基于臨界能量管理的著艦技術研究

孫洪波, 葉兵, 程亮亮, 曹青春

(海軍航空兵學院 艦載機系, 遼寧 葫蘆島 125001)

基于臨界能量管理的著艦技術研究

孫洪波, 葉兵, 程亮亮, 曹青春

(海軍航空兵學院 艦載機系, 遼寧 葫蘆島 125001)

以一種全新的視角,用能量管理來解釋艦載機著艦,更加直接地分析艦載機的運動狀態,并從能量管理的角度為著艦駕駛操作提供有益參考。結合艦載機著艦仿真數據,分析飛機油門、駕駛桿等控制量的輸入對艦載機能量狀態的影響,總結了規律性的著艦操縱方法,有助于飛行學員理解和掌握著艦理論,對其掌握艦載機的著艦駕駛技能有著積極的作用。

能量守恒; 能量轉化; 艦載機; 著艦技術

0 引言

艦載機阻攔著艦是一項高風險、高增益的任務,即使有各種措施和設備輔助,仍比著陸風險大,是艦載機作業事故率最高的環節[1]。飛行員的操縱水平是艦載機安全著艦的主要依靠,對著艦技術的理解程度決定了飛行員的著艦水平。

艦載機著艦是一個等角下滑的過程[2],從能量方面考慮,也是一個艦載機的總能量相對于飛行甲板著艦點逐漸變小直至歸零的過程。通過分析艦載機著艦過程中的能量變化,能夠得出客觀且易于理解的結論,有助于飛行員透徹把握著艦實質,掌握著艦操縱要領,提高訓練效率。

1 艦載機著艦能量狀態

艦載機著艦過程中的能量狀態是持續變化的,有其特殊性,但也有規律可循。

1.1 臨界能量狀態

著艦飛行過程中,艦載機既有動能,又有勢能,飛行速度決定動能,飛行高度決定勢能,其總能量是動能和勢能之和。正常飛行情況下,艦載機的總能量可以滿足穩定飛行和空中機動需求,完成平臺運載功能。著艦是艦載機減速、降高直至停在航母甲板上的過程,著艦完成意味著艦載機相對飛行甲板的動能歸零,勢能也歸零,即總能量歸零。

讓艦載機的總能量歸零,降低艦載機著艦起始點的初始能量是一個好的策略,實現總能量低起點可以從兩個方面著手:一是降低艦載機的勢能,即降低艦載機的著艦高度,從低起點開始著艦安全性更高;二是降低艦載機的動能,即降低艦載機的著艦速度,低速度著艦安全性更高。低高度有一個極限值,艦載機要安全飛過航母艦尾段,這決定了艦載機下滑道的基準角;低速也有一個極限,即空速不能小于艦載機的失速速度,這決定了艦載機要在反區飛行,如圖1所示。

圖1 飛機需用推力-速度關系圖Fig.1 Aircraft requiring thrust-velocity relation

由圖可知,在艦載機安全可控的前提下,要使艦載機速度比較小,則艦載機工作在反區為宜[3-4]。在保證失速安全裕度的情況下,艦載機飛行速度可以選取到低值,是理想的工作區間。著艦下滑飛行時,艦載機工作在臨界迎角附近,動能較低,高度下降,勢能降低。整個著艦過程,艦載機的總能量處在安全飛行的臨界點上,故稱其為臨界能量狀態。

1.2 能量狀態變化

為了使采用阻攔方式著艦的艦載機在航母飛行甲板著艦區鉤住阻攔索,通常在斜角甲板后部布設四道阻攔索,索間距約12 m,所以著艦區長度約為36 m。要使機身長接近20 m的艦載機準確降落在36 m的著艦區,艦載機采用了等角下滑的著艦技術,即艦載機在著艦的直線下滑段以固定的下滑角度,等速下滑直到觸艦,其下滑角度一般在3.5°～4°,如圖2所示。

圖2 艦載機等角下滑示意圖Fig.2 Carrier-based aircraft equiangular sliding angle

由圖可知,在艦載機著艦下滑過程中,其總能量狀態是逐漸減小的,具體地說是勢能隨高度的降低而減小,動能因保持等速飛行而不變。艦載機能量狀態變化遵循“當前飛行點能量守恒、下滑過程能量穩定減小”的規律。所謂當前飛行點能量守恒指的是飛行員進行著艦操縱的當前時刻,在這一位置點上艦載機的總能量應保持臨界狀態,如果總能量過高,會增加著艦風險;如果總能量過低,飛機可能失控。為保證艦載機能夠按要求著艦,其總能量必須是臨界能量線上的一點,動能與勢能的轉化遵循能量守恒,如果動能低了,勢能就要高一些;反過來,如果勢能低了,動能就要高一些,這樣的艦載機著艦過程才是一個良性可控狀態。下滑過程能量穩定減小是指在整個著艦下滑過程中勢能持續線性減小。

2 艦載機著艦飛行特點

總能量處于臨界狀態的艦載機,其飛行具有以下幾個特點:

(1)強直運動

低能量平衡狀態飛機的飛行速度低,需要靠近臨界迎角來提高升力。處于這種狀態的飛機,其姿態穩定性要求較高,所以艦載機的俯仰角和坡度角都不宜有大幅度的變化,為了保持這種臨界穩定狀態,艦載機的舵面也不應有大幅度的變化,處于這樣一種臨界狀態的飛機只有保持強直狀態,才能安全著艦。所謂強直狀態是指艦載機的飛行以順勢飄動為主,而不宜劇烈機動。

(2)容易失速

艦載機在著艦航線上配平之后,空速接近最優空速,迎角靠近臨界迎角。雖然已經配平,但飛機處于點穩定狀態,此時飛機或飛行的任何一個參數發生變化,都可能使飛機掉高度或失速,而失速的可能性最大,危害也最大。

為了實現定點著艦,艦載機要調整航跡和姿態,在進行縱桿操縱調整飛機的俯仰時,會改變飛機的姿態角,造成飛機的迎角大于或小于最優迎角,而失去配平狀態,發生危險;橫桿操縱會使機翼翼尖迎角首先發生變化,飛行狀態改變,進而可能導致飛機失速,無論哪種情況都可能帶來災難性的后果。

(3)下降快上升慢

理想情況下,艦載機著艦下滑是等速直線運動過程。此時,艦載機的升力與重力平衡,二者方向相反,大小相等。升力和重力的形成機理不同使二者對飛行員操控的響應迥異,氣動升力的補償有延遲,重力對飛機的作用始終存在,因此,重力對飛機航跡的影響更直接。升力和重力對飛機作用機理上的差異,使艦載機著艦過程中呈現出降低高度速度快、而上升高度速度慢的現象。

3 基于臨界總能量管理的著艦操縱原則

處于臨界總能量狀態的艦載機有著特殊的操縱要求,符合要求的操縱輸入才能使其保持在理想下滑道附近,順利實現安全著艦。

3.1 總能量穩定變化

艦載機著艦過程是一個勻速直線運動,其總能量處于臨界狀態,艦載機的總能量一旦低于臨界能量狀態就可能掉高度或失速,意味著著艦失敗;總能量若高于臨界能量狀態,艦載機就會大下滑角觸艦或進入速度正區,著艦風險驟增。所以,在著艦過程中要對艦載機的能量進行必要的調整,標準是總能量狀態要穩定,即艦載機的速度要處于優化的空速附近,著艦航跡要在理想下滑道上。對飛行員來說就是艦載機的空速或迎角在指定范圍內,燈球在基準燈附近,飛行狀態相對穩定。

3.2 油門控制總能量

著艦飛行的艦載機由于高度不斷下降,其勢能逐漸減小。由于速度不變,所以其動能基本穩定。發動機推力是艦載機唯一的能量輸入,當艦載機的總能量變化時,可以進行能量補償的只有發動機推力,也就是控制油門桿,使總能量保持在臨界狀態。

油門桿操作是慢周期響應,意味著發現偏差再進行修正時會出現能量補償滯后的問題。要解決這一問題,要么消除補償的傳遞延遲,但發動機工作機理決定了這是不可能做到的;要么小幅度高頻率地使用油門,用發動機動態平均推力替代穩定油門推力,這是可以實現的。

3.3 駕駛桿控制能量轉換

操縱飛機離不開駕駛桿,通過操縱飛機的舵面來調整飛機的氣動力,改變姿態和航跡。縱向使用駕駛桿,能快速地實現艦載機動能和勢能轉換。拉桿會增加迎角和阻力,飛機的速度降低,高度增加,動能轉化為勢能;推桿會使飛機的迎角減小,阻力也減小,飛機的速度增加,高度降低,勢能會轉化為動能。橫桿操縱會影響飛機的氣動特性,造成升力下降而掉高度,勢能降低,總能量下降。可見,駕駛桿不會補償艦載機的總能量,只能改變艦載機動能和勢能的分配。能量轉換會有損失,即使用駕駛桿后,飛機的總能量也是減少的。

4 艦載機著艦復合偏差修正方法

艦載機著艦出現單一偏差時,按照上述原則操縱即可,但著艦過程中經常會出現復合偏差,其修正的難度更大。下面以幾種典型的復合偏差修正為例予以說明。

(1)又高又快

判斷:高說明勢能大,快說明動能大。

結論:總能量高。

此時首先要減少總能量,即收油門桿減油,再通過駕駛桿調整當前飛行點動能和勢能的分配(見圖3)。圖中:H為高度;D為距離;Vb為表速;Dz為縱桿位移;δT為油門桿位移。

圖3 下滑道操縱曲線1Fig.3 Glide slope control curves 1

由圖3可知,在整個著艦下滑過程中,飛機基本上都處在高于理想下滑道的位置,勢能偏高,動能偏大。通過陰影標注部分,起始點都處于空速快的狀態,因此飛機總能量較高,其后飛行員主要通過收油門進行修正,同時輔以桿的微調后,將飛機空速調整到正常的范圍內,同時接近理想下滑道高度,回到正常的能量狀態。這里需要強調,從圖中可以看出,飛行員在操縱飛機著艦的過程中降高、減速的駕駛動作并不明顯,但同時還應注意到飛行員帶桿的動作非常頻繁,所以說駕駛桿用來控制動能和勢能的轉換,而能量轉換必然要造成能量損失,降低了飛機的總能量,所以飛機的軌跡依然逼近理想下滑道。

(2)又高又慢

判斷:高說明勢能大,慢說明動能小。

結論:總能量適中。

此時不用大幅度補償總能量,油門桿保持穩定,調整駕駛桿,根據高和慢的具體情況,調整當前飛行點的動能和勢能的分配(見圖4)。由圖4可知,在沿跑道距“著艦點”500 m以前的下滑過程中,飛機基本上都處在高于理想下滑道的位置,勢能偏高。

圖4 下滑道操縱曲線2Fig.4 Glide slope control curves 2

在第一個陰影標注部分,飛機空速開始低于正常要求,并呈減小趨勢,飛行員主要通過桿的操作進行修正,油門基本穩定在一定的范圍內;在第二個陰影標注部分,空速處于正常稍偏低的狀態,并呈現變小的趨勢,飛機總能量適中,在這一過程中也主要是通過桿的控制進行調整,油門在開始稍加一點再收回后基本保持穩定,飛機空速調整到正常范圍后,同時處于理想下滑道高度,回到正常的能量狀態。

(3)又低又快

判斷:低說明勢能小,快說明動能大。

結論:總能量適中。

此時不用大幅度補償總能量,油門桿保持穩定,調整駕駛桿,根據高和慢的具體情況,調整當前飛行點的動能和勢能的分配(見圖5)。由圖5可知,在沿跑道距“著艦點”300 m以前的下滑過程中,飛機基本上處在低于理想下滑道的位置,勢能稍偏低。

在圖中兩個陰影標注部分,飛機空速開始都高于正常要求,在此過程中飛行員主要通過桿的操作進行修正,油門基本穩定在一定的范圍內,保持飛機總能量適中,飛機空速調整到正常范圍后,也基本處于理想下滑道高度上,回到正常的能量狀態。

圖5 下滑道操縱曲線3Fig.5 Glide slope control curves 3

(4)又低又慢

判斷:低說明勢能小,慢說明動能小。

結論:總能量低。

此時首先要增大總能量,即推油門桿加油,再調整駕駛桿,調整當前飛行點的動能和勢能的分配(見圖6)。由圖6可知,在沿跑道距“著艦點”300 m以前的下滑過程中,飛機基本上處在低于理想下滑道的位置,勢能稍偏低。

圖中陰影標注部分,飛機空速開始呈減小趨勢,總體能量狀態偏低。在此過程中飛行員主要通過增加油門進行修正,同時穩定桿位在一定范圍,補充飛機總能量到正常狀態,之后在沿跑道距“著艦點”700 m左右的位置回到理想下滑道高度上。

圖6 下滑道操縱曲線4Fig.6 Glide slope control curves 4

5 結束語

本文從臨界總能量管理的角度解析艦載機著艦問題,深入淺出、易于把握,能給艦載機飛行員理解著艦原理、掌握駕駛技能提供有益幫助。艦載機飛行員著艦飛行必須遵循能量變化的規律,而操縱方法的選擇,可以根據偏差類型、出現時機和個人的操作習慣進行具體分析來確定。

[1] U.S.Navy Landing Signal Officers School.Landing signal officers reference manual[M].Virginia:Naval Air Station Oceana,1999.

[2] 海軍裝備部飛機辦公室.國外艦載機技術發展[M].第1版.北京:航空工業出版社,2008:52.

[3] 陳彩輝,周榮坤,吳紅兵,等.基于機艦協同的艦載機著艦過程分析[J].電腦與信息技術,2010,18(4):8-10.

[4] 王延剛,屈香菊.艦載機進艦著艦過程仿真建模[J].系統仿真學報,2008,20(24):6592-6594,6598.

(編輯：方春玲)

Research on landing technique based on critical energy management

SUN Hong-bo, YE Bing, CHENG Liang-liang, CAO Qing-chun

(Carrier-based Aircraft Department, Naval Aviation Institute, Huludao 125001, China)

This paper explains the landing of carrier-based aircraft based on energy management in a new perspective,analyzes the motion state directly and provide helpful reference for landing from the point view of energy management. By combining with the simulation data of landing,the influence of throttle and stick control on energy state of the carrier aircraft is analyzed,and the regular landing techniques are summarized,which are useful for flying cadets to understand the landing theories,play an active role in mastering the landing skills on the carrier.

energy conservation; energy transformation; carrier-based aircraft; landing technique

2014-12-05;

2015-04-13;

時間:2015-06-24 15:03

孫洪波(1972-)，男，吉林梅河口人，副教授，博士研究生，研究方向為艦載機飛行。

V271.4

A

1002-0853(2015)05-0451-05