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解密航母战机夜间起降背后的高科技,飞行员起飞感觉如加速撞墙

2019-11-03 作者:军事热点   |   浏览(195)

  出品:科普中国军事科技前沿

  歼-15

  作者:于飞(资深科技媒体人)

  空中“飞鲨”

  监制:光明网科普事业部

  歼-15飞机是我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机,具有完全的自主知识产权。它具有作战半径大、机动性好、载弹量多等特点,可根据不同作战任务携带多型反舰导弹、空空导弹、空地导弹以及精确制导炸弹等精确打击武器,实现全海域全空域打击作战能力,各项性能可与俄罗斯苏-33、美国F-18等世界现役的主力舰载战斗机相媲美,因此被誉为凶猛强悍的空中“飞鲨”。歼-15舰载机总设计师孙聪介绍说,歼-15舰载战斗机是在我国第三代战机技术基础上进行了全新设计研制的多用途舰载战斗机。

  5月24日,中央电视台公布了中国航母舰载机突破夜间起降的画面。从央视播出的画面上看,歼-15降落的过程非常平顺。这不仅说明中国航母战机驾驶员的素质非常过硬,也意味着中国航母的自动着舰系统(ACLS)和技术已相对成熟,我国成为世界上少数几个掌握舰载机夜间起降技术的国家。据了解,航母战机夜间能平稳起降,背后依靠的正是高水平的自动着舰系统和技术。而航母的舰载机自动着舰系统和技术的核心,是通过相关设备舰载机及航母的运动,由此得到飞机降落所需要的航迹,根据飞机的状态得到修正指令,然后自动控制飞机降落。

  歼-15飞机配装2台大功率发动机,实现了机翼折叠,全新设计了增升装置、起落装置和拦阻钩等系统,使得飞机在保持优良的作战使用性能条件下,实现了着舰要求的飞行特性。有资料反映,歼-15飞机在没有副油箱情况下转场航程可以达到3000公里,所以它具有很强的远程作战能力。

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  直击

  战机夜降航母遇两大挑战 全自动着舰系统应运而生

  歼-15成功着舰

  航母上的舰载机夜间起降是一件非常困难的事情。因为航母是一个活动的战机平台,在进行舰载机起降作业时,航母本身也会高速航行,这样可以减少舰载机起飞、降落所需要的速度,获得更高的最大起飞重量、更好的降落成功率。即使是动力较弱的航母,移动的速度也会达到26到28节左右。

  “砰!”一架编号“552”的米黄色战机呼啸而落,精确钩住阻拦索,轰鸣巨响中一道新的着陆胎痕“刻”在了飞行甲板上——渤海某海域,我军首批舰载机飞行员驾驶着国产歼-15飞机正在“辽宁舰”上进行阻拦着陆和滑跃起飞试验飞行。这一时刻,距离我国首艘航空母舰“辽宁舰”交接入列只有2个月。

  想一想,在夜间茫茫大海中,在运动的军舰上,飞行员只能借助自身的探照灯与跑道的标志灯等作为参照物进行着陆。舰母飞行甲板比陆地机场要小的多,并且还在不断的运动之中,海上的气候、气流也比陆地复杂和恶劣,这样就大大提高了舰载机着舰的难度。即便经验丰富的美国海军航母航母舰载机飞行员着舰的时候,着舰一次成功概率也不到50%,大部分需要进行复飞。

  完成滑出前各项程序检查后,歼-15飞机在舰上引导员的接力引导下,滑行至起飞位。止动轮挡、喷气偏流板升起,飞行员将油门推至加力状态,淡蓝色的尾焰呼呼作响,让整个甲板微微颤抖。“起飞!”只听“砰”的一声,止动轮挡释放,飞机全速冲向舰艏滑跃甲板,在起飞指挥官的眼前呼啸而起……

  对于夜间降落航母的战机来说,航母的高速运动会带来两大挑战。第一是航母航行时,会在俯仰、侧向等多个方向上都不断摇晃起伏,姿态始终处于动态变化中,这样会导致航母着舰区域的甲板高度不断变化;当甲板高度过低时,舰载机会错过拦阻索,只能拉起复飞;而甲板高度过高,舰载机甚至会直接撞毁在扬起的舰尾上。所以一般舰载机降落,航母上必须有雷达,用于精密跟踪测量舰载机降落的姿态轨迹。

  歼-15飞机加入着舰航线后,降低飞行高度调整姿态,平稳地飞向航母“怀抱”。轰鸣声由远及近,歼-15飞机进入“下滑道”。为了确保在高速中精确着舰,舰上官兵也都随之而“动”:指挥塔台,各战位值班员、指挥员全神贯注;舰艉左舷,着舰指挥官和他的助理严密注视着飞机动作的每一个微小变化;甲板下的阻拦机舱里,阻拦班班长准确输入相关数据;甲板上,身穿各种颜色马甲的保障人员各就其位……

  第二个挑战来自于航母的舰岛,航母在高速航行时会因为自身阻挡气流的作用而在后方形成范围非常大的紊乱气流区域,舰载机进入紊流区以后飞行姿态和轨迹会遭受到相当大的干扰。所以对于传统舰载机驾驶员来说来说,克服混乱气流的不可预知影响,精确控制飞机姿态和轨迹实现着舰的表现,一直是他们水平高低的最显著特征之一。

  舰载机以几百公里的时速,在航行中的航母甲板上瞬间钩住阻拦索,而着舰跑道长度只有陆地机场跑道的1/10,宽度连一半都不到。触舰、挂索、推油门……歼-15飞机稳稳停在甲板上,滑行到指定机位。

  为了克服这两大挑战,美国20世纪40年代末期就提出了自动化着舰系统的构思,但一直到20世纪80年代中期,才在F18战斗机上实现这一功能的实用化突破,并成为无人机自动着舰的技术基础。因为航母的这一整套自动着舰系统不仅有着非常高的硬件要求,而且其软件系统的难度也非常高。一旦成功,舰载机就无需人工干预,实现全自动着舰。

  装置

  全自动着舰系统的技术含量很高。从实现原理上看,航母的交通管制中心首先会引导舰载机飞到精确跟踪雷达的截获窗口,然后雷达会一直跟踪舰载机,直到着舰前的1.5~1.8秒——此时舰载机进入跟踪雷达盲区。这个过程中,雷达会不断测量飞机的位置,并根据航母自身的摇摆起伏情况进行修正,计算出当前时间内,飞机相对于航母的精确空间关系。随后计算机会将这一数据与事先储存好的理想着舰轨迹进行对比,并一方面将差异数据发送给舰载机的平显仪,提示飞行员;另一方面,这些差异数据会按照导引规律进行计算,随后按每秒10次的频率不断发送给飞机上的设备。机载设备接受并根据这些引导信息,通过飞行控制系统不断纠正飞行姿态和轨迹,最终让飞机按设置的理想着舰轨迹飞行。

  阻拦索完全自主研制

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  阻拦索——降落

  我国航母舰载机距离“全自动着舰”又近了一步

  置于飞行甲板后部的阻拦索装置完全由我国自主研制制造,在战机着舰时与尾钩完全咬合后,在短短数秒内使战机速度从数百公里的时速减少为零,并使战机滑行距离不超过百米(图一)。

  全自动着舰系统的运用,可以让航母可以高效率出动大批次航母舰载机,平时可以提高航母舰载机的训练水平,而战时可以有效的增强航母打击能力,更好发挥航母编队的作战能力。

  “菲涅耳”透镜——降落

  由于战机的全自动着舰技术比较复杂,目前,世界上仅有美国、法国的航母系统能够实现全自动着舰功能。而美国航母上真正能自动着舰的,也仅有F18系列、X47B、F35C等型号。其它型号飞机只能做到半自动引导降落,将飞机自动引导到最后一段距离,然后飞行员再根据菲涅耳光学助降系统的指引着舰。

  在飞行甲板中部外侧,有一组呈十字架状的灯光组,学名“菲涅耳”透镜。在飞机进行着舰训练时,这套灯光组会释放不同颜色的光束,飞行员会根据光束的颜色调整飞行姿态,修正着舰航线。

  苏联在解体前开发了“电阻器”系统,功能和原理类似于全自动着舰,但研制中途即遭遇苏联解体,随后停滞不前。而且,“电阻器”的实际水平很低,不仅是各分系统、设备、部件的性能较差,更重要是在数据积累、引导、控制规律的算法设计和软件编写上极不成熟,其整体性能勉强相当于美国20世纪70年代的第二代早期型的水平,在实际使用中只能勉强做到半自动引导。

  偏流板——起飞

  我国在引进“瓦良格”号航母时,并未获得“电阻器”系统,“瓦良格号”航母还在乌克兰时,所有重要设备就已经被悉数拆除,所以我国航母的自动着舰系统应该是自主研发的。

  在滑跃甲板的一端,三片巨大的偏流板镶嵌在甲板上(图二)。辽宁舰副航空长李晓勇介绍说,偏流板可以挡住战斗机起飞时释放的尾焰,把尾焰引向两侧和上方防止灼伤甲板。在偏流板的背后,有多根巨大的铜管,大量的海水在这里循环流动,从而降低偏流板自身的温度。

  从中国首艘航母“辽宁”舰服役,到这次歼-15首次在上面降落,已经过去了五年多时间,现在终于具备了夜间气象的作战能力。这也就是说,我国自动着陆系统至少经历了五年研发时间,离实现全自动地着舰功能又近了一步。

  手势

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  飞行助理姿势最酷

  我国自动着舰系统等航母技术发展较晚 但具有后发优势

  由于飞机起降时声音巨大,所有的口令都是通过手势来表达。在一个起落架次中,记者就看到了30多种手势。李晓勇对各种手势的含义作了详细的解答。

  和美国、法国的成熟自动着舰系统相比,我国自动着舰系统等航母技术确实发展比较晚。中国海军从20世纪80年代开始着手航空母舰的前期技术准备工作,其中舰载机航母起降作为重点领域进行技术攻关,在20世纪90年代在舰载机起降技术方面的取得了初步成果,在此基础上开展了自动着舰系统与飞行控制系统方面的研究。

  双臂上举,食指上指,做圆周运动。“这是命令偏流板升起。”

  不过,我国自主研发全自动的着舰系统,有着巨大的后发优势——不需走太多的弯路,可以直接沿着最有效率的正确方向高速追赶,就如同在歼10项目上,中国花了20年时间完成了对国外先进水平从望尘莫及到能够同台竞技,又在歼20项目花了10年时间,完成了跻身于世界顶尖行列的壮举。

  一条手臂从头顶垂直方向扫向水平方向,再回到头顶。“这是着舰区甲板引导员给出的甲板畅通手势。”

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