2018年，美海军在“林肯”号航母上利用F/A-18E/F、EA-18G开展了“魔毯”（MAGIC CARPET，又称“精确着舰模式”）辅助着舰系统测试。测试期间，进行了157次触舰复飞，过程中，飞机模拟水平尾翼、副翼、发动机等故障，“魔毯”均确保了舰载机的精确着舰。先前测试数据表明，舰载机集成“魔毯”后，66%的着舰点位于目标点前后5米左右，与目前66%的着舰点位于目标点前后12米左右相比，精度提高60%，且一次着舰成功率高达95%。
一、研发背景及历程
美军舰载机需要在长50米、宽12米左右的甲板区域完成着舰作业，着舰难度极大。特别是在最后15～18秒内，飞行员需凭经验执行200～300次人工操控，调整飞机多项参数，对飞行员要求极高。
为解决最后着舰阶段人工操控频繁的难题，美海军于2011年启动“魔毯”研发工作；2012年末，美海军使用两种不同飞机模拟器对该系统进行了演示验证；2015年3月，在“布什”号航母上，开展了首次该系统舰上试验，使用F/A-18E/F进行了180次触舰复飞和16次阻拦着舰，积累了各种风况下“魔毯”的试验数据；2016年6月的试验中，飞行员在着舰最后18秒内，最少只需10余次人工操控即可着舰。
图 1 “魔毯”系统辅助下着舰点分布图
二、关键技术
“魔毯”是一款简化飞行员着舰操控的智能化系统，核心是在现有飞控系统中集成全新的控制率。相关控制率在“矢量推力飞机先进控制”（VAAC）项目成果基础上发展，飞行员可直接调节相关参数从而调整飞行路径。与传统舰载机控制律相比，新的控制律减少了飞行员需要操控的参数项，当飞行员改变动力、攻角、滚转角中某一项参数时，系统可自动计算并调整另外两项参数。此外，新的控制律消除了推力与俯仰姿态间的强耦合作用，允许推力、攻角、滚转角各自独立变化。
（一）综合直接升力控制（IDCL）
美海军最早于1965年开始在F-8战斗机上研究直接升力控制技术（DLC），飞行员利用拇指旋轮控制机翼后缘上下偏转，从而改变升力大小，该直接升力控制技术大幅提高了飞行路径的精确程度。以F-8上的直接升力控制试验结果为基础，F-14A通过在机翼上部安装扰流板进行升力调节，但需要在驾驶舱安装额外的拇指旋轮，并增加了飞行员的工作负荷。
此后，洛马公司为X-35C开发了“综合直接升力控制”（IDLC）技术，取消了拇指旋轮，在飞行员手动控制推力大小时，机载飞行控制计算机可自动利用相关控制律调节襟翼和副翼。IDLC在F/A-18E/F进行了概念验证，由于F/A-18E/F装配了气动效率更高的开槽襟翼和副翼，可为进场和着舰过程提供更大升力。
初始研究结果表明，在所研究的偏转范围内，F/A-18E/F的襟翼和副翼可产生±0.1g的升力加速度。进一步的优化研究表明，将后缘襟翼和副翼分别从其40度初始位置变化到38度和29度位置，可增加飞机升力，同时仅带来4～5节的飞行速度的增加。为确保襟翼和副翼偏转改变升力后，依旧保持飞机现有进近速度，以避免增加着陆负荷和甲板风力要求，美海军将F/A-18E/F的攻角设定在9.1度（8.1度时对着舰视场不产生影响），测试表明，飞机依靠襟翼和副翼偏转带来的升力加减效果相当于飞机偏转3度攻角，且升力变化过程在0.3秒内完成，比通过俯仰姿态来改变攻角更快。
（二）飞行路径速率控制
F/A-18E/F采用飞行路径角度保持（FPAH）模式响应飞行命令，“魔毯”将IDLC与FPAH结合，即飞行路径速率控制模式，显著提高了飞行路径的响应速率，俯仰姿态、飞行路径对调整命令的响应几乎无滞后。测试结果表明，飞行路径可及时响应输入的路线修正参数，在无输入时，飞机保持路径倾斜角度恒定。在极端工况下，为确保飞行员进行快速俯仰调整，在控制律中加入水平尾翼按比例增加+/-2英寸的偏转量，使飞行员维持现有速度快速改变攻角，但带来-1到2秒的响应死区，模拟测试显示，响应死区不会产生负面影响。
飞行路径速率控制模式用于飞机着舰的水平飞行阶段和下降阶段。在最后的进场阶段，需要两个操纵杆输入参数来校正下滑道误差，其中一个操纵杆进行飞行路径误差校正，另一个操纵杆进行下滑道的稳定控制。这种控制模式比传统的自动油门指令（ATC）及手动油门控制模式具有更低的工作负荷。
（三）飞行路径倾斜角度控制模式
在飞行路径倾斜角度控制模式中，利用改进型菲涅耳透镜光学着陆系统（IFLOLS）和当前舰船速度组合计算舰载机下滑路径。随着抵近舰船，飞机相对舰船的速度减小。飞行员只需将下滑路径倾斜角度保持一定即可，一般舰载机的路径倾斜角度是3.5度。
在飞行路径倾斜角度控制模式中，飞机处于或接近IFLOLS系统计算的下滑路径时，显示系统中圆球会与参考中心重合。在着舰过程，飞行员只需观察显示系统中圆球与参考中心的偏差，并相应地推动推杆，即可改变飞行路径的倾斜角度，直到圆球再次接近参考中心，此时释放推杆，飞机就会在预定的轨道继续飞行。在以往，每次的飞行路径校正都需要飞行员自行捕捉路径偏差后手动调整各项参数才能回到预定飞行路径。而在飞行路径倾斜角度控制模式下，飞行员只需控制纵向推杆，不必考虑如何将飞机调整回正确轨道。例如，如果飞行员观察到圆球高于参考中心，则前推操纵杆使得飞行路径倾斜角度加大，圆球会逐渐向下移动至参考中心，且圆球复位速率与推杆变化量成正比，偏差越大，推杆移动的距离就应该越大，以快速返回正确路径。过程中，无需考虑发动机推力变化量和俯仰姿态变化量，显著降低飞行员作业负荷。
（四）平视显示系统
根据VAAC项目要求，机载平视显示系统要根据飞行控制模式的改变做出相应改进。显示系统应能提示飞行员目前各项控制参数的偏差，并提供相应的偏差纠正指示，让飞行员在着舰过程能实时了解当前状态，快速准确调整相应参数。“魔毯”项目的设计原则是让平视显示系统进一步为飞行员提供滑行路径偏差、阵列偏差、命令幅度以及正在使用的控制规律。
下图是平视显示系统中各显示参数，其中最重要的两项是下滑参考线（GSRL）和舰艇相对速度矢量（SRVV）。GSRL是一条虚线，用于与改进型菲涅耳透镜光学着陆系统生成的基准点对齐，以确定着舰倾斜角（大部分舰载机着舰的倾斜角度通常是3.5度，强风状态下可能会提高到4.0度）。飞行员将GSRL移动到甲板上改进型菲涅耳透镜光学着陆系统计算出的基准线位置，飞机就可以接近理想路径着舰。当SRVV与GSRL对齐时，飞机处于平行或正位于正确的下滑路径中，若GSRL位于IFLOLS基准点前部，则飞机此时高于所需的下滑倾斜角度，需将GSRL线向后移，此时，飞行员只需通过简单地向前推动推杆将SRVV移动到GSRL下方，GSRL就会朝着基准点位置向后移动，直到GSRL与IFLOLS基准点再次重合。调整过程中，GSRL与SRVV距离越远，滑行路径变化得越快。此外，平视显示系统还提供当前模式状态显示。
图 2 机载平视显示器显示的误差信息和操控提示
三、结语
“魔毯”通过对舰载机升力的动态控制，减轻了飞行员在着舰阶段繁重而高风险的操控负担，显著提升了舰载机着舰的安全性。目前，“魔毯”尚处于研发测试中，正式版本预计将于2019年交付。与此同时，美海军正在开发“飞机进近远程接管员”（ATARI）软件，使着舰信号官接管航母五英里范围内的舰载机操控权，一是确保首款MQ-25A无人加油机的安全回收，二是在“联合精确进近和着舰系统”（JPALS）故障时，确保有人舰载机安全着舰。相关软件已在F/A-18上进行了功能测试。
（蓝海星：孙明月 柳正华）
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