航母舰载机着舰导航技术发展研究.pdf
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1、第45卷第2 3期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023航母舰载机着舰导航技术发展研究李启军1,王擎宇1,高江炜,张鲲鹏(1.中国人民解放军9 2 9 42 部队,北京10 0 16 1;2.中国船舶集团系统工程研究院,北京10 0 0 9 4)摘要:舰载机着舰导航技术是保障舰载机在航母上安全着舰的关键技术。本文从舰载机着舰过程和着舰导航需求分析入手,结合舰载机导航技术发展历程,分别介绍了基于光学助降系统、雷达导航系统、光电导航系统和卫星定位系统的着舰导航技术,结合技术原理和适用特点对各类导航技术进行对比分析
2、,对导航技术的发展趋势进行了展望,最后提出了基于多手段融合的舰载机着舰导航技术发展方向。关键词:航母;舰载机;着舰导航技术中图分类号:TJ83文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 3-0 2 0 6-0 6Development research of carrier-borne aircraft landing navigation technology(1.No.92942 Unit of PLA,Beijing 100161,China;2.System Engineering ResearchAbstract:To ensure the safe recovery
3、of the aircrafts on the carrier,carrier-borne aircraft landing navigation techno-logy comes to the key.According to the process and requirements of carrier-borne aircraft landing,as well as the develop-ment process of carrier-borne aircraft navigation technology,the carrier-borne navigation technolo
4、gies which bases on Fres-nel Lens optical landing system,radar navigation system,opto-electronic navigation system and satellite positioning systemwere introduced.Referring to the technical principle and applicable characteristics,a comparative analysis of the navigationtechnology above was made.The
5、 development trend of navigation technology was prospected,offering a development direc-tion of carrier-borne aircraft landing navigation technology based on multimeans fusion.Key words:carrier;carrier-borne aircraft;landing navigation technology0引言在舰面保障、起飞出动、空中作战、返航着舰的航母舰载机完整作战链条中,返航着舰是航母保持持续打击能力的重
6、要环节,同时也是技术含量最高、事故率最高的环节。统计数据表明,舰载机事故有约80%是在着舰过程中发生的。20世纪6 0 年代以来,随着菲涅尔透镜、雷达、光电和卫星等导航技术的发展和应用!,舰载机事故率有所下降,但相比陆基飞机仍然很高。上述导航技术各有不同的适用性,采用单一导航手段往往无法安全覆盖实际着舰需求。发展基于多技术融合的着舰导航手段,能有效弥补单一导航技术的缺陷,大幅降低着舰事故率,显著提升航母作战能力与效率,将是未来收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7作者简介:李启军(19 7 1-),男,硕士,高级工程师,研究方向为舰船航空保障技术。文献标识码:ALI Qi-jun,WANG
7、Qing-yu,GAO Jiang-wei,ZHANG Kun-peng?Institute of CSSC,Beijing 100094,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.040舰载机着舰导航技术的重要发展方向。1舰载机着舰需求1.1舰载机着舰的主要影响因素相比陆基飞机,舰载机着舰困难更大、风险更高。制约舰载机安全着舰的主要因素有:1)有限的甲板长度。目前在役大型航母的甲板总长约30 0 m,能提供给舰载机着舰使用的降落区长约100m,不及陆基降落跑道的1/10。2)用于着舰的六自由度动平台。航母受海浪等环境因素影响会存在纵摇、横摇和升沉等
8、运动,严重影响着舰航迹的稳定性。3)异常复杂的着舰区域气流场。航母的运动和上第45卷层建筑会对甲板上方和舰尾的大气流场环境产生很大的影响,形成特殊分布流场(见图1)。因着舰而低速飞行的舰载机极易受此流场严重干扰。图1航母甲板上方和舰的流场俯视图Fig.1Overhead view of air flow distribution on the deck andstern of an aircraft carrier上述因素相互交织大大增加了舰载机着舰的困难程度与风险等级。为保证成功着舰,须精确控制舰载机着舰轨迹,保持适当速度、姿态,对准甲板跑道中线,在预期着舰点着舰;着舰后须借助阻拦系统快速吸
9、收舰载机动量,实现短距拦停;若拦停失败,舰载机还须能在有限甲板长度内完成加速,实现安全逃逸。1.2舰载机着舰过程舰载机着舰过程可分为引导、待机、进场和着舰4个阶段4,其空域划分如图2 所示。200 kn(370 km)50 kn(92.5 km)引导区20 kn(37km)3./kn(6.6km)进场区着舰区待机区图2 舰载机进场着舰过程空域划分图Fig.2Airspace divison during carrier-based aircraftapproach and landing舰载机进场着舰一般分为三类,也称I类、类和类回收。其中:I类回收工作条件为能见度9.3 km以上、云层高度9
10、 14.4m以上;类回收工作条件为能见度9.3 km以上、云层高度9 14.4m与3 0 4.8 m之间;类回收工作条件为能见度、云层高度不满足类回收类型的情况和日落后1.5h至日出前1.5h之间的任何时刻。1.2.1I 类回收又称目视回收,舰载机从航母后方进入椭圆着舰航线,经初始阶段、转弯顺风阶段、转弯到最终进场阶段,飞向航母甲板中心线向后的延长线,截获最终进场航线,使下滑角、对中角及迎角接受闭环控制,李启军,等:航母舰载机着舰导航技术发展研究航母1.3舰载机着舰导航需求舰载机着舰导航主要有以下三方面需求:范围需求,应具有足以覆盖等待、进场及着舰区域的能力;环境适应能力需求,应具有在各种环境
11、条件(如夜间、极端天气条件等)下及受到各种因素影响(如航母甲板运动、电磁干扰等)时为舰载机提供准确导航信息的能力;精度需求,应具有为舰载机和航母的航空飞行管制中心提供准确导航信息的能力,即能给出满足精度要求的航线信息与误差信息,以确保舰载机沿给定的航线飞行、准确降落在着舰区。2舰载机着舰导航技术早期的螺旋桨舰载机速度较低,着舰技术没有严格规范,着舰导航方式为LSO用“旗语”引导,通过显眼的彩色信号板告知其进舰的好坏和偏差。舰载机?207.进人最终进场阶段。此后,舰载机和飞行员接受着舰引导系统的引导信息以及LSO的纠偏指令,实现飞行状态量的精确控制,通过等角下滑技术(即舰载机在下滑道维持相同的下
12、滑航迹角、俯仰角、飞行速度和下降速率,实现撞击式着舰)完成最终安全着舰。1.2.2II 类回收类回收是舰载机在天气状况不确定时所采用的过渡模式。舰载机进入航母10 nmile范围时,航母的航空指挥中心将根据能见度状况对后续着舰模式进行决策:如飞行员可看到航母,舰载机将切换到I类回收;如飞行员看不到航母,可操纵舰载机下降高度(但不能低于2 44m),如能发现航母,舰载机将切换到I类回收;如飞行员仍看不到航母,舰载机将切换到类回收。1.2.3 II 类回收类回收下的舰载机着舰过程包括3 个阶段:等待阶段,舰载机在离航母约2 5nmile处的等待路线(也称马歇尔路线,即飞行时长约6 min的逆时针椭
13、圆型飞行路线、最低高度为18 2 8 m)盘旋等待,并在接收到进场指令后退出等待,沿航母航向进入进场阶段;进场阶段,舰载机降高飞行,降至约3 6 6 m高度时转为平飞状态。在距离航母约10 nmile处,舰载机起落架放下,扰流板、襟翼等开始工作,空速降低。在距离航母约6 nmile处,飞行员开始对着舰状态进行检查,并在距离航母约3 nmile处进人着舰阶段;着舰阶段,类似I类回收,舰载机和飞行员接受着舰引导系统的引导信息及LSO的纠偏指令,通过等角下滑技术完成安全着舰。208迈入喷气时代后速度大幅提升,光学导航取代“旗语”,进场着舰过程也更规范。之后,与雷达、光电、卫星相关的导航技术逐步发展并
14、应用于航母。2.1菲涅尔透镜光学导航技术通过菲涅尔透镜光学助降系统(FLOLS)发出的光学下滑道帮助飞行员判断着舰时的下滑角度和高度偏差,从而及时纠正偏差以保证正确完成着舰动作的导航技术回。2.1.1技术原理FLOLS由基准灯组、瞄准灯组和其他辅助设施组成:基准灯组向飞行员指示理想下滑道、供其判断舰载机的相对位置;瞄准灯组透过菲涅尔透镜发出5层与理想下滑道平行的直线性极好的光坡面,在航母后方形成一定垂向张角的光学区域。当舰载机进人FLOLS作用范围内的下滑道时,飞行员目视观测瞄准灯组,根据所看到的“光球”与横排基准灯的相对位置,判断飞机是否在理想下滑道上并对飞机高度进行相应调整,如图3 所示。
15、瞄准灯组1基准灯组100000080(1:00000000.图3“光球”与水平基准灯位置关系图Fig.3 Position relationship between the light ball andthe horizontal reference lamp2.1.2适用特点受限于甲板运动幅度,FLOLS只能工作在一定纵横摇范围内,无法适应恶劣海况。同时,飞行员视敏度的实际有效作用范围仅为0 0.7 5nmile,即在该范围内能感觉到明显的“光球”运动。但现代舰载机着舰速度很快,较短的目视范围留给飞行员校正飞机的时间很短,从而影响飞机安全着舰,这在夜间着舰时尤为明显。因此,FLOLS一般作为
16、近程着舰导航系统使用,适用于目视手动着舰。2.1.3应用情况美军2 0 世纪6 0 年代研制出FLOLS并广泛装备于航母;9 0 年代研制出改进型菲涅尔光学助降系统(I FLO LS),最大的改进是增加了垂直灯箱数量,提高了光球图像锐度、亮度、稳定度和显示灵敏度,作用距离增至1.2 5nmile。I FLO LS于2 0 0 0 年3 月定型,舰船科学技术随后陆续安装于美当时在役航母,使用至今。21世纪初,美军又研制了“艾科尔斯”激光助降系统(ICOLS)。该系统包括激光助降和改进型光学助降装置两部分,激光助降工作原理与IFLOLS类似,但采用激光灯,作用距离达10 nmile以上,可提供远程
17、进场着舰引导。2.2雷达导航技术利用安装于航母的着舰引导雷达系统,引导舰载机进入预定的进场着舰窗口,并按指定的进场着舰轨迹安全下滑着舰的导航技术。2.2.1技术原理舰载机经“塔康”无线电导航系统和进场控制雷达、舰载空中交通管制雷达接力导航至舰尾后方几千米或十几千米远的进场区空域后7 ,着舰引导雷达捕获并保持跟踪;着舰引导雷达测量数据经实时处理得出舰载机的运动参数,考虑风和航母运动的影响因素计算出着舰偏差信息与引导控制指令;信息与指令通过数据链发送至舰载机,以实现全自动或半自动着舰,或着舰时供飞行员监视使用。驾驶员看到的球2.2.2适用特点雷达导航技术较成熟,能在恶劣气象条件下使指示高度偏差用,
18、作用距离远,能提供较高精度测量数据。但系统较为庞大,测控过程复杂,在最终着舰阶段定位精度有限,且易受电子干扰。另外,系统与舰载计算机和飞控系统的交联必然会产生时延;在无线电发射管制一时,系统的使用也将受到限制8 。因此,该技术往往与其他着舰导航技术密切配合使用,用于半自动和全自动控制着舰模式。2.2.3应用情况美军从2 0 世纪6 0 年代开始研制舰载机全自动着舰导航控制系统(ACLS)9 ,并不断改进提高:第1代产品AN/SPN-10于19 6 5年装备美军;第2 代产品AN/SPN-42于19 8 4年装备美军;新1代产品AN/SPN-46雷达10-1,其最大作用距离、精度、可靠性都得到进
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