SPN-41功能基本相同，能完成儀表方式的著降引導(dǎo)功能。

圖6 微波著降系統(tǒng)

（3）聯(lián)合精密進(jìn)近與著陸系統(tǒng)

JPALS系統(tǒng)是一個(gè)精確、抗惡劣天氣和復(fù)雜地形影響、易存活、易維護(hù)、具有兼容互操作能力的著降系統(tǒng)，發(fā)展目標(biāo)為在未來(lái)逐漸替代傳統(tǒng)的手段，為飛機(jī)著降提供更安全、更可靠的引導(dǎo)保障。

圖7 JPALS系統(tǒng)

2.2.3 目視著降系統(tǒng)

（1）甲板燈光助降系統(tǒng)

甲板燈光助降系統(tǒng)雖然作用距離短、引導(dǎo)精度低，但作為最基本的著降跑道對(duì)中系統(tǒng)，在各國(guó)航母上廣泛裝備。

圖8 甲板燈光助降系統(tǒng)

（2）菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)

目前，美國(guó)海軍的光學(xué)助降系統(tǒng)主要有菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)（FLOLS）和改進(jìn)型菲涅耳透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)（IFLOLS）兩種，后者能提供更精確的下滑信息，其數(shù)字控制、內(nèi)部穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)及精確的透鏡使其在距離和性能上都優(yōu)于FLOLS。

圖9 FLOLS系統(tǒng)

圖10 IFLOLS系統(tǒng)

（3）激光目視助降系統(tǒng)（ICOLS）

美國(guó)海軍的“艾科爾斯”（ICOLS）光學(xué)助降改進(jìn)系統(tǒng)是有代表性的激光目視助降系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在夜間和不利氣候條件下的著降引導(dǎo)。

圖11 ICOLS系統(tǒng)

3 著降系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)析

按照美國(guó)海軍全球戰(zhàn)略要求，其未來(lái)的航母將逐步開(kāi)始裝備無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)，對(duì)著降引導(dǎo)精度要求更高、引導(dǎo)跟蹤過(guò)程要求更平滑，航母著降引導(dǎo)系統(tǒng)今后主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破改進(jìn)：

（1）無(wú)人化：支持各類(lèi)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)著降引導(dǎo)，引導(dǎo)模式包括下滑著降和垂直著降等；

（2）自動(dòng)著降引導(dǎo)：針對(duì)飛機(jī)特別是無(wú)人飛機(jī)，全自動(dòng)著降引導(dǎo)能夠滿足高效率、高性能的飛機(jī)著降引導(dǎo)；

（3）綜合化：利用各種著降引導(dǎo)信息進(jìn)行綜合化處理，獲得最優(yōu)的著降引導(dǎo)信息；

（4）集成化：航空電子設(shè)備集成化，如美軍的EGI，通過(guò)各類(lèi)電子裝備集成化設(shè)計(jì)，降低設(shè)備成本、功耗，提升性能。

從國(guó)外自動(dòng)著降系統(tǒng)發(fā)展看，全自動(dòng)著降系統(tǒng)由多種手段構(gòu)成，各種手段相互獨(dú)立、相互融合、相互監(jiān)視，構(gòu)建一個(gè)完備的全自動(dòng)著降系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)安全著降對(duì)航母整體作戰(zhàn)性能意義重大，而飛機(jī)著降引導(dǎo)裝備從最初僅依賴飛行員個(gè)人的高超駕駛技術(shù)，逐漸發(fā)展到通過(guò)各類(lèi)著降引導(dǎo)系統(tǒng)綜合使用為飛機(jī)提供高精度引導(dǎo)性能保障，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自動(dòng)控制狀態(tài)下的著降引導(dǎo)。隨著科技的不斷發(fā)展，未來(lái)的航母飛機(jī)著降系統(tǒng)將逐步使著降引導(dǎo)成為越來(lái)越簡(jiǎn)單、安全的事情，保障飛機(jī)作戰(zhàn)性能得到更充分的發(fā)揮。