科技归家的明灯浅谈舰载机着舰下滑引导系统.docx

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科技归家的明灯浅谈舰载机着舰下滑引导系统

【科技】归家的明灯——浅谈舰载机着舰下滑引导系统

14-01-25作者：

佚名编辑：

石腾

从“辽宁”号服役至今，它的一举一动都是国人关注的焦点，然而本文先要把时间拉回到2012年11月24日这个历史性的时刻，在这一天，歼-15舰载机顺利完成了第一次拦阻着舰，并在随后进行了滑跃起飞。

我们知道，相比于滑跃起飞，着舰的意义更大。

航母着舰引导系统这盏“归家明灯”的作用更是难以低估。

从“示牌进场”到镜面光学助降系统

1917年，英国把大型巡洋舰“暴怒”号改装成世界上第一艘简易航母。

但由于舰上高耸的塔式桅杆和烟囱的阻碍，飞机只能从舰上起飞而无法降落。

1917年8月2日，英海军少校邓宁冒险驾驶“幼犬”战斗机进行着舰，他凭借高超的驾驶技术用侧滑着陆的方式艰难地将飞机降落在航行中的“暴怒”号前甲板上，这是人类第一次将飞机降落在航行中的军舰上。

但在几天后的重复降落时，邓宁不幸遇难。

从此舰载机在执行完作战、训练、侦察等任务后，着舰便成了一件惊心动魄的工作。

承担着这项危险任务的飞行员需要从很远处发现航母平台，确认着舰装置的状态，并与其他着舰机互相进行飞行状态的沟通。

另外，在跌宕起伏的大海上，航母时时刻刻的六自由度扰动（纵摇、横摇、首摇、起伏、纵荡和横荡）、异常复杂的大气紊流（海面无遮挡，海风往往较强，航母庞大的舰体以及自身运动的特点，还会在舰首产生上洗气流，并在舰尾处形成较强的公鸡尾状的尾流），以及极其有限的甲板长度等等（美国满载排水量近10万吨的核动力超级航母甲板总长度也不过300多米，而能够提供舰载机起飞、着舰使用的跑道只有其中点的100多米），这些都对舰载机着舰提出了更高的要求。

舰载机着舰进场速度小。

受舰上扰流因素影响相对较大，客观上使得舰载机轨迹稳定性变差。

然而舰载机着舰条件要求反而相对苛刻、恰恰又要求飞机下滑时的轨迹稳定性比陆基飞机还要高，这一切使得舰载机着舰引导问题成为航母战斗力发挥的关键技术之一。

舰载机要降落在航母的甲板上，必须依靠一系列完备的着舰辅助技术手段。

除了早已有之的拦阻索和拦阻网外，着舰下滑引导系统是着舰降落中最为关键的重中之重。

正在引导活塞式飞机着舰的着舰信号官（手中拿着旗板，正在打信号）

事实上，舰载机着舰最初仅仅凭借飞行员高超的飞行技术，此后又经历了长期的由着舰信号官（LandingSignalOfficer，简称LSO）指挥的“示牌进场”引导阶段。

从1920年代初到1950年代之前的这段漫长时间里，拥有航母的世界各国海军一直采用由着舰指挥官进行人工引导着舰的原始方式，着舰指挥官在飞行甲板左后方，通过目视观察着舰飞机的姿态、尾钩收放情况等，用明显的着舰指示牌（双手持旗板打信号）向飞行员下达是否允许着舰或者复飞等指令。

这种方式适用于当时进场速度较低的螺旋桨舰载机。

然而，到了1950年，随着喷气式舰载机登场，着舰指挥官与飞行员之间的通信时间已经不足以应付时速数百千米的舰载机，着舰事故率大大攀升。

于是，为了解决高速喷气式舰载机着舰难题，英国首先采用革命性的舰载机等角下滑技术，并研制相应的光学助降引导系统来代替难以满足需求的“示牌进场”引导。

舰载机着舰下滑轨迹（b）与陆基飞机着陆下滑航迹（a）对比，可以看到，舰载机着舰是采用固定下滑角的方式，而陆基飞机的下滑距离则根据距离跑道的距离而进行调整。

所谓舰载机等角下滑，是指没有陆基飞机着陆的拉平、飘落等阶段，而是在进舰着舰的最后阶段，舰载机截获合适的下滑道后，一直保持相同的下滑轨迹角、俯仰角、速度和下沉率，直至舰载机与航母飞行甲板碰撞，实现撞击式着舰。

这主要是为了减轻飞行员在恶劣着舰环境下的工作负担，减小着舰过程中人为的误差的引入，被看作是着舰方法的一次革命，同时也是光学助降引导系统诞生的基础。

据此，英国于1952年率先制成了最早的镜面光学助降系统（MirrorOpticalLandingSystem,简称MOLS）。

其原理是:

在飞行甲板舰载机降落作业区的前端，设有朝向舰尾方向且略微偏上的反射镜，其两侧装有水平排列的绿色基准灯，在反射镜前方设有强烈的光源照射，使镜面反射产生白色亮光，反射镜为凹柱形，即垂直方向为直线，水平方向为凹曲线，采用陀螺稳定机构实现反射镜面向舰尾后上方反射出的圆锥光束，舰载机飞行员通过对比白色亮光与绿色基准灯是否并排，可对准飞行甲板的预定着舰点，并设定正确着舰的下滑道，形成一个光的下降坡面（与海平面夹角为3.5°-4°），飞行员沿着这个坡面并以飞机在镜中的位置不断修正误差，知道安全降落。

镜面光学助降系统（MOLS），其在助降系统史上可以说是昙花一现，但是意义极大

助降镜的出现为高速舰载机的着舰引导解决了重大的难题，使飞行员除了借助自己的目测和经验外，又有了更可靠的参照指示装置。

不过，这种早期的镜面光学助降系统本身仍然存在不小的缺陷，大曲率镜面反射镜提供的光学下降坡面光柱容易发散，下降轨迹指示精确度随着距离增加而下降，而且由于镜面很大，搬运和清洗都非常不方便，所以在使用了不长一段时间后，英国人便在其基础上进行了升级改造，由结构更为复杂的菲涅耳透镜装置取代了大曲率发反射镜面，直至今天将终于成为世界各国航母的标准下滑着舰引导系统核心。

夜间的菲涅尔透镜助降系统

菲涅尔透镜助降系统在原理上与镜面光学助降系统类似，也是在空中提供一个光的下滑坡面，不过，菲涅尔透镜在结构上要比助降镜复杂得多，引导效能和成功率也要高得多——其发出的光学下滑道更加精确，稳定和可靠，灯组组成更为合理从而提高了着舰引导的安全性。

其一面是平的，另一面由许多阶梯状的小斜面组成，每个小斜面的坡度都不一样。

必须精确设计这些小斜面的坡度，使主光轴上的某光源发出的所有光线，经菲涅尔透镜小斜面的折射后，出射光线的反向延长线都能汇聚在同一个点上。

菲涅尔透镜的线结构图

具体来说，菲涅尔透镜助降装置由菲涅尔指示灯组件、辅助灯组件、稳定机构、显示控制台、主控台、光学下滑坡道稳定遥控板和灯光遥控板等组成，同时配备应急移动式助降装置，以应对菲涅尔透镜助降装置失效时的特殊情况。

菲涅尔指示灯组件有5个上下叠成一起的灯室组成，每个灯室内有3只灯泡作为光源，通过菲涅尔透镜和其前方的柱状透镜形成0.34°垂直视场和40°的水平视场，整个5个灯室组成的菲涅尔指示灯组件为飞行员提供垂向约1.7°、横向40°的光学视场。

其中最下面1个灯室发出红色指示光线，其余为琥珀色。

除了红色灯室外，上方4个灯室中的相应位置灯泡以串联方式接线，一旦一只灯泡失效，其余灯泡的相应位置灯泡都熄灭。

透镜本身是由聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃材料制成，其光学特性随着灯室内腔温度的变化而由少许变化，但如果温度超出允许的工作范围则会发生光柱边界尺寸变化，相邻灯室之间的过渡区出现视场盲区或重叠，灯室变形甚至损坏菲涅尔透镜的情况。

因此在灯室内设有温控措施，以保证稳定的光学特性。

菲涅尔光学助降装置灯箱排布情况

菲涅尔光学助降装置由5个垂直叠落在一起的长方形灯箱组成，两侧是一排水平布置的绿色的基准灯和两排垂直设置的红色禁降复飞灯，在红色禁降复飞灯的上方有两组绿灯被称为切断灯。

辅助灯组由绿色的基准灯、红色禁降复飞灯、绿色切断灯组成。

绿色基准灯设在菲涅尔透镜指示灯组中央高度两侧，每侧各7只，其中外侧3只为固定光强，内侧4只为可调光强（即当红色禁降复飞灯亮时熄灭）。

为飞行员看到与基准灯在同一水平线上的橙色光球表示飞机的下滑斜率和飞行高度正确，能保证飞机尾钩挂上拦阻索，实现成功着舰。

如果看到位于水平基线灯上方或下方的橙色光球，表示飞机的飞行高度偏高或偏低，需要作相应调整。

如果看到位于水平基准灯下方的红色闪光球，则表示飞机的飞行高度太低，必须紧急将飞机拉起，否则飞机有可能与飞行甲板尾端相撞而酿成严重事故。

此外，在菲涅尔透镜指示灯组两侧垂向布置各4只禁降复飞灯或3只应急禁降复飞灯，当禁降复飞灯工作时先全功率闪烁后降至预定亮度，应急禁降复飞灯作为备用措施，具有独立电路。

绿色切换灯设在指示灯组两侧上方，每侧各2只，其由着舰信号官随身携带的“皮克勒”控制手柄上的按钮开关控制（LSO身穿白色背心，左手拿着无线电送受机，右手握着“皮克尔（pickle）”手柄来引导飞机着舰。

“皮克尔”手柄是菲涅尔光学着舰系统的复飞灯和切换灯的开关装置，按食指的按钮，复飞灯便开始闪亮，按大拇指的开关，切换灯便开始闪亮，发出加大油门的指示）。

在装备了光学助降装置后，着舰信号官（LSO）不用像以前那样双手打旗板了

需要说明的是，着舰信号官一般是从舰载机联队中挑选出的优秀飞行员，经过严格培训考核，具有优秀的技能素养，冷静的判断力，犀利的眼光（昼夜目视判断舰载机着舰速度误差在±1.03米/秒之间）、随机应付突发事件的能力、熟知航母舰载机联队各型号舰载机的回收操作方式。

而且在飞机着舰过程中，并不是着舰信号官一个人在引导飞机，而是由各负其责的6名人员组成的着舰助降小组在着舰信号平台上承担具体的安全着舰引导任务。

6人分工和人员配置为：

负责监察整个小组的工作情况；控制着舰信号官，负责引导飞机着舰的具体工作；助理着舰信号官，负责用着舰照相记录系统引导飞机对中跑道中心线；见习着舰信号官，担任挂钩记录员，负责记录飞行员着舰成绩；挂钩观察员，由军士担任，负责观察飞机挂钩、起落架和襟翼工作情况；电话传令员，由军士担任，负责与舰内的电话员联络。

俄罗斯“库兹尼佐夫”号航母的助降镜安装位置（红圈处），一般都安装在斜角跑道的左侧尽量靠近跑道末端的位置，这样助降镜提供的引导角度与跑到本身的偏差能够降低到最小。

另外，飞行员是通过观察菲涅尔透镜助降系统发出的不同颜色的光线来调整飞机姿态的，而在此过程中由于航母受风浪影响，不可避免会产生摇摆，如果不采取措施，光学助降装置发射出的光学下滑道是不稳定的，给飞行员截获下滑道和安全助降带来不利影响，这不但会影响到助降系统的正常工作，还会导致飞行员的误操作酿成重大事故。

所以为了对抗航母的摇摆作用，使飞行员能够按照引导系统的引导安全着舰，整个助降系统的稳定对与舰载机的安全着舰有着至关重要的作用，因必须确保光学助降装置提供的光学下滑道是稳定的，某种结构的稳定装置甚为关键。

而从美、英、法、俄航母的现状来看，应用于菲涅尔透镜助降系统的稳定机构有线稳定和惯性稳定两种方式，线稳定方式是通过纵摇稳定机构和横摇稳定机构来控制菲涅尔指示灯组随航母的摇摆参数采用随动控制方式。

至于惯性稳定方式则是在线性稳定的基础上，消除航母的升沉运动对光学稳定下滑线的影响。

在气候条件良好的情况下，归航的舰载机依靠目视在航母平台上实施进近降落一般要经过盘旋、对中、下滑、拦阻这4个必要的程序，在菲涅尔透镜助降系统的引导下完成相应的着舰动作。

首先，准备着舰的舰载机飞到航母右舷上方，以约244米的高度和555-648千米/小时的速度从舰尾方向进入，此时关闭武器弹药发射开关，放下拦阻尾钩，表示要着舰；控制发动机油门，继续沿直线飞行一段后，打开减速板，向左转到航母的左舷，在回转过程中放下起落架并将速度降到460千米/小时后收回减速板；转弯后飞机和航母逆向飞行，高度降到月183千米，在此期间飞行员需要确认舰载机的总重量是否在着舰允许范围内，航母上的工作人员需要目测飞机的尾钩和起落架是否已经正确放下；当舰载机飞到离航母尾端约1200米处时，飞机再次左转，进入下滑航线，此时飞机的高度约114米，速度230千米/小时。

一旦舰载机切入下滑航线，航母上的着舰引导控制人员打开光学助降系统，使光学助降装置上方的绿色切断灯不断闪烁，通知舰载机已经进入下滑航线，引导飞机保持230千米/小时速度和约8°的攻角着舰，并严密观察飞机着舰。

舰载机开始切入下滑航线，菲涅尔的切换灯将被点亮，指示飞行员正常进入下滑道，可执行着舰任务。

接着，飞行员看光源灯指示器，比较琥珀色灯与一行绿色基准灯的相对位置，确定飞机是否在基准下滑道上。

当其在水平基准灯上方时，表示飞机飞高了，飞行员应降低飞机高度，在水平基准灯下方时，表示飞机飞低了，飞行员应提升飞机高度。

如果飞机飞得太低了，飞行员就会看到红色灯，这时很危险，飞行员应紧急拉起飞机。

如果甲板阻塞（着舰区有障碍物），或者飞机飞得相当低，着舰信号官认为飞机不适合着舰，那么着舰信号官会手动驱动红色复飞灯，指示飞行员立即把油门杆推到最大功率位置，拉起飞机，执行复飞。

复飞中，如果燃料不足，可由航母上空待命的加油机实施空中加油。

而如果琥珀色光柱和绿色基准灯在同一直线上，说明飞机下滑的航迹正确，只要保持就能准确着舰。

并钩住拦阻索，完成着舰。

这张图描述了飞行员看到不同颜色的光后，舰载机所对应的状态。

同时，在进舰下滑直至着舰的过程中，一定要尽量对准甲板跑道的正中轴线，否则就可能在降落后撞上甲板上的建筑或停放在跑道旁的飞机。

在采用斜角甲板的情况下，美国航母的对中是通过位于舰尾的“对中标尺”来解决的。

所谓“对中标尺”就是位于舰尾舷上的一根从跑道中线的尾端一直延伸到海面的黄色线标。

这个标尺和跑道中心线配合就能够引导舰载机正确对中。

如果飞行员看见该标尺同跑道中心在一条直线上，就表明舰载机对中正确。

如果发现中心线左歪，说明舰载机右偏，需要向左调整舰载机。

如果发现中心线右歪，则需要向右调整舰载机。

该黄色线标还装有灯组，以便夜间和跑道中心线等配合使用。

飞机安全着舰后，切换灯熄灭，指示飞行员将已着舰飞机发动机关闭。

雷达引导与菲涅尔透镜助降装置的结合

应该清醒地看到，由于光学组件的物理特性，菲涅尔透镜助降系统只具备有限的全天候应用性能，其最大的不足之处就是光线的穿透力不强。

在多云雾的天气更是难以观察，实际上只是一种良好气候条件下的近距助降装置，还称不上是着舰引导系统的全部。

在天气情况比较好的时，考虑到飞行员的视敏度，菲涅尔透镜的实际有效作用范围为0-1.4千米。

为此，虽然美国于1990年代研制了改进型的远程光学助降系统，利用激光良好的穿透性和直线性，同时将透镜灯箱由5个增加到10个，在远至18-28千米处即可向飞行员提供着舰信息。

然而，该系统在复杂气候条件下的应用能力仍然很差，引导距离的提升也较为有限。

在这种情况下，将某种远距离半自动引导体制与近距离光学助降装置相结合，构成一套完整的着舰引导系统是必不可少的。

以高精度跟踪雷达进行远距离下滑引导，将舰载机引至菲涅尔透镜助降装置工作范围的窗口区域，是一种成熟而有效的综合手段。

这种雷达引导体制的核心部件是航母甲板上的数部能同时实现正交波束角度测量和径向距离测量的精密跟踪雷达。

其测得飞机在降落过程中的实际位置、姿态信息和运动情况，将这些参数输入计算机进行计算，运用诸如卡尔曼滤波、神经网络等算法对甲板运动等干扰信号进行实时补偿，计算出舰载机在下滑过程中的正确飞行轨迹，并将舰载机的实测位置同计算出的正确位置在计算机中进行比较，最后将误差结果通过数据链传给舰载机的终端设备，引导飞行员将舰载机准确地驶向菲涅尔透镜助降系统（FLOLS）工作窗口范围，甚至在条件允许的情况下，将着舰信息直接提供给舰载机飞行控制系统，使其以全自动或是半自动方式直接盲降着舰。

理论上，雷达引导体制自动着舰导引系统工作过程是这样的：

飞机进场窗口离航母约32千米，舰载精密跟踪雷达捕获并跟踪飞机，系统将所测得的飞机空间位置信息与甲板运动信息输入计算机，处理后与预先设定的理想着舰轨迹比较，得出空间位置误差信息，经导引律得到的控制指令以数据链形式发送至飞机，由飞控系统和自动油门系统不断纠正飞行轨迹，以期使飞机按设定的理想轨迹着舰，若实际轨迹超过安全区，复飞决策系统发出复飞指令，迅速停止着舰运动进入逃逸/复飞模式。

然而，目前基于雷达技术的舰载机下滑着舰远程引导体制存在以下缺陷：

1、测控过程复杂；整个着舰引导过程是一个多系统的协同测控过程，需先由空管雷达将舰载机引导到下滑窗口，然后由仪表着舰系统实施进场耦合，再由精密引导雷达做下滑引导，最终在触舰阶段由激光测量等装置做精密测量。

2、定位精度有限，在着舰引导的触舰阶段，不仅要修正因舰体运动而引起的位移，还需要克服舰尾气流对下滑轨迹所产生的扰动影响，因此触舰阶段的精确测量能力是极为重要的。

而且，基于波束扫描技术的下滑引导雷达系统，需配置激光测距仪等精密测量装置，并且由于存在天线本身的扫描运动，对甲板运动补偿及预估相对复杂。

更重要的是，基于雷达技术的舰载机下滑着舰远程引导体制，无法实施多机同时测控。

现有的舰载雷达引导系统是基于舰面导出数据方式工作的，而在舰面导出方式下，定位测量数据必须通过可靠的编码数据链传送给机载设备。

已有的美军研究报告表明，舰船到飞机信号的传输延时会造成稳定度的降低，这就给多机同时测控带来了困难。

也正因为如此，目前有些国家将雷达下滑远程倒影体制称为全天候/自动着舰系统（AllWeatherCarrierLandingSystem,简称AWCLS，或是AutoCarrierlandingSystem，简称ACLS）显然言过其实，至于“不论白天黑夜还是雨天雾天，舰载机都能以几十秒钟的间隔不断降落到狭窄的航母极板上，实现全天候盲降”的夸张描述更不过是一种美好的理论而已。

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展望未来

无疑，未来无人机的上舰对着舰引导系统将提出更高的要求

航母上配备无人驾驶作战飞机甚至是具备隐身能力的无人驾驶作战飞机将是大势所趋。

而初步研究的结果表明，舰载无人机载着舰时有着有人驾驶战机不同的战术要求：

触舰定位精度要求高；由于是无人操控，为保证准确触舰，引导定位精度，特别是触舰阶段的测量精度将有较高的要求。

目前，美海军要求舰载机在水平和垂直面上的测量误差小于15厘米。

2、待机管制与进场耦合两阶段的衔接过程要连续；与有人驾驶战机的着舰过程不同，无人机从空管区待管制阶段的航迹跟踪到进入下滑窗口实现进场耦合时的航迹控制的过渡过程必须是连续的，这就要求着舰引导系统既能实施进场耦合控制，又能完成待机航线跟踪引导。

3、进近下滑引导跟踪过程要平滑；由于用于航母着舰的飞行甲板与航母的不断前进，造成带降的甲板跑道随着航母的不断前进，造成待降的甲板跑道随着航母的运动不断向右前方平移。

如舰载机在进行追尾着舰时，尽在垂直平面内进行跟踪引导，即直接沿着航母航行的方向下滑运动，就使得自动操作指令的设计十分复杂，甚至是极其困难的。

对比上述要求，显然，现有基于雷达远程引导与菲涅尔透镜近距助降装置相结合的下滑引导系统，难以满足无人舰载机的自动化着舰要求，需要一种采用多种技术手段你的综合化着舰引导系统将导航、防撞、通信、进近、着舰、复飞等一系列功能融为一体。

着舰引导技术由光学助降为主向全天候电子/光学联合助降和全自动着舰引导的方向发展是一种必然。

其中，将光学引导信息和电子雷达引导信息结合，并辅助性运用视觉和卫星导航技术，为舰载机着舰提供更加精确可靠的引导信息实现全天候下滑自动引导着舰，是近几年研究的热点，也是提高航母战斗力的一个关键。

不过目前的情况是，对陆基飞机的研究比较成熟，国内外对全天候自动着陆技术的研究已有许多成果。

但对舰载机而言，由于其降落环境比陆基飞机恶劣得多，自动降落的难度要大很多。

不过无论如何，舰载机着舰从单纯依靠飞行员的个人高超驾驶技术到完全由计算机进行各类传感器数据分析、自动控制，准确、高精度完成全天候条件下全自动下滑着舰，将是技术积累的一个必然结果，突破性的进展也已经为时不远了。

来源：

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