硬式空中加油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及設(shè)計(jì)技術(shù)分析

王秀香，高旭，高亞奎

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 總體氣動(dòng)研究所， 西安 710089)

0 引 言

現(xiàn)代空中加油技術(shù)已經(jīng)給空中作戰(zhàn)的力量部署、機(jī)動(dòng)和使用帶來(lái)了革命性的變化，增強(qiáng)了航空兵的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、快速反應(yīng)和持續(xù)作戰(zhàn)能力，使整個(gè)空戰(zhàn)能力提升了一個(gè)新臺(tái)階[1]。

鑒于當(dāng)前我國(guó)空中作戰(zhàn)能力的拓展，有必要對(duì)硬式加油機(jī)以及硬式加油裝置發(fā)展歷程進(jìn)行研究。本文分析硬式空中加油的發(fā)展趨勢(shì)，提煉出硬式加油裝置設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵技術(shù)，以期為我國(guó)發(fā)展和建立大型空中加受油體系提供技術(shù)支持。

1 硬式空中加油機(jī)簡(jiǎn)介

硬式加油設(shè)備也稱(chēng)為伸縮管式空中加油設(shè)備，這一設(shè)備最早是美國(guó)波音公司研制的，在1949年末開(kāi)始投入市場(chǎng)應(yīng)用。其主要結(jié)構(gòu)是一根剛性伸縮管，位于機(jī)體內(nèi)部，在需要實(shí)施空中加油任務(wù)的情況下伸出來(lái)，伸縮管中包含一個(gè)130°的舵形面，可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的伸縮活動(dòng)。在相關(guān)任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程中，受油機(jī)在信號(hào)指引下逐漸向加油機(jī)靠近，當(dāng)距離達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，加油機(jī)操作員可以進(jìn)行操作，使得雙方加油管能夠連接，并鎖定加油桿。完成加油任務(wù)后，受油方減速慢行，這時(shí)加油桿鎖解開(kāi)，兩機(jī)隨即分離[2]。針對(duì)硬式加油機(jī)，美軍空軍實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)“三步走”戰(zhàn)略：第一步是駕駛硬式加油機(jī)，構(gòu)建加油平臺(tái)，實(shí)施空中加油試飛；第二步是駕駛硬式加油機(jī)，通過(guò)變穩(wěn)定性飛行模擬器實(shí)施空中加油試飛；第三步是無(wú)人機(jī)空中加油試飛?，F(xiàn)階段，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成第一步的設(shè)計(jì)工作，正在積極開(kāi)展第二步研究設(shè)計(jì)工作[3]。2012年9月，美國(guó)國(guó)防部預(yù)防研究局已經(jīng)完成了兩架改進(jìn)型硬式加油機(jī)的飛行測(cè)試工作，硬式空中加油技術(shù)相應(yīng)的理論研究方面也獲得了一定的進(jìn)展，例如，英國(guó)Bristol大學(xué)的Thomas Richardson提出的應(yīng)用于增大算法可容許運(yùn)動(dòng)范圍的組成圖像正反算法，C.Giampiero教授以機(jī)器視覺(jué)為基礎(chǔ)針對(duì)加油機(jī)的具體特征進(jìn)行提取和配對(duì)研究[4]。

我國(guó)在加油機(jī)研究方面尚處于起步階段，但也取得了一定成效。1997年，盧成文[5]針對(duì)硬式空中加油桿的建模和仿真模型，研究基于輸入和輸出非線性反饋線性方案對(duì)加油機(jī)的空中飛行姿態(tài)進(jìn)行控制和解耦，為加油機(jī)的控制方案提供了參考；2000年，槐之杰[6]以國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了加油機(jī)尾部渦流場(chǎng)建模方案，為硬式加油機(jī)的相關(guān)加油技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)；2002年，李浩源[7]針對(duì)戰(zhàn)機(jī)的保姆——空中加油機(jī)，對(duì)于硬式加油機(jī)的近距離導(dǎo)航問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出基于雙目視覺(jué)的導(dǎo)航算法，并通過(guò)三維實(shí)景仿真，進(jìn)行了加油桿的精確測(cè)量和位置狀態(tài)等信息的檢測(cè)方案設(shè)計(jì)；2008年，趙仲武[8]以KC-45空中加油機(jī)為例，分析空中加油機(jī)的特性。

近年來(lái)，對(duì)于空中加油加的研究也比較多，主要研究集中在空中加油機(jī)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和未來(lái)發(fā)展展望方面。2014年，蕭蕭[9]基于美俄大型空中加油機(jī)研究?jī)蓢?guó)在空中加油機(jī)技術(shù)上的異同，分析我國(guó)空中加油機(jī)在其中可以借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)；2017年，程龍[10]對(duì)于世界空中加油機(jī)的發(fā)展史進(jìn)行了闡述，進(jìn)一步分析了空中加油機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和方向，研究空中加油機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；2017年，車(chē)海林等[11]提出空中加油機(jī)的發(fā)展使命，進(jìn)一步奠定空中加油技術(shù)的研究基礎(chǔ)和方向；2018年，顧俊[12]研究分析了空中加油機(jī)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)的空中加油機(jī)研究奠定了方向。

就硬式空中加油機(jī)的主要研究?jī)?yōu)勢(shì)來(lái)看，研究總結(jié)出現(xiàn)階段的硬式空中加油具有以下優(yōu)勢(shì)：伸縮管由剛性材料組成，在加油過(guò)程中受到陣風(fēng)、紊流等對(duì)其影響較小，且在加油過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生太大的變形；另外，伸縮管半徑較軟管大，能夠一次性快速完成大量加油，尤其是在戰(zhàn)爭(zhēng)中，能夠快速完成加油極為重要；此外，加油機(jī)上有專(zhuān)門(mén)的加油員來(lái)操縱伸縮管完成與受油機(jī)的對(duì)接過(guò)程，降低了受油機(jī)駕駛員編隊(duì)飛行的難度，節(jié)省了飛行員訓(xùn)練成本；除了采用加油員手工完成對(duì)接外，硬式受油系統(tǒng)還有輔助的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)接，為實(shí)現(xiàn)硬式空中加油自動(dòng)化提供了條件，并在緊急情況下減小損失?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，硬式空中加油技術(shù)是未來(lái)空中加油的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)作戰(zhàn)使用中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[13]。

2 硬式空中加油機(jī)發(fā)展

美國(guó)空軍自成立以來(lái)，非常重視空中加油機(jī)的發(fā)展和運(yùn)用，巔峰時(shí)期曾裝備各型空中加油機(jī)1 300余架。美國(guó)空軍強(qiáng)大的空中加油能力現(xiàn)已成為美國(guó)實(shí)現(xiàn)“全球警戒、全球到達(dá)、全球力量”的關(guān)鍵性支援保障力量[4]。本文以典型機(jī)型為代表進(jìn)行分析，提煉硬式加油裝置發(fā)展的主要技術(shù)特征。

2.1 第一代硬式空中加油機(jī)

朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)空軍要求波音公司設(shè)計(jì)一套氣動(dòng)控制的、可以轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮的硬式加油管，稱(chēng)之為伸縮管式加油系統(tǒng)，即硬式加油系統(tǒng)。從而誕生了第一代硬式空中加油機(jī)KB-29P(如圖1所示[14])，在20世紀(jì)50年代被美國(guó)空軍大量使用。

KB-29P加油操作員在飛機(jī)尾部炮塔中操作硬式伸縮管的V形小翼，將加油嘴伸到受油機(jī)機(jī)身上的受油口中。伸縮管根部裝有一組指示信號(hào)燈，幫助受油機(jī)辨認(rèn)與加油機(jī)的相對(duì)位置。

第一代硬式空中加油機(jī)典型特征是以轟炸機(jī)為改裝平臺(tái)，受到載機(jī)有效載荷的限制，只能提供有限的外供油量。

2.2 第二代硬式空中加油機(jī)

新研制的飛機(jī)速度更快、航程更遠(yuǎn)，KB-29P已經(jīng)不能滿足美國(guó)空軍的需求，并被新研制的KC-97所取代(如圖2所示[15])。KC-97所做的改進(jìn)主要是更快的飛行速度和改進(jìn)的伸縮管位置，以便于更準(zhǔn)確的實(shí)施加油。KC-97仍然是一架螺旋槳式飛機(jī)，在1956年～1965年服役。

第二代硬式空中加油機(jī)典型特征是在運(yùn)輸機(jī)上進(jìn)行改裝，有效的外供油量增加，并為當(dāng)時(shí)速度快的受油機(jī)進(jìn)行加油。

2.3 第三代硬式空中加油機(jī)

由于具有遠(yuǎn)航程和大運(yùn)載能力的大型噴氣式客機(jī)出現(xiàn)， KC-97P很快于1957年被KC-135噴氣式空中加油機(jī)取代(如圖3所示[16])。KC-135的主要任務(wù)是給遠(yuǎn)程轟炸機(jī)空中加油，同時(shí)向空軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和盟國(guó)飛機(jī)提供空中加油支援。

圖3 KC-135加油機(jī)及其后部加油控制艙

KC-135主要的空中加油手段是機(jī)身后部的硬式加油裝置。在伸縮套管的末端安裝一個(gè)軟管錐套適配器(Boom Drogue Adapter,簡(jiǎn)稱(chēng)BDA)，以滿足裝備軟式受油的飛機(jī)加油需要。加油操作員在機(jī)身后部控制艙內(nèi)操縱伸縮加油管。KC-135的加油系統(tǒng)全部位于飛機(jī)機(jī)艙地板以下，因此飛機(jī)機(jī)艙可以用來(lái)運(yùn)送貨物或人員[16]。

第三代硬式空中加油機(jī)具有一定的運(yùn)輸能力，配置了先進(jìn)的硬式加油裝置系統(tǒng)，并設(shè)置了專(zhuān)用加油操作員，但是加油操作環(huán)境簡(jiǎn)陋，加油環(huán)境、加油方式、加油點(diǎn)單一。

2.4 第四代硬式空中加油機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)空軍力量盡可能快速地投入戰(zhàn)場(chǎng)，美國(guó)空軍提出了“先進(jìn)加油/貨運(yùn)飛機(jī)” (Advanced Tanker/Cargo Aircraft，簡(jiǎn)稱(chēng)ATCA)計(jì)劃，要求新的加油機(jī)在實(shí)現(xiàn)更高的空中加油能力的同時(shí)，具有較大的載貨能力，由此發(fā)展出了在DC-10基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的KC-10加油機(jī)(如圖4所示[17])。

KC-10加油機(jī)的硬式加油系統(tǒng)具有操作安全性、效率和加油率等方面的優(yōu)勢(shì)。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)還包括：更大的控制包線，獨(dú)立的斷開(kāi)能力，數(shù)字電傳主動(dòng)控制，自動(dòng)卸荷，位置速度感知，輕便的精確手動(dòng)控制和操作員選擇的斷開(kāi)限制。

第四代硬式空中加油機(jī)兼有一定的貨物運(yùn)輸能力，向軟式、硬式三點(diǎn)加油方向發(fā)展，具有先進(jìn)的硬式加油裝置系統(tǒng)，加油員可直接觀察到受油機(jī)，操作環(huán)境舒適[17]。

圖4 KC-10加油機(jī)及其硬式空中加油裝置

2.5 第五代新型多用途空中加油機(jī)

為了在未來(lái)逐步替換結(jié)構(gòu)早已老化的KC-135等現(xiàn)有加油機(jī)機(jī)型，美軍提出了第五代KC-X空中加油機(jī)計(jì)劃[4]，要求必須具有軟式和硬式加油能力，空中受油能力，貨物、人員運(yùn)輸和醫(yī)療后送能力，指揮、控制和通信能力，網(wǎng)絡(luò)中心能力和高生存能力等，加油員操作環(huán)境具有良好的人機(jī)工效。目前主要機(jī)型有KC-30和KC-46A。

KC-30(如圖5(a)所示[18])基于空客A330-200多用途加油機(jī)研制，第一架KC-30于2007年9月25日完成首飛。其多點(diǎn)式加油系統(tǒng)由加油吊艙、機(jī)身軟式加油管和機(jī)體尾部的硬式加油裝置組成。兩套數(shù)字式FRL 905E加油吊艙最大加油速率為1 900 L/min，可兼容美國(guó)和北約具有軟式加油能力的飛機(jī)。先進(jìn)的硬式加油系統(tǒng)使用電傳控制技術(shù)，包括自動(dòng)卸荷系統(tǒng)、獨(dú)立斷開(kāi)功能和冗余作動(dòng)器等，硬式加油裝置的加油運(yùn)動(dòng)包線可根據(jù)各種受油機(jī)自動(dòng)設(shè)定，加油操作方式具有良好的人機(jī)界面，對(duì)加油操作員提供了全天候的三維視景增強(qiáng)系統(tǒng)[17]。

(a) KC-30加油機(jī)方案

(b) KC-46A加油機(jī)方案

波音公司的KC-46A加油機(jī)方案(如圖5(b)所示[18])基于波音767-200LR遠(yuǎn)程貨機(jī)，裝備電傳操縱的硬式加油裝置和新型加油吊艙，以及機(jī)身中線加油平臺(tái)，并可以對(duì)這三個(gè)軟式加油點(diǎn)進(jìn)行任意組合配置；采用移植的波音787客機(jī)駕駛艙，以及視頻遙控加油系統(tǒng)，使用攝像機(jī)為操縱員提供三維監(jiān)控加油情況。波音公司對(duì)KC-46A加油機(jī)的伸縮套管的處理更加細(xì)膩，零部件比原來(lái)少2 600個(gè)，采用新型伸縮管和滾輪系統(tǒng)，改進(jìn)了伸縮套管的絞車(chē)，加裝電操縱系統(tǒng)、自動(dòng)減荷和位置傳感器及獨(dú)立的脫離系統(tǒng)等新部件。

2.6 硬式空中加油機(jī)主要技術(shù)特征

由上述分析可知，硬式空中加油機(jī)隨著載機(jī)平臺(tái)而發(fā)展[4-5]，主要技術(shù)特征如表1所示。

從平臺(tái)來(lái)看，第一代、第二代主要由轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)改裝而來(lái)，但由于受到當(dāng)時(shí)平臺(tái)的限制，只能提供有限的外供油量。從第三代直到最新的KC-X計(jì)劃，加油機(jī)由大型飛機(jī)改裝，具有較大的載油量，可進(jìn)行多點(diǎn)加油，并兼有一定的運(yùn)輸能力。

表1 硬式空中加油機(jī)的主要技術(shù)特征

從硬式加油裝置來(lái)看，從最初的機(jī)械液壓操縱向電傳操縱發(fā)展，加油流量進(jìn)一步增加，有利于減少對(duì)接時(shí)間，提供加受油機(jī)生存率。從操作環(huán)境來(lái)看，第一代、第二代沒(méi)有專(zhuān)用的加油操作環(huán)境；從第三代開(kāi)始，設(shè)置了專(zhuān)用加油操作員，但是加油操作環(huán)境簡(jiǎn)陋；而第四代加油機(jī)的加油員操作環(huán)境較為舒適，但是空間擁擠；在最新的KC-X計(jì)劃中，充分考慮了加油員的操作環(huán)境的人機(jī)功效設(shè)計(jì)，有專(zhuān)用的加油員操作臺(tái)，提供了良好的人機(jī)界面，可為加油員提供全天候的三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3 硬式空中加油技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 發(fā)展趨勢(shì)

綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于空中加油機(jī)相關(guān)研究的綜述結(jié)果，總結(jié)得出從硬式空中加油機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)特征變化，可以分析出硬式空中加油的發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1)向多用途化發(fā)展。在選擇新的空中加油平臺(tái)時(shí)，普遍傾向于“一機(jī)多用”的選擇原則，看重加油機(jī)的使用效率。選擇現(xiàn)有大型運(yùn)輸機(jī)為載機(jī)平臺(tái)，充分利用其裝載空間大及留空時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)以空中加油為主，兼顧運(yùn)輸貨物、充當(dāng)通信中繼平臺(tái)、安裝貨盤(pán)化的任務(wù)設(shè)備等功能。

(2)加油過(guò)程控制的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。加油過(guò)程中，多編隊(duì)加、受油飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)協(xié)同配合極其復(fù)雜。為提高空中加油的效能及安全性，在研制新型空中加油機(jī)或?qū)ΜF(xiàn)有加油機(jī)進(jìn)行改裝時(shí)，十分注重提高加油系統(tǒng)的數(shù)字化程度，以期實(shí)現(xiàn)加油過(guò)程的自動(dòng)化。目前已實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的自動(dòng)受油，可以預(yù)期實(shí)現(xiàn)空中加油全過(guò)程自動(dòng)化的將為可能。

(3)加油操作專(zhuān)人化。操作系統(tǒng)逐漸成熟，人機(jī)工效占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

(4)大流量多點(diǎn)加油的需求將帶動(dòng)硬式加油技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。新型空中加油機(jī)都采用一個(gè)硬式、兩個(gè)軟式和一個(gè)中心線空中加油平臺(tái)的三點(diǎn)加油方式。對(duì)于如戰(zhàn)略轟炸機(jī)、大型特種飛機(jī)等大型飛機(jī)，為縮短加油時(shí)間，要求盡可能提高硬式空中加油系統(tǒng)加油流量。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

硬式空中加油技術(shù)的發(fā)展對(duì)硬式空中加油裝置的設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，硬式加油裝置要實(shí)現(xiàn)高精度俯仰、偏擺、滾轉(zhuǎn)、大行程伸縮、動(dòng)密封與沖擊壓力抑制等功能，相當(dāng)于一套小型化的無(wú)人控制系統(tǒng)，直接影響加油機(jī)、受油機(jī)的剛性與柔性連接體一體化，研究難度大、系統(tǒng)復(fù)雜、安全系數(shù)要求高。因此需要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)。

(1) 硬式加油裝置總體布局設(shè)計(jì)技術(shù)

由于硬式加油裝置處于機(jī)身后體強(qiáng)干擾區(qū)域，飛機(jī)后體的流動(dòng)比較復(fù)雜，硬式加油裝置在收放、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的后體流動(dòng)特性、壓力分布因素影響與自由流中差別較大，使得伸縮套管受到機(jī)體振動(dòng)和尾渦多重影響；同時(shí)由于加油機(jī)與受油機(jī)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加油機(jī)、加油裝置和受油機(jī)之間的相互響應(yīng)也較為復(fù)雜。

(2) 硬式加油裝置結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

硬式加油裝置為大擾動(dòng)細(xì)長(zhǎng)體輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于控制翼面的約束和載機(jī)的影響，其伸縮管裝置要在各種復(fù)雜流場(chǎng)下的氣動(dòng)載荷、慣性載荷等作用下，在飛機(jī)飛行包線和硬式加油裝置運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，要求不變形。同時(shí)受到總體布局和重量的約束，內(nèi)部空間狹小，要保障伸縮管機(jī)構(gòu)在復(fù)雜干擾的作用下進(jìn)行順暢伸縮運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、支撐、導(dǎo)向等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很高的技術(shù)難度。

(3) 硬式加油裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

硬式加油伸縮管裝置猶如一架小型無(wú)人機(jī)，未與受油裝置對(duì)接前要求快速精確地定位，對(duì)接后要求能自動(dòng)適應(yīng)加受油機(jī)之間相對(duì)位置的變化，消除對(duì)接應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種模態(tài)的設(shè)置，形成最優(yōu)的伸縮管控制系統(tǒng)總體方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

空中加油機(jī)在當(dāng)今地區(qū)性沖突中扮演了重要角色，從聯(lián)合打擊到設(shè)立禁飛區(qū)，在各種重要的軍事行動(dòng)中都出現(xiàn)了空中加油機(jī)的身影。而在未來(lái)，空中加油機(jī)在類(lèi)似任務(wù)中的作用將更加重要。目前以美國(guó)為代表的世界軍事強(qiáng)國(guó)大多裝備了空中加油機(jī)，發(fā)展包括“伙伴加油”在內(nèi)的多種空中加油手段，并開(kāi)始了下一代空中加油機(jī)的研制，使多種作戰(zhàn)飛機(jī)具備空中加油能力，提高其航空武器裝備作戰(zhàn)效能。硬式空中加油機(jī)作為未來(lái)空中加油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，其研究尤為重要，本文通過(guò)梳理硬式空中加油機(jī)的發(fā)展，指出相關(guān)需求變革的思路和關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步深入研究硬式加油裝置提供參考。