解讀空中加油技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)難點(diǎn)

前不久，歐洲空客防務(wù)與航天公司開展了無(wú)人機(jī)自主化空中加油技術(shù)飛行測(cè)試。測(cè)試飛行期間，A310MRTT加油機(jī)和Do-DT25無(wú)人機(jī)全程采用人工智能和協(xié)作控制系統(tǒng)指揮，引起軍迷關(guān)注。

二戰(zhàn)以來(lái)，世界各軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展空中戰(zhàn)略打擊武器?？罩屑佑蜋C(jī)作為增大戰(zhàn)機(jī)航程、延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的關(guān)鍵利器，可以有效提升空軍遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力?？梢哉f，空中加油能力是現(xiàn)代空戰(zhàn)的制勝要素，其技術(shù)及配套設(shè)施的研發(fā)制造水平體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)發(fā)展水平。

目前，世界上僅有美、俄、中、英等少數(shù)國(guó)家具備空中加油能力。那么，空中加油技術(shù)經(jīng)歷了怎樣發(fā)展？其技術(shù)難點(diǎn)有哪些？未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如何？請(qǐng)看本文解讀。

空中加油——

云端上的“穿針引線”

■姜子晗　李偉　鐘永填

A330MRTT加油機(jī)給2架戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行空中加油。資料照片

軟式加油上演“長(zhǎng)空之吻”

有人把空中加油技術(shù)比作“長(zhǎng)空之吻”，那么這項(xiàng)技術(shù)又是何時(shí)誕生的呢？

早在第一架飛機(jī)問世之初，人們就開始設(shè)想各種不落地的加油方式。1923年一個(gè)清晨，美國(guó)圣地亞哥灣上空，2架DH-4B飛機(jī)編隊(duì)飛行，前方加油機(jī)在空中放出一根10多米長(zhǎng)的加油軟管，后方受油機(jī)飛行員迅速爬出座艙，抓住飛舞的油管，徒手完成了人類歷史上的首次空中加油。

10多年后，英國(guó)人發(fā)明出帶有配重的加油軟管，通過加油機(jī)和受油機(jī)兩根導(dǎo)索的牽引，將加油軟管拖入受油機(jī)，開創(chuàng)了軟式加油方式。不過，無(wú)論是人工拖拽還是空中掛鎖，油管與加油探頭的對(duì)接始終是航空設(shè)計(jì)師持續(xù)攻關(guān)的技術(shù)難題。

如何讓飛舞的軟管完成高空精準(zhǔn)對(duì)接？各國(guó)航空設(shè)計(jì)師首先在“管口”上下功夫。英國(guó)皇家空軍理查德少校在軟管末端增加了圓錐形套籠，既能提升軟管對(duì)接穩(wěn)定性，又便于受油機(jī)的加油探頭準(zhǔn)確地插入油管。蘇聯(lián)試飛員伊戈?duì)杽t另辟蹊徑，采用翼尖對(duì)翼尖加油，以避開飛機(jī)前后近距離飛行時(shí)的不利氣流影響，降低空中對(duì)接難度。

在萬(wàn)米高空進(jìn)行空中加油要攻克以下3道技術(shù)難關(guān)：

響應(yīng)關(guān)。如果將空中加油比作“放風(fēng)箏”，那么加油機(jī)必須拉緊軟管這根“風(fēng)箏線”——控制軟管收放的絞盤要根據(jù)2架戰(zhàn)機(jī)的相對(duì)速度，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，既要避免松弛的軟管在氣流的作用下產(chǎn)生鞭甩情況，還要防止軟管拉力過大導(dǎo)致斷裂。

為了讓空中加油的軟管變得“剛?cè)岵?jì)”，俄羅斯軍方在加油吊艙上增設(shè)了響應(yīng)裝置，與收放裝置一體隨動(dòng)，完美解決這一問題。響應(yīng)裝置利用風(fēng)門中的隨動(dòng)渦輪測(cè)量風(fēng)速，通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整收放裝置的傳動(dòng)比，巧妙避開了電子控制的延遲性和低可靠性，實(shí)現(xiàn)加油軟管的收放自如。

拋放關(guān)。當(dāng)加油軟管放出后不能正常收回，需要及時(shí)將軟管松脫拋放，避免意外撞擊事故。不少國(guó)家采用軟管切斷器，由人工啟動(dòng)爆炸裝置驅(qū)動(dòng)刀片切斷軟管。

然而，為實(shí)現(xiàn)軟管的應(yīng)急剪斷，加油軟管放棄了可以增加強(qiáng)度的鋼絲編織層，只使用了尼龍編織層，軟管壽命受到影響，維護(hù)成本直線上升。因此，部分國(guó)外航空公司選用吊艙拋放裝置，整體拋放吊艙和軟管，無(wú)須剪斷軟管也不用改變軟管材質(zhì)，既保證了戰(zhàn)機(jī)安全，又能有效降低成本。

增壓關(guān)。為高效進(jìn)行輸油，空中加油吊艙通常設(shè)置有氣動(dòng)油泵，由戰(zhàn)機(jī)螺旋槳帶動(dòng)工作。在戰(zhàn)機(jī)飛行過程中，因?yàn)闅鈩?dòng)力一直存在，油泵全時(shí)工作造成故障多發(fā)，部件更換頻繁。

如何實(shí)現(xiàn)油泵加壓的科學(xué)高效？俄羅斯研發(fā)出可關(guān)閉的涵道風(fēng)扇式渦輪泵，通過內(nèi)部活動(dòng)錐頭的前后調(diào)整，形成環(huán)形涵道，控制迎面氣流進(jìn)入后吹動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)燃油泵對(duì)燃油進(jìn)行增壓。在不進(jìn)行加油任務(wù)時(shí)，渦輪不工作，吊艙維持在待命狀態(tài)，有效減少了渦輪泵的壽命消耗。

硬式加油實(shí)現(xiàn)“超級(jí)快充”

萬(wàn)米高空，給一架F-22戰(zhàn)機(jī)加滿油需要多少時(shí)間？

KC-46加油機(jī)給出答案：3分鐘。身處危機(jī)四伏的空中戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)機(jī)加油時(shí)間越短，生存概率越高。

為了實(shí)現(xiàn)“超級(jí)快充”，軟式加油的軟管經(jīng)過多輪升級(jí)，從尼龍材料到鋼絲編織，再到復(fù)合材料，隨著軟管輸油壓力提升，諸多技術(shù)瓶頸難以突破。面對(duì)現(xiàn)實(shí)困難，不少國(guó)家科研機(jī)構(gòu)研發(fā)了硬式加油系統(tǒng)，借助鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓加油。

硬式加油是使用大口徑的固定伸縮管將油料泵入受油機(jī)，使其快速達(dá)到滿油狀態(tài)。相比軟式加油，硬式加油方案更為復(fù)雜，一般需要在加油機(jī)尾部安裝一個(gè)由兩截剛性伸縮管組成的加油桁桿，并增設(shè)操作人員控制艙。空中加油時(shí)，加油機(jī)伸出加油桁桿，待受油機(jī)接近時(shí)，由操作人員控制加油桁桿對(duì)準(zhǔn)受油機(jī)加油孔，完成油管銜接。

因此，硬式加油系統(tǒng)亦稱“飛桁式加油”。歐洲最大的空中加油機(jī)空客A330MRTT就采用了這種方式，受油機(jī)無(wú)須追逐搖擺的加油軟管，而是交由加油機(jī)操作人員完成對(duì)接。空客公司還為該機(jī)安裝大功率增壓設(shè)備，輸油速度可達(dá)到每分鐘4540升，輕松實(shí)現(xiàn)高效加油。

收益與風(fēng)險(xiǎn)往往并存。在硬式加油作業(yè)流程中，飛行員和操作人員的配合被視為最危險(xiǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)。空中加油時(shí)，加油機(jī)上的操作人員需要通過操縱輸油管上的V形小翼，帶動(dòng)加油桁桿伸長(zhǎng)或收回，直至與受油管銜接，其中復(fù)雜的操作工序不能有絲毫偏差。如果在連接過程中發(fā)生錯(cuò)位，加油機(jī)則要重新更換輸油管，卡滯的輸油管還會(huì)造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。

2018年，美國(guó)海軍一架F-18戰(zhàn)機(jī)在加油過程中與KC-130J加油機(jī)相撞，導(dǎo)致兩機(jī)墜毀，機(jī)組成員傷亡慘重。2019年，美國(guó)一架F-35C戰(zhàn)機(jī)在加油過程中與輸油管剮蹭，導(dǎo)致受油管的錐套損壞，零部件還被吸入了進(jìn)氣口，造成發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重受損。

近年來(lái)，為達(dá)到“一桿進(jìn)洞”的理想對(duì)接，空客公司在硬式加油自動(dòng)對(duì)接技術(shù)上狠下苦功，成立自動(dòng)化研究團(tuán)隊(duì)，通過影像學(xué)技術(shù)自動(dòng)識(shí)別兩機(jī)位置，利用智能算法精準(zhǔn)操控加油桁桿，減輕了加油機(jī)操作人員的工作壓力。

值得一提的是，各軍事強(qiáng)國(guó)還在硬式加油的平臺(tái)改裝中加強(qiáng)氣動(dòng)分析，盡可能提升加油桁桿的操控穩(wěn)定性。以美國(guó)空軍KC-46A空中加油機(jī)為例，改裝波音767客機(jī)歷時(shí)8年之久，科研人員對(duì)加油機(jī)背景氣流場(chǎng)、受油機(jī)氣流干擾進(jìn)行大量仿真計(jì)算，形成加油系統(tǒng)方案，并反復(fù)進(jìn)行改裝試驗(yàn)，才最終通過驗(yàn)收。

空中加油開啟自動(dòng)模式

進(jìn)入新世紀(jì)，越來(lái)越多軍事專家開始關(guān)注一個(gè)問題：隨著戰(zhàn)機(jī)與導(dǎo)彈系統(tǒng)迭代升級(jí)，加油機(jī)的能力是否跟得上武器裝備發(fā)展速度？

2017年，一架美國(guó)KC-135加油機(jī)在密西西比州利福勒縣發(fā)生墜毀事故。經(jīng)調(diào)查，事故原因是操作人員經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致戰(zhàn)機(jī)墜毀。

武器裝備再先進(jìn)，人員依舊是戰(zhàn)斗力建設(shè)的關(guān)鍵因素。一般培養(yǎng)1名合格的加油機(jī)飛行員需要經(jīng)過5至6年的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并在數(shù)名加油機(jī)教官的指導(dǎo)下，通過加油對(duì)接考核后，方可駕駛“空中油車”，要想成為加油機(jī)機(jī)長(zhǎng)更是需要長(zhǎng)達(dá)10多年的飛行經(jīng)驗(yàn)。

為此，各國(guó)軍方紛紛引入模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。通常每名美軍飛行員需要經(jīng)過6次飛行任務(wù)才能掌握空中加油技術(shù)，每人費(fèi)用開支為8萬(wàn)美元。當(dāng)與VR訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，任務(wù)數(shù)量可以減少到4次，每人費(fèi)用開支也大幅縮減。

近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)快速發(fā)展，空中加油模式也持續(xù)迭代升級(jí)。2021年，國(guó)外某公司公布了新研發(fā)的LMXT加油機(jī)方案。方案顯示，LMXT繼承了空客A330MRTT的全自動(dòng)吊桿系統(tǒng)空對(duì)空加油能力，應(yīng)用了電傳操作桿技術(shù)，且裝備了基于聯(lián)合全域指揮控制的開放架構(gòu)系統(tǒng)。這種加油機(jī)方案，有利于更好地完成作戰(zhàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源整合利用。

空中加油機(jī)信息化程度提高，催生出無(wú)人加油機(jī)的誕生。前不久，美國(guó)波音公司宣布，“黃貂魚”MQ-25艦載無(wú)人加油機(jī)將部署到航母上，無(wú)人加油機(jī)在空中保持定速飛行，空中加油可實(shí)現(xiàn)“即停即走”。

由此可見，無(wú)人加油機(jī)的出現(xiàn)將降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。未來(lái)，根據(jù)多樣化作戰(zhàn)任務(wù)的需要，或?qū)⒀苌鲋悄芑潭雀叩臒o(wú)人加油平臺(tái)。