王永慶

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110035

在大國競爭的背景下，美國海軍已啟動(dòng)新一代艦載機(jī)的研究，在已明確的使能技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行投資，以提高技術(shù)成熟度。

2020年1月，美國國會(huì)預(yù)算辦公室發(fā)表關(guān)于替換美海軍現(xiàn)有機(jī)隊(duì)成本的分析報(bào)告[1]。經(jīng)測算，2032年至2050年，替換F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”機(jī)隊(duì)將花費(fèi)670億美元，替換EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)機(jī)隊(duì)將花費(fèi)220億美元。

2020年3月，美國海軍啟動(dòng)新一代航母和未來艦載航空研究，組建了名為“未來航母2030”的特別工作組，廣泛征集海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人的意見，結(jié)合海上力量一體化戰(zhàn)略，針對“分布式海上作戰(zhàn)”和“遠(yuǎn)征前沿基地作戰(zhàn)”的新作戰(zhàn)概念，研討未來航母艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)發(fā)展路線。

2020年8月，美國海軍啟動(dòng)新一代艦載戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)工作，旨在開發(fā)一型有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)，從2030年開始取代現(xiàn)役F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)和EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)。

在美國重奪海上優(yōu)勢戰(zhàn)略思維的推動(dòng)下，新一代艦載機(jī)的定位、能力需求和技術(shù)特征成為多方關(guān)注的焦點(diǎn)。本文在回顧固定翼艦載機(jī)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，對艦載機(jī)起飛、著艦、艦面保障、環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，結(jié)合人工智能、無人機(jī)及協(xié)同作戰(zhàn)等技術(shù)的發(fā)展，對艦載機(jī)的未來發(fā)展進(jìn)行展望，提出了新一代固定翼艦載機(jī)的主要能力和技術(shù)特征。

1 艦載機(jī)發(fā)展歷程

1.1 艦載機(jī)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素

縱觀艦載機(jī)的百年發(fā)展，圍繞艦載機(jī)關(guān)鍵能力指標(biāo)——聯(lián)隊(duì)飛機(jī)數(shù)量、續(xù)航能力、帶載能力和低可探測性等，驅(qū)動(dòng)艦載機(jī)不斷發(fā)展和完善的使能因素主要包括：

一是作戰(zhàn)需求的牽引[2]。艦載機(jī)在縱橫2個(gè)維度得到發(fā)展，縱向上艦載機(jī)個(gè)體平臺(tái)的能力不斷提升；橫向上隨著作戰(zhàn)任務(wù)譜的擴(kuò)展，艦載機(jī)的種類也得到發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)由海向陸的作戰(zhàn)，需要艦載機(jī)具備可與陸基飛機(jī)抗衡的作戰(zhàn)能力，迫使艦載機(jī)的本體性能和武器配置不斷提升，使得艦載機(jī)不斷升級(jí)換代。隨著航母打擊群所承擔(dān)任務(wù)的擴(kuò)展，其所搭載的艦載機(jī)類型也不斷增加，由早期的戰(zhàn)斗機(jī)、(俯沖/魚雷)轟炸機(jī)、偵察機(jī)等演變?yōu)閼?zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、攻擊機(jī)等多機(jī)型組成的航空聯(lián)隊(duì)。

艦載機(jī)以在大洋公海自由航行的航空母艦作為起降機(jī)場，一方面化解了修建固定機(jī)場牽涉的地緣政治、經(jīng)濟(jì)紛爭等問題；另一方面基于航母平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力，極大地增強(qiáng)了作戰(zhàn)飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用靈活性，提高了飛機(jī)的生存力和使用效能，為飛機(jī)的使用開辟了新的模式，可以部分化解飛機(jī)航程短的窘境，通過航母打擊群的前沿部署，增加艦載機(jī)的打擊范圍。

二是技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)。二戰(zhàn)末期裝備噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)，引領(lǐng)艦載機(jī)從螺旋槳時(shí)代進(jìn)入噴氣時(shí)代。美國海軍在1947年7月推出世界海軍史上首架艦載噴氣式飛機(jī)—麥克唐納公司生產(chǎn)的FD(后為FH-1)“鬼怪”式戰(zhàn)斗機(jī)。噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)采用后掠式機(jī)翼和機(jī)載雷達(dá)等電子設(shè)備后，實(shí)現(xiàn)了高速化和高性能。1957年3月美國海軍將錢斯沃特公司生產(chǎn)的F8U(后為F-8)“十字軍戰(zhàn)士”裝備部隊(duì)，成為美國海軍史也是世界海軍史上第一架超聲速艦載戰(zhàn)斗機(jī)。1961年麥克唐納公司生產(chǎn)的全天候戰(zhàn)斗攻擊機(jī)F4H(后為F-4)“鬼怪Ⅱ”開始裝備，配裝AN/APQ系列雷達(dá)和AIM-7“麻雀”導(dǎo)彈，具有全天候的超視距作戰(zhàn)能力。2001年，法國戴高樂號(hào)航母配備的“陣風(fēng)-M”艦載機(jī)，具有高敏捷性及一定的隱身能力。2010年，F(xiàn)-35C艦載機(jī)首飛成功，其從設(shè)計(jì)之初就將隱身、殺傷力、經(jīng)濟(jì)可承受性等作為設(shè)計(jì)約束，是目前全世界唯一經(jīng)過檢驗(yàn)的隱身艦載戰(zhàn)斗機(jī)。2013年7月， X-47B無人技術(shù)驗(yàn)證機(jī)在“布什”號(hào)航母上實(shí)現(xiàn)彈射起飛和攔阻著艦，標(biāo)志著艦載機(jī)步入有人/無人混合時(shí)代。

1.2 艦載機(jī)主要發(fā)展歷程

航母誕生已有百年，在二戰(zhàn)中，航母的超視距立體打擊能力將“大艦巨炮主義”掃進(jìn)了歷史的垃圾桶，航母成為海洋大國宣示力量的重要手段[3]。艦載機(jī)作為航母編隊(duì)最主要的矛與盾，其作戰(zhàn)能力直接決定了航母戰(zhàn)斗群能否實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)和戰(zhàn)略意圖，是航母編隊(duì)作戰(zhàn)的核心力量。二戰(zhàn)后，美國成為唯一的航母大國，其航母與遍布全球的基地相配合，參與了美軍幾乎所有的作戰(zhàn)行動(dòng)，起到了決定性的作用[4]。

朝鮮戰(zhàn)爭初期，受限于美軍依靠核武器取勝的戰(zhàn)略思想，航母艦載機(jī)的發(fā)展一度被忽視，二戰(zhàn)中的許多螺旋槳飛機(jī)仍然是航母的主力機(jī)種。隨著戰(zhàn)爭推進(jìn)，逐步換裝F-9F“黑豹”和具有核打擊能力的F-2H“女妖”噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，形成了螺旋槳飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)混合搭載的局面。這一時(shí)期，艦載機(jī)主要執(zhí)行近距空中支援、防空和部分攻擊任務(wù)，掩護(hù)盟軍部隊(duì)的撤退[5]。

朝鮮戰(zhàn)爭結(jié)束后，核打擊戰(zhàn)略依然有效，大型航母繼續(xù)建造，使得以A-3“空中戰(zhàn)士”和A-5“民兵團(tuán)員”為代表的具有遠(yuǎn)距核打擊能力的大型攻擊機(jī)成為航母艦載機(jī)的核心[6]。艦載機(jī)作為海上核攻擊平臺(tái)，成為海軍戰(zhàn)略核投送的核心。

核潛艇和潛射導(dǎo)彈的出現(xiàn)，使得艦載機(jī)再次回到常規(guī)攻擊和近距空中支援的任務(wù)中。具有全天候精確打擊能力的A-6“入侵者”和A-7“海盜”Ⅱ成為美海軍在越南戰(zhàn)爭時(shí)期主要的攻擊兵力，裝備了雷達(dá)系統(tǒng)和先進(jìn)的火力控制系統(tǒng)的F-4“鬼怪”Ⅱ則兼顧空中護(hù)航與精確對面打擊。艦載機(jī)作戰(zhàn)半徑的提升使航母可以在海上遠(yuǎn)離作戰(zhàn)前線部署，無需負(fù)擔(dān)較重的防空任務(wù)。同期，面對空導(dǎo)彈、能夠攜帶反艦巡航導(dǎo)彈的轟炸機(jī)的出現(xiàn)，拓展了航母編隊(duì)對特種艦載機(jī)的需求，即打擊敵大縱深目標(biāo)，擊敗日益復(fù)雜的防空系統(tǒng)，應(yīng)對航母面臨的新威脅。隨著EA-6B“徘徊者”艦載電子戰(zhàn)飛機(jī)、E-2A/B“鷹眼”艦載預(yù)警機(jī)、KA-3加油機(jī)等先后服役。從1966年至1978年，海軍艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)中特種飛機(jī)的比例增長超過1倍。

越南戰(zhàn)爭后，蘇聯(lián)Tu-22M“逆火”轟炸機(jī)和Kh-22遠(yuǎn)距反艦巡航導(dǎo)彈出現(xiàn)，使美國航母不得不面對來自空中的巨大威脅。美海軍希望通過增加艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)防空能力，并構(gòu)建航母編隊(duì)外部巡邏圈的方式來應(yīng)對蘇聯(lián)反艦威脅。依據(jù)這種作戰(zhàn)思想發(fā)展的F-14A“雄貓”超聲速戰(zhàn)斗攔截機(jī)，通過配裝AWG-9雷達(dá)和AIM-54遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈，能夠同時(shí)與多個(gè)目標(biāo)交戰(zhàn)，大幅提高了航母編隊(duì)的防空能力。20世紀(jì)80年代，美海軍部署了更具多用途特征的F/A-18A/B“大黃蜂”攻擊戰(zhàn)斗機(jī)，取代了功能單一的A-7攻擊機(jī)，進(jìn)一步提升了艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)的防空能力。另一方面，這一時(shí)期對防空能力的強(qiáng)調(diào)，相對削弱了艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)的打擊能力，使得航母一定程度上落入至海軍歷史學(xué)家Norman Friedman所述的“自生自存”悖論，即“航母存在的唯一目的是保護(hù)自己”[7]。

隨著1991年蘇聯(lián)解體進(jìn)入后冷戰(zhàn)時(shí)代，缺乏大國競爭的國際環(huán)境和美國軍事力量的壓倒性優(yōu)勢，使得艦載航空兵的作戰(zhàn)價(jià)值在地區(qū)行動(dòng)中再一次體現(xiàn)。當(dāng)2001年美軍在阿富汗發(fā)起“持久自由”行動(dòng)時(shí)，幾乎沒有機(jī)場適用于美國陸基戰(zhàn)斗機(jī)。在戰(zhàn)爭的前3個(gè)月，艦載戰(zhàn)斗機(jī)承擔(dān)了美軍75%的攻擊架次和50%的彈藥投送。隨著F/A-18E/F替代F-14,美艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)已經(jīng)從美蘇爭霸時(shí)的遠(yuǎn)程截?fù)魴C(jī)+攻擊機(jī)的組合，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Χ坛痰亩嘤猛緫?zhàn)斗機(jī)，用于應(yīng)對非對稱作戰(zhàn)對手。

進(jìn)入隱身時(shí)代以來，美海軍采購F-35C“閃電”Ⅱ以替換較為老舊的F/A-18C/D，實(shí)現(xiàn)F-35C與F/A-18E/F的搭配使用[8]，F(xiàn)-35C重點(diǎn)承擔(dān)前出進(jìn)攻性制空、防空壓制和縱深打擊任務(wù)，F(xiàn)/A-18E/F重點(diǎn)承擔(dān)艦隊(duì)防空任務(wù)。

不同于美軍“立足兩洲、控制兩洋、主導(dǎo)世界”的全球戰(zhàn)略，蘇聯(lián)強(qiáng)調(diào)依靠核武器來應(yīng)對大國競爭，因此在航母的發(fā)展上重視程度不高。赫魯曉夫甚至曾表示，“航空母艦是海上的活棺材”。直到1962年古巴導(dǎo)彈危機(jī)中，蘇聯(lián)核潛艇被美軍逼出水面，蘇聯(lián)才意識(shí)到航母的重要性，并將護(hù)航核潛艇作為航母的主要任務(wù)。20世紀(jì)70年代中期，雅克-38垂直起降飛機(jī)作為蘇軍首型艦載固定翼戰(zhàn)斗機(jī)開始服役，但相對于同期美軍的F-14飛機(jī)，雅克-38在搭載數(shù)量、作戰(zhàn)半徑和攻擊能力等方面均處于較大劣勢。隨著更大噸位的庫茲涅佐夫元帥級(jí)航母的研制，具有更大起飛重量、更大航程的蘇-33艦載機(jī)開始服役，繼續(xù)承擔(dān)航母編隊(duì)內(nèi)奪取制空權(quán)和制海權(quán)的作戰(zhàn)任務(wù)，為核潛艇保駕護(hù)航。蘇聯(lián)解體后，受限于經(jīng)濟(jì)衰退影響，俄羅斯雖然繼承了絕大多數(shù)航母，但在艦載機(jī)的發(fā)展上卻始終步履蹣跚，在蘇-33退役后不得不換裝本為印度研制的米格-29K，在后續(xù)發(fā)展上與世界主流趨勢漸行漸遠(yuǎn)。

美、俄等國以外，英國、法國、印度和日本等有航母國家，除了法國裝備陣風(fēng)-M艦載機(jī)，均外購美制F-35B或俄制米格-29K艦載機(jī)，僅能在局部作戰(zhàn)中發(fā)揮有限的威懾和打擊作用。

綜合來看，艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)作為航母編隊(duì)的主要作戰(zhàn)力量，其主戰(zhàn)裝備的研發(fā)從來都不是一成不變的，而是結(jié)合時(shí)代背景、軍事戰(zhàn)略和對手威脅整體籌劃的結(jié)果。就美軍而言，其艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)整體上呈現(xiàn)出“高威脅時(shí)突出專用、強(qiáng)調(diào)能力，低威脅時(shí)突出多用途、降低成本”的發(fā)展趨勢，同時(shí)通過“逐步替換、混合使用”來保障艦上使用的連續(xù)性。面向未來“中美大國競爭”背景，美軍已經(jīng)規(guī)劃的下一代艦載機(jī)F/A-XX，雖然現(xiàn)階段尚未見到明確的公開信息，但極有可能帶來美艦載戰(zhàn)斗機(jī)新的變革。

2 艦載機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 起飛技術(shù)

隨著作戰(zhàn)使用需求演進(jìn)及航空技術(shù)發(fā)展，艦載機(jī)的能力不斷提升，起飛重量及離板速度逐漸增大，促進(jìn)了艦上起飛技術(shù)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了局部/全通式甲板自主式滑跑起飛、彈射起飛、滑躍起飛等不同的階段[9]。

早期的雙/單翼活塞式艦載機(jī)，飛機(jī)重量較輕、翼載小、起飛速度較低、滑跑距離短，艦載機(jī)在較短的航母飛行甲板上即可實(shí)現(xiàn)離艦起飛。

二戰(zhàn)后，噴氣式艦載機(jī)相繼上艦，艦載機(jī)的重量和起飛速度急劇增大，需要較長的滑跑距離才能離艦起飛，航母200～300 m的飛行甲板長度已無法滿足使用需求，必須采用新的起飛方式。

從起飛機(jī)理上分析，借助母艦提供的一定甲板風(fēng)[10]，在較短的滑跑距離內(nèi)起飛離艦，一種途徑是借助外力助推、增加離板速度，即“先建立速度、后建立迎角”；另一種途徑是借助特殊的甲板型面，增加起飛離板迎角，即“先建立迎角、后建立速度”[11]，核心是滿足離板后飛機(jī)的重心下沉不大于3 m、旋轉(zhuǎn)角速度不大于12(°)/s等起飛安全準(zhǔn)則。由此，催生了彈射起飛和滑躍起飛2種主流的艦載機(jī)起飛方式。

(1) 彈射起飛

彈射起飛是指用航母彈射器給艦載機(jī)施加外力，使其在不到100 m的彈射動(dòng)力沖程內(nèi)迅速加速至起飛離板速度、離艦起飛的過程。1950年8月， 英國海軍在“英仙座”號(hào)航母甲板中線上安裝BXS-1型蒸汽彈射器進(jìn)行彈射飛機(jī)試驗(yàn)，并獲得初步成功。美海軍購買了英國專利，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究發(fā)展。目前，美海軍艦載機(jī)全部采用彈射起飛方式，法國、巴西、阿根廷等國的航母上也采用了這種起飛技術(shù)。

依據(jù)艦載機(jī)與航母彈射器拖梭的連接方法，彈射起飛方式可以分為拖索式彈射和前輪拖曳式彈射2種方式。[12]

① 拖索式彈射 甲板保障人員先用鋼質(zhì)拖索把飛機(jī)掛在彈射器拖梭上，再用一根牽制桿把尾部與彈射器后端卡槽固定住。彈射時(shí)彈射器拖梭拉斷牽制桿上的定力栓，拖拽飛機(jī)沿彈射道迅速加速，在彈射道末端把飛機(jī)加速到起飛速度拋離甲板，拖索從飛機(jī)上脫落，彈射器拖梭返回彈射器起點(diǎn)準(zhǔn)備下一次彈射。

② 前輪拖曳式彈射 該方式在1964年由美國海軍試驗(yàn)成功。彈射桿安裝在艦載機(jī)前輪支柱上，彈射起飛時(shí)彈射桿放下與彈射器拖梭嚙合，彈射時(shí)由拖梭直接拖曳飛機(jī)加速起飛。

為實(shí)現(xiàn)彈射起飛，母艦應(yīng)配置與艦載機(jī)適配的彈射裝置。現(xiàn)代的航母通常配有3～4部彈射裝置及其配套的彈射指揮裝置。

為克服蒸汽彈射器載荷有限、淡水需求量大和彈射效率低等缺陷，美國研制了電磁彈射器。電磁彈射器是一種利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力將艦載機(jī)在航母甲板上加速到起飛速度的彈射裝置。與傳統(tǒng)的蒸汽彈射器相比，具有體積小、對艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運(yùn)行和維護(hù)成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)安全彈射起飛，航母應(yīng)滿足一定的條件，包括以一定的航速、穩(wěn)定直線航行，提供艦載機(jī)起飛所必須的甲板風(fēng)和母艦姿態(tài)[13]。從飛機(jī)設(shè)計(jì)的角度，為滿足彈射使用，應(yīng)關(guān)注飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受彈射過載、氣動(dòng)與控制系統(tǒng)聯(lián)合確保飛機(jī)低速離板的姿態(tài)和航跡穩(wěn)定、機(jī)載系統(tǒng)可承受彈射過載/母艦的電磁環(huán)境、推進(jìn)系統(tǒng)在彈射蒸汽泄漏的情況下仍可穩(wěn)定工作、前起落架彈射桿應(yīng)與母艦的彈射裝置適配等能力要求。

彈射起飛方式可在一定程度上降低對艦載機(jī)氣動(dòng)布局、重量、推重比等方面的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可保證多架艦載機(jī)以較短時(shí)間間隔起飛作戰(zhàn)。如美國“尼米茲”級(jí)航母上配置的4臺(tái)C-13彈射器，在同時(shí)工作時(shí)，可使起飛間隔僅為15 s，極大提高了艦載機(jī)出動(dòng)能力，提升航母編隊(duì)作戰(zhàn)效能。從西方海軍大國近40多年使用來看，這種起飛方式可滿足實(shí)戰(zhàn)需要。

(2) 滑躍起飛

滑躍起飛是艦載機(jī)先依靠自身動(dòng)力在航母甲板上滑跑，后經(jīng)出板角為12°～14°的艦艏斜角甲板，使艦載機(jī)在離艦瞬間被賦予一定迎角和向上的垂直分速度，從而實(shí)現(xiàn)離艦起飛的過程，通常需配合止動(dòng)輪擋。

滑躍起飛技術(shù)是由英國海軍軍官道格·泰勒發(fā)明的，該技術(shù)最先應(yīng)用在“無敵”級(jí)航母上，使“海鴉”垂直/短距起降飛機(jī)起飛重量、載彈量、作戰(zhàn)半徑均得到較大提高，從而提高了其作戰(zhàn)能力。蘇聯(lián)也將滑躍起飛技術(shù)用于蘇-33艦載機(jī)在航母上起飛。目前采用滑躍起飛的國家還有英國、俄羅斯、西班牙、意大利和印度等。

滑躍起飛技術(shù)依賴飛機(jī)本身的推重比、15°～21°迎角間的升力系數(shù)、翼載荷及飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)滑躍起飛，母艦應(yīng)配置與艦載機(jī)適配的滑躍起飛甲板。滑躍起飛甲板型面應(yīng)使艦載飛機(jī)在滑躍起飛離板時(shí)能夠建立規(guī)定的迎角且不產(chǎn)生過度上仰趨勢，同時(shí)在滑躍起飛過程中不應(yīng)對飛機(jī)起落架產(chǎn)生較大的載荷突變及振蕩。

滑躍起飛方式也存在不足之處。滑躍起飛對飛機(jī)的氣動(dòng)布局、推重比要求較高，推重比小于0.6的固定翼艦載機(jī)(如預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)等)，都無法采用滑躍起飛方式。

另外，由于艦艏滑躍甲板為上翹斜曲面，不利于艦載機(jī)停放，使航母的載機(jī)數(shù)量減少，在一定程度上影響航母作戰(zhàn)威力。如果美國的“尼米茲”級(jí)、“小鷹”級(jí)航母采用滑躍起飛方式，并采用俄航母滑躍斜板的曲面參數(shù)，所能搭載的艦載機(jī)數(shù)量將減少10架左右。

除上述2種起飛方式外，英國的“海鷂”、美國的F-35B等艦載機(jī)采取了第3種起飛和著艦方式——短距起飛垂直降落。雖然均具備垂直起飛能力，但因其對燃油的消耗極大，且對起飛重量有較大限制，影響后續(xù)作戰(zhàn)使用，實(shí)際作戰(zhàn)使用過程中一般采用平直甲板短距滑跑起飛與垂直降落方式。

平直甲板短距滑跑起飛，是利用氣動(dòng)升力與動(dòng)力升力的聯(lián)合作用，無需滑躍甲板即可實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)離艦起飛。起飛時(shí)，動(dòng)力升力系統(tǒng)打開艙門，發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管向后下方偏轉(zhuǎn)、風(fēng)扇噴流向后傾斜。飛機(jī)加速滑跑起飛至一定距離產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，矢量噴管逐漸減小偏轉(zhuǎn)角度建立起飛迎角。飛機(jī)建立爬升姿態(tài)后，繼續(xù)加速，在達(dá)到一定高度和速度后，噴管恢復(fù)到完全向后位置，關(guān)閉升力系統(tǒng)艙門，進(jìn)入常規(guī)氣動(dòng)構(gòu)型[14]。

綜上所述，對于發(fā)展大、中型航母的國家來說，如果掌握了航母及艦載機(jī)彈射起飛相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)，采用彈射起飛方式更為有利，尤其是電磁彈射起飛技術(shù)，有利于提升航母編隊(duì)作戰(zhàn)效能。對于中小國家海軍發(fā)展小型航母，宜采用滑躍起飛，具有操作簡單、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，取消了彈射器，還有助于簡化航母及艦載機(jī)設(shè)計(jì)、降低造價(jià)、節(jié)省訓(xùn)練和維修費(fèi)用。

2.2 著艦技術(shù)

艦載機(jī)著艦是人-機(jī)-艦三方協(xié)同作用的結(jié)果：飛行員操縱或監(jiān)控艦載機(jī)沿給定的理想下滑道飛行，艦載引導(dǎo)系統(tǒng)以光學(xué)或射頻的方式向艦載機(jī)提供下滑道偏差、著艦距離、母艦航向、航速及動(dòng)態(tài)信息等，著艦指揮控制戰(zhàn)位的著艦信號(hào)官(LSO)小組實(shí)時(shí)監(jiān)控著艦飛機(jī)的姿態(tài)、速度等，協(xié)助飛行員確保艦載機(jī)安全著艦。

艦載引導(dǎo)系統(tǒng)用于輔助飛行員著艦，為其提供所需的著艦態(tài)勢信息，主要的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)包括：艦載精密著艦引導(dǎo)雷達(dá)、衛(wèi)星著艦引導(dǎo)系統(tǒng)、菲涅爾光學(xué)助降裝置、甲板燈光系統(tǒng)、尾垂燈以及遠(yuǎn)距激光對中系統(tǒng)等。

艦載機(jī)著艦可分為3種方式：人工著艦、半自動(dòng)著艦和全自動(dòng)著艦。

(1)人工著艦。指依靠飛行員目視觀察艦上的光學(xué)助降系統(tǒng)(菲涅爾透鏡)，同時(shí)借助艦上著艦信號(hào)官的語音輔助，全程由飛行員完成飛機(jī)控制的著艦。在此過程中，飛行員需要同時(shí)完成3件事：① 首先是用駕駛桿控制機(jī)頭指向，完成對中斜角中心線，使飛機(jī)翼展處在規(guī)定的著艦區(qū)域內(nèi)，防止機(jī)翼碰撞艦島；② 是用油門桿調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，控制下沉率，使艦載機(jī)沿光學(xué)下滑道飛行，以便保持著艦所需的安全鉤坡距；③ 是用駕駛桿控制俯仰姿態(tài)，保持迎角誤差在±0.5°以內(nèi)，確保鉤索嚙合。

在人工著艦過程中，飛行員需同時(shí)完成的“對中、看燈、保角”三件事是高度耦合的：橫向操縱駕駛桿對中會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的高度損失，使飛機(jī)偏離理想下滑道；前后拉桿調(diào)整下滑道高低會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)迎角發(fā)生變化。飛行員需不斷協(xié)調(diào)操縱雙桿，工作負(fù)荷巨大?！耙粋€(gè)有充分控制能力的飛行員可以非常精確地控制一個(gè)動(dòng)態(tài)變量，精確控制2個(gè)變量，勉強(qiáng)控制3個(gè)變量，但飛行員同時(shí)控制3個(gè)以上的變量就力不從心。”據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外的飛行員，在觸艦前的最后18 s，需要協(xié)調(diào)操縱雙桿200～300 次，著艦工作強(qiáng)度甚至較空戰(zhàn)更大。飛行員在完成訓(xùn)練、戰(zhàn)斗任務(wù)后，身心本就疲憊，又要完成高難度、高危險(xiǎn)性的著艦任務(wù)，會(huì)產(chǎn)生很大的心理壓力，夜間尤其如此。為減輕人工著艦時(shí)的飛行員工作負(fù)荷、提高著艦精度，英美聯(lián)合開發(fā)了“艦載機(jī)精確進(jìn)近與著艦增強(qiáng)控制技術(shù)”(簡稱魔毯)[15]。

魔毯技術(shù)的本質(zhì)是基于直接升力的飛行軌跡與姿態(tài)解耦控制，由舵面的組合偏轉(zhuǎn)生成加快航跡控制所必須的直接升力，其迎角和速度由飛控系統(tǒng)自動(dòng)保持，在良好的著艦態(tài)勢輔助下，飛行員只需關(guān)注“看燈、對中”2個(gè)動(dòng)作即可完成著艦，減少飛行操縱變量，有效降低著艦操縱難度和負(fù)荷。現(xiàn)有著艦技術(shù)與魔毯著艦技術(shù)的比較如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有著艦技術(shù)與魔毯著艦技術(shù)的比較Fig.1 Comparison of existing landing technology with Magic Carpet landing technology

(2)半自動(dòng)著艦。指機(jī)載系統(tǒng)依據(jù)引導(dǎo)系統(tǒng)測得的著艦航跡偏差，生成著艦操縱指令，驅(qū)動(dòng)座艙儀表的指令桿偏轉(zhuǎn)，飛行員通過駕駛桿和油門桿的偏轉(zhuǎn)實(shí)施“追(隨)指令桿”操縱，消除著艦偏差，完成著艦。

(3)全自動(dòng)著艦。指整個(gè)著艦過程中無需飛行員人工操縱雙桿，機(jī)載系統(tǒng)依據(jù)航跡偏差生成飛行控制指令，送給機(jī)上的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)和自動(dòng)油門機(jī)構(gòu)，由其聯(lián)合工作，消除著艦偏差，使飛機(jī)沿理想下滑道飛行，直至觸艦。全自動(dòng)著艦作為航母艦載機(jī)的標(biāo)志性技術(shù)，代表了著艦技術(shù)的發(fā)展方向，依據(jù)機(jī)艦閉環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度水平，由高到低分為3種工作模態(tài)：全自動(dòng)著艦、半自動(dòng)指引著艦以及母艦控制的語音著艦。

全自動(dòng)著艦技術(shù)源于克服惡劣氣象條件及海況對著艦造成的影響，確保在飛行員無法人工操縱飛機(jī)的情況下使艦載機(jī)安全著艦。隨著控制技術(shù)、引導(dǎo)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由最初的艦載雷達(dá)引導(dǎo)著艦發(fā)展為光電引導(dǎo)著艦、衛(wèi)星引導(dǎo)著艦，為克服著艦過程對母艦引導(dǎo)的依賴，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)著艦不依賴外界引導(dǎo)，基于機(jī)載機(jī)器視覺技術(shù)的自主著艦將是未來全自動(dòng)著艦的追求目標(biāo)[16-17]。與此同時(shí)，全自動(dòng)著艦技術(shù)也是無人機(jī)上艦的瓶頸技術(shù)，是未來無人艦載航空發(fā)展的必要支撐。

美國海軍于1948年提出了艦載機(jī)全天候著艦/全自動(dòng)著艦需求，迄今已完成三代雷達(dá)全自動(dòng)著艦系統(tǒng)的研制。1996年5月，美國提出基于差分GPS的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸/著艦系統(tǒng)(JPALS)研究計(jì)劃，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)美軍與民航、美國與北約的精密著陸/著艦。采用JPALS系統(tǒng)的X-47B無人技術(shù)驗(yàn)證機(jī)于2013年7月10日在“布什”號(hào)航母上實(shí)現(xiàn)彈射起飛和攔阻著艦，成為目前世界上唯一成功實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)著艦的艦載固定翼無人機(jī)[18]。相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證成果在后續(xù)的MQ-25“黃貂魚”無人加油機(jī)上得到了應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)無線電靜默條件下的自動(dòng)著艦，美國還在開展增強(qiáng)視覺系統(tǒng)方面的技術(shù)研究和試驗(yàn)，以便釋放現(xiàn)有著艦系統(tǒng)對機(jī)艦數(shù)據(jù)鏈的高度依賴，實(shí)現(xiàn)“艦載機(jī)睜眼找艦、落艦的自主著艦”——看到母艦，自己就可以落艦。

俄羅斯海軍正在研究開發(fā)基于GPS和GLONASS的衛(wèi)星全自動(dòng)著艦系統(tǒng)，該系統(tǒng)類似于美國的JPALS。2012年下半年完成樣機(jī)研制，完成了陸基起飛、滑行、著陸飛行等試驗(yàn)，并使用2架蘇-33艦載機(jī)在“庫茲涅佐夫”號(hào)航母上進(jìn)行了著艦飛行試驗(yàn)。

法國于1985年利用其成熟的艦載光電火控技術(shù)，研制出以激光跟蹤/測距儀，紅外攝像儀和電視攝像儀為主體的“甲板進(jìn)近著艦激光系統(tǒng)”(DALLAS)，并裝備于福煦號(hào)和戴高樂航母。DALLAS系統(tǒng)具有高精度定位和高分辨率成像的特點(diǎn)，向著艦指揮官(LSO)提供有關(guān)著艦飛機(jī)相對于航母的位置和運(yùn)動(dòng)的信息。目前法國計(jì)劃在DALLAS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建機(jī)艦數(shù)據(jù)鏈，使艦載機(jī)具備全自動(dòng)著艦?zāi)芰Α?/p>

2.3 有限空間的快速保障技術(shù)

航空母艦以編隊(duì)的形式遂行作戰(zhàn)，作戰(zhàn)使命任務(wù)也從誕生之日起不斷演進(jìn)。根據(jù)目前美海軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型規(guī)劃，航空母艦從大洋艦隊(duì)對抗的核心平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)樽笥谊懮暇謩莺蛯﹃懮峡v深及近海進(jìn)行打擊的作戰(zhàn)基地和打擊平臺(tái)[19]。為了遂行其復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，航空母艦上需要搭載各型艦載機(jī)，以美軍新一代“福特”級(jí)航母為例，搭載了F-35C、F/A-18E/F、EA-18G、E-2D等各型飛機(jī)。提升艦載機(jī)出動(dòng)架次率與可用性，可以為航空母艦應(yīng)對各種作戰(zhàn)需求提供有力支撐。

艦基保障作業(yè)是由多環(huán)節(jié)、多部門、多種裝置/設(shè)備參與，按離艦和回收周期組織運(yùn)行的。單架飛機(jī)的出動(dòng)架次率通常是指單架飛機(jī)的日出動(dòng)次數(shù)。為提高艦載機(jī)的出動(dòng)架次率，首先應(yīng)提高飛機(jī)的可用性，減少飛機(jī)的艦面停機(jī)時(shí)間,其次是縮短飛機(jī)出動(dòng)的保障時(shí)間，加快飛機(jī)的出動(dòng)循環(huán)節(jié)拍。

可用性是任務(wù)需要時(shí)飛機(jī)的可使用程度，分為固有可用性和使用可用性。固有可用性取決于飛機(jī)的可靠性和維修性，使用可用性則與實(shí)際使用環(huán)境有關(guān)，包括飛機(jī)的具體使用策略、預(yù)防性維修規(guī)劃情況及保障延誤情況等。

以航空母艦移動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建種類齊全、功能互補(bǔ)、性能協(xié)調(diào)的艦載機(jī)配置和使用體系，是遂行航母作戰(zhàn)任務(wù)的保證[20]。為實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)在航母有限空間的快速保障，需要面向航母作戰(zhàn)任務(wù)，開展各型艦載機(jī)本體保障特性協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，全壽命周期保障活動(dòng)協(xié)同設(shè)計(jì)和保障資源通用化設(shè)計(jì)。同時(shí)，面向艦載機(jī)未來發(fā)展，應(yīng)充分采用信息化、智能化技術(shù)，構(gòu)建機(jī)艦一體化保障指揮體系，實(shí)現(xiàn)指揮管理自動(dòng)化、自主化，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)高效保障，提高保障資源的使用效率。

(1) 飛機(jī)保障特性設(shè)計(jì)是快速保障的基礎(chǔ)

艦載機(jī)保障特性是實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)有限空間快速保障的基礎(chǔ)，艦載機(jī)本體保障特性設(shè)計(jì)首先應(yīng)確保頂層指標(biāo)協(xié)調(diào)，面向航母編隊(duì)的作戰(zhàn)使用任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“從作戰(zhàn)需求到能力需求，再到裝備需求”的整體設(shè)計(jì)思路[21]，將作戰(zhàn)需求最終落實(shí)到裝備指標(biāo)設(shè)計(jì)上，使各型裝備的指標(biāo)綜合協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，避免產(chǎn)生裝備短板。此外，艦載機(jī)還應(yīng)從以下3個(gè)方面開展保障特性優(yōu)化：一是從保障功能上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，艦載機(jī)盡可能從根本上采用自保障技術(shù)，如采用自主供電、供壓、供氣、故障預(yù)測與健康管理等技術(shù)，減少對艦面保障系統(tǒng)的依賴；二是艦載機(jī)在保障接口設(shè)計(jì)上，應(yīng)采用通用設(shè)計(jì)，減少保障資源配備，提升保障站位的使用效率；三是加強(qiáng)艦載機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控、趨勢分析、故障預(yù)測、健康評(píng)價(jià)和單機(jī)壽命監(jiān)控等能力，減少艦載機(jī)使用維護(hù)活動(dòng)，提高保障的感知能力，加快保障運(yùn)行鏈條，提高保障效率。

(2) 保障活動(dòng)協(xié)同設(shè)計(jì)是快速保障的手段

艦載機(jī)艦面保障活動(dòng)是保障艦載機(jī)使用的事件載體，驅(qū)動(dòng)了艦基資源配置。保障活動(dòng)協(xié)同設(shè)計(jì)即面向艦載機(jī)的作戰(zhàn)使用需求，合理規(guī)劃使用和維修活動(dòng)，綜合考慮與其他保障活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，確保艦載機(jī)完成規(guī)定的出動(dòng)任務(wù)。

艦載機(jī)保障活動(dòng)規(guī)劃包括2個(gè)維度的規(guī)劃，一是從頂層設(shè)計(jì)開展艦載機(jī)全壽命周期規(guī)劃，綜合考慮艦載機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)、維修體制、岸基和艦基的維修活動(dòng)分配，可利用系統(tǒng)工程方法，開展各型機(jī)的保障概念構(gòu)建，確保各型機(jī)在艦面使用和維修過程中高度協(xié)調(diào)，確保艦基航空保障系統(tǒng)在限定時(shí)空條件下，可滿足艦載機(jī)的使用和維修需求；二是在具體保障作業(yè)實(shí)施場景下，保障活動(dòng)的一體化組織和實(shí)施，包括采用模擬退火算法、改進(jìn)遺傳算法、混合遺傳禁忌算法的艦載機(jī)保障作業(yè)調(diào)度策略[22-25]。艦載機(jī)全壽命周期典型事件如圖2所示。

圖2 艦載機(jī)全壽命周期典型事件Fig.2 Typical life cycle event of carrier-based aircraft

(3) 通用敏捷保障設(shè)計(jì)是快速保障的支撐

保障系統(tǒng)是實(shí)施艦載機(jī)保障的物理實(shí)體，受到艦面空間的約束極大。為實(shí)現(xiàn)多型艦載機(jī)高效一體化保障，必須配置合理的保障系統(tǒng)。保障系統(tǒng)來源于艦載機(jī)的使用和維修活動(dòng)，通過分析保障活動(dòng)，明確保障功能，并將保障功能分解至飛機(jī)和保障系統(tǒng)，進(jìn)一步將對保障系統(tǒng)的功能分解至保障設(shè)備、保障信息化系統(tǒng)、供應(yīng)保障等資源要素，以實(shí)現(xiàn)保障系統(tǒng)的合理規(guī)劃。

保障系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)是對功能、工作介質(zhì)、使用方式相近的設(shè)備進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，可減少資源的配置種類，顯著縮小保障規(guī)模，如美軍實(shí)施的PMA260工程。保障系統(tǒng)敏捷化設(shè)計(jì)是通過減少保障延誤，提升保障資源的利用率，進(jìn)一步減少保障規(guī)模，主要基于信息化、智能化手段。信息化保障可實(shí)現(xiàn)資源可視化和信息共享，提高資源的使用效率和優(yōu)化配置，促進(jìn)保障模式的改革，使規(guī)模性保障向速度性保障發(fā)展。保障系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)作為信息化未來發(fā)展方向，具備惡劣環(huán)境下工作、持久性強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ?、具備涌現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，美國防部已成立了“聯(lián)合人工智能中心”，開展了智能掛彈、智能除漆、智能檢測等多個(gè)人工智能項(xiàng)目。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

2.4.1 腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)

艦載機(jī)長期服役于海洋腐蝕環(huán)境中，面臨高溫、高濕、高鹽霧及機(jī)械誘發(fā)環(huán)境耦合作用，加速了艦載機(jī)及其機(jī)載設(shè)備的腐蝕。為滿足飛機(jī)高隱身性能、長期艦上服役、高出勤率和高出動(dòng)強(qiáng)度的需求，達(dá)到機(jī)體壽命指標(biāo)，減少維護(hù)費(fèi)用，必須開展全壽命腐蝕防護(hù)與控制。其中，對腐蝕環(huán)境分析、隱身/抗腐蝕協(xié)同設(shè)計(jì)、抗腐蝕能力驗(yàn)證評(píng)估和腐蝕故障視情維護(hù)方法等關(guān)鍵技術(shù)的研究尤為重要。

(1) 艦載機(jī)局部腐蝕環(huán)境分析技術(shù)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕除受總體環(huán)境影響外，與結(jié)構(gòu)局部環(huán)境密切相關(guān)?；谂炤d機(jī)部署海域環(huán)境數(shù)據(jù)，對全壽命周期典型使用環(huán)境比例加權(quán)分析，編制服役環(huán)境雨、霧露和濕度累積譜及全壽命周期環(huán)境總譜。針對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上所處部位、結(jié)構(gòu)形式、密封排水等具體分析，結(jié)合試驗(yàn)、計(jì)算及實(shí)測方法找出局部環(huán)境譜與環(huán)境總譜之間的對應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要腐蝕環(huán)境因數(shù)分析、外場調(diào)研與檢查結(jié)果建立局部環(huán)境譜。

(2) 艦載機(jī)隱身/抗腐蝕協(xié)同防護(hù)技術(shù)

基于艦載機(jī)隱身性能要求及海洋環(huán)境抗腐蝕要求，從材料性能及穩(wěn)定性研究、工藝適應(yīng)性研究、耐海洋環(huán)境性能試驗(yàn)以及典型連接件加速腐蝕考核等方面，綜合優(yōu)選艦載機(jī)表面防護(hù)體系，形成隱身/防腐協(xié)同防護(hù)技術(shù)。

(3) 艦載機(jī)抗腐蝕能力驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)

在海洋大氣腐蝕環(huán)境因素分析的基礎(chǔ)上，開展艦載機(jī)局部環(huán)境加速腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究，測定不同溫度、不同濕度、不同濃度溶液介質(zhì)下的典型金屬材料腐蝕電流，建立不同組合對應(yīng)的當(dāng)量折算系數(shù)，通過當(dāng)量折算法建立加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜與使用周期當(dāng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系，制定艦載機(jī)成附件腐蝕環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

(4) 艦載機(jī)腐蝕故障視情維護(hù)方法

艦載機(jī)腐蝕問題視情維修和預(yù)估處理是當(dāng)前外場腐蝕維護(hù)方法的發(fā)展趨勢。通過無損檢測得到結(jié)構(gòu)腐蝕損傷狀態(tài), 以檢測信息為基礎(chǔ)對后續(xù)服役期內(nèi)腐蝕損傷的演化進(jìn)行預(yù)測，并對遭受腐蝕損傷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測和損傷容限分析。通過外場服役飛機(jī)的的腐蝕情況調(diào)研和加速腐蝕試驗(yàn)確定艦載機(jī)防護(hù)涂層體系腐蝕失效形態(tài)和表征方法，采用模糊綜合評(píng)估法對外場腐蝕損傷進(jìn)行量化評(píng)級(jí)，從而合理確定外場預(yù)防、檢測和修理時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對艦載機(jī)防腐全壽命精確管理。

2.4.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)

航母的艦島上安裝了大量大功率、寬頻段的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)射頻輻射設(shè)備，使艦載機(jī)在駐艦、起飛、復(fù)飛和著艦等作業(yè)過程中受到了相對于陸基飛機(jī)更加嚴(yán)酷惡劣的射頻電磁環(huán)境，頻段覆蓋了10 kHz～40 GHz，最高場強(qiáng)達(dá)到6 000 V/m。此外，由于航母編隊(duì)其他艦船以及飛機(jī)編隊(duì)都會(huì)造成對艦載機(jī)的射頻電磁輻照，使艦載機(jī)抗外部高場強(qiáng)射頻電磁環(huán)境設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)關(guān)注的問題。

外部高場強(qiáng)射頻電磁環(huán)境要求是開展艦載機(jī)電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)的重要輸入。國外早期航母和艦載機(jī)的電子電氣設(shè)備使用較少，隨著大規(guī)模數(shù)字集成電路和高功率射頻輻射設(shè)備的廣泛應(yīng)用，母艦周圍空域的射頻電磁環(huán)境越來越惡劣，包括艦載平臺(tái)甲板、艦載平臺(tái)主波束、固定翼空軍飛機(jī)、空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)等多種類別的射頻電磁環(huán)境。由于各型艦載機(jī)使用的具體平臺(tái)和條件不同，為避免過設(shè)計(jì)，艦載機(jī)的外部射頻電磁環(huán)境一般根據(jù)艦載機(jī)使用流程和任務(wù)剖面優(yōu)先采用實(shí)測或預(yù)測分析的數(shù)據(jù)。

在艦載機(jī)的電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)中，首先開展飛機(jī)遇到母艦射頻電磁環(huán)境評(píng)估分析，針對環(huán)境要求開展指標(biāo)分解，然后從機(jī)體的屏蔽效能設(shè)計(jì)、敏感電子電氣設(shè)備的干擾防護(hù)、人員/燃油/軍械電磁輻射危害防護(hù)等方面開展防止前門和后門耦合的防護(hù)設(shè)計(jì)。

(1) 外部射頻電磁環(huán)境評(píng)估和指標(biāo)分解

外部射頻電磁環(huán)境評(píng)估是開展飛機(jī)電磁環(huán)境設(shè)計(jì)的第1步，為指標(biāo)分解提供輸入。在母艦、飛機(jī)編隊(duì)、機(jī)場、戰(zhàn)場等各種使用剖面下，大功率輻射源是分析重點(diǎn)。根據(jù)對艦載機(jī)航母艦面及起降區(qū)域電磁環(huán)境、編隊(duì)飛行電磁環(huán)境、典型場站電磁環(huán)境和空戰(zhàn)電磁環(huán)境的分析，建立外部電磁環(huán)境表征方法，在母艦電磁環(huán)境預(yù)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)射頻輻射電磁參數(shù)，結(jié)合艦載機(jī)起飛、進(jìn)近、復(fù)飛/逃逸、著艦的艦基起降流程和飛行軌跡，通過理論推算、電磁仿真計(jì)算或者實(shí)際測量的方法，建立涵蓋航母輻射源特性、艦載機(jī)任務(wù)剖面輻射特性和飛機(jī)角度-速度-時(shí)間-距離等多元的機(jī)-艦電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，電磁環(huán)境數(shù)據(jù)一般覆蓋大功率輻射源的所有工況、所有頻段。

指標(biāo)分解是各項(xiàng)電磁兼容設(shè)計(jì)的直接輸入，電子設(shè)備在飛機(jī)上的安裝和使用位置是指標(biāo)分解過程中要考慮的重要要素，不同位置的射頻環(huán)境也不盡相同，在指標(biāo)分解過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮機(jī)載設(shè)備安裝處艙體的屏蔽效能，以及非金屬蒙皮、天線罩、活動(dòng)口蓋等對外部射頻電磁環(huán)境衰減影響，主要通過構(gòu)建典型區(qū)域電磁仿真模型對電子設(shè)備安裝區(qū)域電磁環(huán)境進(jìn)行仿真分析，以及典型艙區(qū)屏蔽效能測試獲取電子設(shè)備安裝區(qū)域電磁環(huán)境，電磁環(huán)境分析結(jié)果作為機(jī)載設(shè)備的射頻電磁環(huán)境指標(biāo)分解依據(jù)。

(2) 艦載機(jī)抗外部射頻電磁環(huán)境設(shè)計(jì)

抗外部射頻電磁環(huán)境設(shè)計(jì)首先要開展機(jī)體及座艙的屏蔽效能設(shè)計(jì)與評(píng)估，其目的是防護(hù)敏感機(jī)載設(shè)備免受外部射頻電磁環(huán)境的干擾，同時(shí)可提出設(shè)備艙內(nèi)部機(jī)載設(shè)備的抗射頻電磁環(huán)境要求；其次應(yīng)從設(shè)備布局、電搭接、電纜敷設(shè)、電纜選型、射頻接收機(jī)抗燒毀、頻譜兼容性等方面對機(jī)載電子電氣設(shè)備，特別是涉及飛控、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等涉及飛行安全的機(jī)載設(shè)備開展抗干擾設(shè)計(jì)。通過多模態(tài)形式低頻線束的電磁環(huán)境耦合特性研究和測試，可得到多模態(tài)飛機(jī)低頻線束屏蔽設(shè)計(jì)方案，為艦載機(jī)強(qiáng)射頻防護(hù)提供基礎(chǔ)手段。除此之外，艦載機(jī)的電磁輻射危害防護(hù)設(shè)計(jì)也是抗外部射頻電磁環(huán)境的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，對于人員防護(hù)，為保證人員受到的輻射滿足安全要求，應(yīng)重點(diǎn)開展座艙透明件的屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)；對于燃油防護(hù)，為消除高壓電弧和燃油蒸汽被意外點(diǎn)燃后引起的燃燒，應(yīng)重點(diǎn)降低油箱處的電磁場強(qiáng)度；對于電起爆軍械，應(yīng)重點(diǎn)控制敏感火工品電起爆裝置的使用和降低點(diǎn)火控制線路對射頻能量的耦合。由此可見，艦載機(jī)滿足高場強(qiáng)射頻電磁環(huán)境要求是通過多維度、多要素的抗外部射頻電磁環(huán)境設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)的。

3 艦載機(jī)未來發(fā)展

3.1 體系作戰(zhàn)的關(guān)鍵要素

體系作戰(zhàn)是諸多作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)要素通過有效集成而形成的一種作戰(zhàn)樣式，已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的典型范式。航母編隊(duì)作為國家海上力量的象征，其作戰(zhàn)區(qū)域往往遠(yuǎn)離本土，缺乏其他渠道的支撐，這就要求航母編隊(duì)自身是一個(gè)相對獨(dú)立的作戰(zhàn)體系，航母編隊(duì)體系的作戰(zhàn)能力應(yīng)覆蓋陸、海、空、天、電、網(wǎng)多個(gè)作戰(zhàn)域，而艦載機(jī)正是航母編隊(duì)在這6個(gè)作戰(zhàn)域內(nèi)施加影響并取得效果的最主要手段。

在航母編隊(duì)體系的未來作戰(zhàn)中，為保證在不同作戰(zhàn)域內(nèi)都能取得最佳效果，“專用與多用途”相結(jié)合的方式，可能仍會(huì)是未來航母編隊(duì)艦載機(jī)的主要特征[26]，而艦載機(jī)的種類也可能變得更加多樣：奪取空戰(zhàn)優(yōu)勢的戰(zhàn)斗機(jī)、執(zhí)行對面/對海/對潛打擊的攻擊機(jī)、提供信息情報(bào)支援的偵察機(jī)、艦隊(duì)防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)飛機(jī)，以及能夠在電磁頻譜域奪取控制權(quán)的電磁作戰(zhàn)飛機(jī)等。同時(shí)，為保證航母編隊(duì)的安全，航母要比如今更加遠(yuǎn)離作戰(zhàn)對象，因此，能夠?yàn)榫庩?duì)作戰(zhàn)飛機(jī)提供燃油補(bǔ)充的加油機(jī)，也會(huì)成為航母編隊(duì)的必需品。人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得對面攻擊、加油等相對低動(dòng)態(tài)任務(wù)飛機(jī)成為無人化的先行者。

從未來的發(fā)展趨勢看，美國海軍在2040年前后，將面向與中國、俄羅斯的大國競爭，進(jìn)一步保持航母編隊(duì)的續(xù)航、快速響應(yīng)性和殺傷力，以抵擋第一波次的攻擊，直至后續(xù)增援部隊(duì)到達(dá)，這就要求增強(qiáng)艦載機(jī)的續(xù)航能力、生存力及帶載能力。隨著空空導(dǎo)彈射程和運(yùn)動(dòng)特性的提升，飛機(jī)的續(xù)航能力、攜帶傳感器和武器的能力愈發(fā)關(guān)鍵。

經(jīng)綜合分析，美軍航母艦載機(jī)體系未來可能的主要作戰(zhàn)兵力包括：

一是多任務(wù)無人機(jī)，主要執(zhí)行一體化防空反導(dǎo)、持久偵查監(jiān)視、反潛、反艦和電子戰(zhàn)等作戰(zhàn)任務(wù)。

二是打擊戰(zhàn)斗機(jī)，主要是在壽命中期的F-35C飛機(jī)，主要承擔(dān)遠(yuǎn)距打擊和艦隊(duì)防空任務(wù)。

三是戰(zhàn)斗機(jī)，海軍正在研發(fā)的下一代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-XX，主要執(zhí)行進(jìn)攻性制空作戰(zhàn)任務(wù)。

四是電磁頻譜戰(zhàn)無人機(jī)，即專用電子戰(zhàn)飛機(jī)，任務(wù)是對抗敵方飛機(jī)和防空系統(tǒng)。

五是預(yù)警指揮控制飛機(jī)，包括E-2D及其后續(xù)升級(jí)，在艦隊(duì)防空作戰(zhàn)中承擔(dān)指揮控制任務(wù)，為巡航導(dǎo)彈防御提供信息支撐。

六是無人加油機(jī)，包括正在研制的MQ-25和新的無人加油機(jī)的組合，飛機(jī)平臺(tái)與多任務(wù)無人機(jī)保持一致。

一種美軍未來艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)如圖3[5]所示。

圖3 未來艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)的組成及作用[5]Fig.3 Composition and role of future carrier air wing[5]

3.2 多域協(xié)同作戰(zhàn)

艦載機(jī)與航母編隊(duì)的艦艇之間的協(xié)同是典型的多域作戰(zhàn)協(xié)同，航母-艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)的多域協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)為未來形成分布式作戰(zhàn)提供了支撐。通過構(gòu)建作戰(zhàn)體系架構(gòu)、發(fā)展單一態(tài)勢圖、智能決策和一體化火控等關(guān)鍵技術(shù)，使航母編隊(duì)(包括艦載機(jī)、艦艇、武器平臺(tái))具備跨域(空、天、地、海、賽博和電磁空間)的互聯(lián)/互操作/信息共享的體系作戰(zhàn)能力。

多域協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)最早源于美海軍的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)也是當(dāng)前美海軍新軍事變革的軍事理論和聯(lián)合作戰(zhàn)思想的基礎(chǔ)。美海軍實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)方案包括協(xié)同作戰(zhàn)能力和海軍綜合一體化火控-制空(NIFC-CA)項(xiàng)目、IT-21項(xiàng)目和FORCEnet[27]項(xiàng)目。

NIFC-CA項(xiàng)目從2002年提出至今，通過對現(xiàn)役和在研階段技術(shù)與裝備的結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)了分布式、網(wǎng)絡(luò)化的防空作戰(zhàn)體系。NIFC-CA采用開放式的作戰(zhàn)體系架構(gòu)，如圖4所示。打破了傳統(tǒng)武器與專用火控系統(tǒng)硬連接的設(shè)計(jì)，由現(xiàn)有的數(shù)個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)筑而成，每個(gè)子系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)界面供NIFC-CA存取，不會(huì)影響每個(gè)相關(guān)子系統(tǒng)各自的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)、火控網(wǎng)、武器網(wǎng)的三網(wǎng)合一，是美軍典型的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)之一，NIFC-CA設(shè)計(jì)了海上、空中和陸上3類殺傷鏈，如表1[28]所示，并能夠?qū)⒎揽辗磳?dǎo)作戰(zhàn)的殺傷鏈路交迭并擴(kuò)展到整個(gè)作戰(zhàn)空域，從而減少防御漏洞，提供最大限度的對目標(biāo)再次攔截能力。2016年9月13日，美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)一架F-35B與海軍宙斯盾武器系統(tǒng)首次完成聯(lián)合實(shí)彈演習(xí)，首次成功演示驗(yàn)證了在NIFC-CA框架下F-35作為節(jié)點(diǎn)的一體化實(shí)彈攔截能力。

表1 NIFC-CA的海上、空中和陸上三類殺傷鏈[28]

圖4 NIFC-CA系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 NIFC-CA system architecture

FORCEnet項(xiàng)目是美國海軍轉(zhuǎn)型路線圖的核心[29]，將徹底改變海軍的指揮和控制。FORCEnet項(xiàng)目構(gòu)建了海軍信息化作戰(zhàn)架構(gòu)，將平臺(tái)、傳感器和武器整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化指揮控制的分布式作戰(zhàn)部隊(duì)中，囊括從陸地到海洋、從海底到太空的各種交戰(zhàn)過程。FORCEnet調(diào)整和整合涉及整個(gè)航母編隊(duì)的作戰(zhàn)計(jì)劃，其作戰(zhàn)想定如圖5[30]所示，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場的單一態(tài)勢、更快的指控速度、更優(yōu)的作戰(zhàn)決策、更高的殺傷力和生存能力。

圖5 FORCEnet作戰(zhàn)想定[30]Fig.5 FORCEnet operational scenario[30]

綜合來看，未來的航母-艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)多域協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)首要解決的是體系架構(gòu)問題，新一代多域協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)均采用開放式架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(參考OACE及FACE架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn))，基于模塊化設(shè)計(jì)，使用中間件來管理支撐環(huán)境和作戰(zhàn)系統(tǒng)變更(聯(lián)接新老系統(tǒng)設(shè)備)，使作戰(zhàn)應(yīng)用程序(APP)通過組件替換、升級(jí)或更新，快速獲得新的作戰(zhàn)能力。

改變帶中心的集中指揮控制的傳統(tǒng)技術(shù)體制，采用去中心化的分布式指控的設(shè)計(jì)思想，建立協(xié)同傳感器網(wǎng)+協(xié)同指控網(wǎng)+火力控制網(wǎng)的三網(wǎng)合一的信息體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跨主要作戰(zhàn)域(海面、海底、空中、太空、陸上、賽博和電磁空間)的互聯(lián)、互通。將作戰(zhàn)單元(包括：艦載作戰(zhàn)飛機(jī)、航母、機(jī)載/艦載傳感器、網(wǎng)絡(luò)、指揮控制和武器系統(tǒng)等)聯(lián)接成一個(gè)有機(jī)的作戰(zhàn)整體，通過火控作戰(zhàn)網(wǎng)，形成可以互操作的協(xié)作環(huán)境，使參與同一作戰(zhàn)任務(wù)的多個(gè)作戰(zhàn)單元可以進(jìn)行互操作的作戰(zhàn)協(xié)同。

構(gòu)建單一態(tài)勢圖，所有作戰(zhàn)單元都在交換傳感器測量和狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到分布式處理系統(tǒng)中，采用相同的融合算法，生成相同的態(tài)勢圖。單一態(tài)勢圖使得“無中心”的數(shù)據(jù)融合成為可能，由于平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)的一致性，不再需要將所有傳感器的數(shù)據(jù)傳到融合中心進(jìn)行處理，融合的壓力大幅緩解，任何一個(gè)平臺(tái)都可以獲取其他平臺(tái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合。

智能決策是未來多域協(xié)同作戰(zhàn)的核心規(guī)劃技術(shù)，在系統(tǒng)控制和決策中集成智能決策技術(shù)，可提高系統(tǒng)自適應(yīng)解決問題的能力，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。未來系統(tǒng)根據(jù)體系中獲得的作戰(zhàn)信息，采用人工智能算法，構(gòu)建基于作戰(zhàn)效果的智能規(guī)劃決策[31]，為各級(jí)指揮員提供最優(yōu)的作戰(zhàn)計(jì)劃。

一體化火力控制是未來多域協(xié)同作戰(zhàn)的重要實(shí)施技術(shù)。先進(jìn)的一體化火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)同一作戰(zhàn)環(huán)境中作戰(zhàn)平臺(tái)間的火控協(xié)同，平臺(tái)間可以無縫地協(xié)同探測及協(xié)同攻擊。

3.3 未來艦載機(jī)的主要能力特點(diǎn)和技術(shù)特征

面向未來海上復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，艦載機(jī)為提高作戰(zhàn)能力，應(yīng)具有的主要能力特點(diǎn)包括：

(1) 遠(yuǎn)航程/長航時(shí)能力。目前艦載機(jī)對加油機(jī)依賴較強(qiáng)，影響飛機(jī)作戰(zhàn)半徑和續(xù)航能力。未來艦載機(jī)需要能夠提供1 800 km以上區(qū)域的持續(xù)控制能力。美國在持續(xù)提升飛機(jī)平臺(tái)能力的同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)方面開展了大量研究。美國空軍已經(jīng)開展多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，持續(xù)提升三涵道自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的成熟度。開展了“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化”、“經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪技術(shù)”、“自適應(yīng)多功能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”等項(xiàng)目用于發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和試驗(yàn)。同時(shí)，普惠公司還用裝備F135發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的三涵道發(fā)動(dòng)機(jī)，對三涵道發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果達(dá)到或超過了預(yù)期。

(2) 寬頻全向隱身能力[32]。為了在高威脅環(huán)境下具有更好的生存能力，未來艦載機(jī)將會(huì)采用多種技術(shù)手段，在頻段、角域上都大幅拓展飛機(jī)隱身能力。美國的下一代飛機(jī)也將寬頻全向隱身作為核心能力之一，洛馬、波音、諾格三大武器供應(yīng)商不約而同地推出了超聲速無尾布局方案，并已投入大量資源推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，目前技術(shù)驗(yàn)證機(jī)已完成首飛。同時(shí)，積極推動(dòng)核心平臺(tái)布局技術(shù)的攻關(guān)，DARPA開展主動(dòng)流控制技術(shù)演示驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)不依賴舵面的飛行控制。試驗(yàn)中展示了機(jī)翼環(huán)量控制和射流推矢控制，在改善飛機(jī)控制性能的同時(shí)還可提升隱身性能。

(3) 超聲速巡航能力。未來艦載機(jī)在提高隱身性能的同時(shí)，超聲速巡航能力同樣重要。飛機(jī)的遠(yuǎn)航程，需要與其相匹配的飛行速度，才能更好地完成作戰(zhàn)任務(wù)。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室完成可變大彎度柔性翼技術(shù)飛行演示驗(yàn)證通過改變機(jī)翼外形改善氣動(dòng)性能，使飛行器能夠適應(yīng)各種飛行條件和任務(wù)。

(4) 全向感知能力。未來戰(zhàn)爭將是信息化主導(dǎo)的戰(zhàn)爭，艦載機(jī)在軟硬件技術(shù)的支持下，傳感器能力大幅提升，具備全向感知能力。

(5) 高效綜合能量管理。面向全向探測能力和高能武器，對飛機(jī)能量管理技術(shù)提出了更高的要求。在系統(tǒng)技術(shù)方面，美國空軍開展了“兆瓦級(jí)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)”、“飛行器綜合能源技術(shù)”、“電力、能源、熱綜合控制”以及“電力及熱綜合管理系統(tǒng)演示驗(yàn)證”項(xiàng)目，尋求機(jī)載能量系統(tǒng)技術(shù)新突破。

(6) 智能作戰(zhàn)能力。智能作戰(zhàn)能力是未來艦載機(jī)新的能力增長點(diǎn)。面向人工智能技術(shù)，美國空軍正在推進(jìn)2種新型自主飛行器Skyborg和XQ-58A，技術(shù)發(fā)展將聚焦于在指揮控制系統(tǒng)中增加更多的自主和人工智能。

(7) 互聯(lián)互通互操作能力。未來艦載機(jī)作為航母編隊(duì)的核心節(jié)點(diǎn)之一，應(yīng)能接入航母、天基等其他信息系統(tǒng)，具備跨域互聯(lián)互通的能力。美國面向作戰(zhàn)管理，安排并開展了“忠誠僚機(jī)”、“小精靈”、“分布式作戰(zhàn)管理”等多個(gè)協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目的研究。

(8) 高密度全方位火力輸出能力。不同于目前的常規(guī)動(dòng)能武器，未來艦載機(jī)將具備更先進(jìn)、更多樣化的武器能力。美國空軍研發(fā)的新型遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈(AIM-260)體積更小，重量更輕，飛行速度更快，打擊低空目標(biāo)更有效。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型戰(zhàn)斗機(jī)微型自衛(wèi)彈藥可提升單架次攜帶武器數(shù)量和單發(fā)武器作戰(zhàn)效能，增強(qiáng)平臺(tái)在A2/AD環(huán)境下面對各種威脅的生存能力，確保美軍空中優(yōu)勢。此外，美國空軍正在開展“自防護(hù)高能激光演示驗(yàn)證”項(xiàng)目以及“下一代緊湊環(huán)境激光技術(shù)”項(xiàng)目，并通過“緊湊型高能激光子系統(tǒng)評(píng)估”項(xiàng)目識(shí)別能夠提升激光武器效能的工程技術(shù)。

4 結(jié)束語

從艦載裝備的應(yīng)用來看，固定翼艦載機(jī)總體/氣動(dòng)布局綜合設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、起降動(dòng)力學(xué)及飛行控制設(shè)計(jì)、腐蝕防護(hù)及電磁兼容性設(shè)計(jì)、陸基/艦基綜合保障設(shè)計(jì)和機(jī)艦適配性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)已得到掌握，后續(xù)需重點(diǎn)針對艦載機(jī)寬域隱身設(shè)計(jì)、機(jī)載異構(gòu)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)以及隱身飛機(jī)艦上保障等問題開展研究。新一代艦載機(jī)應(yīng)具備全向隱身、超聲速巡航及續(xù)航能力，采用高集成的先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)，可在有人/無人協(xié)同網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)中進(jìn)行空中指揮，將在未來的航母艦載機(jī)體系作戰(zhàn)中發(fā)揮更大的作用。