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設備與工具上月，美軍一架F-35C在卡爾文森號航母上著艦時發(fā)生墜毀落海事故。
據(jù)美國媒體15日報道，證實F-35C戰(zhàn)機上個月墜入南海水域，現(xiàn)打撈人員已抵達墜機位置進行打撈作業(yè)。當時F-35C撞機航母甲板尾部的著艦區(qū)盡頭，扯斷了所有四根阻攔索后墜海，飛機碎片散落甲板以及部分彈射器滑軌上。
航母起降是一件高風險事件，也是飛機操控中最困難的場景之一。本次我們將分為上下兩篇分別為大家解析，艦載機在航母起降的過程以及從飛控的角度來看，F(xiàn)-35C采用了哪些新技術。
F-35C與尼米茲級航空母艦
1. F-35家族
F-35是一系列單座、單引擎、全天候隱形戰(zhàn)斗機，用于空優(yōu)和對地攻擊。該系列包括三種構型：F-35A常規(guī)起飛和著陸（CTOL）構型、F-35B短距垂直起降（STOVL）構型以及F-35C艦載構型（CV）。
F-35C Lightning II是一種基于艦載機的多用途第五代隱形戰(zhàn)斗機，用于美國海軍替換老化的第四代戰(zhàn)斗機。它由普惠F135發(fā)動機提供動力，產(chǎn)生約40000磅的推力。
F-35C與F-35A和F-35B構型共享其基本結構和主要載荷路徑，但結合了專門的設計特點和強化的內部結構，以執(zhí)行彈射器發(fā)射和攔截著陸。F-35C的設計與尼米茲級（CVN 68）航空母艦兼容，并提供作戰(zhàn)支持。
F-35C的設計增加了45%的機翼面積、更大的水平安定面、更大的操縱面尺寸和外翼副翼，這有助于實現(xiàn)航母進近和著陸所需的精確低速操縱特性。F-35C的獨特功能包括折疊機翼以減少在航母上所需的甲板空間，彈射器操作的發(fā)射桿，以及用于艦上攔截的嵌入式可收起尾鉤。
2. 尼米茲級航空母艦
尼米茲級航空母艦長1092英尺，水線處寬135英尺，飛行甲板最寬處寬252英尺，吃水深度37英尺，滿載排水量約10萬噸。每艘尼米茲級戰(zhàn)艦都有一個傾斜的飛行甲板、四個C-13蒸汽彈射器、四個Mk-7攔阻裝置（三個Mk-7攔阻裝置CVN 76及更高版本）、一個改進的菲涅耳透鏡光學著陸系統(tǒng)（IFLOLS， Improved Fresnel Lens Optical Landing System）*后述解釋*、吊燈、激光陣列系統(tǒng)、飛行甲板照明、甲板下的大型飛機庫和四部飛機升降機。每艘船都有一個大約788英尺的傾斜甲板（與中心線成九度角），以便于同時發(fā)射和回收飛機。飛機通過四部升降梯升降機庫甲板：三部位于右舷，另一部位于船尾附近的左舷。
尼米茲級航空母艦甲板圖，彈射器為紅色，攔阻線為藍色
彈射器
ADDS：F-35C攔阻鉤系統(tǒng)
攔阻鉤系統(tǒng)（AHS，Arresting Hook System）包括一個尾鉤、液壓執(zhí)行器和阻尼器，以及一套將尾鉤隱藏在艙內的翻蓋門（以降低可觀測性）。它的設計目的是在艦載著陸時，通過在航空母艦甲板上接合攔阻線，或在岸上中止起飛或緊急著陸時，實現(xiàn)快速減速。攔阻鉤由電氣控制、液壓驅動，并通過俯仰樞軸銷連接到飛機結構上。
值得一提的是，F(xiàn)-35C的攔阻鉤系統(tǒng)，出于飛機尺寸的限制以及減少雷達截面積的因素考慮，尾鉤點和主起落架之間的距離（7.1英尺）相比其他飛機型號較短，雖后續(xù)依靠設計的改良提高了AHS的尾鉤嚙合率，但卻是一個安全隱患與操縱難點。
航空母艦起降的特殊性
艦載發(fā)射與從跑道起飛的環(huán)境條件有非常多的不同，比如從海平面以上約60英尺的甲板上發(fā)射、航空母艦的空氣尾流或“氣泡”、以及甲板運動。
1. 彈射起步
2. 空氣尾流氣泡
當航空母艦在水中移動時，它會對它所經(jīng)過的氣團產(chǎn)生重大影響。
3. 甲板運動
航空母艦的甲板受船舶運動的影響：縱搖、橫搖、垂蕩、漂移和荷蘭滾（pitch, roll, heave, drift, and Dutch roll）。這些動態(tài)導致發(fā)射和回收變得復雜。
對于發(fā)射，任何俯仰姿態(tài)都會導致飛機負的初始gamma角(向下的飛行航跡)。
在回收方面，船舶的運動導致著陸區(qū)域和光學鏡頭的運動，增加了艦載機著陸的難度。
艦體運動除了導致發(fā)射和回收變得復雜，還會引發(fā)空氣尾流效應。當船舶上下顛簸和起伏時，船頭會形成一個與船舶橫向軸線對齊的渦旋。這個渦旋的大小是俯仰和/或垂蕩速率的函數(shù)；隨著船頭向下傾斜或船在垂蕩后下沉而增長。人們發(fā)現(xiàn)，這種橫向渦流會影響彈射器的發(fā)射。
降落輔助
1. 著落信號員
著陸信號員（LSO，Landing Signal Officers）是經(jīng)過專門訓練的海軍飛行員。LSO保持對船舶準備好回收飛機的狀態(tài)感知，同時向接近飛機的飛行員提供接近路徑偏差反饋，以確保所有飛機的安全抵達。目前部署在作戰(zhàn)艦載機上的先進控制律概念簡化了LSO的控制任務，使指揮隊列或下滑修正輸入更加直觀。
LSO顯示系統(tǒng)
LSO可觀察到的縱向飛行軌跡
LSO可觀察到的橫向飛行軌跡
2. 光學著落系統(tǒng)
光學著陸系統(tǒng)（OLS，Optical landing system）綽號“meatball肉球”或簡稱“Ball球”，該裝置安裝在航母左側，以便在進近的最后階段向飛行員提供視覺下滑路徑信息。該系統(tǒng)顯示一個亮橙色的“球”，動態(tài)穩(wěn)定以補償船舶的俯仰、橫搖和垂蕩運動。通過這種調整，可以根據(jù)每種機型的尾鉤到飛行員的視線距離，精確確定尾鉤著陸點。
LensAssembly透鏡組件/Ball——包含12個光纖光單元的垂直盒。表示飛機相對于下滑道的相對位置。如果飛機高度較高，球將位于基準燈上方；如果飛機高度較低，球也同樣會低于基準面。飛機離下滑道越遠，球在基準燈上方或下方的距離就越遠。如果飛機飛得很低，球就會變成紅色，表示飛機已經(jīng)處于危險的低空狀態(tài)。
Datum Lights基準燈——一排水平的綠燈，用來給飛行員提供一個參考，飛行員可以根據(jù)這個參考來判斷自己相對于下滑道的位置。
Wave-off lights關閉指示燈——紅色閃爍的指示燈，點亮時，指示飛行員必須增加全功率并繞行-強制命令。當wave off燈點亮時，所有其他燈熄滅。波浪關閉燈由LSO手動操作。
Cut Lights切斷燈——綠燈用于根據(jù)接近的飛機在其接近的位置發(fā)出不同的信號。在無無線電或“zip lip”進近（這是現(xiàn)代航母操作中的常規(guī)）的早期，切斷燈閃爍約2-3秒，以表明飛機已獲準繼續(xù)進近。
美國海軍有兩個岸基視覺著陸輔助設備：Mk 8菲涅耳透鏡光學著陸系統(tǒng)（FLOLS, Fresnel Lens Optical Landing System）和Mk 14改進菲涅耳透鏡光學著陸系統(tǒng)（IFOLS, Improved Fresnel Lens Optical Landing System）。IFOLS在FLOLS的基本設計上進行改進，使用光纖“光源”光，通過透鏡投射，呈現(xiàn)更清晰、更清晰的光。這使得飛行員開始將“球”飛離飛船更遠，從而使從儀表飛行到視覺飛行的過渡更加順暢。
艦載下滑道幾何學
為了實現(xiàn)精確的將鉤點著陸在目標位置，必須徹底了解下滑道幾何、船上著陸動力學和環(huán)境影響。以下是有關艦載機在下滑場景中下滑道幾何的常用術語定義：
1） Natural Wind自然風—現(xiàn)有的地面風是由與船舶運動無關的氣流引起的；
2） Ship's Wind船舶風—船速產(chǎn)生的風，大小相等，方向相反；
3） WOD,Relative wind or wind over the deck相對風或甲板上的風—自然風和船舶風的矢量和；
4） RHW,Recovery Headwind,回收逆風—WOD平行于著陸區(qū)中心線的部分；
5） Recovery Crosswind回收側風—WOD垂直于于著陸區(qū)中心線的部分。
6）α—攻角，機身基準線（FRL，F(xiàn)uselage Reference Line）與氣流之間的夾角；
7）γ—爬升角，機身基準線與飛行路徑之間的夾角；
8）Θ—下滑角度，光學著陸輔助光源與地平線之間的角度；
9）Φ—機身基準線與飛行員眼睛與掛鉤點連線之間的夾角。；
10）L—飛行員眼睛到掛鉤點的直線距離。
飛機的鉤眼（H/E，Hook-to-Eye）距離對于將飛機降落在航空母艦著陸區(qū)的適當位置至關重要。H/E距離需要精確確定；任何錯誤都會導致提前接地，從而減少鉤距坡道（H/R，Hook-to-Ramp）間隙，或延遲接地，從而增加錨栓率。
幾何學應用之一：船舶前進運動對有效下滑道的影響
上海獅尾智能化科技有限公司，成立于2015年，公司研發(fā)團隊擁有航空、人工智能、自動駕駛等行業(yè)背景，從事無人智能機器人開發(fā)應用，其中核心研發(fā)團隊人員碩士以上占50%。
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公司坐落于上海浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)，擁有完善的管理、市場、服務體系，無人機產(chǎn)品在業(yè)界及海內外具有良好的口碑與極強的市場競爭力，廣泛應用于測繪、能源、警用安防、生態(tài)保護等領域，遠銷美國、俄羅斯、巴西、非洲、東南亞等國家和地區(qū)。
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