2018年，美海軍在“林肯”號航母上利用F/A-18E/F、EA-18G開展了“魔毯”（MAGIC CARPET，又稱“精確著艦模式”）輔助著艦系統測試。測試期間，進行了157次觸艦復飛，過程中，飛機模擬水平尾翼、副翼、發動機等故障，“魔毯”均確保了艦載機的精確著艦。先前測試數據表明，艦載機集成“魔毯”後，66%的著艦點位於目標點前後5米左右，與目前66%的著艦點位於目標點前後12米左右相比，精度提高60%，且一次著艦成功率高達95%。
一、研發背景及歷程
美軍艦載機需要在長50米、寬12米左右的甲板區域完成著艦作業，著艦難度極大。特別是在最後15～18秒內，飛行員需憑經驗執行200～300次人工操控，調整飛機多項參數，對飛行員要求極高。
為解決最後著艦階段人工操控頻繁的難題，美海軍於2011年啟動“魔毯”研發工作；2012年末，美海軍使用兩種不同飛機模擬器對該系統進行了演示驗證；2015年3月，在“布什”號航母上，開展了首次該系統艦上試驗，使用F/A-18E/F進行了180次觸艦復飛和16次阻攔著艦，積累了各種風況下“魔毯”的試驗數據；2016年6月的試驗中，飛行員在著艦最後18秒內，最少只需10餘次人工操控即可著艦。
圖 1 “魔毯”系統輔助下著艦點分佈圖
二、關鍵技術
“魔毯”是一款簡化飛行員著艦操控的智能化系統，核心是在現有飛控系統中集成全新的控制率。相關控制率在“矢量推力飛機先進控制”（VAAC）項目成果基礎上發展，飛行員可直接調節相關參數從而調整飛行路徑。與傳統艦載機控制律相比，新的控制律減少了飛行員需要操控的參數項，當飛行員改變動力、攻角、滾轉角中某一項參數時，系統可自動計算並調整另外兩項參數。此外，新的控制律消除了推力與俯仰姿態間的強耦合作用，允許推力、攻角、滾轉角各自獨立變化。
（一）綜合直接升力控制（IDCL）
美海軍最早於1965年開始在F-8戰鬥機上研究直接升力控制技術（DLC），飛行員利用拇指旋輪控制機翼後緣上下偏轉，從而改變升力大小，該直接升力控制技術大幅提高了飛行路徑的精確程度。以F-8上的直接升力控制試驗結果為基礎，F-14A通過在機翼上部安裝擾流板進行升力調節，但需要在駕駛艙安裝額外的拇指旋輪，並增加了飛行員的工作負荷。
此後，洛馬公司為X-35C開發了“綜合直接升力控制”（IDLC）技術，取消了拇指旋輪，在飛行員手動控制推力大小時，機載飛行控制計算機可自動利用相關控制律調節襟翼和副翼。IDLC在F/A-18E/F進行了概念驗證，由於F/A-18E/F裝配了氣動效率更高的開槽襟翼和副翼，可為進場和著艦過程提供更大升力。
初始研究結果表明，在所研究的偏轉範圍內，F/A-18E/F的襟翼和副翼可產生±0.1g的升力加速度。進一步的優化研究表明，將後緣襟翼和副翼分別從其40度初始位置變化到38度和29度位置，可增加飛機升力，同時僅帶來4～5節的飛行速度的增加。為確保襟翼和副翼偏轉改變升力後，依舊保持飛機現有進近速度，以避免增加著陸負荷和甲板風力要求，美海軍將F/A-18E/F的攻角設定在9.1度（8.1度時對著艦視場不產生影響），測試表明，飛機依靠襟翼和副翼偏轉帶來的升力加減效果相當於飛機偏轉3度攻角，且升力變化過程在0.3秒內完成，比通過俯仰姿態來改變攻角更快。
（二）飛行路徑速率控制
F/A-18E/F採用飛行路徑角度保持（FPAH）模式響應飛行命令，“魔毯”將IDLC與FPAH結合，即飛行路徑速率控制模式，顯著提高了飛行路徑的響應速率，俯仰姿態、飛行路徑對調整命令的響應幾乎無滯後。測試結果表明，飛行路徑可及時響應輸入的路線修正參數，在無輸入時，飛機保持路徑傾斜角度恆定。在極端工況下，為確保飛行員進行快速俯仰調整，在控制律中加入水平尾翼按比例增加+/-2英寸的偏轉量，使飛行員維持現有速度快速改變攻角，但帶來-1到2秒的響應死區，模擬測試顯示，響應死區不會產生負面影響。
飛行路徑速率控制模式用於飛機著艦的水平飛行階段和下降階段。在最後的進場階段，需要兩個操縱桿輸入參數來校正下滑道誤差，其中一個操縱桿進行飛行路徑誤差校正，另一個操縱桿進行下滑道的穩定控制。這種控制模式比傳統的自動油門指令（ATC）及手動油門控制模式具有更低的工作負荷。
（三）飛行路徑傾斜角度控制模式
在飛行路徑傾斜角度控制模式中，利用改進型菲涅耳透鏡光學著陸系統（IFLOLS）和當前艦船速度組合計算艦載機下滑路徑。隨著抵近艦船，飛機相對艦船的速度減小。飛行員只需將下滑路徑傾斜角度保持一定即可，一般艦載機的路徑傾斜角度是3.5度。
在飛行路徑傾斜角度控制模式中，飛機處於或接近IFLOLS系統計算的下滑路徑時，顯示系統中圓球會與參考中心重合。在著艦過程，飛行員只需觀察顯示系統中圓球與參考中心的偏差，並相應地推動推杆，即可改變飛行路徑的傾斜角度，直到圓球再次接近參考中心，此時釋放推杆，飛機就會在預定的軌道繼續飛行。在以往，每次的飛行路徑校正都需要飛行員自行捕捉路徑偏差後手動調整各項參數才能回到預定飛行路徑。而在飛行路徑傾斜角度控制模式下，飛行員只需控制縱向推杆，不必考慮如何將飛機調整回正確軌道。例如，如果飛行員觀察到圓球高於參考中心，則前推操縱桿使得飛行路徑傾斜角度加大，圓球會逐漸向下移動至參考中心，且圓球復位速率與推杆變化量成正比，偏差越大，推杆移動的距離就應該越大，以快速返回正確路徑。過程中，無需考慮發動機推力變化量和俯仰姿態變化量，顯著降低飛行員作業負荷。
（四）平視顯示系統
根據VAAC項目要求，機載平視顯示系統要根據飛行控制模式的改變做出相應改進。顯示系統應能提示飛行員目前各項控制參數的偏差，並提供相應的偏差糾正指示，讓飛行員在著艦過程能實時瞭解當前狀態，快速準確調整相應參數。“魔毯”項目的設計原則是讓平視顯示系統進一步為飛行員提供滑行路徑偏差、陣列偏差、命令幅度以及正在使用的控制規律。
下圖是平視顯示系統中各顯示參數，其中最重要的兩項是下滑參考線（GSRL）和艦艇相對速度矢量（SRVV）。GSRL是一條虛線，用於與改進型菲涅耳透鏡光學著陸系統生成的基準點對齊，以確定著艦傾斜角（大部分艦載機著艦的傾斜角度通常是3.5度，強風狀態下可能會提高到4.0度）。飛行員將GSRL移動到甲板上改進型菲涅耳透鏡光學著陸系統計算出的基準線位置，飛機就可以接近理想路徑著艦。當SRVV與GSRL對齊時，飛機處於平行或正位於正確的下滑路徑中，若GSRL位於IFLOLS基準點前部，則飛機此時高於所需的下滑傾斜角度，需將GSRL線向後移，此時，飛行員只需通過簡單地向前推動推杆將SRVV移動到GSRL下方，GSRL就會朝著基準點位置向後移動，直到GSRL與IFLOLS基準點再次重合。調整過程中，GSRL與SRVV距離越遠，滑行路徑變化得越快。此外，平視顯示系統還提供當前模式狀態顯示。
圖 2 機載平視顯示器顯示的誤差信息和操控提示
三、結語
“魔毯”通過對艦載機升力的動態控制，減輕了飛行員在著艦階段繁重而高風險的操控負擔，顯著提升了艦載機著艦的安全性。目前，“魔毯”尚處於研發測試中，正式版本預計將於2019年交付。與此同時，美海軍正在開發“飛機進近遠程接管員”（ATARI）軟件，使著艦信號官接管航母五英里範圍內的艦載機操控權，一是確保首款MQ-25A無人加油機的安全回收，二是在“聯合精確進近和著艦系統”（JPALS）故障時，確保有人艦載機安全著艦。相關軟件已在F/A-18上進行了功能測試。
（藍海星：孫明月 柳正華）
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