【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（Landing Signal Officer，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（Mirror Optical Landing System,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