軍工科普丨飛機(jī)如何飛行萬(wàn)里不迷航?

　　飛機(jī)如何不迷航

　　■張皓嵐 劉任豐 李 姍　　

　　上圖：地面導(dǎo)航臺(tái)和人造衛(wèi)星為飛機(jī)指引航向示意圖。資料照片

　　世界航空史曾有這樣一件趣事：1978年，飛行員杰伊·普羅奇諾駕駛?cè)辜{188型飛機(jī)，因機(jī)載自動(dòng)定向儀損壞，被困在南太平洋上空陷入絕境。此時(shí)，一架載有88名乘客的客機(jī)恰好從附近經(jīng)過(guò)。于是，上演了“大飛機(jī)找小飛機(jī)”的神奇一幕，堪稱(chēng)現(xiàn)實(shí)版“大海撈針”。

　　飛行萬(wàn)里不迷航，是飛機(jī)高效可靠完成各項(xiàng)任務(wù)的前提。早期，飛機(jī)導(dǎo)航方式較為單一，受復(fù)雜地貌和空中不穩(wěn)定氣流的影響，飛行員很容易迷失航向。針對(duì)這一問(wèn)題，航空導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　現(xiàn)代航空導(dǎo)航技術(shù)如何發(fā)展而來(lái)?各類(lèi)導(dǎo)航系統(tǒng)如何精準(zhǔn)引導(dǎo)飛機(jī)抵達(dá)目的地?請(qǐng)看海軍航空大學(xué)一級(jí)領(lǐng)航員王桂建的解讀。

　　觀山看海行天下

　　走進(jìn)軍用運(yùn)輸機(jī)的領(lǐng)航艙，縱橫交錯(cuò)的線路和精密復(fù)雜的儀器讓人目不暇接。這些部件構(gòu)成導(dǎo)航系統(tǒng)，幫助戰(zhàn)機(jī)確定航向。

　　有人會(huì)問(wèn)：一個(gè)多世紀(jì)前，沒(méi)有現(xiàn)代化導(dǎo)航系統(tǒng)，飛機(jī)如何飛抵目的地?

　　這個(gè)問(wèn)題曾困擾著當(dāng)時(shí)的飛行員。飛行員從高空向下望，連綿的山脈、蜿蜒的河流，很難辨別方位，不免心生疑惑：“這是飛到哪里了?”

　　當(dāng)時(shí)，飛行員憑經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出最原始的導(dǎo)航方法——地標(biāo)導(dǎo)航。這種方式基本靠“瞅”，飛行員需要根據(jù)地圖和記憶尋找特征地形，從而確定飛行路線。

　　1911年，在一次比賽中，美國(guó)飛行員基恩從容地駕駛飛機(jī)，屢屢超越飛得更快的選手，他的飛行秘訣是一張防風(fēng)地圖。這張防風(fēng)地圖，能讓他駕駛飛機(jī)飛直線，而其他選手只能參照公路地標(biāo)。

　　然而，參照自然地貌的地標(biāo)導(dǎo)航只適用于晴天飛行，一旦遇到復(fù)雜天氣該怎么辦呢?20世紀(jì)20年代，科研人員在地面鋪設(shè)了幾百座箭頭狀導(dǎo)航信標(biāo)。每座信標(biāo)長(zhǎng)21米，被刷成明亮的黃色，上方有一座15米高塔，塔頂安裝一盞燃?xì)鉄?，塔底有小屋供?yīng)燃料。

　　采用這種導(dǎo)航方式，飛行員從遠(yuǎn)處就能看到箭頭，百余個(gè)箭頭橫跨整個(gè)美國(guó)，為飛行員飛行指明方向。

　　對(duì)富有冒險(xiǎn)精神的飛行探險(xiǎn)家而言，“跨越大?！笔撬麄冃乱惠喌奶魬?zhàn)目標(biāo)。

　　廣袤大洋一望無(wú)際，缺少目視參照物，又該怎么辦?當(dāng)時(shí)，飛行員們認(rèn)為，只要航向準(zhǔn)確，他們就可以根據(jù)風(fēng)速和飛行速度，大致計(jì)算出飛行時(shí)間和位置，從而完成跨洋飛行。

　　1927年，美國(guó)飛行員查爾斯·林白作出一個(gè)大膽決定——帶著一枚指南針、一塊偏流測(cè)量?jī)x和幾張地圖，獨(dú)自開(kāi)啟了跨越大西洋的航程。

　　天有不測(cè)風(fēng)云。大西洋上空，一場(chǎng)突如其來(lái)的暴風(fēng)雨致使飛機(jī)羅盤(pán)失靈。在空中盤(pán)旋數(shù)個(gè)小時(shí)后，查爾斯終于透過(guò)舷窗發(fā)現(xiàn)了一艘漁船。他難掩激動(dòng)心情，超低空飛了過(guò)去，大喊：“愛(ài)爾蘭在哪里?”

　　經(jīng)過(guò)連續(xù)計(jì)算和飛行修正，查爾斯終于看到愛(ài)爾蘭的海岸線。起飛33.5小時(shí)后，他降落在巴黎布爾歇機(jī)場(chǎng)，成為單飛不降落、橫跨大西洋的第一人。

　　雖然此次跨海飛行航線與計(jì)劃航線只偏差不到5公里，但飛行導(dǎo)航過(guò)程中的艱險(xiǎn)經(jīng)歷讓科研人員認(rèn)識(shí)到：要想順利完成海上飛行，需要一種更先進(jìn)的航空導(dǎo)航方式。

　　耳聽(tīng)八方定方位

　　20世紀(jì)30年代，隨著無(wú)線電技術(shù)日益成熟，人們發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)除了用于通信交流，還可以進(jìn)行航空導(dǎo)航。于是，科研人員將無(wú)線電技術(shù)與羅盤(pán)結(jié)合，計(jì)算出飛機(jī)的飛行位置。

　　與目視導(dǎo)航相比，無(wú)線電導(dǎo)航不易受到氣象條件影響，即使在夜間或復(fù)雜氣象條件下，也能確保飛機(jī)飛行安全。

　　最初，無(wú)線電導(dǎo)航是利用布設(shè)在地面的中/長(zhǎng)波無(wú)方向信標(biāo)臺(tái)和測(cè)距儀定位。它們就像茫茫大海中的燈塔，向周邊空間不斷發(fā)射信號(hào)。飛機(jī)上的無(wú)線電接收系統(tǒng)如同順風(fēng)耳，能從各種信號(hào)中“聽(tīng)”出不同信息。比如，飛機(jī)在導(dǎo)航臺(tái)什么方位、有多遠(yuǎn)距離，從而為飛機(jī)精準(zhǔn)定位、引導(dǎo)航向。

　　二戰(zhàn)時(shí)期，跨海執(zhí)行遠(yuǎn)程任務(wù)的轟炸機(jī)機(jī)群，需要跟著領(lǐng)航機(jī)飛行。領(lǐng)航員靠著無(wú)線電和地圖的指引，將轟炸機(jī)機(jī)群帶到目標(biāo)上空。轟炸任務(wù)完畢后，再靠本土大功率無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)指引返航。

　　當(dāng)時(shí)，中/長(zhǎng)波無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)存在傳播特性不穩(wěn)定、作用距離短等缺點(diǎn)，為克服這些問(wèn)題，科研人員又研制出甚高頻全向信標(biāo)——伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)通信距離達(dá)400公里，統(tǒng)一規(guī)范了無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)的頻率，簡(jiǎn)化了機(jī)載無(wú)線電設(shè)備的設(shè)計(jì)。20世紀(jì)50年代，伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)被列為專(zhuān)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)民用導(dǎo)航系統(tǒng)，并沿用至今。

　　無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)要求飛機(jī)必須與地面設(shè)備保持聯(lián)通，一旦地面設(shè)備損壞或受到電磁干擾，飛機(jī)會(huì)成為“睜眼瞎”。因此，科研人員研制出一種完全不利用地面設(shè)備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　這套系統(tǒng)更像是一種小型計(jì)算機(jī)，安裝的陀螺儀和加速度計(jì)能夠測(cè)出飛機(jī)的飛行加速度，再對(duì)加速度進(jìn)行計(jì)算，得出飛機(jī)的飛行速度和位移。這種導(dǎo)航方式不易受無(wú)線電干擾，為飛機(jī)裝上“指南針”。

　　慣性導(dǎo)航的缺點(diǎn)也很明顯：隨著時(shí)間推移，累積誤差會(huì)越來(lái)越大。所以，現(xiàn)代飛機(jī)往往會(huì)通過(guò)其他導(dǎo)航方法來(lái)修正慣導(dǎo)誤差。

　　星星指路引航程

　　皓月當(dāng)空，星光璀璨。如果飛行員駕駛飛機(jī)在夜間迷航，他們會(huì)利用六分儀觀星，這就是天文導(dǎo)航。

　　天文導(dǎo)航需要飛行員擁有豐富的天文知識(shí)儲(chǔ)備。當(dāng)遇到氣流顛簸時(shí)，飛行員很容易選錯(cuò)參考星體，從而迷失航向。

　　為了解決這一問(wèn)題，早期的麥道和波音客機(jī)將天文導(dǎo)航融入駕駛艙設(shè)計(jì)理念中，在駕駛艙風(fēng)擋玻璃頂端裝上“觀星窗”。這種設(shè)計(jì)能減少目視飛行中的盲區(qū)面積，即使在導(dǎo)航系統(tǒng)全部失效后，也能通過(guò)天體來(lái)判斷所處位置。

　　傳統(tǒng)天文導(dǎo)航，飛行員需要通過(guò)復(fù)雜計(jì)算才能得出位置信息，如何讓星星把位置信息直白地“告訴”飛行員呢?

　　隨著各國(guó)航天技術(shù)發(fā)展，科學(xué)家決定親自動(dòng)手，在天上鑲上“星星”——人造衛(wèi)星。這些人造衛(wèi)星所構(gòu)成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，相當(dāng)于把原本在地面的導(dǎo)航臺(tái)搬到天上，被形象地稱(chēng)為“天上燈塔”。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航的原理不難理解：利用飛機(jī)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出飛機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的距離，衛(wèi)星相對(duì)于地面基站的位置已知，解算一組方程就能得出飛機(jī)位置。衛(wèi)星位置高、覆蓋范圍廣，可以輕松實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш剑@是任何導(dǎo)航系統(tǒng)都無(wú)法媲美的。

　　20世紀(jì)70年代，美國(guó)和蘇聯(lián)爭(zhēng)相開(kāi)始研發(fā)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　美國(guó)GPS系統(tǒng)家喻戶(hù)曉，這套系統(tǒng)于1994年全面建設(shè)完成，并于2010年重新優(yōu)化調(diào)整了衛(wèi)星分布，改善了導(dǎo)航設(shè)備精度;俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)，原計(jì)劃1995年建成，蘇聯(lián)解體導(dǎo)致計(jì)劃擱淺，直到2001年俄羅斯才重新啟動(dòng)建設(shè)，于2010年完成了全部24顆衛(wèi)星的發(fā)射。

　　20世紀(jì)90年代，歐盟開(kāi)始研制伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量多，能提供更好的信號(hào)、傳遞更多的信息，安裝的精確原子鐘運(yùn)行300萬(wàn)年后誤差只有1秒，定位誤差在1米以?xún)?nèi)。

　　值得一提的是，伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)不僅是一個(gè)獨(dú)立的定位導(dǎo)航工具，還能與多種導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合使用，提高對(duì)海洋風(fēng)速、海面潮水的強(qiáng)度和高度等數(shù)據(jù)測(cè)量精度。

　　2020年7月31日，中國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。從2000年建成的北斗一號(hào)系統(tǒng)，到2012年服務(wù)亞太地區(qū)的北斗二號(hào)系統(tǒng)，再到2018年服務(wù)“一帶一路”國(guó)家、2020年全面建成的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。“北斗+5G”“北斗+AI”“北斗+大數(shù)據(jù)”……一個(gè)嶄新未來(lái)正撲面而來(lái)。

　　當(dāng)前，新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)航技術(shù)正向著智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。今年5月，第十二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)就以“時(shí)空數(shù)據(jù)，賦能未來(lái)”為主題，全面展示衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)空服務(wù)對(duì)未來(lái)發(fā)展的重要意義。

　　相信隨著科技快速發(fā)展，在不久的將來(lái)，會(huì)出現(xiàn)更多精度高、范圍廣、不受外界干擾的航空導(dǎo)航系統(tǒng)。它們將引領(lǐng)戰(zhàn)機(jī)安全、高效地穿越云層、跨越山海。