試論艦載機著艦仿真

時紹春（洪都航空工業集團 江西 南昌 330024)

試論艦載機著艦仿真

時紹春（洪都航空工業集團 江西 南昌 330024)

針對艦載機著艦的特點，從數學仿真模型和視景系統仿真方面簡要介紹艦載機著艦仿真，綜合歸納了艦載機仿真的特點。與陸基飛機相比，艦載機著艦仿真需要增加航母相關運動模型、邏輯和三維可視化模型，并且在視景顯示方面也有更高的要求。進行艦載機著艦仿真研究，建設艦載機地面試驗環境，開展地面飛行模擬試驗，對工程研究和飛行員訓練具有重要的意義。

艦載機；著艦；仿真；航母模型

1 引言

艦載機以其特殊的作戰環境、搭載平臺和起降方式，與陸基飛機相比有更加苛刻的要求。艦載機要在航空母艦極為有限的甲板上進行起降作業，其危險性要比陸基飛機起降大上許多。航母在風浪的影響下進行著六自由度運動，在艦尾形成尾流，增加艦載機精確保持航跡穩定的難度，而且航母甲板空間有限，著艦甲板短，使艦載機著艦成了最危險的環節。因此，著艦訓練是艦載機飛行員訓練中最重要的環節之一。

艦載機著艦過程操作復雜，難度大，危險高，飛行員訓練的難度和風險大，因此進行艦載機著艦仿真研究，建設艦載機地面飛行模擬試驗設備，開展艦載機著艦的地面飛行模擬試驗，分析艦載機受力情況和飛行品質及操縱特性，對工程設計和飛行員訓練具有極為重要的意義。

艦載機著艦與陸基飛機著陸相比主要在仿真模型和視景顯示系統上有比較大的區別，本文將從仿真模型和視景顯示系統兩方面淺談艦載機著艦仿真需要考慮的因素。

2 艦載機仿真的特點

相比陸基飛機著陸仿真，艦載機飛機著艦仿真要復雜得多。陸基飛機由于在地面跑道上降落，起降條件限制少，影響因素簡單，其著陸仿真相對簡單：

△ 陸基飛機著陸仿真可以將跑道視為固定不變的平面；

△ 在不考慮地面濕滑情況下，陸基飛機與地面摩擦系數認為是定值；

△ 機場周圍大氣環境穩定，飛機受外界大氣擾動仿真建模簡單；

△ 飛行員通過目測和飛行儀表即可完成降落，不需要復雜的輔助裝置；

△ 飛機著陸采用拉平飄落的方式接地，沖擊小，姿態穩定，接地后通過剎車或開傘的方式減速，仿真模型相對簡單；

△ 機場周圍視景顯示場景固定，可選用衛片或航拍圖片模擬，并且飛機降落不會引起機場周圍視景顯示內容的改變。

相比之下，艦載機著艦仿真要復雜得多：

△ 航母在大海中航行，受到風浪影響進行六自由度運動，因此必須建立航母本身的運動模型，模擬航母運動和姿態；

△ 艦載機著艦瞬間，起落架受力分析必須考慮航母當前的運動姿態；

△ 航母運動會對航母后方氣流產生影響，稱之為尾流，飛機從航母后方降落，必然會受到航母尾流的影響；

△ 艦載機在航母上降落，降落區域有限，甲板長度短，必須使用攔阻索和攔阻網輔助著艦，因此還必須建立攔阻索攔阻模型；

△ 對于視景顯示系統而言，由于艦載機著艦必須依靠著艦輔助設備，視景系統必須模擬著艦輔助設備如菲涅爾透鏡及其邏輯；

△ 增加額外通道模擬指揮官視角，從第三眼位觀察飛機降落情況；

△ 建立飛機本身和航母的三維顯示模型；

△ 模擬不同等級的海浪和航母航行激起的浪花及尾浪等，特別是海浪和浪花，要模擬得足夠真實是非常不容易的，與陸基機場的靜態貼圖相比要付出更加高昂的代價。

3 仿真建模

艦載機著艦仿真除要建立飛機六自由度運動模型之外，還需要增加以下模型：

△ 航母運動模型；

△ 航母尾流模型；

△ 攔阻索攔阻模型；

△ 菲涅爾光學助降系統邏輯。

3.1 航母運動模型

在建立航母運動模型時，可以把航母視為剛體，建立以航母質心為原點的固連在航母上的坐標系，將航母運動分解為隨質心的平動和繞質心的轉動，平動稱之為“蕩”，轉動稱之為“搖”。其中以縱搖，橫搖和垂蕩（沉浮運動）對飛機影響最大。

3.1.1 縱搖

縱搖為航母繞質心的縱向轉動，使航母抬頭的角度為正。艦載機著艦可看做是飛機相對大地坐標系的絕對運動和航母運動的疊加，是艦載機相對航母的運動。縱搖會引起接地瞬間起落架受力的變化。在工程分析中，可以將航母縱搖近似用正弦函數表示其中為縱搖幅值，T為縱搖最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，縱搖幅值最大可達到4°，縱搖最短周期T約為4秒[1]。

3.1.2 橫搖

橫搖為航母繞質心的橫向滾動，使航母右滾的角度為正。橫搖會引起接地瞬間起落架左右受力不均、飛機方向出現偏差、加劇滾轉角振蕩、攔阻鉤在攔阻索上滑動及單側起落架先著艦等情況。與縱搖相似，航母橫搖可近似用正為橫搖幅值，T為橫搖最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，在中等氣象海域，橫搖幅值最大可達到12°，橫搖最短周期T約為4.5秒[1]。

3.1.3 垂蕩（沉浮運動）

垂蕩為航母質心的沉浮運動。垂蕩會引起艦載機著艦瞬間相對航母的下沉速率變化，從而引起起落架受力的變化，并且過大的沉浮運動不利于飛機員精確地控制接地點，以最理想的姿態著艦并成功鉤住攔阻索。與縱搖相似，在工程中可將沉浮運動近似用正弦函數表示：為垂蕩幅值，T為垂蕩最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，垂蕩幅值不超過3米，最大法向速度不超過1.5米/秒[1]。

在實際情況中，縱搖、橫搖和垂蕩是同時存在的，在工程中，可將航母的運動看做是縱搖、橫搖和垂蕩的疊加。

3.2 航母尾流模型

航母尾流是航母本身和航母運動引起的大氣擾動。艦載機從航母后方接近航母并在航母上降落，會受到航母尾流的影響。在艦載機接近航母尾部805米內，飛機開始受到航母尾流的影響，增大了精確保持航跡穩定的難度[2]。

根據航母尾流的物理特性和形成原因，在工程中可將其視為由以下四種擾動疊加的和擾動：

△ 隨機自由大氣紊流；

△ 航母大氣尾流的穩態分量；

△ 航母運動引起的大氣周期性擾動；

△ 航母尾流隨機擾動。

3.2.1 隨機自由大氣紊流

隨機自由大氣紊流與飛機相對位置無關，可用白噪聲發生器的輸出進行濾波產生的頻譜來表示。

3.2.2 航母大氣尾流的穩態分量

航母大氣尾流的穩態分量與航母甲板上的風速有關，是由航母本身引起的氣流速度減小和氣流流過航母出現的上洗所形成的，與距航母尾部的距離有關。在距離航母尾部750米附近開始受到上洗氣流的影響，到250米附近突然轉變為微弱的下洗[3]。

3.2.3 航母運動引起的大氣周期性擾動

航母運動會產生對周圍大氣的擾動，在艦尾形成渦流。該擾動主要由航母縱搖和垂蕩引起，與航母縱搖頻率、縱搖幅值和風速及飛機與艦尾距離有關，幅值越大，頻率越高，擾動越強烈；距離艦尾越近，擾動越強烈。計算和試驗表明，設飛機距離艦尾為 ，當時，水平方向擾動分量為零；當 時，垂直方向擾動分量為零[2]。

3.2.4 航母尾流隨機擾動

與自由大氣紊流相似，航母尾流的隨機擾動也可以用白噪聲進行濾波產生的頻譜來表示。

以上四種擾動疊加構成艦載機降落時使用的大氣擾動模型。值得注意的是，對于帶反饋的電傳飛機而言，大氣擾動不僅僅體現在對飛機氣動力的影響上，而且還應該體現在大氣數據相關傳感器上。

3.3 攔阻索攔阻模型

攔阻索是艦載機著艦最重要的輔助裝置之一。艦載機要在有限的甲板長度上降落，靠機輪剎車和減速傘減速是無法實現的，必須依靠攔阻掛鉤鉤住固定在甲板上的攔阻索，通過攔阻索吸收能量，提供額外的攔阻力迫使飛機在百米內減速制動。如果艦載機著艦時未能鉤住攔阻索，必須立刻加油門復飛，按照標準著艦程序重新著艦。

艦載飛機接地時的姿態對于攔阻索攔阻力的分布有較大影響。艦載機由于降落條件復雜，接地姿態大，因此對于攔阻索攔阻模型的建立不僅僅要考慮飛機對稱、對中攔阻時的對稱攔阻力分布，還應該考慮飛機帶有偏航、滾轉和非對中攔阻時受到的非對稱攔阻力的情況，以及攔阻鉤與攔阻索的相對滑動而帶來的攔阻力的分布變化。

3.4 菲涅爾光學助降系統邏輯

菲涅爾光學助降系統是航母上比較通用的助降設備。其在空中為飛行員提供一個可見光的、與飛行甲板平行、與海平面成一定角度的波面。在真實情況下，飛行員可以通過觀察光束之間的位置關系來判斷飛機下滑軌跡是否合適。但在仿真系統中，要在計算機中模擬菲涅爾光學助降系統，只能通過模擬飛行員看見光束的實際情況來驅動視景系統中的燈點亮或熄滅，因此必須模擬菲涅爾光學助降系統中飛機位置、姿態與信號燈之間的邏輯關系。

△ 綠燈亮，表示允許飛機進入下滑，可以著艦；

△ 黃燈在基準面上，表示飛機在適宜的下滑道上，可以安全著艦；

△ 黃燈在基準面之上，表示飛機在適宜下滑道之上，需要降低高度；

△ 黃燈在基準面之下，表示飛機在適宜下滑道之下，需要提升高度；

△ 紅燈在基準面之下，表示飛機過低，必須緊急拉起復飛，否則撞向艦尾或墜海。

在視景系統中，必須根據上述邏輯，將飛行員實際看到的情況轉化成視景系統中的點燈邏輯，根據當前飛機狀態和位置等相關參數，點亮模擬菲涅爾光學助降系統信號燈。

4 視景顯示系統

在艦載機著艦仿真中，除要增加相應的仿真數學模型之外，也對視景系統提出了更高的要求。與陸基飛機著陸仿真相比，艦載機著艦仿真需增加以下部分內容：

△ 航母三維模型；

△ 攔阻索三維模型；

△ 菲涅爾光學助降系統；

△ 海洋環境和不同等級的海浪；

△ 船運動激起的浪花和拖出的尾跡；

△ 著艦指揮官視角。

4.1 航母三維模型

要在視景系統中顯示航母并能驅動航母運動，必須建立獨立的航母模型。通常使用C reator三維建模工具建立航母的三維模型，也可以通過如3DSMAX等軟件建立航母模型。為保證飛行員訓練效果，提高沉浸感，航母模型必須足夠真實，關鍵部分如飛行甲板應盡可能與真實數據一致，同時大量采用紋理貼圖、光照、陰影和DOF節點等，以提高沉浸感，達到以假亂真的效果。

4.2 攔阻索三維模型

與航母三維模型不同，攔阻索在飛機鉤住后會隨著飛機運動而不斷變化。傳統的攔阻索三維模型經常用兩根直線來分別模擬攔阻索的左右部分，顯示效果較差，缺乏真實感。較逼真的建模方法是將攔阻索細分成小的單元，多個單元頭尾相接組成一套完整的攔阻索模型，可較大幅度提高攔阻索真實感，但同時也帶來了模型的復雜度和計算量的增加。

4.3 菲涅爾光學助降系統

菲涅爾光學助降系統模型可采用C reator工具建模，其難點在于燈的可視距離。真實系統發射出方向性極好的光束，在數公里外都能被飛行員看見。而在視景系統中，如果采用為模型貼上不同顏色紋理來模擬不同顏色燈光的模式，可視距離太短，飛行員根本看不見顏色變化。而采用點光源模擬信號燈未嘗不是一個好的解決方案，但與此同時，點光源在任意時刻任意距離都可以見的特性與真實情況不符，必須加以判斷并進行修正。

菲涅爾光學助降系統模型中信號燈必須能夠獨立控制，根據真實飛行員看到的光束情況轉換成與飛機位置和姿態相關的信號燈點燈邏輯。

4.4 海洋環境和不同等級的海浪

陸基飛機機場附近景象可以通過衛片及航拍圖片進行貼圖，效果好，真實度高。但海洋環境一直處于不斷變化中，海浪起伏和頂部的浪花均需要實時計算生成，計算量大大增加，并且要使模擬的海洋環境足夠真實，而不是一眼望去全是一成不變的海浪，其算法也是比較復雜的。VP軟件中的海洋模塊可以簡單模擬海洋效果，但不夠真實，要提高逼真度，必須采用更加專業的圖形生成系統。

4.5 船運動激起的浪花和拖出的尾跡

要逼真的模擬航母在海洋中的運動，除了建立航母的運動模型和航母的三維可視化模型外，還應該模擬由于航母運動造成的周圍海洋環境的變化，如船首和兩側激起的浪花以及船尾螺旋槳造成的噴流。船運動激起的浪花與海浪有相似之處，其圖形生成可采用相同的算法，但兩者之間也有區別，即海浪可以按照一定的規律周而復始的運動，而船激起的浪花則和航母的運動有關，不同運動狀態下激起的浪花應該有不同的范圍和效果。

4.6 著艦指揮官視角

艦載機著艦時著艦指揮官起著非常大的作用，其向飛行員發出操縱指令、引導下滑道上的飛機安全著艦。因此在艦載機著艦仿真中，有必要模擬著艦指揮官的視角。著艦指揮官視角應模擬艦島左后部主飛行控制室或艦后部左舷LSO平臺處的視角，能觀察飛機下滑姿態、起落架和襟翼以及掛鉤狀態和攔阻索，引導飛行員以正確的姿態和下滑角安全著艦，當不能安全著艦時即時發出復飛指令。

5 結論

通過開展艦載機著艦仿真研究，在陸基飛機飛行仿真的基礎上增加航母運動模型和三維可視化模型，考慮航母運動形成的大氣擾動對艦載機著艦的影響，模擬著艦過程中飛機受力的變化，建立逼真的視景場景，開展艦載機著艦地面飛行模擬實驗，對工程研究和飛行員訓練具有重要的意義。

[1] 王大海.艦面運動對彈射起飛特性的影響.飛行力學[J]，1994

[2] 飛行力學編輯部.軍用規范-有人駕駛飛機的飛行品質（MIL-F-8785C）[M]，1982

[3] 彭兢.航空母艦尾流數值仿真研究.北京航空航天大學學報[J]，2000

[4] 胡孟權.艦載飛機著艦攔阻動力學分析.空軍工程大學學報[J]，2000

[5] 焦方金. 淺談艦載戰斗機的降落.海空力量[J]，2005

Brife on Carrier-based Aircraft Landing Simulation

Shi Shaochun
(Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi, 330024)

This paper introduces, based on the characteristics of car rier-based aircraf t landing，the car rier-based aircraft landing simulation, from the mathematical simulation model and the visual system simulation, and summarizes the characteristics of carrier-based aircraf t simulation. Compared with land-based aircraf t, the car rier aircraf t landing simulation needs to increase the car rier movement model, logic and three-dimensional visualization model, and have higher requirements with respect to visual display system. Car rying through car rier-based aircraf t simulation research,bui lding car rier aircraf t ground testing environment and conducting ground f l ight simulation test is of an important signi f icance to the engineering research and pi lot training.

Car rier-based aircraf t; Landing; Simulation; Car rier movement model

2010-09-20）

時紹春，男，1984年11月出生，本科，現從事飛行仿真研究和飛行模擬器設計工作。