装备不够，仿真顶够！英国通过综合仿真确保新航母及F-35B组合战斗力生成
2019 年10月13日，英国国防部宣布英国的F-35B“闪电”Ⅱ首次降落在“伊丽莎白女王”号航母（Queen Elizabeth Carrier，QEC）上。这是英国的F-35B首次降落在英国的航母上，此前在2018年9月25日，一架由英国飞行员驾驶的隶属于美军的F-35B以垂直降落的模式降落在该号航母上，这也是八年多来的第一架飞机降落在英国的一艘航母上。自从“鹞”式垂直起降战斗机（Harrier GR.9）于2010年退役，2011年唯一的航母“皇家方舟”号（Ark Royal Carrier）也退役，英国皇家海军直到2017年迎来了本国历史上最大的军舰“伊丽莎白女王”号航母服役，但是仍然要面对F-35B延期的尴尬，开始了有舰无机的日子。
F-35B以垂直着陆的方式首次落在“伊丽莎白女王”号航母上
（英军图片）
2018年10月13日，英国飞行员驾驶在F-35B（BF-04测试飞机）在“伊丽莎白女王”号航母上完成了F-35B首次“舰上滑行垂直着陆”（Ship-borne Rolling Vertical Landings，SRVL），可理解为不依赖拦阻索的低速进场着陆。这说明在等待F-35B飞机的日子了，英国也没有闲着，做足了准备工作，目标在2020年实现搭载F-35B的“伊丽莎白女王”号航母的初始作战能力。
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英国需维持战斗力
尽管英国近些年来没有舰载机，但其一直致力于让其飞行员队伍保持了作战能力。一方面，英国经常将飞行员送到美海军陆战队驾驶AV-8B，送到美海军驾驶F/A-18战斗机。这意味着到今天，英国大约有60名以上的合格舰载机飞行员，这些飞行员也将在美国逐渐接受改装F-35B的训练。另一方面，在日常中也是用英国BAE系统公司的F-35B／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器进行广泛的训练。 
英国飞行员在美国马里兰州帕图克森特河海军航空站的设施中进行训练，该设施建于2009年，是英国皇家海军“无敌”级航母滑跃甲板的复 制品，长45米，坡度12度（美海军图片）在2018年下半年，“伊丽莎白女王”号航母部署到美国东海岸的马里兰州帕图克森特河海军航空站开展作战试验，由英国皇家海军、皇家空军，美海军陆战队和英国BAE系统公司的飞行员共同配合进行飞行训练。正常的程序是在每次F-35B上舰训练时，英军会从英国皇家空军马 勒姆基地带走3个可移动部署的任务训练模拟器（DMRT），将全任务模拟器留在基地给其它作战部队训练使用。但是在去美国试验期间，“伊丽莎白女王”号航母上没有携带可移动部署的任务训练模拟器。因为在该航母穿越大西洋到达美国之前，已经用F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器模拟开展了数千次起降训练，足以确保现实中的试飞既安全又高效。
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F-35/“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器
英国用F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器位于兰开夏郡沃顿，该模拟器由两个并排布置的房间组成，每个房间都有近360度的落地环幕。包括F-35座舱、六自由度的运动平台、驾驶舱的球幕视景系统和模拟舰上飞行控制区（Flying Control，FlyCo）的房间，可以让飞行员、指挥员、着陆信号官、甲板管制员在一个模拟环境中协作训练，可最大程度地提高训练效率。
F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器
（英国BAE系统公司图片）
该设施的价格约为200万英镑，其模拟舰上飞行控制区部分与价值30亿英镑的“伊丽莎白女王”号航母上的完全一样，F-35模拟器也有极高的保真度。F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器已广泛应用于“伊丽莎白女王”级航母的短距起飞垂直着陆（STOVL）训练和“舰上滑行垂直着陆”练习。 
F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器的控制室
（英国BAE系统公司图片）
当航母在海上进行舰载机起降时，必须特别注意气流在甲板上和船周围流动所引起的湍流。对于舰载机起降的仿真，不确定性主要来自于甲板。“伊丽莎白女王”号航母的双舰岛设计会产生局部较高的风速和湍流。在现实中，当自然风速高时“伊丽莎白女王”号航母的甲板上会有50节（约合93千米／时）的风。英国F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器为了提高保真度，对航母周围的大气环境进行建模，采用计算流体力学来模拟移动中的航母对空气的扰动，主要包括空气在航母飞行甲板周围和航母尾后流动特点，复 制了F-35B飞行员将在“伊丽莎白女王”号飞行时所面对的真实大气环境。
F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合的模型
（英国BAE系统公司图片）
为了模型的准确性，工程师从船上获取了一些真实的实测数据，并与计算流体动力学的结果共同输入到模拟器中，尽可能真实的复 制飞机会遇到的干扰。当飞行员在F-35模拟器中降落时，会感觉到现实中会感觉到的颠簸。这种高保真模拟器将继续在进一步的试验工作中发挥关键作用，同时可以满足人员的训练需求。 利物浦大学用计算流体动力学和1/200缩比模型进行验证
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模拟器发挥的作用
1. 有助于创新“舰上滑行垂直着陆”降落模式
英国希望F-35B在返航时能够带回更多的载荷，但F-35B的制造目的是进行短距起飞垂直着陆，没有充分考虑到返航的载荷问题。这种飞机通常要么垂直降落，要么用常规跑道降落。对于垂直着陆，使用来自升力风扇和旋转喷嘴向下的推力，悬停在船左舷约200英尺（约合60米）的地方，而不是直接悬停在着陆点上方。这样可以让飞行员目视到着陆点周围的情况，然后侧向压杆让飞机飘到着陆点。发动机和升力风扇的推力限制了最大着陆重量，飞机在垂直着陆时携带的武器较少或者在返回地面之前将弹药之间抛弃到海上。
英国并没有美国那么土豪，因此提出了前述创新的着舰技术——“舰上滑行垂直着陆”。它是专门为F-35B飞机开发的，在降落时同时使用升力风扇、可旋转尾喷口和机翼产生的升力。飞机仍会以足够快的空速飞行，从而机翼产生升力，也能让进近速度和着陆距离大大降低。接地后使用起落架中的盘式刹车制动，不需要使用拦阻索和尾钩。“舰上滑行垂直着陆”降落模式最大的优势是飞机降落更节油、返航可带回更多的载荷，换句话说就是增加飞机的航程、作战半径。此外，还可以减少发动机磨损并延长其使用寿命，也减少由于来自垂直向下的尾焰对航母甲板的破坏。
“舰上滑行垂直着陆”与垂直着舰对比（英国利物浦大学图片）
“舰上滑行垂直着陆”时飞机从约140节（约合260千米／时）空速下进场，到达航母的船尾后方需要减速到约60节（约合110千米／时），在60节空速下机翼仍可以获得不小的气动升力。该方式对飞机姿态要求很高，需要维持在约60节（一般相对于航母的速度为35节左右），迎角保持在约7度。如果降落速度过快，飞机将耗尽甲板长度，必须再次使用好不容易节约下来的燃料起飞；如果进场速度太慢，飞机的下降率将增大，有可能撞到船尾或坠毁在甲板上。在试验中，英国使用了位于沃顿的F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器来测试新的着陆模式，大约进行了不少于3000架次的起落测试，基本上确认了“舰上滑行垂直着陆”模式的包线，有效了降低了技术风险。
“舰上滑行垂直着陆”模式跟垂直着陆模式的最大差异是：在垂直着陆模式下飞机的尾喷管从向后转为垂直向下，飞机在空中由平飞改为悬停在舰船左舷外侧，然后水平右移至舰船甲板上方，最后完成垂直降落——特点是“发动机的全部功率用来直接转化成升力”；而“舰上滑行垂直着陆”模式是，飞机的尾喷管从向后转为向下偏转一定角度（但不是垂直），飞机在降落过程中始终保持有一定的水平速度，而不会有“悬停”的状态，这更类似传统降落，特点是“发动机的部分功率用来直接转化成升力，另外部分功率用来继续推动飞机向前飞行，由机翼产生另外一部分升力”（英国BAE系统公司图片）
垂直降落会加速对发动机和甲板的破坏（英国国防部图片）
将舰载机和航母的仿真相结合带来了明显的好处。在最终定型飞机或航母之前，英国工程师在幕后用联合仿真技术来确保当两者相遇时能够无缝匹配。在沃顿的F-35模拟器与位于同一设施中的用于模拟航母的第二个360度模拟器一起工作，该模拟器从航空交通管制的角度反映了飞行情况。通过了这种联合仿真，“伊丽莎白女王”号航母在2018年开始机舰适配性试验之前已经进行了修改。比较明显的改变是对滑跃甲板的坡道进行了修改，以更好的适应舰载机的重量变化。（F-35B的起飞重量比“鹞式”几乎大了一倍），并且甲板上的灯光系统也进行了修改，使着陆更加安全。此前在美国帕图克森特河海军航空站训练用的滑跃甲板是按照曾经服役的“无敌”级航母仿制的，长度45米，坡度12度。最终安装在“伊丽莎白女王”号上的滑跃甲板发生了更改，坡度为12.5度，长度为60米。 
“伊丽莎白女王”号航母航母修改后的坡道（英国国防部图片）
在英国本土的准备工作中，飞行员和着舰信号官（LSO）已使用模拟器共同开发了皇家海军将来的作战方式。F-35／“伊丽莎白女王”号综合模拟器使飞行学员和着舰信号官学员可以进行交互,所有飞行操作均由着陆安全员进行监控。对飞机中的飞行控制系统和任务计算机发送的飞行控制数据进行监控和分析。同样，着舰信号官将告诉飞机员甲板上的风速以及风向。
尽管在美国帕图克森特河的测试场可以开展各种各样的非对称挂载、最大重量、逆风和侧风等科目，但这里也有局限性。帕图克森特河的滑跃甲板只能指向一个不能改变的方向，不能获得想要的如50节的逆风或者来自某个方向的风。因此在一定程度上采用实装的测试是受限的。对于超出此范围的科目，就是需要用英国BAE系统公司的模拟器来完成。对于模型的测试从2015年开始，以确保所有模型和预测都是正确或者接近正确的。测试发现了需要更新模型的区域，完成修正之后在2017年进入下一阶段的测试。在模拟器上用多种不同的武器配置进行了大量的起降测试。所有这些准备工作将极大地降低实装飞行测试的风险，并确保实装飞行测试可以安全地进行。在实装飞行测试中，往往是从飞行包线的中间开始。因为从安全的地方开始测试，工作量相对低，并且每个变量都可以逐步向各方向扩展。但是在高保真模拟器中，飞行员有了增加难度、加快进度的机会。F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器允许F-35B测试飞行员将飞机飞到包线的边缘，为制定飞行测试计划发挥了关键作用。
F-35B起飞。模拟器加速了实装验证的进度（英国国防部图片）.4.
小 结
F-35B与“伊丽莎白女王”号航母的综合为英国带来了机遇，同时也有挑战。飞机和航母都是新的，这在很大程度上意味着可以优化航母的设计，使其成为F-35B飞机的定制化平台。同时，由于F-35B和航母的设计、制造和测试实际上是并行的，也产生了一些不确定性。
当模拟器背后的模型足够真时，其使用边界就会更加广泛，其试验结果也具有置信度。F-35／“伊丽莎白女王”号航母综合模拟器的主要贡献包括但不限于提出对装备设计的修改意见，如对目视着陆辅助装置、滑跃式甲板、甲板灯光的设计及更改；为第一次出海测试做好准备工作；用于进一步开发英国独创的“舰上滑行垂直着陆”着陆模式；用于训练F-35B飞行员和着舰信号官；用于对包线边界试飞的技术摸底等等，在机舰一体化过程中发挥了不可替代的作用，降低了研究的风险。
何晓骁先生已为《空天防务观察》提供18篇专栏文章，如下表：
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| 装备不够，仿真顶够！英国通过机舰综合联合仿真确保F-35B／“伊丽莎白女王”号航母组合战斗力生成（即本篇） | |
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