艦載機綜合復飛決策研究

焦鑫, 江駒, 王新華, 甄子洋

(南京航空航天大學 自動化學院, 江蘇 南京 210016)

艦載機綜合復飛決策研究

焦鑫, 江駒, 王新華, 甄子洋

(南京航空航天大學 自動化學院, 江蘇 南京 210016)

艦載機在著艦過程中,由于種種干擾偏離理想下滑軌跡后,飛行員必須及時準確地作出復飛決策并采取相應的動作。針對這一問題,對已有的復飛下邊界準則進行了進一步的完善,并推導和確定了復飛上邊界準則。然后首次將基于小擾動動力學模型的著艦系統與基于終端預估方程的復飛決策系統相結合,設計了基于改進型復飛邊界準則的綜合復飛決策系統,得到了相應的綜合復飛區及復飛邊界,并針對不同著艦情況對綜合復飛決策系統進行了仿真驗證。結果表明,該系統能夠及時判斷出艦載機是否進入復飛區,復飛是否安全,從而大大提高了艦載機的著艦效率和著艦安全性。

復飛決策系統; 復飛邊界準則; 艦載飛機

引言

海軍駕駛員執行的最精確任務之一就是將高性能的飛機安全降落在航空母艦上[1]。但是,艦載機在著艦過程中,由于受到各種干擾影響或出現不可預估的故障,經常會偏離理想的下滑軌跡[2-3]。此時,飛行員及時準確地進行復飛,對保證飛機安全至關重要。據文獻報道,目前艦載機每著艦20次,就有一次需要進行復飛,即復飛概率為1/20[4]。所以如何保證復飛決策更加合理有效,從而保證著艦效率和安全性是一個重要的研究課題。文獻[5]對復飛整個過程進行了闡述,并分析了復飛的原因;文獻[6]提出了一種智能復飛決策系統,在原軍用推力操縱的基礎上,加入了具有保持迎角恒定的升降舵模糊控制,從而增強了低動壓狀態下飛機的機動能力,減小了復飛區;文獻[7]在建立艦載飛機著艦復飛的非線性飛行動力學模型的基礎上,討論了復飛包線的生成方法,重點研究了復飛操縱動作對復飛包線的影響,對不同的操縱方法進行了計算和比較。從以上文獻及研究成果可以看出,對復飛決策系統的研究不僅是必要的,而且是迫切的。

目前國內對艦載機復飛的研究還比較少,不夠深入,尤其是對復飛邊界準則考慮的因素較少,不夠準確,研究成果實用性不強。本文所設計的綜合復飛決策系統對復飛邊界準則進行了更深層次的研究,建立了更加完善的復飛上下邊界準則。同時,針對不同初始條件下的艦載機進行復飛決策,這不僅邁出了從傳統理論研究到實際應用的關鍵一步,而且也可提高著艦的效率和安全性。

1 復飛邊界準則

形成復飛邊界的臨界點應滿足事先規定的復飛邊界準則。該準則是綜合考慮飛機復飛的安全高度、飛行員對復飛指令的反應滯后以及復飛操縱的手段等因素決定的。本文在文獻[8]的基礎上,對復飛區下邊界準則進行了修正和完善,并提出了復飛區上邊界準則。

1.1 復飛區下邊界準則的完善

綜合考慮飛機復飛的安全高度、飛行員對復飛指令的反應滯后以及復飛操縱手段等因素,已有的復飛邊界即復飛區下邊界的3條準則如下:

(1)飛機飛至艦尾時,尾鉤離甲板至少有3 m的高度間隙。

(2)飛行員對復飛信號的允許反應時間為0.7 s。

(3)飛行員采用的復飛操縱手段是在無縱向駕駛桿操縱的前提下,僅使用發動機軍用推力控制。

根據復飛下邊界準則可得某艦載機著艦速度為60 m/s時復飛軌跡及復飛下邊界,如圖1所示。

圖1中,x為飛機距艦尾的水平距離,h為飛機距艦尾的垂直距離。根據一般航母大小,曲線G和H的最低點已絕對低于海平面,在不采用縱向駕駛桿操縱僅使用發動機軍用推力控制的時候,這樣的復飛軌跡是不合乎常理的。因此本文在以上3條準則的基礎上補充了如下一條準則:

(4)復飛軌跡最低點應高于海平面。

對該準則作進一步說明如下:

飛機進行復飛時,無論如何都要保證飛機的復飛軌跡最低點高于海平面,否則飛機會有墜海的危險。

圖1 某艦載機復飛軌跡及復飛邊界

復飛區下邊界既可通過基于飛機小擾動動力學模型的復飛決策系統確定,也須通過基于終端預估方程的復飛決策系統確定。但是,基于飛機小擾動動力學模型的復飛決策系統是通過將飛機的位置與預先存儲在計算機中的復飛區進行比較,需要大量的存儲空間,在實際使用時有一定的局限性。因此,本文采用基于終端狀態方程的復飛決策系統確定復飛區下邊界,根據簡化的飛機縱向動力學方程,實現預估飛機到達艦尾的高度,按照復飛邊界準則的要求,判斷飛機是否需要復飛。

根據基于終端預估方程的復飛決策系統[9]可得某艦載機著艦速度為60 m/s時復飛區下邊界及復飛軌跡(見圖2)和不同下沉率時的復飛邊界(見圖3)。

圖2 基于終端預估方程的復飛區上邊界

圖3 不同下沉率時的復飛區下邊界

由圖2和圖3可以得到以下結論:

(1)在不同下沉率情況下得到的復飛區不同,隨著下沉率的變大,相應的復飛區也變大,飛機復飛的安全性越差。

(2)基于終端狀態預估方程的復飛決策系統程序量較少,仿真時間短,可節約大量的內存空間,縮短決策時間,提高系統實時性,便于工程應用。

(3)基于終端狀態預估方程的復飛決策系統僅改變預估方程參數,不改變方程形式,即可實現對任一型號飛機在任一初始狀態(位置、初速度、下沉率等)的復飛決策。

(4)基于終端狀態預估方程的復飛決策系統只能決定復飛區的下邊界,不能確定上邊界。

1.2 復飛區上邊界準則的建立

當艦載機飛行高度過高,飛機無法安全著艦時,復飛區上邊界的建立能夠使駕駛員判斷飛機是否高于復飛區上邊界,一旦飛行高度過高,則艦載機不需進行著艦而直接進行復飛操作,這樣既保證了飛行安全,又避免了不必要的損耗。

復飛區上邊界的確定主要是根據艦載機著艦下滑過程控制來確定的,根據艦載機著艦下滑過程及著艦要求,制訂了如下兩條復飛區上邊界準則:

(1)飛機著艦點必須在最后一根攔阻索之前。

(2)飛機到達艦尾時的速度不能超過正常著艦速度。

對以上兩條準則作進一步說明如下:

(1)航母甲板上布置有4根攔阻索:第1根位于距船尾50 m左右處,其余3根按照艦尾至艦首方向每隔約12 m設1根。理想著艦點位于第2根和第3根攔阻索的中心位置,飛機著艦時,必須掛住任一根攔阻索。

(2)飛機著艦時,其著艦速度需在安全范圍內,如果著艦速度超過正常值,則會產生過大的沖量造成飛機撞毀,同時對攔阻索及地面也會造成磨損。

根據復飛上邊界準則,通過圖4所示的基于飛機小擾動動力學模型的著艦系統,可確定某艦載機的復飛區上邊界。

通過圖4所示的結構圖,可得到艦載機著艦時的下滑軌跡。而復飛區的上邊界主要是根據艦載機著艦時的一系列下滑軌跡所確定的,通過復飛上邊界準則(1)和(2),對復飛區進行了限制,從而得到某艦載機復飛區上邊界。

圖4 確定復飛上邊界的結構圖

2 綜合復飛決策系統的構成

綜合復飛決策系統根據艦載機的狀態判斷艦載機和綜合復飛區的位置關系,從而進行復飛決策。其中,綜合復飛區的上邊界利用基于小擾動動力學模型的著艦系統得到;下邊界利用基于終端預估方程的復飛決策系統得到。某艦載機著艦速度為60 m/s時綜合復飛區及復飛邊界如圖5所示,綜合復飛決策系統的決策流程如圖6所示。

圖5 綜合復飛區及復飛邊界

圖6 綜合復飛決策系統的決策流程圖

按照圖6所示的程序流程圖,當飛機處于圖5所示的復飛區中時,系統將提示必須復飛,此時飛行員應立即拉動操縱桿進行復飛,這樣飛機既不會因飛行高度過高導致不必要的逃逸,同時也有效地避免了撞艦事故的發生,保證了飛機的安全。

3 綜合復飛決策系統的仿真驗證

本系統的仿真驗證平臺是利用Matlab的Simulink模塊和命令窗口來完成的,輸入飛機狀態后,根據圖6所示的復飛決策算法流程可判斷飛機是否需要復飛。下面選擇了典型的4種情況進行仿真驗證。

(1)飛行高度過高:當飛機離艦尾水平距離為400 m,高度為60 m時,飛機已經高于復飛上邊界。通過該系統得出結論:“飛行高度過高,必須復飛”。

(2)未進入復飛區:當飛機離艦尾水平距離為600 m,高度為50 m,飛機下降率為6 m/s2時,飛機未進入復飛區。通過該系統得出結論:“到達艦尾高度為19.1 m,復飛安全”,同時可得到復飛安全情況下的復飛軌跡,如圖7所示。

圖7 復飛安全情況下的復飛軌跡

(3)臨近復飛區:當飛機離艦尾水平距離為500 m,高度為25 m,飛機下降率為4.5 m/s2時,飛機臨近復飛區。通過該系統得出結論:“到達艦尾高度為3.8 m,復飛告警”,同時可得到復飛告警情況下的復飛軌跡,如圖8所示。

圖8 復飛告警情況下的復飛軌跡

(4)已進入復飛區:當飛機離艦尾水平距離為400 m,高度為30 m,飛機下降率為6.5 m/s2時,飛機已進入復飛區,如不采取相應措施將有撞艦危險。通過該系統得出結論:“到達艦尾高度為-3.7 m,必須復飛”,同時可得到相應的復飛軌跡,如圖9所示。

圖9 必須復飛情況下的復飛軌跡

以上仿真結果表明,通過該系統可以很好地決策出飛機是否需要復飛以及復飛是否安全。

4 結束語

本文對已有的復飛下邊界準則進行了完善,增加了限制條件。建立了復飛上邊界準則,將基于飛機小擾動動力學模型的著艦系統與基于終端預估方程的復飛決策系統相結合,設計了基于改進型復飛邊界準則的綜合復飛決策系統,得到了某艦載機的綜合復飛區及復飛邊界。仿真驗證結果表明,所設計的系統能夠及時準確地作出復飛決策,判斷出艦載機是否進入復飛區、復飛是否安全等,從而提高了艦載機的著艦效率和著艦的安全性。

[1] 楊一棟.艦載機著艦引導技術譯文集[M].北京:國防工業出版社,2003:199-268.

[2] Richards Robert A.Application of multiple artificial intelligence techniques for an aircraft carrier landing decision support tool[C]//IEEE International Conference on Fuzzy Systems.Honolulu,HI,United States,2002:7-11.

[3] Jiao Xin,Jiang Ju,Wang Xinhua,et al.Research on effects of sea states on air wake [C]//The 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Beijing,2011:758-762.

[4] 楊一棟.艦載飛機著艦導引與控制[M].北京:國防工業出版社,2007:155-164.

[5] 劉彥俊.復飛的分析與探討[J].空中交通管理,2011,(6):15-21.

[6] 王寶寶,龔華軍,王新華,等.艦載機智能復飛決策技術研究[J].飛行力學,2010,28(2):42-45.

[7] 沈宏良,龔正.艦載飛機復飛決策與操縱研究[J].飛行力學,2008,26(5):5-9.

[8] Robert B Johnstone.Development of the wave off decision device and its relationship to the carrier approach problem[R].AIAA-68-846,1968.

[9] 余勇,楊一棟,代世俊.艦載飛機復飛決策技術研究與實時可視化仿真[J].飛行力學,2002,20(2):31-34.

(編輯：姚妙慧)

Researchoncomprehensivewave-offdecisionofcarrier-basedaircraft

JIAO Xin, JIANG Ju, WANG Xin-hua, ZHEN Zi-yang

(College of Automation Engineering, NUAA, Nanjing 210016, China)

After carrier-based aircraft deviates from ideal glide path due to several disturbances during landing, the pilot must make wave-off decision in time and take some actions. The perfect wave-off lower boundary criteria are presented in this paper, and upper boundary criteria are also deduced and defined. Combined wave-off decision system based on small perturbation equations with wave-off decision system based on terminal prediction equations, the comprehensive wave-off decision system based on improved wave-off boundary criteria are designed in this paper for the first time, from which the wave-off zone and wave-off boundary can be obtained. Besides, the simulation results of this system for different landing status are presented in this paper. The results indicate that this new system can judge whether it is in wave-off zone and whether it is safe, so that it can ensure the efficiency and safety of aircraft landing more effectively.

wave-off decision system; wave-off boundary criteria; carrier-based aircraft

V271.492

A

1002-0853(2012)05-0405-05

2011-11-21;

2012-04-15

國家自然科學基金資助(71071076)；航空科學基金資助(2010ZA52002)；南京航空航天大學基本科研業務費專項科研項目資助(NP2011012, NP2011049)

焦鑫(1986-)，女，山西運城人，博士研究生，研究方向為先進飛行控制技術。