徐伊達(dá) 楊申林 唐克兵 何世偉

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 成都 610091）（2.海軍駐成都地區(qū)航空軍代表室 成都 610091）

1 引言

無人機(jī)具有使用限制少、機(jī)動性能靈活、隱蔽性好、人員傷亡低、出勤率高、效費比高等特點，給地面搜索及海事救援等工作都帶來了很大的便利［1］。作為現(xiàn)代空軍力量的一員，無人機(jī)適合執(zhí)行戰(zhàn)場偵察監(jiān)視、目標(biāo)指示、無線電中繼、校正彈道、空中預(yù)警和協(xié)調(diào)指揮，干擾、破壞敵方通訊指揮與雷達(dá)系統(tǒng)以及對重要目標(biāo)實施空襲等高風(fēng)險任務(wù)。尤其是在近期的歷次局部戰(zhàn)爭中，無人機(jī)的作戰(zhàn)能力有目共睹、軍事地位和作用日漸突出，因而備受各國海軍的青睞。近年來，作為智能化、高性能、多功能聚合的高科技產(chǎn)物，無人機(jī)發(fā)展迅速。與此同時，艦載無人機(jī)加入海軍編隊隨航母出戰(zhàn)的優(yōu)勢日益凸顯，成為未來艦載系統(tǒng)中不可替代的組成部分［2］。

現(xiàn)代航母艦載機(jī)的起飛分為三種類型：垂直起飛、滑躍起飛和彈射起飛［3～4］。目前，美軍兩棲攻擊艦上搭載的戰(zhàn)斗機(jī)大多采用短距起飛、垂直降落的方式作戰(zhàn)；俄羅斯、英國、意大利、印度、泰國、中國等航母上艦載機(jī)使用滑躍起飛；美國、法國、巴西航母均使用蒸汽彈射起飛［5］的方式。時至今日，只有美國全面掌握了蒸汽彈射器技術(shù)并在實際中成熟應(yīng)用，連法國的“戴高樂”號核動力航母也采用美國的蒸汽彈射技術(shù)。俄羅斯、英國、意大利和西班牙等國家受技術(shù)、工藝等限制，無法研制達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽彈射器，所以只能在本國的航母上采用滑翹甲板（也就是把甲板盡頭做成斜坡上翹，艦載機(jī)起飛后沿著上翹的斜坡沖出甲板，形成斜拋運動），作戰(zhàn)效率遠(yuǎn)不如蒸汽彈射器。隨著彈射裝置的發(fā)展，電磁彈射器［6～12］也裝備到美軍“福特”號航母中。

通過艦載無人機(jī)與彈射裝置有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)彈射起飛，不僅降低了起飛滑跑距離，還提高了艦載無人機(jī)作戰(zhàn)出勤率，進(jìn)而提升航母集群的戰(zhàn)斗能力。2013年5月14日，美國X-47B無人機(jī)在“布什”號航母上成功完成彈射起飛，這對于單架無人機(jī)來說可能只是“邁出一小步”，但對于無人機(jī)的發(fā)展來說卻是“邁出一大步”。由此，世界各國把艦載無人機(jī)彈射起飛作為研究的重點目標(biāo)，開啟了艦載無人機(jī)發(fā)展的新紀(jì)元。

無人機(jī)上艦是海軍發(fā)展的必然趨勢，安全、可靠、高效的彈射起飛是保證艦載無人機(jī)形成戰(zhàn)斗力的主要技術(shù)之一。彈射作業(yè)流程是實現(xiàn)艦載無人機(jī)協(xié)同、流暢彈射起飛的必要保障。

近年來，相關(guān)院所和學(xué)校已經(jīng)開展了關(guān)于彈射起飛關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和驗證，但目前國內(nèi)暫無艦載無人機(jī)成功彈射起飛或彈射起飛作業(yè)流程的相關(guān)報道。本文結(jié)合艦載無人機(jī)、彈射器、航母甲板等特點，探索、設(shè)計一套無人機(jī)彈射作業(yè)流程，盡可能滿足不同類型艦載無人機(jī)安全、有序、順利彈射起飛的需求。

2 術(shù)語和定義

2.1 往復(fù)車

彈射裝置露在甲板上的部件之一，可沿彈射道滑槽作往復(fù)運動。彈射時，將彈射載荷通過彈射桿傳遞給艦載機(jī)使其迅速加速；彈射后復(fù)位開始下一輪彈射。

圖1 彈射桿、往復(fù)車示意圖

2.2 彈射桿

前起落架前端的可收放部件，彈射時用于連接彈射器。艦載機(jī)通過彈射桿與往復(fù)車相連，在地面滑行時受控下壓，向下的壓力滿足其與彈射裝置適配要求。

2.3 牽制桿

前起落架后端的可斷離部件，在彈射之前起牽制作用，防止艦載機(jī)在發(fā)動機(jī)推力作用下向前移動進(jìn)而與彈射裝置脫離。

2.4 張力銷（或定載釋放接頭）

用于連接艦載機(jī)前起落架和牽制桿，能承受發(fā)動機(jī)推力和彈射裝置張緊力；彈射時在彈射力作用下斷裂（或釋放），使艦載機(jī)脫離牽制實現(xiàn)彈射起飛。

圖2 牽制桿、張力銷（或定載釋放接頭）示意圖

2.5 緩沖鉤

彈射裝置的組成部分之一，彈射前與艦載機(jī)的牽制桿掛接；彈射時拖住牽制桿，使其與艦載機(jī)脫離，隨后艦載機(jī)滑出。

圖3 緩沖鉤示意圖

3 無人機(jī)彈射起飛限制條件

3.1 場地

艦載無人機(jī)起飛過程主要由飛行指揮中心、艦面站、無人機(jī)、彈射中心、機(jī)務(wù)保障組、勤務(wù)保障組、空管等多個戰(zhàn)位協(xié)同、配合完成。同時，航母自身的運動以及周邊復(fù)雜的自然環(huán)境，比如艦體橫搖、艦艉流等也增加了無人機(jī)彈射作業(yè)流程開發(fā)的難度。

3.2 彈射裝置

蒸汽彈射裝置目前是技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用范圍最廣的彈射手段，在美國、法國等海軍已服役多年，安全性、可靠性經(jīng)得起海洋作戰(zhàn)環(huán)境的檢驗。盡管如此，其固有的不足仍然難以解決，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）蒸汽彈射裝置在彈射過程中，存在蒸汽泄漏問題；

2）蒸汽彈射裝置附近甲板區(qū)域溫度高，對艦載無人機(jī)輪胎性能要求高；

3）蒸汽彈射裝置重量、體積大，維護(hù)人員多，導(dǎo)致甲板有效空間利用率下降。

新型的電磁彈射裝置具有準(zhǔn)備時間短、自動化程度高、連續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)等特點，但電磁彈射裝置也有不足：

1）電磁彈射裝置產(chǎn)生較強(qiáng)磁場，對艦上電子設(shè)備存在干擾，對艦、機(jī)電磁防護(hù)要求較高；

2）電磁彈射裝置系統(tǒng)對能源需求較高，一般只能部署于核動力航母。

3.3 無人機(jī)

由于典型作戰(zhàn)任務(wù)不同，艦載無人機(jī)在重量、外形、功能上千差萬別。在設(shè)計彈射作業(yè)流程之初，需要考慮不同量級的艦載無人機(jī)，盡量使彈射作業(yè)流程通用化。

3.4 人員

航母甲板工作人員較多，戰(zhàn)位布置相對分散。在設(shè)計過程中，不僅要考慮艦載無人機(jī)與彈射裝置的順利適配，還要盡量減輕艦上人員的工作負(fù)荷、提高效率使艦載無人機(jī)彈射工作安全、順暢的完成。

4 彈射作業(yè)流程初步設(shè)計

4.1 彈射起飛前準(zhǔn)備工作

4.1.1 航母

指揮中心決定艦載無人機(jī)執(zhí)行彈射起飛任務(wù)之后，通知艦長、艦島飛行指揮員、無人機(jī)指揮員、彈射值班員、航空保障等相關(guān)戰(zhàn)位進(jìn)行準(zhǔn)備工作。艦長通過甲板值班員通報全艦，艦載無人機(jī)彈射起飛工作進(jìn)入準(zhǔn)備階段。同時，航母通過調(diào)整航向、行進(jìn)速度等來滿足艦載無人機(jī)彈射起飛條件。

4.1.2 航空保障

機(jī)務(wù)值班員、勤務(wù)值班員以及各中隊值班參謀在收到任務(wù)后，按照機(jī)務(wù)、勤務(wù)保障計劃，分別進(jìn)入指揮、保障戰(zhàn)位開展直接機(jī)務(wù)、勤務(wù)工作。保障現(xiàn)場由負(fù)責(zé)人組織完成艦載無人機(jī)轉(zhuǎn)運、接地、通電、充氣、加油、武器加掛等機(jī)務(wù)保障工作，以及艦上保障能力檢查、調(diào)運保障準(zhǔn)備、艦面供給保障、機(jī)械武器保障準(zhǔn)備、起降保障裝置準(zhǔn)備等勤務(wù)工作。

4.1.3 無人機(jī)

無人機(jī)指揮員首先通知機(jī)務(wù)、勤務(wù)保障人員將艦載無人機(jī)轉(zhuǎn)運至航母甲板準(zhǔn)備區(qū)，見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)運工作示意圖

其次，系留員將艦載無人機(jī)固定在甲板上，機(jī)務(wù)、勤務(wù)人員開始艦載無人機(jī)彈射起飛前甲板準(zhǔn)備工作。然后，檢驗人員完成艦載無人機(jī)彈射起飛前檢查工作。最后，起飛助理向無人機(jī)指揮員匯報：艦載無人機(jī)彈射起飛前準(zhǔn)備工作已完畢，可以彈射起飛。

4.1.4 彈射裝置

艦載無人機(jī)在航母甲板進(jìn)行準(zhǔn)備工作的同時，彈射值班員組織裝置保障人員、安全警戒人員開啟彈射裝置機(jī)動測試。警戒人員分別位于彈射軌道不同位置，未到位時不得開始機(jī)動測試。防止甲板作業(yè)人員未經(jīng)許可穿越彈射軌道，給自身和彈射裝置造成不必要的傷害。

圖5 彈射裝置準(zhǔn)備工作

4.1.5 甲板異物排查

勤務(wù)保障員排查、清理甲板異物。經(jīng)檢驗人員核實艦載無人機(jī)機(jī)身、輪胎清潔無異物后，艦載無人機(jī)才能駛?cè)牒侥讣装鍙椛鋮^(qū)，避免異物進(jìn)入彈射軌道影響彈射飛行順利進(jìn)行。

4.2 無人機(jī)彈射起飛作業(yè)流程

目前，艦載無人機(jī)轉(zhuǎn)運至航母甲板后，艦面調(diào)運可采用以下三種方式：

1）牽引式調(diào)運：由拖曳車牽引艦載無人機(jī)先后到達(dá)準(zhǔn)備區(qū)、彈射區(qū)?？煽啃暂^高，但效率較低；

2）CDU引導(dǎo)式調(diào)運：無人機(jī)甲板操作員依據(jù)甲板引導(dǎo)員手勢，操控CDU使艦載無人機(jī)滑行至準(zhǔn)備區(qū)、彈射區(qū)?，F(xiàn)已應(yīng)用到美國海軍中，技術(shù)成熟度高、風(fēng)險低；

3）自主滑行式調(diào)運：按照預(yù)先裝訂的規(guī)劃路線，艦載無人機(jī)自動滑行至準(zhǔn)備區(qū)、彈射區(qū)。此時，要求規(guī)劃路徑上無障礙物，否則一旦發(fā)生錯誤就可能撞機(jī)，風(fēng)險較大。

另外，蒸汽彈射器彈射區(qū)甲板溫度較高，應(yīng)盡量縮短艦載無人機(jī)輪胎在高溫區(qū)的工作準(zhǔn)備、停留時間。

結(jié)合艦載無人機(jī)彈射起飛限制條件、艦面調(diào)運方式，初步將無人機(jī)彈射作業(yè)流程劃分為四個階段：“就位階段”、“準(zhǔn)備階段”、“彈射階段”和“起飛階段”，然后將各個階段劃分為若干模塊，逐項實施，詳見圖6。

圖6 無人機(jī)彈射作業(yè)流程

在設(shè)計過程中，綜合考慮各活動模塊所需的甲板人員、保障資源等因素，梳理不同模塊對艦載無人機(jī)彈射工作效率產(chǎn)生的影響，進(jìn)而對不同的活動模塊采取并行優(yōu)化設(shè)計，提高作業(yè)效率。其中：

1）就位階段：轉(zhuǎn)運艦載無人機(jī)到達(dá)航母甲板準(zhǔn)備區(qū)預(yù)定位置后，機(jī)務(wù)保障員、勤務(wù)保障員、無人機(jī)指揮員、試飛員等戰(zhàn)位共同完成艦載無人機(jī)正常啟動、滑出前檢查、發(fā)動機(jī)起動等工作，見圖7。

圖7 就位階段示意圖

2）準(zhǔn)備階段：解除系留鎖鏈后，艦載無人機(jī)在甲板引導(dǎo)員、拖曳車或無人機(jī)甲板操作員的引導(dǎo)下進(jìn)入彈射區(qū)；安裝牽制桿后，繼續(xù)滑行至彈射桿到達(dá)往復(fù)車喉部同時緩沖鉤到達(dá)行程末端時停止；啟動彈射裝置，完成工作后甲板保障人員撤離至安全區(qū)域，見圖8。

圖8 準(zhǔn)備階段示意圖

3）張緊階段：無人機(jī)指揮員與彈射值班員核對工況后，彈射裝置完成張緊工作；隨后，無人機(jī)試飛員將艦載無人機(jī)油門調(diào)整到最大狀態(tài)；最后，彈射值班員依次完成最后準(zhǔn)備、彈射等工作，見圖9。

圖9 張緊階段示意圖

4）起飛階段：彈射指令發(fā)出后，張力銷斷裂或定載接頭釋放，往復(fù)車拖動艦載無人機(jī)滑跑。在彈射沖程末端分離后，艦載無人機(jī)按程序順利起飛，見圖10。

圖10 起飛階段示意圖

分段式、模塊化的彈射作業(yè)流程具有工作方式靈活、使用范圍廣的特點。針對不同的調(diào)運方式，適當(dāng)調(diào)整不同模塊的工作階段即可滿足彈射要求。例如：采用拖曳式調(diào)運方式，可以將發(fā)動機(jī)起動模塊調(diào)整到準(zhǔn)備階段，避免開啟發(fā)動機(jī)后艦載無人機(jī)滑動，給拖曳車、艦面其他裝置或者工作人員帶來不必要的傷害。

4.3 無人機(jī)彈射起飛后復(fù)位流程

艦載無人機(jī)順利彈射起飛后，按程序完成復(fù)位工作：

1）牽制桿回收

機(jī)務(wù)保障員在艦載無人機(jī)彈出之后，適時快速上前收回牽制桿。然后，起飛助理通知彈射值班員、裝置保障員回收彈射裝置，準(zhǔn)備執(zhí)行下一次彈射任務(wù)。

2）彈射裝置回收

裝置保障員在檢查并確定航母甲板彈射區(qū)軌道周圍無障礙后，手勢通知彈射值班員按照程序復(fù)位彈射裝置、開啟復(fù)查工作。在確認(rèn)彈射裝置工作狀態(tài)無誤后，完成后續(xù)彈射飛行任務(wù)。

3）艦載無人機(jī)撤收

艦載無人機(jī)安全著艦后，甲板保障員接手艦載無人機(jī)。隨后，組織機(jī)務(wù)、勤務(wù)保障員共同完成艦載無人機(jī)下電、檢查、排故以及數(shù)據(jù)下載等工作。最后，按照預(yù)定路線轉(zhuǎn)運回機(jī)庫。

5 結(jié)語

因了解艦載無人機(jī)、航母彈射起飛的情況有限，對無人機(jī)艦上彈射作業(yè)流程的設(shè)計僅供參考。在深入研究艦載無人機(jī)、彈射裝置以及航母艦面布置之后，努力突破相關(guān)學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)，解決復(fù)雜環(huán)境下艦載無人機(jī)安全、有序、高效彈射起飛的難題，滿足艦載無人機(jī)在未來高對抗環(huán)境中作戰(zhàn)應(yīng)用的需要。

［1］馮密榮.世界無人機(jī)大全［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2004.

［2］黃亮，程蓓，王澍初，董興泰.艦載無人機(jī)未來作戰(zhàn)應(yīng)用指揮體系分析［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37（01）：123-126.

［3］曲東才.艦載機(jī)起飛技術(shù)研究［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2004（4）：25-29.

［4］何慶，劉東升，于存貴，張麗靜.無人機(jī)發(fā)射技術(shù)［J］.飛航導(dǎo)彈，2010（02）：24-27.

［5］艦群.蒸汽彈射器揭秘［J］.?？樟α浚?008（12）：7l一74.

［6］蘇子舟，張明安，國偉，王育維，張博.電磁無人機(jī)彈射技術(shù)研究［J］. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2009（04）：81-84.

［7］蘇子舟，張博，國偉，劉學(xué)超，屈武斌.無人機(jī)電磁彈射應(yīng)用綜述［J］. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2011（01）：93-96.

［8］Bushway R R，Electromagnetic aircraft launch system de?velopment considerations［J］.IEEE Transactions on Mag?netics，2001，37（1）：52-54.

［9］Patterson D，Monti A，Brice C，etc.Design and Simula?tion of an Electromagnetic Aircraft Launch System［C］//37th Annual Industry Applications Conference ，2002（3）：1950-1957.

［10］吳始棟.美國海軍電磁彈射器現(xiàn)狀［J］.船電技術(shù)，2005（03）：5-6.

［11］Doyle，etc.The Benefits of Electromagnetically Launch?ing Air-craft，Nav.Eng.J.，2000（2），77-82.

［12］Patterson D，Monti A.Design and Simulation of a Perma?nent Magnet Electromagnetic Aircraft Launcher［J］.IEEETrans Magn，2009，45（1）：358-362.