固定翼舰载战斗机关键技术与未来发展

王永庆

航空工业沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035

在大国竞争的背景下，美国海军已启动新一代舰载机的研究，在已明确的使能技术领域进行投资，以提高技术成熟度。

2020年1月，美国国会预算办公室发表关于替换美海军现有机队成本的分析报告[1]。经测算，2032年至2050年，替换F/A-18E/F“超级大黄蜂”机队将花费670亿美元，替换EA-18G“咆哮者”电子战机队将花费220亿美元。

2020年3月，美国海军启动新一代航母和未来舰载航空研究，组建了名为“未来航母2030”的特别工作组，广泛征集海军和海军陆战队领导人的意见，结合海上力量一体化战略，针对“分布式海上作战”和“远征前沿基地作战”的新作战概念，研讨未来航母舰载机联队发展路线。

2020年8月，美国海军启动新一代舰载战斗机研发工作，旨在开发一型有人驾驶战斗机，从2030年开始取代现役F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机和EA-18G“咆哮者”电子战飞机。

在美国重夺海上优势战略思维的推动下，新一代舰载机的定位、能力需求和技术特征成为多方关注的焦点。本文在回顾固定翼舰载机发展历程的基础上，对舰载机起飞、着舰、舰面保障、环境适应性等关键技术进行了探讨，结合人工智能、无人机及协同作战等技术的发展，对舰载机的未来发展进行展望，提出了新一代固定翼舰载机的主要能力和技术特征。

1 舰载机发展历程

1.1 舰载机发展的驱动因素

纵观舰载机的百年发展，围绕舰载机关键能力指标——联队飞机数量、续航能力、带载能力和低可探测性等，驱动舰载机不断发展和完善的使能因素主要包括：

一是作战需求的牵引[2]。舰载机在纵横2个维度得到发展，纵向上舰载机个体平台的能力不断提升；横向上随着作战任务谱的扩展，舰载机的种类也得到发展。为实现由海向陆的作战，需要舰载机具备可与陆基飞机抗衡的作战能力，迫使舰载机的本体性能和武器配置不断提升，使得舰载机不断升级换代。随着航母打击群所承担任务的扩展，其所搭载的舰载机类型也不断增加，由早期的战斗机、(俯冲/鱼雷)轰炸机、侦察机等演变为战斗机、预警机、电子战飞机、攻击机等多机型组成的航空联队。

舰载机以在大洋公海自由航行的航空母舰作为起降机场，一方面化解了修建固定机场牵涉的地缘政治、经济纷争等问题；另一方面基于航母平台的机动能力，极大地增强了作战飞机的战术运用灵活性，提高了飞机的生存力和使用效能，为飞机的使用开辟了新的模式，可以部分化解飞机航程短的窘境，通过航母打击群的前沿部署，增加舰载机的打击范围。

二是技术进步的推动。二战末期装备喷气式发动机的战斗机出现，引领舰载机从螺旋桨时代进入喷气时代。美国海军在1947年7月推出世界海军史上首架舰载喷气式飞机—麦克唐纳公司生产的FD(后为FH-1)“鬼怪”式战斗机。喷气式战斗机采用后掠式机翼和机载雷达等电子设备后，实现了高速化和高性能。1957年3月美国海军将钱斯沃特公司生产的F8U(后为F-8)“十字军战士”装备部队，成为美国海军史也是世界海军史上第一架超声速舰载战斗机。1961年麦克唐纳公司生产的全天候战斗攻击机F4H(后为F-4)“鬼怪Ⅱ”开始装备，配装AN/APQ系列雷达和AIM-7“麻雀”导弹，具有全天候的超视距作战能力。2001年，法国戴高乐号航母配备的“阵风-M”舰载机，具有高敏捷性及一定的隐身能力。2010年，F-35C舰载机首飞成功，其从设计之初就将隐身、杀伤力、经济可承受性等作为设计约束，是目前全世界唯一经过检验的隐身舰载战斗机。2013年7月， X-47B无人技术验证机在“布什”号航母上实现弹射起飞和拦阻着舰，标志着舰载机步入有人/无人混合时代。

1.2 舰载机主要发展历程

航母诞生已有百年，在二战中，航母的超视距立体打击能力将“大舰巨炮主义”扫进了历史的垃圾桶，航母成为海洋大国宣示力量的重要手段[3]。舰载机作为航母编队最主要的矛与盾，其作战能力直接决定了航母战斗群能否实现战术目标和战略意图，是航母编队作战的核心力量。二战后，美国成为唯一的航母大国，其航母与遍布全球的基地相配合，参与了美军几乎所有的作战行动，起到了决定性的作用[4]。

朝鲜战争初期，受限于美军依靠核武器取胜的战略思想，航母舰载机的发展一度被忽视，二战中的许多螺旋桨飞机仍然是航母的主力机种。随着战争推进，逐步换装F-9F“黑豹”和具有核打击能力的F-2H“女妖”喷气式战斗机，形成了螺旋桨飞机和喷气式飞机混合搭载的局面。这一时期，舰载机主要执行近距空中支援、防空和部分攻击任务，掩护盟军部队的撤退[5]。

朝鲜战争结束后，核打击战略依然有效，大型航母继续建造，使得以A-3“空中战士”和A-5“民兵团员”为代表的具有远距核打击能力的大型攻击机成为航母舰载机的核心[6]。舰载机作为海上核攻击平台，成为海军战略核投送的核心。

核潜艇和潜射导弹的出现，使得舰载机再次回到常规攻击和近距空中支援的任务中。具有全天候精确打击能力的A-6“入侵者”和A-7“海盗”Ⅱ成为美海军在越南战争时期主要的攻击兵力，装备了雷达系统和先进的火力控制系统的F-4“鬼怪”Ⅱ则兼顾空中护航与精确对面打击。舰载机作战半径的提升使航母可以在海上远离作战前线部署，无需负担较重的防空任务。同期，面对空导弹、能够携带反舰巡航导弹的轰炸机的出现，拓展了航母编队对特种舰载机的需求，即打击敌大纵深目标，击败日益复杂的防空系统，应对航母面临的新威胁。随着EA-6B“徘徊者”舰载电子战飞机、E-2A/B“鹰眼”舰载预警机、KA-3加油机等先后服役。从1966年至1978年，海军舰载机联队中特种飞机的比例增长超过1倍。

越南战争后，苏联Tu-22M“逆火”轰炸机和Kh-22远距反舰巡航导弹出现，使美国航母不得不面对来自空中的巨大威胁。美海军希望通过增加舰载机联队防空能力，并构建航母编队外部巡逻圈的方式来应对苏联反舰威胁。依据这种作战思想发展的F-14A“雄猫”超声速战斗拦截机，通过配装AWG-9雷达和AIM-54远距空空导弹，能够同时与多个目标交战，大幅提高了航母编队的防空能力。20世纪80年代，美海军部署了更具多用途特征的F/A-18A/B“大黄蜂”攻击战斗机，取代了功能单一的A-7攻击机，进一步提升了舰载机联队的防空能力。另一方面，这一时期对防空能力的强调，相对削弱了舰载机联队的打击能力，使得航母一定程度上落入至海军历史学家Norman Friedman所述的“自生自存”悖论，即“航母存在的唯一目的是保护自己”[7]。

随着1991年苏联解体进入后冷战时代，缺乏大国竞争的国际环境和美国军事力量的压倒性优势，使得舰载航空兵的作战价值在地区行动中再一次体现。当2001年美军在阿富汗发起“持久自由”行动时，几乎没有机场适用于美国陆基战斗机。在战争的前3个月，舰载战斗机承担了美军75%的攻击架次和50%的弹药投送。随着F/A-18E/F替代F-14,美舰载机联队已经从美苏争霸时的远程截击机+攻击机的组合，转变为相对短程的多用途战斗机，用于应对非对称作战对手。

进入隐身时代以来，美海军采购F-35C“闪电”Ⅱ以替换较为老旧的F/A-18C/D，实现F-35C与F/A-18E/F的搭配使用[8]，F-35C重点承担前出进攻性制空、防空压制和纵深打击任务，F/A-18E/F重点承担舰队防空任务。

不同于美军“立足两洲、控制两洋、主导世界”的全球战略，苏联强调依靠核武器来应对大国竞争，因此在航母的发展上重视程度不高。赫鲁晓夫甚至曾表示，“航空母舰是海上的活棺材”。直到1962年古巴导弹危机中，苏联核潜艇被美军逼出水面，苏联才意识到航母的重要性，并将护航核潜艇作为航母的主要任务。20世纪70年代中期，雅克-38垂直起降飞机作为苏军首型舰载固定翼战斗机开始服役，但相对于同期美军的F-14飞机，雅克-38在搭载数量、作战半径和攻击能力等方面均处于较大劣势。随着更大吨位的库兹涅佐夫元帅级航母的研制，具有更大起飞重量、更大航程的苏-33舰载机开始服役，继续承担航母编队内夺取制空权和制海权的作战任务，为核潜艇保驾护航。苏联解体后，受限于经济衰退影响，俄罗斯虽然继承了绝大多数航母，但在舰载机的发展上却始终步履蹒跚，在苏-33退役后不得不换装本为印度研制的米格-29K，在后续发展上与世界主流趋势渐行渐远。

美、俄等国以外，英国、法国、印度和日本等有航母国家，除了法国装备阵风-M舰载机，均外购美制F-35B或俄制米格-29K舰载机，仅能在局部作战中发挥有限的威慑和打击作用。

综合来看，舰载机联队作为航母编队的主要作战力量，其主战装备的研发从来都不是一成不变的，而是结合时代背景、军事战略和对手威胁整体筹划的结果。就美军而言，其舰载机联队整体上呈现出“高威胁时突出专用、强调能力，低威胁时突出多用途、降低成本”的发展趋势，同时通过“逐步替换、混合使用”来保障舰上使用的连续性。面向未来“中美大国竞争”背景，美军已经规划的下一代舰载机F/A-XX，虽然现阶段尚未见到明确的公开信息，但极有可能带来美舰载战斗机新的变革。

2 舰载机关键技术

2.1 起飞技术

随着作战使用需求演进及航空技术发展，舰载机的能力不断提升，起飞重量及离板速度逐渐增大，促进了舰上起飞技术的发展，主要经历了局部/全通式甲板自主式滑跑起飞、弹射起飞、滑跃起飞等不同的阶段[9]。

早期的双/单翼活塞式舰载机，飞机重量较轻、翼载小、起飞速度较低、滑跑距离短，舰载机在较短的航母飞行甲板上即可实现离舰起飞。

二战后，喷气式舰载机相继上舰，舰载机的重量和起飞速度急剧增大，需要较长的滑跑距离才能离舰起飞，航母200～300 m的飞行甲板长度已无法满足使用需求，必须采用新的起飞方式。

从起飞机理上分析，借助母舰提供的一定甲板风[10]，在较短的滑跑距离内起飞离舰，一种途径是借助外力助推、增加离板速度，即“先建立速度、后建立迎角”；另一种途径是借助特殊的甲板型面，增加起飞离板迎角，即“先建立迎角、后建立速度”[11]，核心是满足离板后飞机的重心下沉不大于3 m、旋转角速度不大于12(°)/s等起飞安全准则。由此，催生了弹射起飞和滑跃起飞2种主流的舰载机起飞方式。

(1) 弹射起飞

弹射起飞是指用航母弹射器给舰载机施加外力，使其在不到100 m的弹射动力冲程内迅速加速至起飞离板速度、离舰起飞的过程。1950年8月， 英国海军在“英仙座”号航母甲板中线上安装BXS-1型蒸汽弹射器进行弹射飞机试验，并获得初步成功。美海军购买了英国专利，并以此为基础进行研究发展。目前，美海军舰载机全部采用弹射起飞方式，法国、巴西、阿根廷等国的航母上也采用了这种起飞技术。

依据舰载机与航母弹射器拖梭的连接方法，弹射起飞方式可以分为拖索式弹射和前轮拖曳式弹射2种方式。[12]

① 拖索式弹射 甲板保障人员先用钢质拖索把飞机挂在弹射器拖梭上，再用一根牵制杆把尾部与弹射器后端卡槽固定住。弹射时弹射器拖梭拉断牵制杆上的定力栓，拖拽飞机沿弹射道迅速加速，在弹射道末端把飞机加速到起飞速度抛离甲板，拖索从飞机上脱落，弹射器拖梭返回弹射器起点准备下一次弹射。

② 前轮拖曳式弹射 该方式在1964年由美国海军试验成功。弹射杆安装在舰载机前轮支柱上，弹射起飞时弹射杆放下与弹射器拖梭啮合，弹射时由拖梭直接拖曳飞机加速起飞。

为实现弹射起飞，母舰应配置与舰载机适配的弹射装置。现代的航母通常配有3～4部弹射装置及其配套的弹射指挥装置。

为克服蒸汽弹射器载荷有限、淡水需求量大和弹射效率低等缺陷，美国研制了电磁弹射器。电磁弹射器是一种利用直线电机产生的电磁力将舰载机在航母甲板上加速到起飞速度的弹射装置。与传统的蒸汽弹射器相比，具有体积小、对舰上辅助系统要求低、效率高、重量轻、运行和维护成本低廉的优点。

为实现舰载机安全弹射起飞，航母应满足一定的条件，包括以一定的航速、稳定直线航行，提供舰载机起飞所必须的甲板风和母舰姿态[13]。从飞机设计的角度，为满足弹射使用，应关注飞机结构应能承受弹射过载、气动与控制系统联合确保飞机低速离板的姿态和航迹稳定、机载系统可承受弹射过载/母舰的电磁环境、推进系统在弹射蒸汽泄漏的情况下仍可稳定工作、前起落架弹射杆应与母舰的弹射装置适配等能力要求。

弹射起飞方式可在一定程度上降低对舰载机气动布局、重量、推重比等方面的设计要求，同时可保证多架舰载机以较短时间间隔起飞作战。如美国“尼米兹”级航母上配置的4台C-13弹射器，在同时工作时，可使起飞间隔仅为15 s，极大提高了舰载机出动能力，提升航母编队作战效能。从西方海军大国近40多年使用来看，这种起飞方式可满足实战需要。

(2) 滑跃起飞

滑跃起飞是舰载机先依靠自身动力在航母甲板上滑跑，后经出板角为12°～14°的舰艏斜角甲板，使舰载机在离舰瞬间被赋予一定迎角和向上的垂直分速度，从而实现离舰起飞的过程，通常需配合止动轮挡。

滑跃起飞技术是由英国海军军官道格·泰勒发明的，该技术最先应用在“无敌”级航母上，使“海鸦”垂直/短距起降飞机起飞重量、载弹量、作战半径均得到较大提高，从而提高了其作战能力。苏联也将滑跃起飞技术用于苏-33舰载机在航母上起飞。目前采用滑跃起飞的国家还有英国、俄罗斯、西班牙、意大利和印度等。

滑跃起飞技术依赖飞机本身的推重比、15°～21°迎角间的升力系数、翼载荷及飞机姿态稳定性。为实现滑跃起飞，母舰应配置与舰载机适配的滑跃起飞甲板。滑跃起飞甲板型面应使舰载飞机在滑跃起飞离板时能够建立规定的迎角且不产生过度上仰趋势，同时在滑跃起飞过程中不应对飞机起落架产生较大的载荷突变及振荡。

滑跃起飞方式也存在不足之处。滑跃起飞对飞机的气动布局、推重比要求较高，推重比小于0.6的固定翼舰载机(如预警机、反潜机等)，都无法采用滑跃起飞方式。

另外，由于舰艏滑跃甲板为上翘斜曲面，不利于舰载机停放，使航母的载机数量减少，在一定程度上影响航母作战威力。如果美国的“尼米兹”级、“小鹰”级航母采用滑跃起飞方式，并采用俄航母滑跃斜板的曲面参数，所能搭载的舰载机数量将减少10架左右。

除上述2种起飞方式外，英国的“海鹞”、美国的F-35B等舰载机采取了第3种起飞和着舰方式——短距起飞垂直降落。虽然均具备垂直起飞能力，但因其对燃油的消耗极大，且对起飞重量有较大限制，影响后续作战使用，实际作战使用过程中一般采用平直甲板短距滑跑起飞与垂直降落方式。

平直甲板短距滑跑起飞，是利用气动升力与动力升力的联合作用，无需滑跃甲板即可实现舰载机离舰起飞。起飞时，动力升力系统打开舱门，发动机矢量喷管向后下方偏转、风扇喷流向后倾斜。飞机加速滑跑起飞至一定距离产生旋转机动，矢量喷管逐渐减小偏转角度建立起飞迎角。飞机建立爬升姿态后，继续加速，在达到一定高度和速度后，喷管恢复到完全向后位置，关闭升力系统舱门，进入常规气动构型[14]。

综上所述，对于发展大、中型航母的国家来说，如果掌握了航母及舰载机弹射起飞相关设计技术，采用弹射起飞方式更为有利，尤其是电磁弹射起飞技术，有利于提升航母编队作战效能。对于中小国家海军发展小型航母，宜采用滑跃起飞，具有操作简单、安全性好等优点，取消了弹射器，还有助于简化航母及舰载机设计、降低造价、节省训练和维修费用。

2.2 着舰技术

舰载机着舰是人-机-舰三方协同作用的结果：飞行员操纵或监控舰载机沿给定的理想下滑道飞行，舰载引导系统以光学或射频的方式向舰载机提供下滑道偏差、着舰距离、母舰航向、航速及动态信息等，着舰指挥控制战位的着舰信号官(LSO)小组实时监控着舰飞机的姿态、速度等，协助飞行员确保舰载机安全着舰。

舰载引导系统用于辅助飞行员着舰，为其提供所需的着舰态势信息，主要的着舰引导系统包括：舰载精密着舰引导雷达、卫星着舰引导系统、菲涅尔光学助降装置、甲板灯光系统、尾垂灯以及远距激光对中系统等。

舰载机着舰可分为3种方式：人工着舰、半自动着舰和全自动着舰。

(1)人工着舰。指依靠飞行员目视观察舰上的光学助降系统(菲涅尔透镜)，同时借助舰上着舰信号官的语音辅助，全程由飞行员完成飞机控制的着舰。在此过程中，飞行员需要同时完成3件事：① 首先是用驾驶杆控制机头指向，完成对中斜角中心线，使飞机翼展处在规定的着舰区域内，防止机翼碰撞舰岛；② 是用油门杆调整发动机的输出功率，控制下沉率，使舰载机沿光学下滑道飞行，以便保持着舰所需的安全钩坡距；③ 是用驾驶杆控制俯仰姿态，保持迎角误差在±0.5°以内，确保钩索啮合。

在人工着舰过程中，飞行员需同时完成的“对中、看灯、保角”三件事是高度耦合的：横向操纵驾驶杆对中会导致飞机的高度损失，使飞机偏离理想下滑道；前后拉杆调整下滑道高低会导致飞机迎角发生变化。飞行员需不断协调操纵双杆，工作负荷巨大。“一个有充分控制能力的飞行员可以非常精确地控制一个动态变量，精确控制2个变量，勉强控制3个变量，但飞行员同时控制3个以上的变量就力不从心。”据统计，国外的飞行员，在触舰前的最后18 s，需要协调操纵双杆200～300 次，着舰工作强度甚至较空战更大。飞行员在完成训练、战斗任务后，身心本就疲惫，又要完成高难度、高危险性的着舰任务，会产生很大的心理压力，夜间尤其如此。为减轻人工着舰时的飞行员工作负荷、提高着舰精度，英美联合开发了“舰载机精确进近与着舰增强控制技术”(简称魔毯)[15]。

魔毯技术的本质是基于直接升力的飞行轨迹与姿态解耦控制，由舵面的组合偏转生成加快航迹控制所必须的直接升力，其迎角和速度由飞控系统自动保持，在良好的着舰态势辅助下，飞行员只需关注“看灯、对中”2个动作即可完成着舰，减少飞行操纵变量，有效降低着舰操纵难度和负荷。现有着舰技术与魔毯着舰技术的比较如图1所示。

图1 现有着舰技术与魔毯着舰技术的比较Fig.1 Comparison of existing landing technology with Magic Carpet landing technology

(2)半自动着舰。指机载系统依据引导系统测得的着舰航迹偏差，生成着舰操纵指令，驱动座舱仪表的指令杆偏转，飞行员通过驾驶杆和油门杆的偏转实施“追(随)指令杆”操纵，消除着舰偏差，完成着舰。

(3)全自动着舰。指整个着舰过程中无需飞行员人工操纵双杆，机载系统依据航迹偏差生成飞行控制指令，送给机上的自动飞行控制系统和自动油门机构，由其联合工作，消除着舰偏差，使飞机沿理想下滑道飞行，直至触舰。全自动着舰作为航母舰载机的标志性技术，代表了着舰技术的发展方向，依据机舰闭环系统的自动化程度水平，由高到低分为3种工作模态：全自动着舰、半自动指引着舰以及母舰控制的语音着舰。

全自动着舰技术源于克服恶劣气象条件及海况对着舰造成的影响，确保在飞行员无法人工操纵飞机的情况下使舰载机安全着舰。随着控制技术、引导技术、导航技术以及计算机技术的发展，由最初的舰载雷达引导着舰发展为光电引导着舰、卫星引导着舰，为克服着舰过程对母舰引导的依赖，实现舰载机着舰不依赖外界引导，基于机载机器视觉技术的自主着舰将是未来全自动着舰的追求目标[16-17]。与此同时，全自动着舰技术也是无人机上舰的瓶颈技术，是未来无人舰载航空发展的必要支撑。

美国海军于1948年提出了舰载机全天候着舰/全自动着舰需求，迄今已完成三代雷达全自动着舰系统的研制。1996年5月，美国提出基于差分GPS的联合精密进近着陆/着舰系统(JPALS)研究计划，其目标是实现美军与民航、美国与北约的精密着陆/着舰。采用JPALS系统的X-47B无人技术验证机于2013年7月10日在“布什”号航母上实现弹射起飞和拦阻着舰，成为目前世界上唯一成功实现全自动着舰的舰载固定翼无人机[18]。相关技术验证成果在后续的MQ-25“黄貂鱼”无人加油机上得到了应用。为实现无线电静默条件下的自动着舰，美国还在开展增强视觉系统方面的技术研究和试验，以便释放现有着舰系统对机舰数据链的高度依赖，实现“舰载机睁眼找舰、落舰的自主着舰”——看到母舰，自己就可以落舰。

俄罗斯海军正在研究开发基于GPS和GLONASS的卫星全自动着舰系统，该系统类似于美国的JPALS。2012年下半年完成样机研制，完成了陆基起飞、滑行、着陆飞行等试验，并使用2架苏-33舰载机在“库兹涅佐夫”号航母上进行了着舰飞行试验。

法国于1985年利用其成熟的舰载光电火控技术，研制出以激光跟踪/测距仪，红外摄像仪和电视摄像仪为主体的“甲板进近着舰激光系统”(DALLAS)，并装备于福煦号和戴高乐航母。DALLAS系统具有高精度定位和高分辨率成像的特点，向着舰指挥官(LSO)提供有关着舰飞机相对于航母的位置和运动的信息。目前法国计划在DALLAS系统的基础上，构建机舰数据链，使舰载机具备全自动着舰能力。

2.3 有限空间的快速保障技术

航空母舰以编队的形式遂行作战，作战使命任务也从诞生之日起不断演进。根据目前美海军的战略转型规划，航空母舰从大洋舰队对抗的核心平台转变为左右陆上局势和对陆上纵深及近海进行打击的作战基地和打击平台[19]。为了遂行其复杂的作战任务，航空母舰上需要搭载各型舰载机，以美军新一代“福特”级航母为例，搭载了F-35C、F/A-18E/F、EA-18G、E-2D等各型飞机。提升舰载机出动架次率与可用性，可以为航空母舰应对各种作战需求提供有力支撑。

舰基保障作业是由多环节、多部门、多种装置/设备参与，按离舰和回收周期组织运行的。单架飞机的出动架次率通常是指单架飞机的日出动次数。为提高舰载机的出动架次率，首先应提高飞机的可用性，减少飞机的舰面停机时间,其次是缩短飞机出动的保障时间，加快飞机的出动循环节拍。

可用性是任务需要时飞机的可使用程度，分为固有可用性和使用可用性。固有可用性取决于飞机的可靠性和维修性，使用可用性则与实际使用环境有关，包括飞机的具体使用策略、预防性维修规划情况及保障延误情况等。

以航空母舰移动平台为基础，构建种类齐全、功能互补、性能协调的舰载机配置和使用体系，是遂行航母作战任务的保证[20]。为实现舰载机在航母有限空间的快速保障，需要面向航母作战任务，开展各型舰载机本体保障特性协调设计，全寿命周期保障活动协同设计和保障资源通用化设计。同时，面向舰载机未来发展，应充分采用信息化、智能化技术，构建机舰一体化保障指挥体系，实现指挥管理自动化、自主化，实现舰载机高效保障，提高保障资源的使用效率。

(1) 飞机保障特性设计是快速保障的基础

舰载机保障特性是实现舰载机有限空间快速保障的基础，舰载机本体保障特性设计首先应确保顶层指标协调，面向航母编队的作战使用任务，实现“从作战需求到能力需求，再到装备需求”的整体设计思路[21]，将作战需求最终落实到装备指标设计上，使各型装备的指标综合协调、统一，避免产生装备短板。此外，舰载机还应从以下3个方面开展保障特性优化：一是从保障功能上实现优化设计，舰载机尽可能从根本上采用自保障技术，如采用自主供电、供压、供气、故障预测与健康管理等技术，减少对舰面保障系统的依赖；二是舰载机在保障接口设计上，应采用通用设计，减少保障资源配备，提升保障站位的使用效率；三是加强舰载机的状态监控、趋势分析、故障预测、健康评价和单机寿命监控等能力，减少舰载机使用维护活动，提高保障的感知能力，加快保障运行链条，提高保障效率。

(2) 保障活动协同设计是快速保障的手段

舰载机舰面保障活动是保障舰载机使用的事件载体，驱动了舰基资源配置。保障活动协同设计即面向舰载机的作战使用需求，合理规划使用和维修活动，综合考虑与其他保障活动之间的协调和统一，确保舰载机完成规定的出动任务。

舰载机保障活动规划包括2个维度的规划，一是从顶层设计开展舰载机全寿命周期规划，综合考虑舰载机的作战任务、维修体制、岸基和舰基的维修活动分配，可利用系统工程方法，开展各型机的保障概念构建，确保各型机在舰面使用和维修过程中高度协调，确保舰基航空保障系统在限定时空条件下，可满足舰载机的使用和维修需求；二是在具体保障作业实施场景下，保障活动的一体化组织和实施，包括采用模拟退火算法、改进遗传算法、混合遗传禁忌算法的舰载机保障作业调度策略[22-25]。舰载机全寿命周期典型事件如图2所示。

图2 舰载机全寿命周期典型事件Fig.2 Typical life cycle event of carrier-based aircraft

(3) 通用敏捷保障设计是快速保障的支撑

保障系统是实施舰载机保障的物理实体，受到舰面空间的约束极大。为实现多型舰载机高效一体化保障，必须配置合理的保障系统。保障系统来源于舰载机的使用和维修活动，通过分析保障活动，明确保障功能，并将保障功能分解至飞机和保障系统，进一步将对保障系统的功能分解至保障设备、保障信息化系统、供应保障等资源要素，以实现保障系统的合理规划。

保障系统通用化设计是对功能、工作介质、使用方式相近的设备进行综合设计，可减少资源的配置种类，显著缩小保障规模，如美军实施的PMA260工程。保障系统敏捷化设计是通过减少保障延误，提升保障资源的利用率，进一步减少保障规模，主要基于信息化、智能化手段。信息化保障可实现资源可视化和信息共享，提高资源的使用效率和优化配置，促进保障模式的改革，使规模性保障向速度性保障发展。保障系统智能化设计作为信息化未来发展方向，具备恶劣环境下工作、持久性强、发展潜力大、具备涌现性等优点，美国防部已成立了“联合人工智能中心”，开展了智能挂弹、智能除漆、智能检测等多个人工智能项目。

2.4 环境适应性设计技术

2.4.1 腐蚀防护与控制技术

舰载机长期服役于海洋腐蚀环境中，面临高温、高湿、高盐雾及机械诱发环境耦合作用，加速了舰载机及其机载设备的腐蚀。为满足飞机高隐身性能、长期舰上服役、高出勤率和高出动强度的需求，达到机体寿命指标，减少维护费用，必须开展全寿命腐蚀防护与控制。其中，对腐蚀环境分析、隐身/抗腐蚀协同设计、抗腐蚀能力验证评估和腐蚀故障视情维护方法等关键技术的研究尤为重要。

(1) 舰载机局部腐蚀环境分析技术

飞机结构腐蚀除受总体环境影响外，与结构局部环境密切相关。基于舰载机部署海域环境数据，对全寿命周期典型使用环境比例加权分析，编制服役环境雨、雾露和湿度累积谱及全寿命周期环境总谱。针对关键结构在飞机上所处部位、结构形式、密封排水等具体分析，结合试验、计算及实测方法找出局部环境谱与环境总谱之间的对应关系，并依据飞机结构的主要腐蚀环境因数分析、外场调研与检查结果建立局部环境谱。

(2) 舰载机隐身/抗腐蚀协同防护技术

基于舰载机隐身性能要求及海洋环境抗腐蚀要求，从材料性能及稳定性研究、工艺适应性研究、耐海洋环境性能试验以及典型连接件加速腐蚀考核等方面，综合优选舰载机表面防护体系，形成隐身/防腐协同防护技术。

(3) 舰载机抗腐蚀能力验证评估技术

在海洋大气腐蚀环境因素分析的基础上，开展舰载机局部环境加速腐蚀试验验证方法研究，测定不同温度、不同湿度、不同浓度溶液介质下的典型金属材料腐蚀电流，建立不同组合对应的当量折算系数，通过当量折算法建立加速腐蚀试验环境谱与使用周期当量转换关系，制定舰载机成附件腐蚀环境试验验证方法。

(4) 舰载机腐蚀故障视情维护方法

舰载机腐蚀问题视情维修和预估处理是当前外场腐蚀维护方法的发展趋势。通过无损检测得到结构腐蚀损伤状态, 以检测信息为基础对后续服役期内腐蚀损伤的演化进行预测，并对遭受腐蚀损伤的结构进行寿命预测和损伤容限分析。通过外场服役飞机的的腐蚀情况调研和加速腐蚀试验确定舰载机防护涂层体系腐蚀失效形态和表征方法，采用模糊综合评估法对外场腐蚀损伤进行量化评级，从而合理确定外场预防、检测和修理时机，实现对舰载机防腐全寿命精确管理。

2.4.2 电磁兼容性设计技术

航母的舰岛上安装了大量大功率、宽频段的雷达、通信、电子战射频辐射设备，使舰载机在驻舰、起飞、复飞和着舰等作业过程中受到了相对于陆基飞机更加严酷恶劣的射频电磁环境，频段覆盖了10 kHz～40 GHz，最高场强达到6 000 V/m。此外，由于航母编队其他舰船以及飞机编队都会造成对舰载机的射频电磁辐照，使舰载机抗外部高场强射频电磁环境设计成为重点关注的问题。

外部高场强射频电磁环境要求是开展舰载机电磁环境效应设计的重要输入。国外早期航母和舰载机的电子电气设备使用较少，随着大规模数字集成电路和高功率射频辐射设备的广泛应用，母舰周围空域的射频电磁环境越来越恶劣，包括舰载平台甲板、舰载平台主波束、固定翼空军飞机、空间系统、地面系统等多种类别的射频电磁环境。由于各型舰载机使用的具体平台和条件不同，为避免过设计，舰载机的外部射频电磁环境一般根据舰载机使用流程和任务剖面优先采用实测或预测分析的数据。

在舰载机的电磁环境效应设计中，首先开展飞机遇到母舰射频电磁环境评估分析，针对环境要求开展指标分解，然后从机体的屏蔽效能设计、敏感电子电气设备的干扰防护、人员/燃油/军械电磁辐射危害防护等方面开展防止前门和后门耦合的防护设计。

(1) 外部射频电磁环境评估和指标分解

外部射频电磁环境评估是开展飞机电磁环境设计的第1步，为指标分解提供输入。在母舰、飞机编队、机场、战场等各种使用剖面下，大功率辐射源是分析重点。根据对舰载机航母舰面及起降区域电磁环境、编队飞行电磁环境、典型场站电磁环境和空战电磁环境的分析，建立外部电磁环境表征方法，在母舰电磁环境预测数据的基础上，根据射频辐射电磁参数，结合舰载机起飞、进近、复飞/逃逸、着舰的舰基起降流程和飞行轨迹，通过理论推算、电磁仿真计算或者实际测量的方法，建立涵盖航母辐射源特性、舰载机任务剖面辐射特性和飞机角度-速度-时间-距离等多元的机-舰电磁环境数据，电磁环境数据一般覆盖大功率辐射源的所有工况、所有频段。

指标分解是各项电磁兼容设计的直接输入，电子设备在飞机上的安装和使用位置是指标分解过程中要考虑的重要要素，不同位置的射频环境也不尽相同，在指标分解过程中应重点考虑机载设备安装处舱体的屏蔽效能，以及非金属蒙皮、天线罩、活动口盖等对外部射频电磁环境衰减影响，主要通过构建典型区域电磁仿真模型对电子设备安装区域电磁环境进行仿真分析，以及典型舱区屏蔽效能测试获取电子设备安装区域电磁环境，电磁环境分析结果作为机载设备的射频电磁环境指标分解依据。

(2) 舰载机抗外部射频电磁环境设计

抗外部射频电磁环境设计首先要开展机体及座舱的屏蔽效能设计与评估，其目的是防护敏感机载设备免受外部射频电磁环境的干扰，同时可提出设备舱内部机载设备的抗射频电磁环境要求；其次应从设备布局、电搭接、电缆敷设、电缆选型、射频接收机抗烧毁、频谱兼容性等方面对机载电子电气设备，特别是涉及飞控、发动机控制等涉及飞行安全的机载设备开展抗干扰设计。通过多模态形式低频线束的电磁环境耦合特性研究和测试，可得到多模态飞机低频线束屏蔽设计方案，为舰载机强射频防护提供基础手段。除此之外，舰载机的电磁辐射危害防护设计也是抗外部射频电磁环境的设计重点之一，对于人员防护，为保证人员受到的辐射满足安全要求，应重点开展座舱透明件的屏蔽防护设计；对于燃油防护，为消除高压电弧和燃油蒸汽被意外点燃后引起的燃烧，应重点降低油箱处的电磁场强度；对于电起爆军械，应重点控制敏感火工品电起爆装置的使用和降低点火控制线路对射频能量的耦合。由此可见，舰载机满足高场强射频电磁环境要求是通过多维度、多要素的抗外部射频电磁环境设计手段实现的。

3 舰载机未来发展

3.1 体系作战的关键要素

体系作战是诸多作战单元、作战要素通过有效集成而形成的一种作战样式，已经成为现代战争的典型范式。航母编队作为国家海上力量的象征，其作战区域往往远离本土，缺乏其他渠道的支撑，这就要求航母编队自身是一个相对独立的作战体系，航母编队体系的作战能力应覆盖陆、海、空、天、电、网多个作战域，而舰载机正是航母编队在这6个作战域内施加影响并取得效果的最主要手段。

在航母编队体系的未来作战中，为保证在不同作战域内都能取得最佳效果，“专用与多用途”相结合的方式，可能仍会是未来航母编队舰载机的主要特征[26]，而舰载机的种类也可能变得更加多样：夺取空战优势的战斗机、执行对面/对海/对潜打击的攻击机、提供信息情报支援的侦察机、舰队防空反导的作战飞机，以及能够在电磁频谱域夺取控制权的电磁作战飞机等。同时，为保证航母编队的安全，航母要比如今更加远离作战对象，因此，能够为编队作战飞机提供燃油补充的加油机，也会成为航母编队的必需品。人工智能技术的发展，使得对面攻击、加油等相对低动态任务飞机成为无人化的先行者。

从未来的发展趋势看，美国海军在2040年前后，将面向与中国、俄罗斯的大国竞争，进一步保持航母编队的续航、快速响应性和杀伤力，以抵挡第一波次的攻击，直至后续增援部队到达，这就要求增强舰载机的续航能力、生存力及带载能力。随着空空导弹射程和运动特性的提升，飞机的续航能力、携带传感器和武器的能力愈发关键。

经综合分析，美军航母舰载机体系未来可能的主要作战兵力包括：

一是多任务无人机，主要执行一体化防空反导、持久侦查监视、反潜、反舰和电子战等作战任务。

二是打击战斗机，主要是在寿命中期的F-35C飞机，主要承担远距打击和舰队防空任务。

三是战斗机，海军正在研发的下一代战斗机F/A-XX，主要执行进攻性制空作战任务。

四是电磁频谱战无人机，即专用电子战飞机，任务是对抗敌方飞机和防空系统。

五是预警指挥控制飞机，包括E-2D及其后续升级，在舰队防空作战中承担指挥控制任务，为巡航导弹防御提供信息支撑。

六是无人加油机，包括正在研制的MQ-25和新的无人加油机的组合，飞机平台与多任务无人机保持一致。

一种美军未来舰载机联队如图3[5]所示。

图3 未来舰载机联队的组成及作用[5]Fig.3 Composition and role of future carrier air wing[5]

3.2 多域协同作战

舰载机与航母编队的舰艇之间的协同是典型的多域作战协同，航母-舰载机联队的多域协同作战技术为未来形成分布式作战提供了支撑。通过构建作战体系架构、发展单一态势图、智能决策和一体化火控等关键技术，使航母编队(包括舰载机、舰艇、武器平台)具备跨域(空、天、地、海、赛博和电磁空间)的互联/互操作/信息共享的体系作战能力。

多域协同作战技术最早源于美海军的网络中心战概念，网络中心战也是当前美海军新军事变革的军事理论和联合作战思想的基础。美海军实施的网络中心战方案包括协同作战能力和海军综合一体化火控-制空(NIFC-CA)项目、IT-21项目和FORCEnet[27]项目。

NIFC-CA项目从2002年提出至今，通过对现役和在研阶段技术与装备的结合，逐步实现了分布式、网络化的防空作战体系。NIFC-CA采用开放式的作战体系架构，如图4所示。打破了传统武器与专用火控系统硬连接的设计，由现有的数个基础系统构筑而成，每个子系统提供标准界面供NIFC-CA存取，不会影响每个相关子系统各自的发展，实现了传感器网、火控网、武器网的三网合一，是美军典型的网络中心战系统之一，NIFC-CA设计了海上、空中和陆上3类杀伤链，如表1[28]所示，并能够将防空反导作战的杀伤链路交迭并扩展到整个作战空域，从而减少防御漏洞，提供最大限度的对目标再次拦截能力。2016年9月13日，美海军陆战队一架F-35B与海军宙斯盾武器系统首次完成联合实弹演习，首次成功演示验证了在NIFC-CA框架下F-35作为节点的一体化实弹拦截能力。

表1 NIFC-CA的海上、空中和陆上三类杀伤链[28]

图4 NIFC-CA系统架构Fig.4 NIFC-CA system architecture

FORCEnet项目是美国海军转型路线图的核心[29]，将彻底改变海军的指挥和控制。FORCEnet项目构建了海军信息化作战架构，将平台、传感器和武器整合到一个网络化指挥控制的分布式作战部队中，囊括从陆地到海洋、从海底到太空的各种交战过程。FORCEnet调整和整合涉及整个航母编队的作战计划，其作战想定如图5[30]所示，实现了战场的单一态势、更快的指控速度、更优的作战决策、更高的杀伤力和生存能力。

图5 FORCEnet作战想定[30]Fig.5 FORCEnet operational scenario[30]

综合来看，未来的航母-舰载机联队多域协同作战技术首要解决的是体系架构问题，新一代多域协同作战技术均采用开放式架构标准(参考OACE及FACE架构标准)，基于模块化设计，使用中间件来管理支撑环境和作战系统变更(联接新老系统设备)，使作战应用程序(APP)通过组件替换、升级或更新，快速获得新的作战能力。

改变带中心的集中指挥控制的传统技术体制，采用去中心化的分布式指控的设计思想，建立协同传感器网+协同指控网+火力控制网的三网合一的信息体系架构，实现跨主要作战域(海面、海底、空中、太空、陆上、赛博和电磁空间)的互联、互通。将作战单元(包括：舰载作战飞机、航母、机载/舰载传感器、网络、指挥控制和武器系统等)联接成一个有机的作战整体，通过火控作战网，形成可以互操作的协作环境，使参与同一作战任务的多个作战单元可以进行互操作的作战协同。

构建单一态势图，所有作战单元都在交换传感器测量和状态数据导入到分布式处理系统中，采用相同的融合算法，生成相同的态势图。单一态势图使得“无中心”的数据融合成为可能，由于平台之间的数据的一致性，不再需要将所有传感器的数据传到融合中心进行处理，融合的压力大幅缓解，任何一个平台都可以获取其他平台的数据并进行融合。

智能决策是未来多域协同作战的核心规划技术，在系统控制和决策中集成智能决策技术，可提高系统自适应解决问题的能力，缩短系统响应时间。未来系统根据体系中获得的作战信息，采用人工智能算法，构建基于作战效果的智能规划决策[31]，为各级指挥员提供最优的作战计划。

一体化火力控制是未来多域协同作战的重要实施技术。先进的一体化火控系统设计，将实现同一作战环境中作战平台间的火控协同，平台间可以无缝地协同探测及协同攻击。

3.3 未来舰载机的主要能力特点和技术特征

面向未来海上复杂作战环境，舰载机为提高作战能力，应具有的主要能力特点包括：

(1) 远航程/长航时能力。目前舰载机对加油机依赖较强，影响飞机作战半径和续航能力。未来舰载机需要能够提供1 800 km以上区域的持续控制能力。美国在持续提升飞机平台能力的同时，在发动机方面开展了大量研究。美国空军已经开展多个项目进行自适应变循环发动机技术研究，持续提升三涵道自适应发动机技术的成熟度。开展了“自适应发动机转化”、“经济可承受先进涡轮技术”、“自适应多功能发动机技术”等项目用于发动机原型机的设计、研发和试验。同时，普惠公司还用装备F135发动机核心机的三涵道发动机，对三涵道发动机的性能进行了测试，测试结果达到或超过了预期。

(2) 宽频全向隐身能力[32]。为了在高威胁环境下具有更好的生存能力，未来舰载机将会采用多种技术手段，在频段、角域上都大幅拓展飞机隐身能力。美国的下一代飞机也将宽频全向隐身作为核心能力之一，洛马、波音、诺格三大武器供应商不约而同地推出了超声速无尾布局方案，并已投入大量资源推动技术发展，目前技术验证机已完成首飞。同时，积极推动核心平台布局技术的攻关，DARPA开展主动流控制技术演示验证，实现不依赖舵面的飞行控制。试验中展示了机翼环量控制和射流推矢控制，在改善飞机控制性能的同时还可提升隐身性能。

(3) 超声速巡航能力。未来舰载机在提高隐身性能的同时，超声速巡航能力同样重要。飞机的远航程，需要与其相匹配的飞行速度，才能更好地完成作战任务。美国空军研究实验室完成可变大弯度柔性翼技术飞行演示验证通过改变机翼外形改善气动性能，使飞行器能够适应各种飞行条件和任务。

(4) 全向感知能力。未来战争将是信息化主导的战争，舰载机在软硬件技术的支持下，传感器能力大幅提升，具备全向感知能力。

(5) 高效综合能量管理。面向全向探测能力和高能武器，对飞机能量管理技术提出了更高的要求。在系统技术方面，美国空军开展了“兆瓦级战术飞机”、“飞行器综合能源技术”、“电力、能源、热综合控制”以及“电力及热综合管理系统演示验证”项目，寻求机载能量系统技术新突破。

(6) 智能作战能力。智能作战能力是未来舰载机新的能力增长点。面向人工智能技术，美国空军正在推进2种新型自主飞行器Skyborg和XQ-58A，技术发展将聚焦于在指挥控制系统中增加更多的自主和人工智能。

(7) 互联互通互操作能力。未来舰载机作为航母编队的核心节点之一，应能接入航母、天基等其他信息系统，具备跨域互联互通的能力。美国面向作战管理，安排并开展了“忠诚僚机”、“小精灵”、“分布式作战管理”等多个协同作战项目的研究。

(8) 高密度全方位火力输出能力。不同于目前的常规动能武器，未来舰载机将具备更先进、更多样化的武器能力。美国空军研发的新型远程空空导弹(AIM-260)体积更小，重量更轻，飞行速度更快，打击低空目标更有效。美国空军研究实验室开发的新型战斗机微型自卫弹药可提升单架次携带武器数量和单发武器作战效能，增强平台在A2/AD环境下面对各种威胁的生存能力，确保美军空中优势。此外，美国空军正在开展“自防护高能激光演示验证”项目以及“下一代紧凑环境激光技术”项目，并通过“紧凑型高能激光子系统评估”项目识别能够提升激光武器效能的工程技术。

4 结束语

从舰载装备的应用来看，固定翼舰载机总体/气动布局综合设计、强度、特种结构设计及验证、起降动力学及飞行控制设计、腐蚀防护及电磁兼容性设计、陆基/舰基综合保障设计和机舰适配性设计及验证等关键技术已得到掌握，后续需重点针对舰载机宽域隐身设计、机载异构系统集成设计以及隐身飞机舰上保障等问题开展研究。新一代舰载机应具备全向隐身、超声速巡航及续航能力，采用高集成的先进机载系统，可在有人/无人协同网络作战中进行空中指挥，将在未来的航母舰载机体系作战中发挥更大的作用。