《出鞘》2019-12-12：人的本质就是懒：舰载机何以在刀尖上“反复横跳”

源济

人的本质就是懒：舰载机何以在刀尖上“反复横跳”
新浪军事  2019-12-12

一直以来，舰载机着舰都被誉为“刀尖上的舞蹈”。不同于陆地机场动辄三五千米长、三五十米宽的跑道，世界上最大的航空母舰福特级的降落甲板也不过241米长、19米宽。再加上航母运动方向与斜角甲板方向的不一致、航母本身的横纵摇和舰体产生的紊流等影响，舰载机着舰的难度确实比岸基飞机高了很多个数量级。




不过，人类的本质就是懒，能用工具完成的工作就绝对不想自己去做，能用动脑解决的问题就绝对不动手。因此，在二战结束后不久的1948年，全世界最“少爷”的军队——美国海军就开始着手构想能够在降落时解放飞行员的双手，让他们去做一些“有意义的事”的舰载机全自动着舰系统了。不过，受限于当时的技术水平，美国海军在这条道路上一走就是几十年。直到上世纪70年代，美国人才开发出了一种真正可靠的全自动着舰系统（ACLS），实现了让舰载机飞行员“在刀尖上反复横跳”。




在舰载机着舰领域，我们会遇到的第一个问题是“航母在哪？”。虽然从二战开始舰载机就普遍装备了无线电通讯设备（日本除外），但由于当时还没有发展出能够在飞机上应用的测向天线，因此二战舰载机使用无线电归航的方式也十分简易：航母通过无线电广播自己的经纬度，然后让飞行员通过六分仪、罗盘和地图自己去找航母。然而就是这样一个不靠谱的无线电归航方式也不是想用就能用的。因为无线电太容易被人监听了，自己的舰载机能够通过无线电广播找到航母，意味着敌人的飞机也可以。或者有些舰载机搭载了可以旋转的接受天线，飞行员可以通过旋转天线来寻找某一频道上广播信号最强的方向（类似于看电视用的锅盖），这种方式虽然保密性较高，但误差极大，还容易受到干扰。因此，二战中使用最多的舰载机归航方式还是在起飞前约定归航时的经纬度，然后让舰载机在该海域目视寻找航母。




不过，美国人“懒”的习惯并非一日养成的，早在二战之前，美军就发现这种归航方式过于蛋疼。因此，美军开发了世界上第一种比较靠谱的无线电归航系统，即YE-ZB系统。该系统由YE和ZB两个子系统组成，其中YE指航母上的无线电发射器，ZB指舰载机上的无线电接收器。该系统的运作逻辑是：YE发射器天线每30秒旋转360°，这360°又被分成12个方位，每个方位对应30°的扇面。天线在扫过每个方位时，会使用摩尔斯电码广播事先约定好的字母密码。因此，原则上舰载机的ZB接收器每隔30秒就能收到一次来自航母的广播。而飞行员可以通过航母广播的密码逆向推测出航母的方向。比如，如果事先约定好航母今天向南偏东位置广播的字母为D，那么只要舰载机飞行员听到了D，就可以向北偏东位置寻找航母了。




但这毕竟只是一项定向技术而非定位技术，且其定向的理论误差也高达30°。因此，开发一款能够真正用来确定航母方位的导航系统迫在眉睫。在参考了二战时英军的“双簧管”轰炸导航系统之后，美军于1955年成功开发出了一种名为“塔康”（TACtical Air Navigation System，TACAN）的导航系统。该系统同样由飞机和机场/航母上的UHF频段无线电收发器组成。基本工作逻辑是机场/航母事先与飞机约定频道，飞机在使用时将塔康系统调节至想要归航的机场/航母所在的频道并发送一段询问信号，机场/航母在接收到这段信号后回应应答，以此来让飞机准确定位机场/航母所在的位置。这套系统在问世后即风靡了全球，不仅美国的北约盟国大量采用，东方阵营中的苏联和我国也都相继发展出了自己的塔康系统。




由于塔康系统的定位功能十分强大，因此原则上只要在塔康系统上加上简单的电脑计算和预设的进近方向，就可以将其用作助降系统使用。事实上，时至今日这种有跑道高度和进近角度参数的塔康系统依旧是陆基飞机在低可视度条件下（如恶劣天气、夜间等）着陆的主要辅助手段。只要天气没有糟糕到什么都看不见，塔康系统基本都能正确的将飞机引导到大致准确的进近航线上，辅助飞行员进行目视降落。




塔康系统虽然已经相当强大，不过其精度毕竟还是不能直接用于精度要求超高且情况瞬息万变的舰载机着舰。因此，塔康系统在舰载机上的应用主要还是在远距离导航方面。在最初的几年里，舰载机在使用塔康系统找到航母后，还是需要在编队中用于降落定位的护航舰艇和着舰引导员的指挥下进行着舰。1960年菲涅尔光学助降系统（FLOLS）的引入一定程度上提高了这个过程的可靠性，但本质上的问题并没有得到解决。




而另外一项技术的出现则直接挑战了FLOLS的存在意义，让其在诞生之初就成为了“备胎”。这项技术就是英国人在1957年研发成功的多功能HUD，这种HUD可以同时或分别显示多种多样的信息，能够将一些此前非常抽象的数据转化为可视化图像辅助飞行员进行操作。多功能HUD的出现直接催生了世界上第一种真正意义上的半自动助降系统——ILS（仪表着陆系统）。在美国海军中，第一种拥有ILS着舰能力的舰载机是1960年正式服役的F-4鬼怪II截击机。




ILS的运作原理基本可以概括为：舰载高精度定位雷达持续跟踪将要进行着舰的舰载机，并使用舰载计算机计算出飞机的高度、速度、航向甚至攻角等信息。在掌握了这些信息后，舰载计算机将自动计算出最佳进近航线并将其使用无线电发送给舰载机。舰载机在接收到来自航母的无线电信息后，机载的任务电脑将把最佳进近航线转化成理想高度线和理想航向线投影到HUD上。原则上飞行员只要根据HUD的指示，让HUD上投影的飞行向量（指示飞机飞行的真实方向）压在两条线的交点上，就能飞行到比较理想的进近航线上。此后，在飞行员目视到航母后，只要根据FLOLS的指示或自行将HUD上的飞行向量压到航母的斜角甲板上就能够完成精准着舰了。




原则上来说，ILS的引导精度主要取决于舰载雷达的跟踪精度。只要雷达的跟踪精度够高，飞行员就可以在能见度为0的气象条件下“盲降”。但是这种“手不能离开键盘”的操作还是不能让懒得发慌的美国人感觉到身心愉悦。因此，在飞机的自动驾驶系统、舰机间的数据链系统发展成熟后，美国人终于在上世纪70年代开发出了世界上第一种全自动着舰系统ACLS。而最早应用ACLS的舰载机，就是后来赫赫有名的“大猫”——F-14截击机。




其实ACLS本质上依旧是ILS的功能延伸，两者的工作原理也大致相仿，只不过是用信息容量更大的战术数据链取代了此前的无线电。在工作时，使用ACLS进行全自动着舰的舰载机也需要由飞行员根据HUD的指示先将飞机对准到大致准确的进近航线上。之后，一旦舰载计算机判断可以接管舰载机的着舰动作，便会向舰载机发送准备完成的信号。在接收到该信号后，飞行员可以手动将飞机接入ACL模式，让自动驾驶系统完全接管驾驶杆的控制。此后，舰载机的任务电脑会把航母通过数据链传来的信息编译成飞行控制信息控制飞机进行着舰。而在航母计算机判断着舰失败后，ACLS将在自动改平飞机的飞行向量后自行关断，由飞行员进行接下来的操作。因此飞行员并不需要担心ACLS忽忽悠悠的就把飞机弄进海里的问题。




但新的问题又出现了，战斗机不是民航机，战斗中最主要的决策者还是飞行员自己。同时自动驾驶系统不光在降落时有用，在巡航乃至战斗中也可以用来保证飞机的稳定。因此战斗机的自动驾驶系统一般没有控制节流阀的权限。这样一来在ACLS系统自动驾驶战机降落时，飞行员的左手还是不免要在节流阀上前前后后的挊。这样一来既不能解放左手，更会造成飞行员与自动驾驶系统思想不统一，你想下降我偏要加节流阀的问题。因此，ACLS系统还必须与进近推力补偿系统（APCS）相配合。




在拥有APCS的舰载机上，飞行员可以在放下起落架和襟翼后，通过驾驶舱内的开关开启APCS。开启后，APCS将自动接管节流阀的控制，保证不管飞机的攻角如何、飞行姿态如何，飞机都能保持在比较好的进近速度区间。除了配合ACLS系统之外，APCS还能够在飞行员手动降落时单独运作。这一来可以让飞行员把注意力放在驾驶杆的操作上，二来可以保证挂钩失败后飞机不至于失速坠海。而在必要的时候，只要飞行员手动推节流阀就可以直接关断APCS对节流阀的控制，可以说相当方便。据美军测试，这套系统在引导F/A-18战斗机着舰时的成功率接近100%，可靠性相当强悍。因此，这种ACLS与APCS相结合的全自动着舰系统自1970年代问世后就没有发生过重大的改动了。只不过近来随着GPS等更高精度定位系统的出现而增加了许多新的功能组件。




在美军成功经验的基础上，其他航母拥有国也分别开发了自己的舰载机着舰辅助系统。其中英国因为较早换装了STOVL/VTOL舰载机，这类飞机的着舰难度极小，因此只装备了塔康系统予以辅助；法国人虽然有传统着舰的需求，但可能是出于对飞行员技术的自信，也主要以塔康系统辅助归航，而以FLOLS辅助精准着舰。至于中俄两国，则基本全套照搬了美军的塔康+ACLS+APCS体制，只不过使用的系统略有不同。比如俄罗斯的库兹涅佐夫号是使用头顶上的“蛋糕台”来代替塔康系统的；我国的辽宁舰是用346海之星雷达负责舰载机的识别、引导等等。




除了解放飞行员的双手以及让新手飞行员也能安全地着舰以外，全自动着舰系统的发展和完善还增强了航母的全天候作战能力。特别重要的是，全自动着舰系统可以将飞行员从需要消耗大量专注度的着舰工作中解放出来，这非常有利于其战斗状态的保持，避免了飞行员“因累出错”的可能性，使其能够拥有更充分的精力“在刀尖上反复横跳”。