航母阻拦装置指标体系研究

2021-07-03王擎宇谭大力张晓谞

舰船科学技术 2021年5期

王擎宇，谭大力，张晓谞，腾腾

(海军研究院，北京100161)

0 引言

航母阻拦装置是航母上的重要航空保障特种装备，其功能是将高速着舰的舰载机在有限距离内安全拦停。航母阻拦装置的性能深刻影响着航母平台对舰载机的回收能力和回收效率。随着舰载航空技术的发展进步与海战场的日益复杂化，舰载机的重量、速度不断攀升，对阻拦装置的要求也日益提高。因此在进行航母阻拦装置的设计制造时，应充分考虑装备特点与作战使用需求，建立科学完整的指标体系，以指导装置的研制。

1 阻拦装置的基本原理

从力学的角度看，航母阻拦装置的功能是向舰载机提供足够大的反向制动力，使其在有限距离内制动静止。从能量的角度看，阻拦装置本质上是将舰载机动能转化为其他能量形式的能量转化装置。

航母阻拦装置通常由甲板阻拦索、缆索传动系统、前端缓冲系统、阻拦机系统以及控制系统组成。甲板阻拦索是阻拦装置与舰载机的物理接口，通过挂接在飞机尾钩上实现阻拦装置与飞机物理连接。缆索传动系统通常由滑轮和滑轮索组成，可以将舰载机的运动和能量传递至阻拦机。前端缓冲系统通常采用液压缓冲器，用于消减飞机尾钩与阻拦索啮合瞬间的峰值张力。阻拦机系统（或称能量吸收系统）是阻拦装置的核心组成部分，用于吸收舰载机阻拦着舰时的动能。控制系统用于设定阻拦工况，并控制其他分系统按照预定流程完成飞机阻拦作业。通常阻拦装置还会配备阻拦网，用于特情状况下的飞机应急阻拦，在此情况下阻拦网通常会与阻拦索共用同一台阻拦机。

图1 典型航母阻拦装置组成框图Fig. 1 Typical composition of carrier arresting gear

2 航母阻拦装置的主要类型

从最早的重力式阻拦装置开始，航母阻拦装置一直伴随着舰载机着舰需求的不断提高而升级换代，目前主要的航母阻拦装置有三类。

2.1 液压阻拦装置

液压阻拦装置是目前使用最为广泛的阻拦装置,如美国“尼米兹”级航母采用的Mark7-3、Mark7-4型阻拦装置均为液压阻拦装置[1]。液压阻拦装置主要包括甲板阻拦索系统、滑轮组索系统、定长冲跑控制系统、滑轮缓冲系统、阻拦机系统、钢索末端缓冲系统等。其中阻拦机系统包括蓄能器装置、主液压缸、定滑轮组以及可动十字头等，是阻拦装置的主要组成部分，用来吸收或转换掉飞机的动能。液压阻拦装置的工作方式为：阻拦过程中飞机带动阻拦索向前运动，通过中间机械装置，阻拦索带动十字头向定滑轮方向移动，并将冲力传递至液压缸的活塞上，在活塞的压力作用下，使液压缸中的油液流向蓄能器，并且通过预先设置好的定长冲跑控制阀的阀量进行流量控制，在舰载机拦停后，油液在压力作用下重新从蓄能器流回液压缸，阻拦装置重新复位，为下一架飞机的着舰阻拦做好准备。

2.2 电力涡轮阻拦装置

21世纪初开始，美国海军在飞机陆上应急着陆阻拦装置的基础上，以水涡轮机、阻拦电机作为主吸能部件，阻拦电机作为主控制部件，研发了新一代航母阻拦装置，将其命名为电力涡轮阻拦装置，也称先进阻拦装置（AAG）[2]，装备于“福特”号航母。

图2 典型液压阻拦装置组成框图[3]Fig. 2 Typical composition of hydraulic arresting gear

图3 电力涡轮装置组成框图Fig. 3 Composition of electric-turbo arresting gear

电力涡轮阻拦装置的基本构成如图3所示。其组成中除阻拦索、缆索传动系统、前端缓冲系统外，阻拦机和软件控制系统是最重要的部件，也是与液压阻拦装置最主要的区别所在。阻拦机包括水涡轮机、锥形毂轮、机械制动器、感应电机；软件控制系统包括动态控制子系统、操作人员工作台以及维护人员工作台。电力涡轮阻拦装置以水涡轮机、感应电机以及机械制动器为主要吸能部件，同时能够通过调节感应电机扭矩输出精确控制飞机阻拦着舰过程，并能控制飞机在甲板上停止的距离。

该装置的工作方式为：当舰载机尾钩与阻拦索初始接触时，尾钩牵动阻拦索并带动滑轮索从锥形毂轮中牵出，使旋转轴转动，此时感应电机对旋转轴施加加速扭矩，使舰载机与阻拦索的接触过程相对平稳。随后，阻拦装置作业进入舰载机动能吸收阶段。在本阶段，感应电机、水涡轮机主要完成能量吸收工作，摩擦制动器作为备用的吸能部件，可在感应电机或水力涡轮失效时使用，确保整个阻拦系统的可靠性，且这3个部件只要保持其中2个正常工作，就能够完成舰载机动能的完全吸收。软件控制系统可通过电力电子变换控制感应电机作用在旋转轴上的扭矩，使锥状毂轮上的缆索以相对恒定的张力释放，保证舰载机在阻拦过程中受力均匀，并最终实现舰载机在甲板的降落。

相比于液压阻拦装置，先进阻拦装置通过阻拦感应电机部分实现了阻拦过程的闭环控制，同时整个阻拦装置的结构更为紧凑，阻拦能级更高。

2.3 电磁阻拦装置

2003年美国柯蒂斯-莱特公司申请了名为电磁飞机阻拦系统的发明专利，该专利中的电磁飞机阻拦系统通过感应电机先将舰载机着舰时的动能转化为电能，再通过制动电阻将能量以热的形式耗散[4]。电磁阻拦装置组成如图4所示，除甲板阻拦索、滑轮组索、滑轮及前端缓冲装置外，重要的部件包括:感应电机、线轴、逆变器、动态制动电阻。

图4 电磁阻拦装置组成框图Fig. 4 Composition of electric arresting gear

其工作方式与电力涡轮阻拦装置相似：在舰载机挂索的初始阶段,舰载机尾钩牵动阻拦索与滑轮组索，并带动感应电机转动，此时感应电机对旋转轴施加加速扭矩，使阻拦索获得与舰载机大致匹配的速度，降低挂索初始阶段冲击张力。该阶段的感应电机起到发动机的作用。在滑轮组索被拉出一定长度后,进入刹车阶段。此时,感应电机起到发电机的作用，对旋转轴施加制动扭矩，将舰载机的动能转化为电能。逆变器实时控制感应电机的电流和转矩，使舰载机安全拦停。动态制动电阻通过一个开关与逆变器保持直流电连接，两者间的电压维持在一个预先设定值，将转化的舰载机动能在电路中以热能的形式耗散。在舰载机回收后，感应电机依靠舰船的电力供给,回收滑轮组索，使其缠绕于线轴，以准备下一次的舰载机阻拦降落。

与先进阻拦装置相比，电磁阻拦装置的电气化、自动化程度更高，可完全实现阻拦过程的闭环控制。但该装置技术难度较大，目前尚无成熟应用。

3 航母阻拦装置的指标体系

阻拦装置经历了漫长的发展，除了实现安全拦停飞机的基本功能外，更需要适应航母平台的作战使用要求，适应复杂的战场环境。因此，在研制航母阻拦装置前，应根据阻拦装置的特点和工作原理，构建科学的指标体系，提出合理的指标要求，以牵引装置的研制。

构建航母阻拦装置的指标体系时需从装置的使命任务出发，通过任务层、能力层和指标层的逐级分解得到装置指标构成与指标要求，进而指导装置的研制。

3.1 航母阻拦装置的任务层分析

阻拦装置的核心任务是保障舰载机安全着舰，在此基础上还需与母舰总体的出动回收能力要求相匹配。以美国“福特”号航母为例，该航母未来主要搭载的机型包括F-35C战斗机，F/A-18E/F战斗机，EA-18G电子战飞机，E-2D预警机等，因此装备于该航母的电力涡轮阻拦装置首先应具备安全回收上述各型舰载机的任务能力。“福特”号航母的出动回收指标要求如表1所示[5]。

表1 “福特”级航母出动架次率要求Tab. 1 Sortie generation capacity of Ford class aircraft carrier

其中持续出动架次率是指30天内，每天飞行作业12 h，舰载机的平均日出动架次；高强出动架次率是指连续4天时间内，每天飞行作业24 h，舰载机的平均日出动架次。由于出动架次是指舰载机从起飞到着舰一个完整的循环过程，因此对于电力涡轮阻拦装置，在具备安全回收该航母平台搭载的各型舰载机的任务能力的基础上，还要满足母舰的出动回收架次率的任务要求。

3.2 航母阻拦装置的能力层分析

航母阻拦装置与舰载机、母舰平台、作战人员及场景存在强交互关系。因此从任务层出发，可将阻拦装置能力层要求分解为：飞机适配性、母舰适装性、作战适用性等具体能力要求，同时装置自身还应该满足一定的通用质量特性要求，如图5所示。

飞机适配性是指阻拦装置的回收能力应能够与平台搭载的各类机型舰载机相适配。如阻拦装置的阻拦重量范围、允许啮合速度范围等能够包络各型舰载机着舰时的重量、速度等典型工况[6-8]。

图5 能力层分解示意Fig. 5 Illustration of the decomposition of ability level

母舰适装性是指阻拦装置与母舰平台的适装能力，如装置的重量体积应满足母舰总体设计的需求，水、电等资源需求应能够与母舰的供应能力相匹配，阻拦距离等应与甲板空间作战使用设计相一致等。

作战使用性是指作业人员依据任务场景能够操纵阻拦装置完成回收作业任务的能力，如阻拦作业周期、连续阻拦能力、索网转换时间等。

通用质量特性即通常所说的“六性”，包括可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、环境适应性等。由于阻拦装置关乎到飞行员和舰载机的生命财产安全，因此对其可靠性、维修性等要求较其他特种装备会更高。

3.3 航母阻拦装置的指标层分析

基于能力层的分解，可将航母阻拦装置的指标类型分为飞机适配性指标、母舰适装性指标、作战适用性指标以及通用质量特性指标。通过对具体指标的细化，得到阻拦装置的指标层，进而构建出完整的指标体系，如图6所示。

针对其中的一些重要指标描述如下：

1）飞机适配性指标

飞机适配性指标是指阻拦装置根据飞机适配性能力要求细化得到的具体指标，包括保障舰载机种类、最大阻拦能级、允许着舰重量等。

保障舰载机种类。指阻拦装置可正常阻拦的飞机类型，即装置的阻拦重量、啮合速度、过载控制等阻拦能力能够与各机型适配。通常同一航母平台会根据不同任务或在不同历史时期搭载多种机型，保障舰载机种类是反应阻拦装置与多型舰载机适配性的综合性指标。

最大阻拦能级。指阻拦装置可阻拦的最大能级，根据阻拦重量、啮合速度计算得出。该能级应能够囊括所有的适配机型的典型着舰工况。

允许着舰重量范围。阻拦装置正常阻拦时允许的舰载机着舰重量范围，该范围应能够囊括所有的适配机型的典型着舰重量。

允许啮合速度范围。阻拦装置正常阻拦时允许的舰载机着舰速度范围，该范围应能够囊括所有的适配机型的典型着舰速度。

图6 航母阻拦装置指标体系Fig. 6 The indexes system of arresting gear of aircraft carrier

极限偏心距、偏航角。偏心距是指舰载机着舰钩索时尾钩在阻拦索上的挂点与阻拦跑道中心线的法向距离，偏航角是指舰载机钩索时的航向与阻拦跑道中心线的夹角。该指标反映的是阻拦装置对舰载机着舰钩索姿态的适应能力，指标值越大，对舰载机着舰钩锁姿态的约束越小，即飞行员着舰操作难度越小。

阻拦过载。是指在阻拦过程中舰载机受到的最大负加速度。不同飞机对阻拦过载的承受能力不同，通常在3～5g左右，过高的过载会影响飞机的使用寿命，严重时甚至会导致飞机损坏，同时会对飞行员造成健康损伤。因此阻拦装置应能够针对不同机型在阻拦过程中将阻拦过载控制在飞机和飞行员所能承受范围内。

2）母舰适装性指标

母舰适装性指标是指阻拦装置根据母舰适装性能力要求细化得到的具体指标，包括最大阻拦距离、最大冲跑距离、设备体积重量等。

最大冲跑/阻拦距离。最大冲跑距离指阻拦装置阻拦过程中舰载机冲跑的最远距离。该指标应以航母飞行甲板总体设计为输入，受到阻拦跑道长度的限制，是反映装置短距离拦停能力的重要指标。

最大阻拦距离。指飞机最终拦停的最远距离。阻拦过程中，当飞机达到最大冲跑距离后，由于前端液压缓冲装置活塞杆的复位以及阻拦索、滑轮索钢丝绳的弹性缩回，会带动飞机回退。回退后飞机最终的拦停距离为阻拦距离。

设备体积重量。阻拦装置的体积重量应满足母舰总体设计要求。重量方面需考虑总体的排水量、浮性、稳性等总体要求，通常被限定在一定范围内；体积方面会影响母舰总体舱室布局设计，同时也会在一定程度上影响装置具体设备的布设方式。

3）作战适用性指标

作战适用性指标是阻拦装置指根据作战适用性能力要求细化得到的具体指标，包括首次阻拦准备时间、阻拦复位时间等。

首次阻拦准备时间。是指阻拦装置从停机状态至具备阻拦条件所需要的准备时间。反映了装置的快速反应能力。

阻拦复位时间。是指阻拦装置完成一次阻拦作业后，至具备下一次阻拦条件的复位时间。反应的是阻拦装置连续阻拦能力。该指标也可以阻拦作业周期的方式提出。

单波次连续阻拦次数。指阻拦装置在一波次内，可连续循环进行阻拦作业的次数。该指标应能够满足航母平台总体的舰载机回收作业要求。

单波次连续阻拦恢复时间。指装置在完成一波次阻拦任务后，至具备开展下一波次连续阻拦的恢复时间。

索网转换时间。指阻拦装置从阻拦索阻拦状态切换至阻拦网阻拦状态所需的准备时间。

阻拦索使用次数。指同一根阻拦索可阻拦飞机次数。阻拦索是整个阻拦装置最重要的有寿件，通常会规定相应的使用次数，达到使用次数则需要进行更换。

阻拦索更换时间。指更换阻拦索所需要的时间。在阻拦索达到使用寿命或出现特请的情况下，需对阻拦索进行更换，其更换时间应尽量短，以保证后续在空飞机的安全着舰。

4）通用质量特性指标

通用质量特性指标包括可靠性指标、维修性指标、测试性指标、保障性指标、安全性指标以及环境适应性指标等。

平均故障间隔次数。根据GJB451A-2005《可靠性维修性保障性术语》，平均故障间隔次数的定义为“可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数之比。”

舰员级平均故障修复时间。根据GJB451A-2005《可靠性维修性保障性术语》，平均故障修复时间的定义为“产品维修性的一种基本参数，它是一种设计参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品在规定的维修级别上，修复性维修总时间与该级别上被修复产品的故障总数之比。”

固有可用度。是反应装置可用性的综合性指标。其度量方法为产品的平均故障间隔时间与平均故障间隔时间和平均修复时间的和之比。

阻拦装置的可靠性和维修性是非常关键的指标。阻拦装置在执行阻拦任务时若出现故障，则在空的舰载机编队将无法降落，会导致极为严重的损失。因此一方面要求装置具有较低的故障率，另一方面若出现故障需要短时间内能够修复。

4 部分指标间的耦合关系

航母阻拦装置的各项指标并非完全独立，部分指标之间存在一定的耦合关系。

1）最大阻拦能级与阻拦重量、速度范围

阻拦装置最大阻拦能级、阻拦重量范围、与阻拦速度范围在物理上存在固定的换算关系。因此这3个指标并非完全相互独立，而通常会以能量包络图的形式提出。以美国电力涡轮阻拦装置为例，其能力包络图如图7所示。图中横坐标为舰载机的着舰速度，纵坐标为阻拦能级。着色区域的上线反映了装置的最大阻拦能级，左右边界反映了着舰速度范围，上下边界曲线反映了阻拦的重量范围。图中灰色区域为门限值要求，网格区加上灰色区域范围为目标值要求。可以看出，门限值与目标值的区别主要在于是否能够阻拦最小飞机的重量。通过阻拦装置的能量包络图及图上各机型的典型工况点，能够清晰的反映阻拦装置与各型飞机的适配性，同时也为后续上舰机型的设计提供了约束和参考。

图7 电力涡轮阻拦装置能量包络图示意Fig. 7 Illustration of the energy envelop of AAG

2）偏心距、偏航角

理想情况下，舰载机着舰钩锁时尾钩应恰好挂在阻拦索中点，并沿阻拦跑道中心线滑行制动，但实际操作过程中必定会存在一定的偏差。因此对于阻拦装置应有一定的偏心偏航适应能力，以降低飞行员的着舰操作难度。偏心距与偏航角并非2个独立的约束范围，通常存在如图8所示的椭圆耦合关系。根据飞行甲板安全边界要求，偏心距与偏航角通常不允许同时达到最大值。同时，同方向的偏心偏航超出甲板安全边界的可能性更大，通常存在更大的风险，在实际阻拦过程中应尽量避免。此外，考虑航母的上层建筑以及舰面舰载机的停放位置通常位于阻拦跑道右侧，因此允许右偏心偏航的范围会略小于左侧。所以，在确定航母舰上使用时阻拦装置的允许偏心距、偏航角指标时，应综合考虑上述因素，确定合理的指标值。