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航母舰载机拦阻索:专利铸就“生命之索”

2017年4月26日,恰逢第17个世界知识产权日,中国首艘国产航母001A号正式下水;时隔一年,2018年5月13日,它又正式开始了第一次海试,在万众瞩目下开启了处女航。这一个个里程碑事件见证了几代中国人突破封锁、披荆斩棘的自主研发之路。
  2017年4月26日,恰逢第17个世界知识产权日,中国首艘国产航母001A号正式下水;时隔一年,2018年5月13日,它又正式开始了第一次海试,在万众瞩目下开启了处女航。这一个个里程碑事件见证了几代中国人突破封锁、披荆斩棘的自主研发之路。
  众所周知,航母是攻击性的大型作战平台,它的主力“打手”舰载机的起降是世界性的技术难题。这是由于航母的跑道长度只有陆地的1/10(现役主力航母的可供舰载机着舰的跑道长度仅为90米至110米),宽度连陆地的一半都不到,同时降落的难度又远超过起飞,因为高速飞行的舰载机为了在降落失败的情况下能够安全复飞,降落时进场速度不降反升,如何在摇摆不定的航母上,让加速的舰载机在极短的时间内迅速降速至零就成为一个棘手的问题,因此舰载机的降落又被誉为“刀尖上的舞蹈”。
  基于此,舰载机的拦阻索应运而生。在航母飞行甲板后部间隔布置多根拦阻索,舰载机着舰时,尾钩钩上拦阻索,从而在短短数秒内迅速减速为零,并使滑行距离不超过百米。要真正实现“四两拨千斤”的作用,对拦阻索的布置、精确控制以及材料提出了很高的要求,也成为航母的核心问题,备受各国关注。本文从专利的角度对航母上拦阻索技术的发展进行分析。
  外先我追 各领风骚
  拦阻索技术首先由英国发明,最初主要是利用拦阻物的重力,即在拦阻索的末端连接沙袋,在甲板上竖立塔架,滑行中的飞机拖拉缆绳使沙袋升高,将飞机的动能转化为重物的势能。进入喷气式战机时代后,这种重力式的拦阻装置由于拦阻能量较低失去了使用价值,不过这种横跨甲板布置拦阻索的方式和拦阻原理一直沿用至今,成为各国航母拦阻装置的标准配置形式。截至目前,已经先后研发了重力式、制动式、液压式、液压缓冲式、电磁式等多种类型的拦阻装置。
  笔者通过在德温特世界专利索引数据库(DWPI)、中国专利文摘数据库(CNABS)等专利数据库中进行检索,发现截至目前涉及拦阻技术的全球专利申请共1068件。其中,美国是最大的专利申请国,其专利申请量(301件)远超其他国家,位居第一,其次为中国(170件),专利申请量排名靠前的还有法国、英国、乌克兰和瑞典等国,这与这些国家的军事实力以及航空、海洋工业的发展状况是密切相关的。
  通过对近百年的专利申请情况进行分析,可以发现,在世界范围内,飞机拦阻技术的发展经历了两个高峰。第一个发展高峰出现在上世纪50年代至70年代,这一时期的专利申请多为英国和美国的专利申请,年申请量从上世纪50年代之前的零星几件迅速增长至几十件,年申请量的峰值出现在1967年(年申请量为47件),这一时期专利申请量的大幅增长可能主要是由于二战后各国对军事工业的重视以及航空和海洋工业的快速发展,专利申请也主要集中在改进军机、民机在甲板或地面上的拦阻技术。随后由于拦阻技术的相对成熟以及出于严格保密的需求,专利申请量明显减少。直至2000年之后,专利申请又迎来了第二个发展高峰,年专利申请量又升至40件至50件。这一时期的专利申请多为中国专利申请,国外的专利申请趋势较为平缓。国内的专利申请主要聚焦在高精尖的电磁拦阻技术以及无人机(UVA)的定向拦阻上。
  电磁阻拦 未来之势
  当前服役的航母多使用液压缓冲式拦阻装置,其是利用滑轮缓冲装置充分消减舰载机挂索的钢索张力峰值,消除因滑轮转速不同而引起的钢索振颤。不过该系统依然存在一些短板,如结构复杂、体积较大、拦阻力量难以精确控制等。针对上述问题,新一代的电磁拦阻系统得以发展,它可以根据舰载机的不同,自动设定拦阻索的张力峰值,精确地控制尾钩负载及舰载机在甲板上的停留位置。和液压拦阻索相比,该系统的调节精度和工作效率有很大提升,有助于延长舰载机使用寿命。
  中国关于舰载机拦阻装置的研究起步较晚,可查的最早的专利申请提交于2009年,但是在电磁阻拦方面,近些年却突飞猛进,中国使用了军事强国约五分之一的时间,将拦阻技术提高到了世界先进水平。截至目前,中国共公开了88件关于舰载机拦阻技术的专利申请。这些专利申请主要分布于清华大学天津高端装备研究院、北京理工大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海工程大学等科研机构以及济南环太机电技术有限公司等公司。
  例如,清华大学天津高端装备研究院提出了一种基于永磁电磁混合制动的航母拦阻系统(CN107117326A),其通过调节永磁体工作个数和线圈电流大小改变磁场强度,从而达到调节拦阻索力的大小,且利用循环水冷却装置散热,散热效果良好。北京理工大学提出一种直升机着舰系统(CN106043728A),其电磁装置包括圆柱形金属芯和缠绕在金属芯外侧的多匝无绝缘皮的导线圈,电刷与导线圈电连接,通过改变电刷的位置来改变通电线圈的匝数,从而控制电磁装置与电磁铁之间磁场力的大小。济南环太机电技术有限公司提出一种变矩电磁阻尼式航母舰载机着舰拦阻器(CN105584638A),通过在同轴双槽绞盘上缠绕直径的变化所产生的转速和扭矩的变化,控制拦阻索的释放速度和阻尼牵引力矩,通过智能控制器控制电磁制动器对拦阻索的释放。
  综上可见,尽管我国在舰载机拦阻领域起步较晚,但发展非常迅速。尤其新一代的电磁拦阻技术取得了非常可喜的进步,已经位居世界前列,一旦成熟,有望应用于未来的国产核航母上。我国的电磁阻拦专利申请主要集中在永磁电磁混合制动、电磁拦阻器的安放位置、电磁阻尼装置的内部结构等方面,在舰载机拦阻力的动力学变化规律、其与电磁控制之间的精确关系、拦阻材料的选择与性能之间的精细化调配方面还有待加强。此外,在近8年间,中国申请人提交的专利申请中还出现了数量较多的个人申请(约占申请总量的一半),个人申请人地域分布非常分散,遍布12个省份。笔者认为,从长远发展来看,相关领域知识产权的研究和布局还有待进一步加强和整合,以推动拦阻技术的统筹协调发展。
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