微观航母之光学助降系统

希弦

光学助降系统是二战后航母的标准“三大件”之一。舰载机在航母上的着舰早期是凭借飞行员的高超飞行技术，此后20年代初到50年代前的舰载机着舰是依靠着舰指挥官（LSO）的目视判断与双手上的信号板来人工引导完成。随着喷气式舰载机的登场，人工引导已无法胜任进场降落速度大幅增加的喷气机的着舰引导作业。这次依旧是英国率先发明了镜式着舰辅助系统来解决这个难题，随之带来了舰载机着舰方式的一次革命。

镜式着舰辅助系统的发明

镜式着舰辅助系统与斜角甲板几乎是同时由在军需部中任职的英国皇家海军军官构想出来。丹尼斯·坎贝尔上校构思出斜角甲板，而他麾下的海军中校尼古拉斯·古德哈特（Nicho-las Goodhart）就是镜式着舰辅助系统的发明者。与坎贝尔一样，古德哈特也是飞行员出身，他不仅拥有丰富的航母飞行作业经验，还在飞机测试中心担任过试飞员，在整个飞行生涯中驾驶过50种以上不同的机型。

1951年夏天，当时在军需部担任技术秘书的古德哈特，发明了这种引导喷气机以适当角度降落到航母斜角甲板上的新方法。依据古德哈特日后接受访谈时的说法，他利用向办公室女秘书借来的口红与镜子，向同仁们首次展示了这种无需甲板降落管制官（DLCO，职责上与美海军的着舰指挥官相同）的引导，即可让飞行员自行判断合适降落下滑角的方法。古德哈特先用口红在镜子中央画了一条水平横线作为基准线，将镜子以一个上倾角放置在桌上，然后把口红竖立在镜子前面一小段距离的桌上。他要求观察者以镜子中口红倒影的尖端作为视线瞄准目标，注视镜子中口红尖端与基准线的相对位置。若观察者的视角适当，将会看到口红尖端刚好位于基准线上，此时代表观察者的视角与镜子的上倾角相吻合：若看到口红尖端位于基准线上方，代表视角过高：若看到口红尖端位于基准线下方，则代表视角过低。通过这种检查基准线与瞄准标的物相对位置的方法，观察者自身即可判断视角是否适当，原理上相对简单。

具体到在航母上的试验应用中，是以大型的铝质柱状凹面镜做镜子，以安装在镜子两旁的一排绿色灯充当基准线，并以由大功率探照灯照射到镜子上形成的光球来充当视线瞄准的目标。同时借助柱状凹面镜，可让进入斜角甲板的飞行员仍能从侧面看到凹面镜反射的光源。这套凹面镜安装在飞行甲板左舷的稳定平台上，镜面与垂向成3。倾角，然后利用设置于航母舰艉、与反射镜相距46～61米的多盏探照灯作为光源，将光线投射到反射镜上汇聚为光球。当光源照射凹面反射镜时，镜面反射出的光线便会在舰艉上空形成一条“虚拟”的下滑道。飞行员驾机接近舰艉时，通过目视观察他在反射镜上所看到的光球位置，便能判断自身的下滑角是否合适。若飞行员看到的光球位于反射镜中央，就代表自身正处于合适的3。下滑角状态：如果看到的光球靠反射镜下方，则表示下滑角过小；若看到的光球位于反射镜靠上方位置，则代表下滑角过大。

在坎贝尔的协助下，1952年1月的海军航空研究委员会会议上，决定将古德哈特的构想付诸实际试验。随后英国军方科研人员便在范堡罗建造了一套镜式着舰引导装置陆基原型，并于1952年3月测试成功。随后的10月，一套改进后的原型系统被安装到“光辉”号航母上并展开了海上测试。在“光辉”号上的镜式着舰引导系统的反射镜组安置在距舰艉91米处的左舷边缘。测试中使用的凹面反射镜由铝材抛光制成，尺寸为宽2.4米、高1.2米。凹面镜两侧各有一具1.8米长的基准灯支架，每侧均装有4只功率100W的绿灯，每具可形成100宽的波束。镜式着舰辅助系统的光源为8只240W探照灯，安装在6米长支架上，正对着凹面反射镜组，距离49米，设置在左舷边缘。

1953年间，英国皇家海军飞行人员在航母上进行了一共106次日间降落与24次夜间降落测试。由于测试十分成功，海军部很快就决定从1954年起，将镜式着舰辅助系统与斜角甲板一同陆续加装到皇家海军现役航母上。较于试验中的镜式着舰辅助系统，量产部署型稍有修改。如反射镜两侧的绿色基准灯数量，从原型的每侧4盏增加到每侧6盏或7盏，光源则从原型的8盏减为4盏。随后的改进中又在两侧基准灯上方或下方，各增设一盏禁降复飞灯，由飞行管制官负责操作，用于指示飞行员放弃着舰、拉起复飞。使用镜式着舰辅助系统的精确性非常高，因此英国航母上的拦阻索数量从原来的10多条减少到4条，最后只剩下3条，降落事故率也有大幅度的改善。

随后美国海军也引入了这种镜式着舰辅助系统，并以刚改装斜角甲板的CVA-20“本宁顿”号航母作为试验舰，该舰左右两舷各安装了1套镜式着舰辅助系统。1955年9月，“本宁顿”号开始了海上试验，美国海军的FJ-3、F7U-3P等舰载机进行了大量的进场降落试验。试验结果表明，这套镜式着舰辅助系统可以让舰载机飞行员们在飞机着舰前获得10-12秒的时间，用来调整速度、高度与姿态。于是美国海军也决定在所有的航母上都配备镜式着舰辅助系统。

最初美国海军参考英国海军的经验，认为镜式着舰辅助系统这种机械光学助降装置可完全替代着舰指挥官的角色。不过实际经验表明，完全依赖机械式装置的做法并不可取，最后美国海军采取了人52+机械式装置相结合的方式，仍配置了由资深飞行员担任的着舰指挥官，负责监看降落状况、与航母飞行控制中心保持联系，并在紧急时向进场的飞行员发出禁降复飞信号。也因此美国海军对英国的镜式着舰辅助系统作了相应修改，在反射镜两侧与上方增添了由着舰指挥官直接控制的禁降复飞灯（Wave-off Lights），以及提供给螺旋桨舰载机用的提示关闭发动机油门的切断灯（Cut Lights）。

镜式着舰辅助系统的不足与改进

虽然镜式着舰辅助系统解决了喷气式舰载机航母上着舰降落的问题，但仍存在一些不足。安装在飞行甲板左舷边缘的反射镜与光源之间必须保持净空，不能安装其它设备，这在一定程度上限制了航母左舷空间的利用。而镜式着舰辅助系统的独立光源，往往会干扰舰岛区域作业人员的视觉，甚至在某些角度上会造成舰桥人员的目眩，在夜间更是会影响到舰岛、飞行甲板人员的正常作业。此外，附着在反射镜上的湿气霜雾，会降低反射光源的清晰度。某些情况下照射到反射镜上的目光，还会影响飞行员对光点的判断。

为了解决镜式着舰辅助系统的不足，英国在20世纪50年代中期又发展出第二代光学着舰辅助系统，采用12盏垂直排列的24V-150W投射灯组成的投射瞄准器（Projector Sight）取代了反射镜。投射瞄准器直接投射出多道垂直光束作为舰载机着舰进场路径的指引。投射瞄准器的每盏投射灯搭配反射镜射出光线，然后光线先通过一块滑板上的水平狭缝，最后再通过最前端的菲涅耳透镜投射出去，形成水平视角很宽（约40°）、垂直视角很窄（略大于1.5°）、具备垂直方向指向性的光束。借助有色滤镜，最上方10盏投射灯的光束呈现为黄色，最下方的2盏灯则为红色。从一定距离看，每两盏相邻投射灯的光束彼此略有重叠，三盏相邻投射灯的光束共同形成一个指引飞行员的区域。当飞行员进场接近到2 743米以内距离后，如果看到灯光为黄色，且位于两侧基准灯中央，代表高度适当；如果看到灯光为黄色，且高于两侧基准灯，代表高度过高；如果看到灯光为红色，且低于两侧基准灯，代表高度过低。第二代光学着舰辅助系统已可提供垂直方向大约±1。的引导精确度。

继用垂直光源取代反射镜外，英国皇家海军还引进了HT-LO着舰引导系统，来取代早期使用的两侧横列的绿色基准灯。HILO是安装在箱子内的封闭式投射灯，每个箱子内有横向排列的6盏投射灯，每盏投射灯的前方覆盖有上下两块不同颜色的滤光镜，分别为红色滤镜和蓝白色滤镜，然后透过箱子前端的狭缝将灯光射出，可射出高、中、低三层不同颜色的灯光，上层为自光，下层为红光，中层则为白、红光混合而成的粉红色光。整个HILO的光线信号可覆盖垂直10°、水平两侧各45°的范围，有效作用距离超过了4.8千米。当飞行员还在航母周围准备着舰进场时就可看到HILO的灯光，若飞行员看到白色灯光，代表飞得太高；若看到红色灯光则代表飞得太低；当看到粉红色时则代表高度适中，飞行员通过垂直视角约1°的粉红色灯光引导，以适当的下滑角进场。

随着舰载机所处高度的不同，飞行员从HILO指示灯所看到的红一白灯光的混合比例也会有所差异。当飞行员沿着适当下滑角进场时，会看到不同浓度的粉红色灯光，越偏红代表高度越低，越偏白则代表高度越高。在HILO着舰引导系统的引导下，着舰的舰载机以合适的进场高度与下滑角从航母舰艉进场，距离更近后就能目视看到投射瞄准器（Projector Sight）的投射灯光信号，此时飞行员通过HILO和投射瞄准器的共同引导即能以更为精确的下滑角度拦阻着舰。

较于上一代的反射镜式着舰辅助系统，投射瞄准器与HI—LO着舰引导系统的组合，不仅有效作用距离更远、受环境的干扰更小、对航母上其他人员的作业基本没有影响，而且飞行员通过灯光信号对舰载机自身的下滑角也能有了大略的判断，为拦阻着舰的精确操控提供了可能。所以，从上世纪60年代中后期起，英国皇家海军便陆续用这套新系统替换了原有的镜式着舰辅助系统，并一直使用到英国最后一艘可部署常规起降飞机的大型航母的除役为止。之后的英国在光学着舰辅助系统方面便没有了新的发展，美国海军后来居上成为光学着舰辅助系统发展与使用经验最为丰富的国家。

菲涅尔透镜光学助降系统

美国海军最初是采用从英国引进的镜式着舰辅助系统，不过从20世纪60年代初起，在英国开发第二代光学着舰辅助系统的同时，美国海军也针对镜式着舰辅助系统的缺点，自行发展了第二代着舰辅助系统。由于这套新系统通过菲涅耳透镜来投射提示飞行员进场下滑角是否合适的信号，因此便被称做菲涅耳透镜光学助降系统（FLOLS）。其实就系统的基本结构与工作原理而言，美国海军的FLOLS与英国皇家海军的投射瞄准器大致相似，不过FLOLS没有采用英国那套较为复杂的HILO引导系统，依旧沿用此前用在镜式着舰辅助系统上的绿色基准灯。另外，FLOLS也更强调红色禁降复飞灯的配置，用更多的红色灯来呈现禁降复飞信号以及其上方的两组绿色的切断信号灯。所以整套菲涅耳透镜光学助降系统的光学部分是由中央的核心光学单元菲涅尔指示灯组、光学单元周围的绿色切断信号灯与红色禁降复飞灯（后续改进型增加了紧急禁降复飞灯）以及两侧横列的绿色基准灯组成。

作为核心光学单元，菲涅尔指示灯组含有上下垂直排列的5盏菲涅耳透镜灯，每盏灯构成一个近0.3米宽的显示格，5个显示格的总高度约为1.2米。菲涅耳透镜灯由位于最前端的用聚甲基丙烯酸甲醋有机玻璃材料制成的菲涅耳透镜与后方的投射灯组成，可投射出高度指向性的光束。5盏菲涅耳透镜灯借助滤镜可投射出2种不同颜色的光束，上面4盏灯光为琥珀色（或者说橙色），最下面1盏为红色。

飞行员通过比较目视看到的琥珀色“光球”与两侧绿色基准灯的相对高度，便可知道自身舰载机的进场下滑角是否适当。如果看到琥珀色的灯光位于两侧绿色基准灯上方，代表下滑角过高；看到琥珀色的灯光位于两侧绿色基准灯下方，代表下滑角略低；如果看到的灯光为红色、且位于两侧绿色基准灯下方，代表下滑角已低到危险限度，必须立刻拉起复飞，否则有与飞行甲板相撞的危险：只有当看到琥珀色的灯光位于两侧绿色基准灯中央时，才表示当前的下滑角准确适当，能保证着舰时尾钩钩上拦阻索成功着舰。

在菲涅尔指示灯组两侧垂向布置的各4只或3只禁降复飞灯，在启动时会以每秒90闪的频率，提示飞行员不可着舰、尽速拉起。而切断灯最初的用途是用于提示螺旋桨动力的舰载机飞行员关闭发动机油门的时机，后来则被用于显示多种不同的信号意义，如当航母处于禁止使用无线电的情况时，可利用切断灯闪烁2～3秒来通知准备降落的飞行员可继续进场，或是以持续闪烁的切断灯提醒飞行员增加油门等。禁降复飞灯与切断灯的控制由着舰指挥官手中的便携式开关来手动控制。

FLOLS的运用方式与以往的镜式着舰辅助系统大致相同，只是把反射镜换成垂直排列的菲涅耳指示灯组而已。不过菲涅耳指示灯组的进步之处也如英国的第二代着舰辅助系统，可以为飞行员提供更清楚、丰富的信号，通过目视到的菲涅耳透镜灯颜色即能大略判断下滑角是否适当。同时，再搭配两侧的基准灯即能以精确合适的下滑角着舰。与英国皇家海军的投射瞄准器+HILO着舰引导系统的组合相比，美国海军FLOLS系统的结构较简单，只不过有效距离仅1800多米，比HILO能提供的4.8千米有效距离近了许多。尽管二者存在上述技术和性能上的差异，但由于基本原理相同，因此英、美两国海军飞行员只需经过少许转换训练，便能适应对方的光学着舰引导系统。

改进型菲涅尔透镜光学助降系统

从20世纪60年代中期开始，FLOLS菲涅尔透镜光学助降系统便陆续取代了美海军航母上原先使用的镜式着舰辅助系统，并不断推出FLOLS的衍生改进型，进一步完善了功能。这其中较为重要的是Mk.6 Mod.3 FLOLS和Mk.13 Mod.0改进型菲涅耳透镜光学助降系统（IFLOLS）。

1970年开始测试的Mk.6 Mod.3 FLOLS是美国海军70年代中期到2000年初期的主力光学着舰引导系统，相较于早期的FLOLS原型变化并不大，主要是在禁降复飞灯内侧增设一排紧急禁降复飞灯（Emgerency Wave-Off）。紧急禁降复飞灯有独立的电源与电路，是原有禁降复飞灯故障时的备份，平时并不使用。而在20世纪80年代后期由新泽西莱克赫斯特海军航空工程站的工程师们开发的Mk.13 Mod.0 IFLOS，则在设计上有了较大的改进。

此前的FLOLS的一大缺点就是目视的有效距离不足，因此IFLOLS的改进主要就是针对于此。FLOLS上是5盏菲涅耳透镜灯，在IFLOLS上则增加到了12盏垂直堆叠的指示灯，由此垂直指示光束被区分得更精细，总高度也增加到1.8米多，并改用更容易聚焦的新光源。两侧的绿色基准灯数量增加到10盏。另外禁降复飞灯的配置也有所调整，还搭配了改进的数字控制系统，以及可提供3种稳定作业模式的新型稳定平台。

通过这些改进，IFLOLS拥有更远的有效目视距离，较FLOLS提高近一倍，垂直指示灯的显示更清晰、下滑角的指示能力更灵敏精细，系统的稳定精度、可靠性与可维护性都有所提高。即使是进场速度达260千米/小时以上的“超级大黄蜂”通过IFLOLS的引导，在进场降落的最后阶段仍有15～18秒的时间用于调整速度与高度。1997年，美国海军在CVN-73“华盛顿”号航母上展开IFLOLS的最初海上测试，并从2001年起开始换装。到2004年，美国海军所有的现役航母都换装了IF-LOLS改进型菲涅尔透镜光学助降系统。

手动视觉降落辅助系统

除了FLOLS与IFLOLS外，美国海军航母上还搭载了一套作为备份与训练用的手动视觉降落辅助系统（MOVLAS）。由于MOVLAS外形上与FLOLS/IFLOLS很相似，加之其只是当FLOLS/IFLOLS因故障失效，或是航母舰体的摇晃过大、超出FLOLS/IFLOLS的稳定系统允许范围，或是要进行着舰指挥官与飞行员的训练时，MOVLAS才会看到，所以平时媒体镜头下不多见，也就十分容易与FLOLS/IFLOLS混淆。

MOVLAS的配置与FLOLS大致相同，只是采用的灯组型式有所差异。以MOVLAS Mkl Mod2为例，一套完整的MOVLAS包含有用于显示垂直状态信息的光源灯箱、基准灯、禁降复飞灯与切断灯等单元，以及安装用基座等。各单元平时分解储存，必要时再由舰员以人工方式搬运组装。

MOVLAS的光源灯箱含有2列垂直安装的23盏灯，用于模拟FLOLS的“光球”显示。灯箱前方设有一组活动遮挡板，当遮挡板关上时，灯光强度会减低到只相当于遮挡板开启时的3.5%。通过电源控制箱还可进一步在更大的范围内调整灯光强度，以便调整日间与夜间等不同情况下的灯光显示强度。

光源灯箱上方的17盏灯为黄色，最下方6盏灯为红色（类似菲涅耳透镜灯最下方红色灯的“高度过低”显示作用）。LSO可使用2组便携式开关来分别控制最底层6盏红色灯上、下各3盏灯的开启与关闭，若把2组开关都关闭，则LSO将能在比标准FLOLS允许的更大下滑角范围内，引导飞行员驾机进场。当MOVLAS在第二或第三个位置部署时，会在光源灯箱两侧各安装一组基准灯箱，每组基准灯箱都含有5盏独立的基准灯、4盏禁降复飞灯与1盏切断灯。

在舰艉作业的LSO可利用便携式开关开启光源灯箱上不同的灯来决定“光球”灯号位置，光源灯箱的灯光可以3或4盏灯为一组，往上或往下连续地依序亮起，借此便能调整飞行员所看到的“光球”的光点位置。至于光源灯箱与基；隹灯箱的灯光强度调整，以及禁降复飞灯与切断灯的开、关，则是另行独立控制。

对于进场中的舰载机飞行员而言，MOV-LAS与使用FLOLS或IFLOLS时一样，通过比对目视到的光源灯箱显示的“光球”灯号，以及与两侧基准灯的相对高度，来判断降落下滑角是否适当。不过由于MOVLAS所显示的“光球”位置，是完全由LSO手动控制所决定，不能保证“光球”光点显示位置的正确性，不如FLOLS或IFLOLS这类有稳定机构的机械光学装置。所以在使用MOVLAS时，LSO必须同时借助起降综合电视监视的帮助，利用电视影像所提供的反馈信息来判断当前MOVLAS上显示的“光球”位置是否适当，并及时调整光源灯箱的垂直灯号，修正“光球”灯号的显示位置。

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