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【转载】中美航母最大核心差距在全自动着舰系统!  

2016-01-03 15:22:38|  分类: 军事天地 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中美航母最大核心差距在全自动着舰系统! - 逍遥客 - 逍遥客


GIF动图:航母系统具备这种降落能力时,才有资格谈全天候高强度作战




一:自动着舰系统是全天候高强度作战能力的基础保障




美国的大型核动力航母能够搭载更多的飞机,并以很高的速度连续进行大波次的起飞,这确实是无可置疑的作战能力优势。但我国航母和美国航母的最大核心差距并不在此。




美国航母这些优势全部都建立在强悍的飞机回收能力上,如果不能保证大批飞机能够以同样的高效率顺利的完成降落回收;起飞的飞机越多,起飞的间隔越短;到武器打光、燃油烧完必须返航时,出起降落失败的着舰事故来死得也就越惨。根据美军惨痛的实际经历,在运气差的时候,降落的战斗机直接冲入甲板上的机群、引发燃油火灾、甚至是引爆武器弹药,足以瘫痪掉整艘航母。




中美航母最大核心差距在全自动着舰系统! - 逍遥客 - 逍遥客

 中美航母最大核心差距在全自动着舰系统! - 逍遥客 - 逍遥客


 


图:菲涅耳助降系统,各国常规起降航母的基础降落系统。它向降落的舰载机投射出由数种颜色组成的可见光通道;不同的区域由不同的颜色组成,以利于飞行员识别。飞行员可以根据看到的颜色来判断自己是否被允许降落,以及自身的高低、左右偏离程度。




事实上舰载机起飞一直在越来越容易,在喷气式战斗机的发展历程中,更高的动力性能、更强的升力表现、更短的起飞距离一直是设计师们的重要追求目标。在发展到通过边条、鸭翼广泛应用涡流升力的第三代战斗机以后,哪怕只是应用简单的斜板滑跃起飞技术,舰载机也能获得很好的起飞能力。




但降落就没有那么简单了,事实上它才是制约航母运作的最大核心难点。一个航母作战群,能否在能见度极低的夜间、以及既能见度极低又带有剧烈气流干扰和航母颠簸起伏干扰的恶劣天气环境下完成舰载机的准确降落着舰,对于战斗力高低区分是一个无法弥补的、本质性的鸿沟差别。




一天中有一半是夜暗环境,一年中海上至少一半时候天气很糟糕。没有这种能力,意味着它会将在大多数时候都会失去绝大部分战斗力,甚至连最基本的行动能力都没有,从而丢掉战场主动权。而提供这种能力的,是以全自动着舰功能为核心的自动引导着舰系统。




目前世界上仅有美国、法国的航母拥有这种能力。我国的航母群在未来几十年内,和美国的核心差距不在于航母的吨位、动力、搭载的飞机数量,甚至都还不在于飞机型号是三代机歼15还是四代机歼20舰载型,而在于我国何时能够完成自动着舰系统的研制和装备。




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图:航母是一个始终处在运动过程中的平台,这与陆基机场完全不同




二:自动着舰系统的技术原理




航母是一个活动性的平台,在进行舰载机起降作业时,动力充沛的核动力航母往往会以30节(55.6公里/小时)甚至33节(61.1公里/小时)的高速航行、尤其是尽可能逆风高速航行;这样可以减少舰载机起飞、降落所需要的速度,获得更高的最大起飞重量、更好的降落成功率。即使是瓦良格等动力较弱的航母,速度也会达到26~28(48.1~51.8公里/小时)节。




对于舰载机来说,航母的运动特性带来了两个大麻烦。首先航母航行时,会在俯仰、侧向等多个方向上都不断的摇晃起伏,姿态始终处于动态变化中。比如航母在纵向上的摇摆和沉浮,会使拦阻索所在的着舰区域甲板高度不断变化;当甲板高度过低时,舰载机会错过拦阻索,只能拉起复飞;而甲板高度过高,舰载机甚至会直接撞毁在扬起的舰尾上。




其次,航母本身——尤其是舰岛,在高速航行时会因为自身阻挡气流的作用而在后方形成范围非常大的紊乱气流区域,舰载机进入紊流区以后飞行姿态和轨迹会遭受到相当大的干扰。在不经修正的情况下,它足以使战斗机的飞行轨迹下沉2米、左右偏移达到39米。实际上对于传统舰载机来说,克服混乱气流的不可预知影响,精确控制飞机姿态和轨迹实现着舰的表现,一直是飞行员水平高低的最显著特征之一。




美国从上世纪40年代末期就提出了自动化着舰的构思,一直到80年代中期才在F18战斗机上实现这一功能的实用化突破(配合后期型第二代AWCLS,着舰精度达到4.33米),并成为无人机自动着舰的技术基础。这一整套自动着舰系统不仅有着非常高的硬件要求,而且其软件系统的难度比硬件系统又要远远高出。




上世纪40年代末,在雷达技术兴起以后,美国提出了全天候助降系统(AWCLS)的概念,它由舰上设施和机上设施两个部分组成。AWCLS拥有I、IA、II、III4一共四种工作模态,后三种模态实际上都是针对飞行员在光学助降系统下着舰的辅助功能,而模态I(ACLS)则是无需人工干预的全自动着舰。




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图:美国航母AN/SPN-46雷达,用于精密跟踪测量舰载机降落的姿态轨迹




从实现原理上看,航母的交通管制中心首先会引导舰载机飞到精确跟踪雷达的截获窗口,然后雷达会一直跟踪舰载机,直到着舰前的1.5~1.8秒——此时舰载机进入跟踪雷达盲区。这个过程中,雷达会不断测量飞机的位置,并根据航母自身的摇摆起伏情况进行修正,计算出当前时间内,飞机相对于航母的精确空间关系。




随后计算机会将这一数据与事先储存好的理想着舰轨迹进行对比,并一方面将差异数据发送给舰载机的平显仪,提示飞行员;另一方面,这些差异数据会按照导引规律进行计算,随后按每秒10次的频率不断发送给飞机上的AWCLS设备。机载AWCLS设备接受并根据这些引导信息,通过飞行控制系统不断纠正飞行姿态和轨迹,最终让飞机按设置的理想着舰轨迹飞行。




在21世纪初,第三代AWCLS开始投入应用。它的一个重要改进是采用差分GPS系统来对舰载机进行空间定位;除了精度可以达到厘米级别以外,还消除了跟踪雷达定位在着舰轨迹末端时的盲区问题。这一改进不仅使F18系列舰载机的自动着舰精度进一步明显提高,也是后来X47B无人舰载机实现全自动着舰的关键基础所在。




AWCLS的应用范围实际上还远不止是航母作战体系。1996年美国空海陆三军联合研发的“联合精密进近着陆系统”,就是AWCLS向陆地扩展的结果;它能够使先进战斗机可以快速部署在非常恶劣的天气和地形条件下的机场,无论是白天还是夜间,都具备非常强的生存能力和良好的人机交互操作能力。即使是在西方民用航空的发展上,AWCLS的技术扩散也已经起到了非常重要的作用。




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图:美军对AWCLS系统进行升级维护




但至今为止,美国航母上真正能自动着舰的,也仅有F18系列、X47B、F35C等型号。其它型号飞机只能做到半自动引导降落,由AWCLS系统将飞机自动引导到最后一段距离,然后飞行员再根据菲涅耳光学助降系统的指引着舰。




在1984年以后,AWCLS要实现全自动着舰,其引导、控制上的精度瓶颈已经不在设备本身上,而在于舰载机平台本身的性能好坏。不具备飞行/推力综合化控制功能的型号,在紊乱的舰尾气流中,不可能实现真正的高精度飞行姿态、轨迹控制




自动着舰中,发动机推力大小必须非常敏捷、即时的与飞机姿态、轨迹变化协调起来。这种能力不仅取决于战斗机的推力储备高低与发动机的泼辣性好坏,也取决于战斗机对发动机的控制能力。F4、F14的例子证明,只是简单依靠自动油门来简单的调节发动机的话,其效果完全不足以满足高精度着舰的要求。




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图:F18是第一种数字电传战斗机。它当时采用全权限数字化电传的最大目的,就是实现直接升力控制(使飞机可以单独对飞行轨迹或者姿态进行精确修正,即解耦飞行控制)以及飞行/推进综合控制功能,以满足全自动着舰的基本需要。




F18上采用了飞行/推进综合控制设计,飞机不再是感受到姿态和迎角变化以后,再通过油门调整推力进行弥补修正。而是飞控在驱动襟翼、水平尾翼等气动面偏转的同时,就同步深入控制发动机的诸多内部运转参数(比如低压转子转速、高压转子转速、尾喷管状态等等),实现即时而精确的推力控制效果。




从我国的现状来说,歼15由于飞行控制系统基于苏33而无法实现这两个功能(实际上国内整个仿苏27系列型号都不行)。有上舰潜力(歼10改舰载型代价太大,类似F16)、而且电传飞控系统拥有解耦飞行能力,并能够与全权限数字发动机控制系统进行综合化的型号,仅有歼20与L15。




三:我国还没有正式开始对AWCLS系统进行研制




目前世界上仅有美国、法国的航母系统能够实现全自动着舰功能。苏联在解体前开发了“电阻器”系统,功能和原理类似于AWCLS;但研制中途即遭遇苏联解体,随后停滞不前。“电阻器”的实际水平很低,不仅是各分系统、设备、部件的性能较差,更重要是在数据积累、引导、控制规律的算法设计和软件编写上极不成熟。其整体性能勉强相当于美国上世纪70年代的第二代早期型AWCLS系统(早期二代AWCLS着舰精度纵向略高于15米,横向略高于4.5米),在实际使用中只能勉强做到半自动引导。




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图:瓦良格号旧况,所有重要设备均被拆除




我国在引进瓦良格号航母时,并未获得“电阻器”系统;瓦良格号航母还在乌克兰时,所有重要设备就已经被悉数拆除。而根据海军装备部的公开论文《自动着舰系统的需求分析》,我国自动着舰系统目前仅处于理论研究阶段。




和美国、法国相比,我国的航母体系目前刚刚建立起最基础的框架;除了舰载机自身,自动着舰系统在航母、乃至航母以外方面的欠缺要更多。这其中有有些是来自于已有系统、设备的性能局限,比如北斗卫星导航系统、舰载和机载惯性导航设备的精度尚有欠缺;但最大的差距来自于研究积累的薄弱。




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图:降落事故无法避免,对事故的分析和总结也是AWCLS研制基础中不可缺少的部分




AWCLS系统最大的难度恰恰就在于软件上,它需要极其扎实的航母运作经验和理论研究水平。航母在各种条件下(海况、吨位等等)的运动特性、各种条件(气候、重量、甚至是故障等等)下各类舰载机的降落特性、历年以来的事故分析,这些都是不可或缺的基础资料。而如何从中提炼出最有效率的导引、控制规律则比资料积累更难,美国从40年代末开始足足努力了30多年,才使全自动着舰达到实用化水平。




比如舰尾气流这个关键因素,国外已经累积了数十年的观测数据和研究分析,在航母设计中主动优化舰尾流场也获得了很多经验。而我国修复瓦良格航母不过几年时间,以最大速度航行的总计时间都不是太多;仅仅是要获得这一型航母在各种海况、气候、编队组成下的舰尾流场数据,就起码需要好几年的时间。




结语:无论如何,我国作为后发者的巨大优势总是存在的——我们不需走太多的弯路,可以直接沿着最有效率的正确方向高速追赶。就如同在歼10项目上,我们花了20年时间完成了对国外先进水平从望尘莫及到能够同台竞技;又在歼20项目花了10年时间,完成了跻身于世界顶尖行列的壮举。千里之行,始于足下,只要我们奋起努力,将研究工作扎扎实实的做到实处,全自动着舰系统的实用化对于我国并不遥远。






逍遥客祝福朋友幸福、快乐!



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