不同起降方式的艦載機(jī)作戰(zhàn)能力對(duì)比分析*

周曉光，張 琳，王 偉，何曉蕾

（1.海軍航空大學(xué)教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心，遼寧 葫蘆島 125001；2.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院，西安 710051）

0 引言

艦載機(jī)按照起降方式可以分為滑躍起飛/阻攔著艦、彈射起飛/阻攔著艦（常規(guī)起飛）、短距起飛/垂直著艦、垂直起降、自由起降等5 類［1］，其中滑躍起飛/阻攔著艦、彈射起飛/阻攔著艦、短距起飛/垂直著艦是目前艦載機(jī)最為主要的3 種起降方式。如何評(píng)估典型起降方式下艦載機(jī)的出動(dòng)能力，優(yōu)化艦載機(jī)飛行甲板作業(yè)，一直是艦載機(jī)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。美軍在彈射起飛/阻攔著艦、短距起飛/垂直著艦兩種起降方式艦載機(jī)出動(dòng)架次評(píng)估［2-5］和作戰(zhàn)能力對(duì)比分析［6］方面進(jìn)行了大量的研究，為艦載機(jī)作戰(zhàn)和裝備發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者在滑躍起飛/ 阻攔著艦艦載機(jī)出動(dòng)架次評(píng)估［7］、作戰(zhàn)部署［8］、出動(dòng)架次規(guī)劃［9-10］等方面做了一定的研究，對(duì)艦載機(jī)作戰(zhàn)使用的認(rèn)識(shí)不斷提升。但是在3 種典型起降方式艦載機(jī)作戰(zhàn)能力對(duì)比分析方面研究較少，大多是定性分析［11-12］，缺少定量分析。結(jié)合我國(guó)新型航母發(fā)展建設(shè)論證需求，本文對(duì)滑躍起飛/阻攔著艦、彈射起飛/阻攔著艦、短距起飛/垂直著艦3 種典型艦載機(jī)作戰(zhàn)能力進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果可為我國(guó)艦載機(jī)作戰(zhàn)規(guī)劃和艦載機(jī)裝備發(fā)展論證提供量化依據(jù)。

1 不同起降方式飛行甲板作業(yè)分析

1.1 滑躍起飛/阻攔著艦飛行甲板作業(yè)

滑躍起飛/阻攔著艦飛行甲板作業(yè)大體可分為3 個(gè)方面內(nèi)容：一是滑躍起飛甲板作業(yè)，如圖1（a）所示，艦載機(jī)在圖1（a）中灰色停機(jī)區(qū)牽引至1 號(hào)～3號(hào)起飛站位，然后通過(guò)艦艏滑躍甲板滑躍起飛；二是回收牽引甲板作業(yè)，如圖1（b）所示，艦載機(jī)在著艦跑道通過(guò)阻攔索實(shí)現(xiàn)甲板著艦，然后牽引至停機(jī)區(qū)；三是甲板航空艦面保障作業(yè)，主要包括艦載機(jī)的彈藥卸載、系留、移除觸發(fā)裝置、維護(hù)保養(yǎng)（如充氮、換胎）、加油、掛彈、彈藥檢查等任務(wù)［13］，經(jīng)過(guò)甲板航空艦面保障處理后，艦載機(jī)進(jìn)行下一次的滑躍起飛作業(yè)。艦載機(jī)著艦后，立即被牽引至艦艏位置并系留，當(dāng)一個(gè)波次的艦載機(jī)均回收后，對(duì)回收的艦載機(jī)實(shí)施二次重置，將艦艏系留的艦載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)牽引至起飛位置（圖1（b）中灰色部分），或者通過(guò)升降梯將艦載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至飛機(jī)機(jī)庫(kù)。由于飛行甲板區(qū)域重疊，艦載機(jī)起飛作業(yè)、阻攔著艦和艦載機(jī)甲板轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)是不能同時(shí)進(jìn)行的。

1.2 彈射起飛/阻攔著艦飛行甲板作業(yè)

圖1 滑躍式起降艦載機(jī)起飛牽和著艦回收操作

彈射起飛/阻攔著艦的飛行甲板基本布局如圖2（a）所示，部署有4 個(gè)彈射器。在彈射起飛甲板作業(yè)過(guò)程中，將停機(jī)區(qū)艦載機(jī)（圖2（a）中甲板灰色部分）牽制至彈射起飛站位，由彈射器助力彈射起飛。阻攔著艦作業(yè)和甲板航空艦面保障作業(yè)兩個(gè)方面內(nèi)容與滑躍起飛/阻攔著艦作業(yè)內(nèi)容相似，如圖2（b）所示。

圖2 彈射式起降艦載機(jī)起飛牽引和著艦回收操作

1.3 短距起飛/垂直著艦飛行甲板作業(yè)

短距飛機(jī)/垂直著艦艦載機(jī)起飛流程如圖3（a）所示，艦載機(jī)停機(jī)區(qū)主要分布在飛行甲板的艦艉、左舷、右舷和甲板中部，如圖3（a）中灰色部分。艦載機(jī)的起飛位有兩個(gè)，均位于艦艏位置，艦載機(jī)起飛過(guò)程中，艦載機(jī)由飛行甲板灰色部分的停機(jī)區(qū)牽引至起飛位，通過(guò)彈射系統(tǒng)加力起飛。相對(duì)于其他兩個(gè)起飛方式，短距飛機(jī)/垂直著艦艦載機(jī)具有更好的載荷能力和更長(zhǎng)的航時(shí)，且起飛過(guò)程中所用的飛行甲板區(qū)域少，留有更多的飛行甲板區(qū)域供艦載機(jī)停放和轉(zhuǎn)運(yùn)。短距飛機(jī)/垂直著艦艦載機(jī)的著艦回收相對(duì)其他兩種方式的艦載機(jī)回收過(guò)程較為簡(jiǎn)單，飛行甲板左舷有4 個(gè)回收平臺(tái)，艦載機(jī)通過(guò)其中1個(gè)實(shí)現(xiàn)垂直著艦，著艦后直接牽引至原起飛位并系留，如圖3（b）所示。短距飛機(jī)/垂直著艦艦載機(jī)的回收作業(yè)和轉(zhuǎn)運(yùn)系留作業(yè)可以同時(shí)進(jìn)行，且對(duì)艦載機(jī)起飛作業(yè)影響較小，可以同時(shí)進(jìn)行。

圖3 短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)起飛牽引和著艦艦載機(jī)回收操作

2 艦載機(jī)出動(dòng)架次計(jì)算模型

2.1 艦載機(jī)進(jìn)攻作戰(zhàn)飛行作業(yè)流程

艦載機(jī)遂行作戰(zhàn)任務(wù)，飛行作業(yè)流程主要包括甲板起飛作業(yè)、出航、突擊作戰(zhàn)、返航以及甲板著艦等幾個(gè)階段［14-15］。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，不考慮艦載機(jī)在作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程中的損耗問(wèn)題，且認(rèn)為所有的艦載機(jī)經(jīng)過(guò)艦面保障后均可進(jìn)行下一次的波次作戰(zhàn)。為描述艦載機(jī)波次作業(yè)周期內(nèi)的作業(yè)內(nèi)容，引入如下變量：艦載機(jī)起飛時(shí)間TL（min），即單架次艦載機(jī)起飛所需要的時(shí)間；艦載機(jī)的起飛率為TL˙（min/架），即平均起飛1 架次艦載機(jī)所用的時(shí)間，假如單架次艦載機(jī)起飛時(shí)間為2 min，4 個(gè)彈射器可同時(shí)彈射4 架艦載機(jī)，那么艦載機(jī)起飛率為2 min/4 架，即0.5 min/架；艦載機(jī)起飛后恢復(fù)時(shí)間TPL，即在艦載機(jī)載起飛后，清理起飛輔助裝置所需要的時(shí)間，以便為執(zhí)行回收作業(yè)準(zhǔn)備好回收區(qū)域。艦載機(jī)回收率TR˙（min/架），即平均回收1 架次艦載機(jī)所用的時(shí)間；艦載機(jī)牽引重置率TRS˙，即平均對(duì)1 架艦載機(jī)進(jìn)行牽引重置所需要的時(shí)間，一般航母甲板有數(shù)個(gè)牽引組，牽引重置的時(shí)間主要包括牽引車連接飛機(jī)時(shí)間、牽引時(shí)間、牽引車切斷與飛機(jī)連接時(shí)間，以及牽引組返回艦艏所需的時(shí)間；艦面保障服務(wù)率TS˙，即平均1 架艦載機(jī)艦面保障服務(wù)所需要的時(shí)間，一般飛行甲板部署有數(shù)個(gè)武器保障組和燃油保障組；艦載機(jī)飛行人員配備時(shí)間TMA，其中包含了艦載機(jī)飛行員對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行了的各種飛行前檢測(cè)任務(wù)所需要的時(shí)間。

2.2 滑躍和彈射起飛艦載機(jī)出動(dòng)架次評(píng)估

對(duì)于滑躍起飛/阻攔著艦和彈射起飛/阻攔著艦兩種方式的艦載機(jī)，將3 個(gè)波次的艦載機(jī)飛行作業(yè)流程計(jì)劃繪制如圖4 所示。圖4 中，橫軸為艦載機(jī)作業(yè)在時(shí)間軸上的分布，縱軸為艦載機(jī)波次，從圖中可以看出，一共包含了3 個(gè)艦載機(jī)波次，第1波次的艦載機(jī)起飛后，間隔時(shí)間TCL后第2 波次的艦載機(jī)執(zhí)行飛行甲板起飛作業(yè)，間隔2 個(gè)TCL后，第3 波次的艦載機(jī)執(zhí)行飛行甲板起飛作業(yè)。任何波次艦載機(jī)的飛行任務(wù)時(shí)間TMI包含了兩個(gè)波次艦載機(jī)的甲板起飛作業(yè)時(shí)間L、艦載機(jī)起飛后恢復(fù)作業(yè)PL 和一個(gè)波次艦載機(jī)的甲板回收作業(yè)R 以及牽引重置作業(yè)RS。此種情況，將得到最多的出動(dòng)架次，稱此時(shí)的飛行作業(yè)計(jì)劃為最優(yōu)的飛行作業(yè)計(jì)劃。

圖4 最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃

在最優(yōu)飛行計(jì)劃條件下，如下公式成立：

從式（2）中看出，對(duì)于任何單波次起飛的艦載機(jī)數(shù)量X，都存在一個(gè)最優(yōu)的飛行任務(wù)時(shí)間TMI。

根據(jù)艦載機(jī)的任務(wù)剖面，艦載機(jī)的飛行任務(wù)時(shí)間主要包括2 min 起飛、2 min 編隊(duì)、5 min 作戰(zhàn)，5 min 降落，以及出航和返航所需時(shí)間，那么飛行任務(wù)時(shí)間TMI為：

根據(jù)圖4 描述的最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃，連續(xù)兩個(gè)波次艦載機(jī)起飛時(shí)間間隔的起飛周期時(shí)間TCL可用下式計(jì)算：

在作戰(zhàn)期內(nèi)TOP，艦載機(jī)起飛波次N 為：

式（5）的計(jì)算過(guò)程中，確保了作戰(zhàn)期TOP最后一個(gè)波次起飛的艦載機(jī)的飛行任務(wù)時(shí)間在飛行作業(yè)計(jì)劃時(shí)間之內(nèi)。

艦載機(jī)出動(dòng)架次SN為單波次起飛的艦載機(jī)數(shù)量X 和艦載機(jī)起飛波次N 的乘積：

2.3 短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)出動(dòng)能力評(píng)估

與滑躍起飛和彈射起飛一樣，為獲得最大的艦載機(jī)出動(dòng)架次，短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)也是以作業(yè)周期方式進(jìn)行的?；S起飛和彈射起飛的作業(yè)周期主要由甲板起飛作業(yè)、甲板著艦作業(yè)和牽引重置作業(yè)所決定，而短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)相關(guān)甲板作業(yè)可以同時(shí)進(jìn)行，因此，其作業(yè)周期是由飛行甲板作業(yè)服務(wù)能力所決定的。相繼兩次艦載機(jī)起飛波次在甲板服務(wù)周期內(nèi)沒有空閑時(shí)間是最優(yōu)的飛行作業(yè)計(jì)劃的目標(biāo)，如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃

從圖5 中可以看出，艦載機(jī)波次起飛間隔TCL等于艦載機(jī)在飛行甲板作業(yè)服務(wù)保障周期時(shí)間TS。短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)飛行甲板作業(yè)服務(wù)保障周期間隔取決于甲板各作業(yè)保障組的數(shù)量WT、服務(wù)率S˙和波次起飛艦載機(jī)數(shù)量X，艦載機(jī)波次起飛間隔CL 的計(jì)算公式如下：

作戰(zhàn)期內(nèi)艦載機(jī)波次起飛數(shù)量N，飛行任務(wù)時(shí)間TMI和總的出動(dòng)架次計(jì)算SN的計(jì)算方法，與滑躍和彈射起飛艦載機(jī)計(jì)算方法一致。

3 艦載機(jī)防空巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間計(jì)算模型

航母編隊(duì)艦載機(jī)防空巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間是衡量艦載機(jī)防空作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)之一，主要描述在給定數(shù)量防空巡邏陣位的條件下，在作戰(zhàn)期內(nèi)艦載機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)部署時(shí)間的能力。

3.1 滑躍和彈射起飛艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)飛行作業(yè)計(jì)劃

滑躍起飛和彈射起飛艦載機(jī)遂行航母防空任務(wù)時(shí)最優(yōu)的飛行作業(yè)計(jì)劃如圖6 所示。其中TL為起飛作業(yè)時(shí)間；TCO為艦載機(jī)出航時(shí)間；TOS為艦載機(jī)部署巡邏陣位時(shí)間；TCB為艦載機(jī)返航時(shí)間；TR為艦載機(jī)著艦作業(yè)時(shí)間；TRS為艦載機(jī)甲板牽引重置作業(yè)時(shí)間；TS為艦載機(jī)飛行甲板航空保障作業(yè)時(shí)間；TM為艦載機(jī)飛行員配置時(shí)間。在不考慮飛行甲板作業(yè)限制的條件下，波次起飛間隔TCL等于艦載機(jī)巡邏陣位部署時(shí)間TOS，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有巡邏陣位的連續(xù)部署。但是當(dāng)TCL=TOS時(shí)，起飛波次1 的艦載機(jī)回收作業(yè)將與起飛波次3 的艦載機(jī)甲板起飛作業(yè)相沖突。為解決沖突，第1 個(gè)選擇是允許陣位巡邏出現(xiàn)空隙；第2 個(gè)選擇是將波次起飛間隔時(shí)間TCL縮小TCI，如圖6 所示。一般采取第2 種方法進(jìn)行飛行作業(yè)。

圖6 滑躍彈射起飛艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)任務(wù)飛行作業(yè)計(jì)劃

滑躍和彈射起飛艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)任務(wù)的最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃設(shè)計(jì)算法如下：

Step1：設(shè)定作戰(zhàn)周期TOP和波次起飛艦載機(jī)數(shù)量X；

Step2：計(jì)算艦載機(jī)飛行作業(yè)各階段時(shí)間，設(shè)定波次起飛間隔TCL；

Step3：計(jì)算連續(xù)部署巡邏陣位所需起飛波次N：

Step4：查找所有起飛波次間起飛作業(yè)L、著艦作業(yè)R 和牽引重置作業(yè)RS 是否存在重疊，是轉(zhuǎn)入Step5，否則轉(zhuǎn)入Step6；

Step5：將波次起飛時(shí)間間隔TCL減?。?/p>

其中，TDELT減少的時(shí)間值，一般設(shè)定為1。如果TCL≥0 轉(zhuǎn)入Step2；否則減少波次艦載機(jī)起飛數(shù)量X=X-1，轉(zhuǎn)入Step1；。

Step6：結(jié)束。

根據(jù)艦載機(jī)艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)任務(wù)的最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃，可以進(jìn)一步計(jì)算防空巡邏陣位的連續(xù)部署時(shí)間Ttotal：

其中，X 為波次起飛艦載機(jī)數(shù)量；TOS為艦載機(jī)在巡邏陣位部署的時(shí)間，等于艦載機(jī)波次起飛時(shí)間間隔TCL。

3.2 短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)飛行作業(yè)計(jì)劃

短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)飛行作業(yè)計(jì)劃如下頁(yè)圖7 所示。相對(duì)于滑躍起飛和彈射起飛，由于飛行甲板作業(yè)相互間影響較小、不受限制，考慮甲板起飛作業(yè)、甲板阻攔作業(yè)和牽引重置作業(yè)可同時(shí)進(jìn)行，波次起飛間隔TCL等于艦載機(jī)巡邏陣位部署時(shí)間TOS。

圖7 短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)任務(wù)飛行作業(yè)計(jì)劃

4 仿真分析

4.1 仿真想定

由于滑躍起飛艦載機(jī)在滑躍起飛過(guò)程中沒有彈射器助力支持，需要具備更好的空氣動(dòng)力特性，因此，滑躍起飛艦載機(jī)相對(duì)于彈射起飛和短距起飛艦載機(jī)在結(jié)構(gòu)尺寸上更大，相同飛行甲板面積所承載的艦載機(jī)數(shù)量相對(duì)較少。假定航母噸位一致，飛行甲板面積一致，彈射起飛和短距起飛艦載機(jī)數(shù)量為100 架，滑躍起飛艦載機(jī)數(shù)量為80 架；作戰(zhàn)時(shí)間TOP=12 h；艦載機(jī)的巡航速度為0.8 M；艦載機(jī)的作戰(zhàn)半徑為700 nm。其他參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 想定作戰(zhàn)參數(shù)時(shí)定

4.2 出動(dòng)架次計(jì)算

3 種典型起飛方式的艦載機(jī)出動(dòng)架次和作戰(zhàn)距離之間的關(guān)系如圖8 所示。從圖中可以看出，3 種起飛方式的艦載機(jī)出動(dòng)架次隨作戰(zhàn)距離增大，逐漸減少，在作戰(zhàn)距離為100 nm 的條件下，滑躍起飛艦載機(jī)出動(dòng)架次184 架次，彈射起飛為231 架次，短距飛機(jī)為276 架次。在航母噸位一致的情況下，滑躍起飛艦載機(jī)出動(dòng)架次最小，其次是彈射起飛，出動(dòng)架次最多的是短距起飛/垂直著艦艦載機(jī)。

圖8 艦載機(jī)出動(dòng)架次與作戰(zhàn)距離之間的關(guān)系

以滑躍起飛方式艦載機(jī)為例，艦載機(jī)出動(dòng)架次與艦載機(jī)總數(shù)量之間的關(guān)系如圖9 所示。從圖中可以看出，除去作戰(zhàn)距離因素，艦載機(jī)數(shù)量是影響艦載機(jī)出動(dòng)架次的最關(guān)鍵因素，在艦載機(jī)數(shù)量為30架時(shí)，作戰(zhàn)半徑為［100 200 300 400 500 600 700］nm的條件下，艦載機(jī)的出動(dòng)架次分別為［184 130 90 70 50 40 30］，艦載機(jī)出動(dòng)架次呈凹曲線下降。為提高艦載機(jī)出動(dòng)架次率，發(fā)展大噸位航母，優(yōu)化飛行甲板面積，進(jìn)一步增加艦載機(jī)數(shù)量，是最為重要的選擇。

圖9 艦載機(jī)出動(dòng)架次與艦載機(jī)數(shù)量之間的關(guān)系

4.3 巡邏陣位連續(xù)部署能力計(jì)算

假定航母防空巡邏陣位數(shù)量為10，采用航母防空作戰(zhàn)任務(wù)的最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃設(shè)計(jì)算法，設(shè)計(jì)滑躍起飛的最優(yōu)飛行作業(yè)計(jì)劃，如圖10 所示。從圖中可以看出，從飛行作業(yè)計(jì)劃中可以看出，為避免甲板作業(yè)沖突，巡邏陣位部署時(shí)間出現(xiàn)重疊區(qū)域，需要更多的艦載機(jī)遂行防空作戰(zhàn)任務(wù)。

圖10 艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)飛行作業(yè)計(jì)劃

應(yīng)用艦載機(jī)遂行航母防空作戰(zhàn)任務(wù)最優(yōu)飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)方法，計(jì)算滑躍起飛、彈射起飛和短距起飛艦載機(jī)載不同巡邏陣位距離上的連續(xù)部署時(shí)間如圖11 所示。從圖中可以看出，在巡邏陣位距離為450 nm，巡邏陣位為10 的想定下，3 種起降方式的艦載機(jī)連續(xù)部署時(shí)間能力相同；而大于450 nm 后，滑躍起飛艦載機(jī)巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間急劇下降，短距起飛艦載機(jī)巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間持續(xù)能力最強(qiáng)。如果設(shè)定巡邏陣位為20 的情況下，滑躍起飛艦載機(jī)的連續(xù)部署時(shí)間將明顯小于滑躍起飛和短距起飛艦載機(jī)，在200 nm 為各種起飛方式的防空巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間下降點(diǎn)。從以上分析可知，艦載機(jī)數(shù)量仍是決定艦載機(jī)放空作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了艦載機(jī)出動(dòng)架次計(jì)算模型和防空巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間計(jì)算模型，對(duì)滑躍起飛/阻攔著艦，彈射起飛/阻攔著艦和短距起飛/垂直著艦3 種典型起飛方式的艦載機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果顯示在出動(dòng)架次和巡邏陣位連續(xù)部署時(shí)間上，短距起飛/垂直著艦優(yōu)于彈射起飛/阻攔著艦，彈射起飛/阻攔著艦優(yōu)于滑躍起飛/阻攔著艦艦載機(jī)。針對(duì)目前我國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略和工業(yè)水平，發(fā)展大噸位航母，增加艦載機(jī)承載數(shù)量，研發(fā)彈射系統(tǒng)，推進(jìn)彈射起飛/阻攔著艦艦載機(jī)建設(shè)，是提升航母編隊(duì)艦載機(jī)作戰(zhàn)能力的重要發(fā)展方向。下一步將對(duì)不同起降方式的艦載機(jī)技術(shù)方案和費(fèi)用消耗進(jìn)行對(duì)比分析研究。