王擎宇，李啟軍，譚大力，耿建明

美國(guó)海軍先進(jìn)阻攔裝置發(fā)展情況研究

王擎宇，李啟軍，譚大力，耿建明

（海軍研究院，北京 100161）

先進(jìn)阻攔裝置是美國(guó)為建造“福特”級(jí)航母而專門研發(fā)的新一代航母阻攔裝置。該裝置以水渦輪機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及機(jī)械制動(dòng)器為主要吸能部件，具有阻攔能級(jí)高、阻攔過載小等性能優(yōu)勢(shì)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了美國(guó)先進(jìn)阻攔裝置的發(fā)展歷程，并對(duì)先進(jìn)阻攔裝置的工作原理、系統(tǒng)組成以及技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)剖析，總結(jié)了主要技術(shù)難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，梳理并分析了先進(jìn)阻攔裝置的技術(shù)指標(biāo)體系，針對(duì)其中的關(guān)鍵指標(biāo)分析了指標(biāo)內(nèi)涵與設(shè)定意義。研究?jī)?nèi)容可為我國(guó)新一代阻攔裝置的研發(fā)提供借鑒和參考。

航空母艦 阻攔裝置 福特級(jí)航母 先進(jìn)阻攔裝置

0 引言

航母阻攔裝置是航母上重要的航空保障特種裝備。美國(guó)在研究新一代“福特”級(jí)航母時(shí),提出了發(fā)展新型阻攔裝置的目標(biāo)，并最終將該裝置確定為以水渦輪機(jī)和感應(yīng)電機(jī)為主要吸能部件的先進(jìn)阻攔裝置（AAG）[1]。相比于液壓阻攔裝置，先進(jìn)阻攔裝置（也稱電力渦輪阻攔裝置）具有阻攔能級(jí)高、裝置結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制等優(yōu)勢(shì)。新裝置將取代目前使用的液壓阻攔裝置，并用于所有“福特”級(jí)航母。

1 美國(guó)先進(jìn)阻攔裝置發(fā)展歷程

先進(jìn)阻攔裝置的研制生產(chǎn)經(jīng)歷了技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)研發(fā)與演示驗(yàn)證、生產(chǎn)裝艦三大階段。

1）技術(shù)開發(fā)階段

該階段主要完成阻攔裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析和系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，并開展部分關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及水渦輪機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等關(guān)鍵部套件評(píng)估。

2003年，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部分別授予通用原子公司和諾?格公司價(jià)值1124萬美元的概念與技術(shù)研發(fā)合同，在15個(gè)月內(nèi)完成系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)工作。該階段結(jié)束后，美國(guó)海軍將從兩家公司中選出一家作為先進(jìn)阻攔裝置的主承包商。經(jīng)審查，美國(guó)海軍最終選擇了通用原子公司領(lǐng)導(dǎo)的工業(yè)小組，繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)研制與演示驗(yàn)證階段的工作。

2）系統(tǒng)研發(fā)與演示驗(yàn)證階段

該階段主要完成系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)制造，進(jìn)行噴氣推車軌道試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上完成生產(chǎn)樣機(jī)研制，并開展艦機(jī)適配性試驗(yàn)等。

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，先后發(fā)現(xiàn)水渦輪機(jī)等系統(tǒng)的多個(gè)主要部件和軟件系統(tǒng)存在缺陷，致使系統(tǒng)數(shù)次重新設(shè)計(jì)。同時(shí)，試驗(yàn)先進(jìn)阻攔裝置的噴氣推車軌道試驗(yàn)站的硬件安裝、系統(tǒng)檢測(cè)和交付等工作進(jìn)度一再推遲。2011年，先進(jìn)阻攔裝置開始在赫斯特湖進(jìn)行陸上噴氣推車阻攔試驗(yàn)。至2015年，通過噴氣推車模擬F/A-18C/D“大黃蜂”、F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”、E-2C/D“鷹眼”等艦載機(jī)，進(jìn)行了1000余次陸上噴氣推車阻攔試驗(yàn)，完成了先進(jìn)阻攔裝置性能包絡(luò)線的檢查。2016年開始進(jìn)行陸上飛機(jī)阻攔試驗(yàn)，完成了F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”等型號(hào)艦載機(jī)的陸上阻攔試驗(yàn)。

3）生產(chǎn)裝艦階段

該階段主要完成先進(jìn)阻攔裝置的生產(chǎn)裝艦，并完成艦上測(cè)試與裝備交付。

2008年福特號(hào)航母的詳細(xì)設(shè)計(jì)與建造合同授出時(shí)，先進(jìn)阻攔裝置僅開展了部分部套件試驗(yàn)，技術(shù)成熟度僅為5級(jí)。然而為了追趕福特號(hào)航母的研制進(jìn)度，先進(jìn)阻攔裝置在大量陸上試驗(yàn)尚未完成的情況下就開始了首批裝置生產(chǎn)。期間，由于水渦輪組件暴露的缺陷，不得不對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，影響到了裝艦計(jì)劃。2015年5月，先進(jìn)阻攔裝置的大部分設(shè)備已經(jīng)完成在“福特”號(hào)航母上的安裝，并于同年7月開始進(jìn)行艦上性能測(cè)試。2017年7月22日，福特號(hào)航母正式服役，并繼續(xù)開展相關(guān)試驗(yàn)及訓(xùn)練，至2020年2月，先進(jìn)阻攔裝置在福特號(hào)航母上完成了約1000次阻攔著艦試驗(yàn)。

從上述發(fā)展歷程來看，由于阻攔裝置研發(fā)進(jìn)度與福特號(hào)航母設(shè)計(jì)建造計(jì)劃存在一定程度的矛盾，“系統(tǒng)研發(fā)及演示驗(yàn)證階段”與“生產(chǎn)裝艦階段”在時(shí)間段上出現(xiàn)了較大程度的重疊，因而出現(xiàn)了邊設(shè)計(jì)、邊試驗(yàn)、邊生產(chǎn)的不合理局面，為裝備的研發(fā)帶來了巨大的技術(shù)、生產(chǎn)和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)。

2 先進(jìn)阻攔裝置的技術(shù)方案

2.1 先進(jìn)阻攔裝置的組成及原理

先進(jìn)阻攔裝置以水渦輪機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及機(jī)械制動(dòng)器為主要吸能部件，同時(shí)能夠通過調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)扭矩輸出來精確控制飛機(jī)阻攔著艦過程，包括阻攔過載、阻攔距離等[2]。其基本構(gòu)成如圖1所示。其中阻攔索、纜索傳動(dòng)系統(tǒng)、前端緩沖系統(tǒng)均與傳統(tǒng)的液壓阻攔裝置類似，主要區(qū)別在于阻攔機(jī)、電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軟件控制系統(tǒng)。阻攔機(jī)主要包括水渦輪機(jī)、錐形鼓輪、機(jī)械制動(dòng)器、感應(yīng)電機(jī)，且四者的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件共軸連接，詳見圖2；電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括電容器組、水冷電阻器、逆變器等；軟件控制系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)、操作人員工作臺(tái)以及維護(hù)人員工作臺(tái)等。

圖1 先進(jìn)阻攔裝置系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 阻攔機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

先進(jìn)阻攔裝置的阻攔過程可分為“跟蹤”與“捕獲”兩個(gè)階段[3]。在“跟蹤”階段（即阻攔初始階段），當(dāng)艦載機(jī)成功鉤索后，尾鉤將牽動(dòng)阻攔索并帶動(dòng)滑輪索從錐形鼓輪中牽出，使阻攔機(jī)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)感應(yīng)電機(jī)先對(duì)旋轉(zhuǎn)軸施加加速扭矩，降低鉤索初期對(duì)艦載機(jī)的沖擊力，使接觸過程相對(duì)平穩(wěn)。隨后，阻攔裝置作業(yè)進(jìn)入“捕獲”階段（即艦載機(jī)動(dòng)能吸收階段），此時(shí)感應(yīng)電機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸施加制動(dòng)扭矩，并與水渦輪機(jī)共同完成能量吸收工作，摩擦制動(dòng)器作為備用的吸能部件，可在感應(yīng)電機(jī)或水渦輪機(jī)失效時(shí)使用，確保整個(gè)阻攔系統(tǒng)的可靠性。感應(yīng)電機(jī)、水渦輪機(jī)與機(jī)械制動(dòng)器這3個(gè)部件只要保持其中兩個(gè)正常工作，就能夠完成艦載機(jī)動(dòng)能的完全吸收，實(shí)現(xiàn)了阻攔能力的冗余。軟件控制系統(tǒng)可通過電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制感應(yīng)電機(jī)作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩，使錐形鼓輪上的纜索以相對(duì)恒定的張力釋放，保證艦載機(jī)在阻攔過程中受力均勻，最終實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)在甲板的降落。阻攔結(jié)束后，通過控制感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，還可實(shí)現(xiàn)阻攔索的自動(dòng)回撤。

2.2 先進(jìn)阻攔裝置的關(guān)鍵部套件

1）水渦輪機(jī)

水渦輪機(jī)是先進(jìn)阻攔裝置的主要吸能部件，其構(gòu)成主要包括容納流體的缸體和葉輪，如圖3所示。葉輪固定在旋轉(zhuǎn)軸上，并浸沒在缸內(nèi)流體中。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將帶動(dòng)葉輪的葉片與流體相互作用，在軸上產(chǎn)生減速扭矩，從而降低軸的旋轉(zhuǎn)速度。同時(shí)，葉輪與缸體蓋板之間安裝有可軸向平移的擋板。通過調(diào)節(jié)擋板軸向位置可改變?nèi)~輪的有效工作空間，從而改變?nèi)~輪旋轉(zhuǎn)過程中的流體阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水渦輪機(jī)輸出扭矩大小的調(diào)節(jié)，以適配不同工況下阻攔作業(yè)。水渦輪機(jī)的扭矩輸出檔位通常根據(jù)待阻攔的機(jī)型預(yù)先設(shè)置好，并在阻攔過程中保持不變。待阻攔結(jié)束后，則調(diào)整至扭矩最小檔位，以減小回撤阻攔索時(shí)水渦輪機(jī)的反轉(zhuǎn)阻力。

圖3 水渦輪機(jī)實(shí)物圖

2）感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)是先進(jìn)阻攔裝置的主要吸能部件之一，也是實(shí)現(xiàn)阻攔過程實(shí)時(shí)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。先進(jìn)阻攔裝置的感應(yīng)電機(jī)屬于低慣量的3相感應(yīng)電機(jī)，能夠快速降低阻攔機(jī)軸系的轉(zhuǎn)速。該電機(jī)主要由一個(gè)空心杯型薄壁轉(zhuǎn)子與內(nèi)外兩套獨(dú)立的定子繞組組成。轉(zhuǎn)子的杯壁在內(nèi)外定子之間，如圖4所示。采用這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)可以在輸出較大的轉(zhuǎn)矩同時(shí)有效降低轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

感應(yīng)電機(jī)的電力來源于電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在阻攔之前可收縮和張緊纜索，在阻攔過程中可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的輸出。在初始鉤鎖階段，感應(yīng)電機(jī)起到電動(dòng)機(jī)的作用，向旋轉(zhuǎn)軸輸出正向扭矩，以減小對(duì)飛機(jī)的沖擊；在制動(dòng)階段，感應(yīng)電機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用，向旋轉(zhuǎn)軸輸出反向扭矩，同時(shí)輸出的電力通過逆變器為電容器組充電，用于下一次阻攔任務(wù)，而多余的電量則輸送到水冷電阻柜以熱能的形式耗散。

圖4 感應(yīng)電機(jī)示意圖

3）機(jī)械制動(dòng)裝置

機(jī)械制動(dòng)裝置采用盤式制動(dòng)結(jié)構(gòu)，其主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括若干定子摩擦片與轉(zhuǎn)子摩擦片，其中轉(zhuǎn)子摩擦片與轉(zhuǎn)軸固連并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，定子摩擦片與轉(zhuǎn)子摩擦片交替排列堆疊。艦載機(jī)拉動(dòng)纜索并帶動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)時(shí)，定/轉(zhuǎn)子摩擦片存在旋轉(zhuǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)摩擦片間的軸向壓力可調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。

機(jī)械制動(dòng)裝置通常作為備用吸能部件，當(dāng)阻攔機(jī)其他吸能裝置失效（如水渦機(jī)失效或感應(yīng)電機(jī)失效）時(shí)將發(fā)揮吸能作用。此外，在阻攔開始之前的準(zhǔn)備狀態(tài)下，機(jī)械制動(dòng)裝置可以保持纜索的張力。

圖5 錐形鼓輪實(shí)物圖

4）錐形鼓輪

錐形鼓輪的主要功能是收放滑輪組索，同時(shí)將艦載機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為阻攔機(jī)軸系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。錐形鼓輪固定在旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)降落飛機(jī)接觸并拉動(dòng)阻攔索時(shí)，滑輪索將牽動(dòng)錐形鼓輪帶動(dòng)整個(gè)阻攔機(jī)軸系旋轉(zhuǎn)。

錐形鼓輪采用圓錐外形，如圖5所示，其目的是降低阻攔過程中軸系的轉(zhuǎn)速變化率。滑輪索從輪轂外徑較大的一側(cè)釋出，末端在外徑較小的一側(cè)固定。在阻攔初期，由于飛機(jī)的速度較高，較大的鼓輪外徑可降低輪轂的轉(zhuǎn)速，隨著飛機(jī)速度的逐漸減小，滑輪索釋放位置對(duì)應(yīng)的錐形鼓輪外徑也逐漸減小，起到了平衡轉(zhuǎn)速變化的作用，更有利于阻攔機(jī)對(duì)阻攔過程的控制，使艦載機(jī)的制動(dòng)過程更加平穩(wěn)。

5）電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要用于分配、調(diào)節(jié)和控制阻攔感應(yīng)電機(jī)作業(yè)所需的電力。主要由電容器組、逆變器以及水冷電阻器柜組成。

逆變器主要功能是根據(jù)控制系統(tǒng)指令向感應(yīng)電機(jī)提供電力，驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或輸出特定的扭矩；電容器組的主要功能是向逆變器提供驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的電能，同時(shí)在能量吸收階段存儲(chǔ)一部分飛機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能，用于下次阻攔作業(yè)用電，實(shí)現(xiàn)能量的臨時(shí)存儲(chǔ)與循環(huán)利用；水冷電阻器的主要功能是耗散剩余飛機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能。

6）軟件控制系統(tǒng)

現(xiàn)役液壓阻攔裝置一般通過流量控制閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)阻攔過程的控制[4],先進(jìn)阻攔裝置利用軟件數(shù)字控制設(shè)備替代了傳統(tǒng)的機(jī)械控制設(shè)備，提高了控制效率和維護(hù)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一定程度的閉環(huán)控制。

先進(jìn)阻攔裝置的軟件控制系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)、操作人員工作臺(tái)以及維護(hù)人員工作臺(tái)組成。動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲得感應(yīng)電機(jī)的反饋，包括轉(zhuǎn)速和位置等信息，控制逆變器輸送給感應(yīng)電機(jī)的電力大小和方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)施加在軸上的扭矩，平衡感應(yīng)電機(jī)、水力渦輪、機(jī)械制動(dòng)器和錐形鼓輪對(duì)軸的作用，最終控制纜索從鼓輪以充分恒定的張力釋放，并控制飛機(jī)停止的位置。此外通過軟件控制系統(tǒng)還可以通過配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)水渦輪機(jī)、機(jī)械制動(dòng)器的扭矩輸出檔位進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定和調(diào)節(jié)。

3 先進(jìn)阻攔裝置的研制難點(diǎn)

1）系統(tǒng)集成

相比于電磁彈射裝置，先進(jìn)阻攔裝置沒有大量采用新技術(shù)，而是集成了許多在其他領(lǐng)域已經(jīng)驗(yàn)證過的成熟技術(shù)，如阻攔機(jī)中的三大吸能部件：水力渦輪機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和機(jī)械制動(dòng)裝置，都曾在民用或軍用領(lǐng)域成功應(yīng)用過。然而，將這些部件組合成一個(gè)新的系統(tǒng)用于阻攔艦載機(jī)則是個(gè)全新設(shè)想，需要考慮各部件之間的接口兼容與性能匹配問題，而且為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)，各部件需要根據(jù)裝置的使用需求進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2）軟件控制系統(tǒng)

對(duì)阻攔過程的精確控制是先進(jìn)阻攔裝置的優(yōu)勢(shì)之一。因此，先進(jìn)阻攔裝置需通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得感應(yīng)電機(jī)的反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)施加在軸上的扭矩，平衡感應(yīng)電機(jī)、水渦輪機(jī)、機(jī)械制動(dòng)器和錐形鼓輪對(duì)軸的作用，最終控制纜索以充分恒定的張力攔停飛機(jī)。如何通過軟件精確控制感應(yīng)電機(jī)、水力渦輪、機(jī)械制動(dòng)器等機(jī)械部件的制動(dòng)扭矩輸出，對(duì)軟件控制系統(tǒng)提出了很高的要求。

3）水渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)

水渦輪機(jī)為先進(jìn)阻攔裝置的主要吸能部件，能夠通過摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散。阻攔過程中大約有65%的飛機(jī)動(dòng)能由水渦輪機(jī)吸收。水渦輪機(jī)的工作原理涉及機(jī)械、流場(chǎng)的復(fù)雜耦合過程，設(shè)計(jì)制造的難度較大。美國(guó)在研制先進(jìn)阻攔裝置的過程中，就出現(xiàn)了重新設(shè)計(jì)并制造水渦輪機(jī)的情況，造成了系統(tǒng)研制費(fèi)用增長(zhǎng)和裝艦延遲。

3.1 先進(jìn)阻攔裝置的指標(biāo)構(gòu)成

美軍根據(jù)指標(biāo)的重要程度將先進(jìn)阻攔裝置的性能指標(biāo)分為關(guān)鍵性能指標(biāo)、主要性能指標(biāo)和其他性能指標(biāo)三類，每一類指標(biāo)又包含若干具體的指標(biāo)項(xiàng)目，如圖6所示。

圖6 先進(jìn)阻攔裝置主要指標(biāo)構(gòu)成

3.2 先進(jìn)阻攔裝置的關(guān)鍵性能指標(biāo)

美軍為先進(jìn)阻攔裝置提出的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括飛機(jī)適配性要求、阻攔作業(yè)周期和可用性3項(xiàng)，具體如下：

1）飛機(jī)適配性要求

飛機(jī)適配性是衡量阻攔裝置能力最為關(guān)鍵的指標(biāo)，該要求主要通過綜合性能包絡(luò)圖反映，如圖7所示。該包絡(luò)圖是對(duì)裝置的阻攔能量、阻攔重量、允許嚙合速度等阻攔能力的綜合體現(xiàn)。圖中灰色區(qū)域?yàn)檠b置的門限值要求，其邊界反映了裝置各項(xiàng)指標(biāo)門限值的邊界?；疑珔^(qū)域的上界反映了裝置的最大阻攔能量，左、右邊界分別反映了能夠阻攔的最小和最大著艦速度，上、下曲線分別代表能夠阻攔的最大和最小飛機(jī)重量。針對(duì)FA-18 C/D艦載戰(zhàn)斗機(jī)、E2C預(yù)警機(jī)、EA-6B電子戰(zhàn)飛機(jī)、T-45教練機(jī)等典型阻攔對(duì)象，先進(jìn)阻攔裝置的能力包絡(luò)圖應(yīng)能夠囊括上述機(jī)型的著艦重量、著艦速度等工況要求，并且應(yīng)能同時(shí)滿足其相應(yīng)的阻攔過載要求。圖中網(wǎng)格區(qū)域加上灰色區(qū)域范圍為裝置的目標(biāo)值要求，可以看出目標(biāo)值與門限值主要區(qū)別是裝置能夠阻攔的最小飛機(jī)重量，即具備阻攔艦載無人機(jī)等輕型艦載機(jī)的能力。

圖7 先進(jìn)阻攔裝置性能包絡(luò)圖示意

2）阻攔作業(yè)周期要求

該指標(biāo)主要反映了阻攔裝置的連續(xù)作業(yè)能力。阻攔周期通常以甲板阻攔索張緊準(zhǔn)備阻攔為時(shí)間起點(diǎn)，經(jīng)阻攔飛機(jī)、索鉤分離、阻攔滑輪索復(fù)位等步驟，直至完成系統(tǒng)設(shè)置確認(rèn)、阻攔索再次張緊準(zhǔn)備下次阻攔為一次完整作業(yè)周期。該周期通常不超過1分鐘。

3）可用性要求

“福特”級(jí)航母擬設(shè)置4套阻攔裝置，其中2部為索聯(lián)機(jī),僅能連接阻攔索，另2部為索/網(wǎng)聯(lián)機(jī)，既可連接阻攔索也可連接阻攔網(wǎng)。這種配置方式提高了阻攔機(jī)故障情況下的冗余性。先進(jìn)阻攔裝置的可用性被定義為4套阻攔裝置中至少有2部阻攔索與1部阻攔網(wǎng)可用的概率。

3.3 先進(jìn)阻攔裝置的主要性能指標(biāo)

美軍為先進(jìn)阻攔裝置提出的主要性能指標(biāo)主要包括索網(wǎng)裝換時(shí)間、配備人員數(shù)量、高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下飛機(jī)的回收率（單波次）、人員系統(tǒng)集成等，具體如下：

1）索網(wǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間

在“福特”級(jí)航母阻攔裝置配置方案中，第3和第4部阻攔裝置均采用索/網(wǎng)聯(lián)機(jī)，為此，美軍對(duì)先進(jìn)阻攔裝置的索網(wǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間指標(biāo)提出了要求，以使緊急情況發(fā)生時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠完成兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2）配備人員數(shù)量

美軍采用先進(jìn)阻攔裝置替代液壓阻攔裝置的目標(biāo)之一就是減少裝置配備人數(shù)。因此，美軍將先進(jìn)阻攔裝置的配備人員數(shù)量作為裝置的主要性能指標(biāo)之一，相比于液壓阻攔可降低約10~20%。

3）高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下飛機(jī)的回收率（單波次）

該指標(biāo)主要反映了阻攔裝置在單波次內(nèi)連續(xù)實(shí)施阻攔作業(yè)的能力，主要由母艦總體出動(dòng)回收架次率要求細(xì)化分解得到，與母艦總體的出動(dòng)回收能力相匹配。美軍根據(jù)其預(yù)期的典型作業(yè)狀態(tài)提出了21~44分鐘內(nèi)回收28~44架次的要求，平均阻攔周期小于1分鐘，對(duì)裝置的連續(xù)回收能力要求較高。

4）人員系統(tǒng)集成

該指標(biāo)主要反映了阻攔裝置人機(jī)交互的友好性，盡可能降低裝置操作的復(fù)雜程度，提高裝置的作戰(zhàn)使用效能。

3.4 先進(jìn)阻攔裝置的其他性能指標(biāo)

美軍為先進(jìn)阻攔裝置提出的其他性能指標(biāo)包括持續(xù)作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率、高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率、平均無故障間隔周期、平均故障修復(fù)時(shí)間、系統(tǒng)重量等，具體如下：

1）持續(xù)/高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率

先進(jìn)阻攔裝置在持續(xù)/高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率指標(biāo)與航母總體艦載機(jī)持續(xù)/高強(qiáng)度出動(dòng)架次率相一致?！案Ｌ亍奔?jí)航母的出動(dòng)回收指標(biāo)要求如表1所示[6]。

表1 “福特”級(jí)航母出動(dòng)架次率要求

其中持續(xù)出動(dòng)架次率反映了母艦面臨中等威脅時(shí)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作戰(zhàn)能力，高強(qiáng)度出動(dòng)架次率反映了母艦面臨高威脅或擔(dān)負(fù)重要使命時(shí)短時(shí)間高強(qiáng)度作戰(zhàn)能力。前述“主要性能指標(biāo)”中也提出了“高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率”指標(biāo)，與此處同名指標(biāo)的主要區(qū)別為：前者主要反映單波次內(nèi)連續(xù)阻攔作業(yè)能力，而后者主要反映裝置多波次持續(xù)作業(yè)能力。

“尼米茲”級(jí)航母采用Mk7型液壓阻攔裝置，其持續(xù)出動(dòng)架次率為120架/天，高強(qiáng)度出動(dòng)架次率為230架次/天[6]。相比之下，“福特”級(jí)航母的先進(jìn)阻攔裝置，其持續(xù)作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率指標(biāo)門限值（160架次/天）提高了33%，目標(biāo)值（230架次/天）提高了92%；高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下的飛機(jī)回收率指標(biāo)門限值（270架次/天）提高了17%，目標(biāo)值（310架次/天）提高了35%。可以看出，先進(jìn)阻攔裝置較液壓阻攔裝置在這兩項(xiàng)指標(biāo)上有明顯提升。

2）平均無故障間隔周期與平均故障修復(fù)時(shí)間

這兩項(xiàng)指標(biāo)是反映阻攔裝置可靠性和維修性的重要指標(biāo)。阻攔裝置在執(zhí)行阻攔任務(wù)時(shí)若出現(xiàn)嚴(yán)重故障，則在空的艦載機(jī)編隊(duì)將無法降落，會(huì)導(dǎo)致極為嚴(yán)重的損失。因此一方面要求裝置具有較低的故障率，另一方面若出現(xiàn)故障需要短時(shí)間內(nèi)能夠修復(fù)。平均無故障間隔周期是指裝置在使用階段中累計(jì)工作周期與故障次數(shù)的比值，通常要求在1000次以上（單部阻攔裝置），平均故障修復(fù)時(shí)間是指阻攔裝置的修復(fù)性維修（艦員級(jí)）總時(shí)間與故障總數(shù)之比，通常要求在1小時(shí)以內(nèi)。

3）系統(tǒng)重量

針對(duì)上艦裝備通常要考慮其對(duì)母艦總體的排水量、浮性、穩(wěn)性等因素的影響，因此其重量通常被限定在一定范圍內(nèi)。根據(jù)先進(jìn)阻攔系統(tǒng)在“福特”級(jí)航母上的配置方案，其系統(tǒng)重量為8臺(tái)阻攔機(jī)（每套阻攔裝置含有2臺(tái)阻攔機(jī)，共4套）、阻攔索、滑輪組索以及其他附屬裝置的總和。該重量整體大于Mk7型液壓阻攔裝置的重量。

4 結(jié)論與啟示

先進(jìn)阻攔裝置是新一代航母阻攔裝置更新?lián)Q代的產(chǎn)品，反映了未來航母阻攔裝置的發(fā)展趨勢(shì)。在技術(shù)方案方面，盡管先進(jìn)阻攔裝置所采用的技術(shù)均為相對(duì)成熟的技術(shù)，但在具體部套件層面都需要針對(duì)阻攔裝置總體能力要求進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，同時(shí)還存在著系統(tǒng)集成、軟件控制等諸多研制難點(diǎn)，其研發(fā)難度不亞于研發(fā)全新裝備。在能力指標(biāo)方面，先進(jìn)阻攔裝置相比于液壓阻攔裝置具有阻攔能級(jí)更高、覆蓋機(jī)型更廣、阻攔過載更小等優(yōu)勢(shì)，回收能力整體增強(qiáng)，能夠適應(yīng)新一代航母及艦載機(jī)對(duì)航母阻攔裝置回收能力的需求。

針對(duì)我國(guó)同類裝備的發(fā)展，幾點(diǎn)啟示總結(jié)如下：

一是發(fā)展新一代阻攔裝置是未來航母發(fā)展的必然要求。傳統(tǒng)的液壓式阻攔裝置阻攔覆蓋機(jī)型有限，尤其是難以適配輕型無人機(jī)及質(zhì)量更重、速度更高的重型艦載機(jī)，同時(shí)還存在著操作維護(hù)工作量大、信息化程度低等不足，難以適應(yīng)未來航母的作戰(zhàn)能力要求，因此有必要發(fā)展新一代的航母阻攔裝置，與未來航母及艦載機(jī)的回收能力要求相匹配。

二是要結(jié)合我國(guó)整體的工業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，選擇適合自己的阻攔裝置技術(shù)方向。美國(guó)在先進(jìn)阻攔裝置的技術(shù)方案上選擇了其應(yīng)用相對(duì)成熟的水渦輪機(jī)作為主要吸能部件，即便如此，也在研制過程中頻頻出現(xiàn)問題而反復(fù)改進(jìn)設(shè)計(jì)。我國(guó)機(jī)械技術(shù)水平相對(duì)落后于國(guó)外先進(jìn)水平，但在電氣技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平相當(dāng)，因此可考慮以感應(yīng)電機(jī)為主要吸能部件的技術(shù)方案，不僅可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，還可以整體提高阻攔裝置的自動(dòng)化、信息化水平，獲得更好的裝備性能。

三是科學(xué)規(guī)劃研制流程，充分釋放風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)先進(jìn)阻攔裝置在發(fā)展歷程上出現(xiàn)了諸多問題和反復(fù)，歸結(jié)其原因主要是研制過程未遵守新裝備研發(fā)的客觀規(guī)律，盲目追趕母艦建造進(jìn)度而造成。一項(xiàng)新裝備研發(fā)通常會(huì)面臨技術(shù)、資金、進(jìn)度等方面的諸多風(fēng)險(xiǎn)，因此需要規(guī)劃合理的研制流程對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分釋放，尤其是不能為盲目的追趕進(jìn)度而放松對(duì)裝備的驗(yàn)證與考核，為了考核而考核，為了交付而交付，將不成熟、不好用的裝備交給部隊(duì)。

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Research on the Development of Advanced Arresting Gear of US Navy

Wang Qingyu, Li Qijun, Tan Dali, Geng Jianming

(Naval Research Academy, Beijing 100161, China)

TM92

A

1003-4862（2021）07-0039-06

2020-12-14

王擎宇（1986-），工程師，博士，研究方向：艦船航空保障特種裝置和電磁發(fā)射技術(shù)。E-mail: jameswang8628@163.com.