航母阻攔裝置指標體系研究

王擎宇，譚大力，張曉谞，騰 騰

(海軍研究院，北京100161)

0 引 言

航母阻攔裝置是航母上的重要航空保障特種裝備，其功能是將高速著艦的艦載機在有限距離內(nèi)安全攔停。航母阻攔裝置的性能深刻影響著航母平臺對艦載機的回收能力和回收效率。隨著艦載航空技術(shù)的發(fā)展進步與海戰(zhàn)場的日益復雜化，艦載機的重量、速度不斷攀升，對阻攔裝置的要求也日益提高。因此在進行航母阻攔裝置的設計制造時，應充分考慮裝備特點與作戰(zhàn)使用需求，建立科學完整的指標體系，以指導裝置的研制。

1 阻攔裝置的基本原理

從力學的角度看，航母阻攔裝置的功能是向艦載機提供足夠大的反向制動力，使其在有限距離內(nèi)制動靜止。從能量的角度看，阻攔裝置本質(zhì)上是將艦載機動能轉(zhuǎn)化為其他能量形式的能量轉(zhuǎn)化裝置。

航母阻攔裝置通常由甲板阻攔索、纜索傳動系統(tǒng)、前端緩沖系統(tǒng)、阻攔機系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。甲板阻攔索是阻攔裝置與艦載機的物理接口，通過掛接在飛機尾鉤上實現(xiàn)阻攔裝置與飛機物理連接。纜索傳動系統(tǒng)通常由滑輪和滑輪索組成，可以將艦載機的運動和能量傳遞至阻攔機。前端緩沖系統(tǒng)通常采用液壓緩沖器，用于消減飛機尾鉤與阻攔索嚙合瞬間的峰值張力。阻攔機系統(tǒng)（或稱能量吸收系統(tǒng)）是阻攔裝置的核心組成部分，用于吸收艦載機阻攔著艦時的動能?？刂葡到y(tǒng)用于設定阻攔工況，并控制其他分系統(tǒng)按照預定流程完成飛機阻攔作業(yè)。通常阻攔裝置還會配備阻攔網(wǎng)，用于特情狀況下的飛機應急阻攔，在此情況下阻攔網(wǎng)通常會與阻攔索共用同一臺阻攔機。

圖1 典型航母阻攔裝置組成框圖Fig. 1 Typical composition of carrier arresting gear

2 航母阻攔裝置的主要類型

從最早的重力式阻攔裝置開始，航母阻攔裝置一直伴隨著艦載機著艦需求的不斷提高而升級換代，目前主要的航母阻攔裝置有三類。

2.1 液壓阻攔裝置

液壓阻攔裝置是目前使用最為廣泛的阻攔裝置,如美國“尼米茲”級航母采用的Mark7-3、Mark7-4型阻攔裝置均為液壓阻攔裝置[1]。液壓阻攔裝置主要包括甲板阻攔索系統(tǒng)、滑輪組索系統(tǒng)、定長沖跑控制系統(tǒng)、滑輪緩沖系統(tǒng)、阻攔機系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)等。其中阻攔機系統(tǒng)包括蓄能器裝置、主液壓缸、定滑輪組以及可動十字頭等，是阻攔裝置的主要組成部分，用來吸收或轉(zhuǎn)換掉飛機的動能。液壓阻攔裝置的工作方式為：阻攔過程中飛機帶動阻攔索向前運動，通過中間機械裝置，阻攔索帶動十字頭向定滑輪方向移動，并將沖力傳遞至液壓缸的活塞上，在活塞的壓力作用下，使液壓缸中的油液流向蓄能器，并且通過預先設置好的定長沖跑控制閥的閥量進行流量控制，在艦載機攔停后，油液在壓力作用下重新從蓄能器流回液壓缸，阻攔裝置重新復位，為下一架飛機的著艦阻攔做好準備。

2.2 電力渦輪阻攔裝置

21世紀初開始，美國海軍在飛機陸上應急著陸阻攔裝置的基礎(chǔ)上，以水渦輪機、阻攔電機作為主吸能部件，阻攔電機作為主控制部件，研發(fā)了新一代航母阻攔裝置，將其命名為電力渦輪阻攔裝置，也稱先進阻攔裝置（AAG）[2]，裝備于“福特”號航母。

圖2 典型液壓阻攔裝置組成框圖[3]Fig. 2 Typical composition of hydraulic arresting gear

圖3 電力渦輪裝置組成框圖Fig. 3 Composition of electric-turbo arresting gear

電力渦輪阻攔裝置的基本構(gòu)成如圖3所示。其組成中除阻攔索、纜索傳動系統(tǒng)、前端緩沖系統(tǒng)外，阻攔機和軟件控制系統(tǒng)是最重要的部件，也是與液壓阻攔裝置最主要的區(qū)別所在。阻攔機包括水渦輪機、錐形轂輪、機械制動器、感應電機；軟件控制系統(tǒng)包括動態(tài)控制子系統(tǒng)、操作人員工作臺以及維護人員工作臺。電力渦輪阻攔裝置以水渦輪機、感應電機以及機械制動器為主要吸能部件，同時能夠通過調(diào)節(jié)感應電機扭矩輸出精確控制飛機阻攔著艦過程，并能控制飛機在甲板上停止的距離。

該裝置的工作方式為：當艦載機尾鉤與阻攔索初始接觸時，尾鉤牽動阻攔索并帶動滑輪索從錐形轂輪中牽出，使旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，此時感應電機對旋轉(zhuǎn)軸施加加速扭矩，使艦載機與阻攔索的接觸過程相對平穩(wěn)。隨后，阻攔裝置作業(yè)進入艦載機動能吸收階段。在本階段，感應電機、水渦輪機主要完成能量吸收工作，摩擦制動器作為備用的吸能部件，可在感應電機或水力渦輪失效時使用，確保整個阻攔系統(tǒng)的可靠性，且這3個部件只要保持其中2個正常工作，就能夠完成艦載機動能的完全吸收。軟件控制系統(tǒng)可通過電力電子變換控制感應電機作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩，使錐狀轂輪上的纜索以相對恒定的張力釋放，保證艦載機在阻攔過程中受力均勻，并最終實現(xiàn)艦載機在甲板的降落。

相比于液壓阻攔裝置，先進阻攔裝置通過阻攔感應電機部分實現(xiàn)了阻攔過程的閉環(huán)控制，同時整個阻攔裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊，阻攔能級更高。

2.3 電磁阻攔裝置

2003年美國柯蒂斯-萊特公司申請了名為電磁飛機阻攔系統(tǒng)的發(fā)明專利，該專利中的電磁飛機阻攔系統(tǒng)通過感應電機先將艦載機著艦時的動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過制動電阻將能量以熱的形式耗散[4]。電磁阻攔裝置組成如圖4所示，除甲板阻攔索、滑輪組索、滑輪及前端緩沖裝置外，重要的部件包括:感應電機、線軸、逆變器、動態(tài)制動電阻。

圖4 電磁阻攔裝置組成框圖Fig. 4 Composition of electric arresting gear

其工作方式與電力渦輪阻攔裝置相似：在艦載機掛索的初始階段,艦載機尾鉤牽動阻攔索與滑輪組索，并帶動感應電機轉(zhuǎn)動，此時感應電機對旋轉(zhuǎn)軸施加加速扭矩，使阻攔索獲得與艦載機大致匹配的速度，降低掛索初始階段沖擊張力。該階段的感應電機起到發(fā)動機的作用。在滑輪組索被拉出一定長度后,進入剎車階段。此時,感應電機起到發(fā)電機的作用，對旋轉(zhuǎn)軸施加制動扭矩，將艦載機的動能轉(zhuǎn)化為電能。逆變器實時控制感應電機的電流和轉(zhuǎn)矩，使艦載機安全攔停。動態(tài)制動電阻通過一個開關(guān)與逆變器保持直流電連接，兩者間的電壓維持在一個預先設定值，將轉(zhuǎn)化的艦載機動能在電路中以熱能的形式耗散。在艦載機回收后，感應電機依靠艦船的電力供給,回收滑輪組索，使其纏繞于線軸，以準備下一次的艦載機阻攔降落。

與先進阻攔裝置相比，電磁阻攔裝置的電氣化、自動化程度更高，可完全實現(xiàn)阻攔過程的閉環(huán)控制。但該裝置技術(shù)難度較大，目前尚無成熟應用。

3 航母阻攔裝置的指標體系

阻攔裝置經(jīng)歷了漫長的發(fā)展，除了實現(xiàn)安全攔停飛機的基本功能外，更需要適應航母平臺的作戰(zhàn)使用要求，適應復雜的戰(zhàn)場環(huán)境。因此，在研制航母阻攔裝置前，應根據(jù)阻攔裝置的特點和工作原理，構(gòu)建科學的指標體系，提出合理的指標要求，以牽引裝置的研制。

構(gòu)建航母阻攔裝置的指標體系時需從裝置的使命任務出發(fā)，通過任務層、能力層和指標層的逐級分解得到裝置指標構(gòu)成與指標要求，進而指導裝置的研制。

3.1 航母阻攔裝置的任務層分析

阻攔裝置的核心任務是保障艦載機安全著艦，在此基礎(chǔ)上還需與母艦總體的出動回收能力要求相匹配。以美國“福特”號航母為例，該航母未來主要搭載的機型包括F-35C戰(zhàn)斗機，F(xiàn)/A-18E/F戰(zhàn)斗機，EA-18G電子戰(zhàn)飛機，E-2D預警機等，因此裝備于該航母的電力渦輪阻攔裝置首先應具備安全回收上述各型艦載機的任務能力?！案Ｌ亍碧柡侥傅某鰟踊厥罩笜艘笕绫?所示[5]。

表1 “福特”級航母出動架次率要求Tab. 1 Sortie generation capacity of Ford class aircraft carrier

其中持續(xù)出動架次率是指30天內(nèi)，每天飛行作業(yè)12 h，艦載機的平均日出動架次；高強出動架次率是指連續(xù)4天時間內(nèi)，每天飛行作業(yè)24 h，艦載機的平均日出動架次。由于出動架次是指艦載機從起飛到著艦一個完整的循環(huán)過程，因此對于電力渦輪阻攔裝置，在具備安全回收該航母平臺搭載的各型艦載機的任務能力的基礎(chǔ)上，還要滿足母艦的出動回收架次率的任務要求。

3.2 航母阻攔裝置的能力層分析

航母阻攔裝置與艦載機、母艦平臺、作戰(zhàn)人員及場景存在強交互關(guān)系。因此從任務層出發(fā)，可將阻攔裝置能力層要求分解為：飛機適配性、母艦適裝性、作戰(zhàn)適用性等具體能力要求，同時裝置自身還應該滿足一定的通用質(zhì)量特性要求，如圖5所示。

飛機適配性是指阻攔裝置的回收能力應能夠與平臺搭載的各類機型艦載機相適配。如阻攔裝置的阻攔重量范圍、允許嚙合速度范圍等能夠包絡各型艦載機著艦時的重量、速度等典型工況[6-8]。

圖5 能力層分解示意Fig. 5 Illustration of the decomposition of ability level

母艦適裝性是指阻攔裝置與母艦平臺的適裝能力，如裝置的重量體積應滿足母艦總體設計的需求，水、電等資源需求應能夠與母艦的供應能力相匹配，阻攔距離等應與甲板空間作戰(zhàn)使用設計相一致等。

作戰(zhàn)使用性是指作業(yè)人員依據(jù)任務場景能夠操縱阻攔裝置完成回收作業(yè)任務的能力，如阻攔作業(yè)周期、連續(xù)阻攔能力、索網(wǎng)轉(zhuǎn)換時間等。

通用質(zhì)量特性即通常所說的“六性”，包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、環(huán)境適應性等。由于阻攔裝置關(guān)乎到飛行員和艦載機的生命財產(chǎn)安全，因此對其可靠性、維修性等要求較其他特種裝備會更高。

3.3 航母阻攔裝置的指標層分析

基于能力層的分解，可將航母阻攔裝置的指標類型分為飛機適配性指標、母艦適裝性指標、作戰(zhàn)適用性指標以及通用質(zhì)量特性指標。通過對具體指標的細化，得到阻攔裝置的指標層，進而構(gòu)建出完整的指標體系，如圖6所示。

針對其中的一些重要指標描述如下：

1）飛機適配性指標

飛機適配性指標是指阻攔裝置根據(jù)飛機適配性能力要求細化得到的具體指標，包括保障艦載機種類、最大阻攔能級、允許著艦重量等。

保障艦載機種類。指阻攔裝置可正常阻攔的飛機類型，即裝置的阻攔重量、嚙合速度、過載控制等阻攔能力能夠與各機型適配。通常同一航母平臺會根據(jù)不同任務或在不同歷史時期搭載多種機型，保障艦載機種類是反應阻攔裝置與多型艦載機適配性的綜合性指標。

最大阻攔能級。指阻攔裝置可阻攔的最大能級，根據(jù)阻攔重量、嚙合速度計算得出。該能級應能夠囊括所有的適配機型的典型著艦工況。

允許著艦重量范圍。阻攔裝置正常阻攔時允許的艦載機著艦重量范圍，該范圍應能夠囊括所有的適配機型的典型著艦重量。

允許嚙合速度范圍。阻攔裝置正常阻攔時允許的艦載機著艦速度范圍，該范圍應能夠囊括所有的適配機型的典型著艦速度。

圖6 航母阻攔裝置指標體系Fig. 6 The indexes system of arresting gear of aircraft carrier

極限偏心距、偏航角。偏心距是指艦載機著艦鉤索時尾鉤在阻攔索上的掛點與阻攔跑道中心線的法向距離，偏航角是指艦載機鉤索時的航向與阻攔跑道中心線的夾角。該指標反映的是阻攔裝置對艦載機著艦鉤索姿態(tài)的適應能力，指標值越大，對艦載機著艦鉤鎖姿態(tài)的約束越小，即飛行員著艦操作難度越小。

阻攔過載。是指在阻攔過程中艦載機受到的最大負加速度。不同飛機對阻攔過載的承受能力不同，通常在3～5g左右，過高的過載會影響飛機的使用壽命，嚴重時甚至會導致飛機損壞，同時會對飛行員造成健康損傷。因此阻攔裝置應能夠針對不同機型在阻攔過程中將阻攔過載控制在飛機和飛行員所能承受范圍內(nèi)。

2）母艦適裝性指標

母艦適裝性指標是指阻攔裝置根據(jù)母艦適裝性能力要求細化得到的具體指標，包括最大阻攔距離、最大沖跑距離、設備體積重量等。

最大沖跑/阻攔距離。最大沖跑距離指阻攔裝置阻攔過程中艦載機沖跑的最遠距離。該指標應以航母飛行甲板總體設計為輸入，受到阻攔跑道長度的限制，是反映裝置短距離攔停能力的重要指標。

最大阻攔距離。指飛機最終攔停的最遠距離。阻攔過程中，當飛機達到最大沖跑距離后，由于前端液壓緩沖裝置活塞桿的復位以及阻攔索、滑輪索鋼絲繩的彈性縮回，會帶動飛機回退?；赝撕箫w機最終的攔停距離為阻攔距離。

設備體積重量。阻攔裝置的體積重量應滿足母艦總體設計要求。重量方面需考慮總體的排水量、浮性、穩(wěn)性等總體要求，通常被限定在一定范圍內(nèi)；體積方面會影響母艦總體艙室布局設計，同時也會在一定程度上影響裝置具體設備的布設方式。

3）作戰(zhàn)適用性指標

作戰(zhàn)適用性指標是阻攔裝置指根據(jù)作戰(zhàn)適用性能力要求細化得到的具體指標，包括首次阻攔準備時間、阻攔復位時間等。

首次阻攔準備時間。是指阻攔裝置從停機狀態(tài)至具備阻攔條件所需要的準備時間。反映了裝置的快速反應能力。

阻攔復位時間。是指阻攔裝置完成一次阻攔作業(yè)后，至具備下一次阻攔條件的復位時間。反應的是阻攔裝置連續(xù)阻攔能力。該指標也可以阻攔作業(yè)周期的方式提出。

單波次連續(xù)阻攔次數(shù)。指阻攔裝置在一波次內(nèi)，可連續(xù)循環(huán)進行阻攔作業(yè)的次數(shù)。該指標應能夠滿足航母平臺總體的艦載機回收作業(yè)要求。

單波次連續(xù)阻攔恢復時間。指裝置在完成一波次阻攔任務后，至具備開展下一波次連續(xù)阻攔的恢復時間。

索網(wǎng)轉(zhuǎn)換時間。指阻攔裝置從阻攔索阻攔狀態(tài)切換至阻攔網(wǎng)阻攔狀態(tài)所需的準備時間。

阻攔索使用次數(shù)。指同一根阻攔索可阻攔飛機次數(shù)。阻攔索是整個阻攔裝置最重要的有壽件，通常會規(guī)定相應的使用次數(shù)，達到使用次數(shù)則需要進行更換。

阻攔索更換時間。指更換阻攔索所需要的時間。在阻攔索達到使用壽命或出現(xiàn)特請的情況下，需對阻攔索進行更換，其更換時間應盡量短，以保證后續(xù)在空飛機的安全著艦。

4）通用質(zhì)量特性指標

通用質(zhì)量特性指標包括可靠性指標、維修性指標、測試性指標、保障性指標、安全性指標以及環(huán)境適應性指標等。

平均故障間隔次數(shù)。根據(jù)GJB451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》，平均故障間隔次數(shù)的定義為“可修復產(chǎn)品的一種基本可靠性參數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內(nèi)，產(chǎn)品壽命單位總數(shù)與故障總次數(shù)之比。”

艦員級平均故障修復時間。根據(jù)GJB451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》，平均故障修復時間的定義為“產(chǎn)品維修性的一種基本參數(shù)，它是一種設計參數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內(nèi)，產(chǎn)品在規(guī)定的維修級別上，修復性維修總時間與該級別上被修復產(chǎn)品的故障總數(shù)之比?！?/p>

固有可用度。是反應裝置可用性的綜合性指標。其度量方法為產(chǎn)品的平均故障間隔時間與平均故障間隔時間和平均修復時間的和之比。

阻攔裝置的可靠性和維修性是非常關(guān)鍵的指標。阻攔裝置在執(zhí)行阻攔任務時若出現(xiàn)故障，則在空的艦載機編隊將無法降落，會導致極為嚴重的損失。因此一方面要求裝置具有較低的故障率，另一方面若出現(xiàn)故障需要短時間內(nèi)能夠修復。

4 部分指標間的耦合關(guān)系

航母阻攔裝置的各項指標并非完全獨立，部分指標之間存在一定的耦合關(guān)系。

1）最大阻攔能級與阻攔重量、速度范圍

阻攔裝置最大阻攔能級、阻攔重量范圍、與阻攔速度范圍在物理上存在固定的換算關(guān)系。因此這3個指標并非完全相互獨立，而通常會以能量包絡圖的形式提出。以美國電力渦輪阻攔裝置為例，其能力包絡圖如圖7所示。圖中橫坐標為艦載機的著艦速度，縱坐標為阻攔能級。著色區(qū)域的上線反映了裝置的最大阻攔能級，左右邊界反映了著艦速度范圍，上下邊界曲線反映了阻攔的重量范圍。圖中灰色區(qū)域為門限值要求，網(wǎng)格區(qū)加上灰色區(qū)域范圍為目標值要求?？梢钥闯?，門限值與目標值的區(qū)別主要在于是否能夠阻攔最小飛機的重量。通過阻攔裝置的能量包絡圖及圖上各機型的典型工況點，能夠清晰的反映阻攔裝置與各型飛機的適配性，同時也為后續(xù)上艦機型的設計提供了約束和參考。

圖7 電力渦輪阻攔裝置能量包絡圖示意Fig. 7 Illustration of the energy envelop of AAG

2）偏心距、偏航角

理想情況下，艦載機著艦鉤鎖時尾鉤應恰好掛在阻攔索中點，并沿阻攔跑道中心線滑行制動，但實際操作過程中必定會存在一定的偏差。因此對于阻攔裝置應有一定的偏心偏航適應能力，以降低飛行員的著艦操作難度。偏心距與偏航角并非2個獨立的約束范圍，通常存在如圖8所示的橢圓耦合關(guān)系。根據(jù)飛行甲板安全邊界要求，偏心距與偏航角通常不允許同時達到最大值。同時，同方向的偏心偏航超出甲板安全邊界的可能性更大，通常存在更大的風險，在實際阻攔過程中應盡量避免。此外，考慮航母的上層建筑以及艦面艦載機的停放位置通常位于阻攔跑道右側(cè)，因此允許右偏心偏航的范圍會略小于左側(cè)。所以，在確定航母艦上使用時阻攔裝置的允許偏心距、偏航角指標時，應綜合考慮上述因素，確定合理的指標值。

圖8 偏心距偏航角耦合關(guān)系示意Fig. 8 The coupling of yaw and off-center indexes

5 結(jié) 語

本文對航母阻攔裝置的指標體系進行分析，首先介紹阻攔裝置的基本原理和主要類型，通過對航母阻攔裝置任務層、能力層、指標層的逐級分解構(gòu)建了航母阻攔裝置的指標體系，針對其中的關(guān)鍵指標分析了其內(nèi)涵及設定意義，同時分析了部分指標之間的耦合關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1）從阻攔裝置的使命任務出發(fā)，阻攔裝置應具備飛機適配性、母艦適裝性、作戰(zhàn)適用性以及通用質(zhì)量特性等能力要求。

2）航母阻攔裝置的指標體系主要由飛機適配性指標、母艦適裝性指標、作戰(zhàn)適用性指標及通用質(zhì)量特性指標四類指標構(gòu)成。

3）部分指標之間存在一定的耦合關(guān)系，在設計指標要求時應予以綜合的分析考慮。