直升機-艦船動態配合著艦仿真研究

徐廣, 胡國才, 王允良

(海軍航空工程學院 飛行器工程系, 山東 煙臺 264001)

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直升機-艦船動態配合著艦仿真研究

徐廣, 胡國才, 王允良

(海軍航空工程學院 飛行器工程系, 山東 煙臺 264001)

摘要:針對直升機-艦船動態配合研究的需求,開發了一種艦載直升機-艦船動態配合耦合模型。該模型以直升機飛行動力學模型為主體,包括了幾個子系統模型,同時考慮了子系統間的相互影響與耦合作用。以UH-60A直升機與某型艦船的動態配合為例進行了著艦降落仿真研究。結果表明:流場、艦效和艦船運動等艦載因素加劇了直升機著艦過程中的機體姿態變化,增大了觸艦速度,加大了著艦風險。

關鍵詞:艦載直升機; 動態配合; 著艦; 多系統耦合模型

0引言

直升機著艦影響因素眾多,國內外許多學者從不同角度出發做了大量研究。由JSHIP項目開發的DIMSS[1-3]是一個實現直升機-艦船動態配合的較為全面的仿真系統,該系統包括實時艦尾流模型、直升機飛行動力學模型、艦船運動模型和輔助嵌入子系統。可用于實時飛行仿真測試和駕駛員操縱訓練。在飛控系統和駕駛員操縱方面,大量學者致力于艦載環境下飛控系統的研究,保持直升機在艦尾流飛行中的姿態穩定,達到減緩駕駛員工作負荷的目的[4-6]。在艦尾流模型方面,目前主要采用一種定常流結合隨機尾流的形式,發展了一些考慮機-艦環境的流場模型[7-9]。在艦船運動和艦效方面,文獻[10]在有限狀態艦效模型的基礎上,考慮了直升機在未進入、半進入和完全進入艦面甲板時的情況,開發了一種適合不規則、傾斜平面的動態艦面效應模型[11],并成功地應用于FLIGHTLAB飛行仿真軟件。

上述研究主要集中于直升機進場和懸停跟進階段,關于著艦降落的研究并不多。事實上,該階段直升機的運動受到艦船空氣流場、艦面效應等因素的影響,是著艦的關鍵階段。直升機的著艦時長、偏離著艦點位移、觸艦速度、機體姿態等都是衡量著艦安全的重要指標。綜上所述,本文開發了一種艦載直升機-艦船動態配合耦合模型,用于著艦動力學的研究。

1直升機-艦船動態配合耦合模型

1.1模型概述

本文提出的直升機-艦船動態配合耦合模型是一種多系統耦合模型,涵蓋了直升機飛行動力學模型、空氣動力學模型、飛控系統、飛行環境、艦船運動、艦效作用、駕駛員操縱等各方面因素以及各子系統之間的相互影響,同時,為滿足著艦研究的需求加入了觸艦系統,如圖1所示。

直升機模型采用了一種高階非線性動力學模型[12]。艦面流場模型采用一種穩定流場結合隨機流場的方式[13],在穩定流場方面,采用CFD計算結果作為流場的穩態分量,隨機流場則與艦船運動和紊流相關。艦船運動模型主要考慮工程上常用的母艦縱搖、橫搖和升沉運動方程;艦面效應與直升機-艦船的運動狀態和位置相關,影響直升機氣動特性;在觸艦系統中,以起落架模型為基礎,考慮艦船運動與直升機相對艦船甲板位置,判斷直升機觸艦的時刻。

1.2子模型的集成

由于操縱控制輸入、艦船運動模型等對直升機飛行動力學模型并沒有直接影響,這里主要考慮直升機模型與流場模型和艦面效應的集成。與流場模型集成時,主要考慮風速對直升機氣動特性的影響,在當地前進比中考慮當地的流場風速矢量,從而計算考慮流場后的葉素氣動載荷;與艦面效應模型集成時,主要考慮艦船運動與直升機相對甲板高度的變化對旋翼氣動特性的影響,具體表現在旋翼入流的變化。

綜上所述,集成了一個適于流場環境研究的飛行動力學模型[14],其非線性運動方程組可表示為:

(1)

式中:u=[θcol,θlat,θlon,θped]T為操縱輸入;w為流場風速矢量;x為狀態向量:

(2)

2計算方法

針對式(2)給出的直升機運動方程,給定狀態量初始值x(0)、外部流場輸入w(t)和操縱輸入時間歷程u(t),其動態響應可以表示為:

(3)

對于表示成標準一階常微分方程組形式的直升機運動方程組,采用四階Runge-Kutta法計算直升機在著艦過程中的動態響應,具體流程如圖2所示,該模型響應計算的驗證詳見文獻[13]。

圖2　艦載直升機著艦降落仿真流程圖Fig.2　The flow chart of landing simulation for shipborne helicopter

3計算結果與分析

3.1艦面流場對結果的影響

根據艦載直升機操作流程手冊[15]可知:駕駛員在操縱直升機著艦時,需觀察甲板運動和海浪周期,然后在飛行甲板接近或達到水平姿態時著艦,避免在飛行甲板上方長時間懸停。下落過程中,駕駛員主要操縱總距桿,并結合實際情況配合周期桿的操縱,保證直升機安全著艦。

母艦的運動選取中等海況條件下的工程模型,母艦縱搖、橫搖和升沉運動方程見文獻[16]。選取陸基、艦基無紊流和艦基有紊流三種流場條件進行計算對比。其中,陸基流場條件為:定常風15 m/s,迎機頭偏右60°方向。艦基流場條件為:甲板合成風15 m/s,迎艦艏偏右舷60°方向,艦面紊流模型垂向強度2 m/s,無紊流時該強度為0 m/s,紊流尺度由飛行高度決定。

根據駕駛員飛行操縱經驗,直升機在著艦區甲板上方懸停高度約為5 m,在直升機觸艦前將總距桿下放至總距總行程約1/3處。因此,仿真設定具體的操縱輸入為:駕駛員在1.0～1.4 s的時間內下放總距桿5.08 cm(2 inch),同時采用壓桿聯動操縱系統[12]控制周期桿和腳蹬位置,保證直升機偏航方向的穩定。以直升機在飛行甲板著艦點上方懸停作為仿真的初始點,以任意起落架輪觸及飛行甲板作為仿真終點。

表1給出了不同流場條件下直升機觸艦時刻的狀態量。對比艦基和陸基條件的計算結果可知,艦基流場條件下直升機觸艦時刻的垂直速度、水平偏移速度以及滾轉和俯仰角速度大于陸基流場條件的計算結果,表明艦面流場非線性、不規則性對直升機的觸艦速度起到了加劇作用。對比有、無紊流兩種條件的計算結果,總體而言,有紊流條件下各個狀態量的計算結果要略高于無紊流條件,在滾轉角速度方面則相反。事實上,基于紊流的隨機特性,直升機對紊流的響應并沒有規律,對觸艦速度起到的加劇或減緩作用也是隨機的。

表1　不同流場條件下直升機觸艦時刻狀態量

圖3給出了不同流場條件下直升機著艦降落過程中的歐拉角速度變化響應曲線。對比艦基、陸基兩種流場條件的計算結果,不難發現前者的歐拉角速度變化明顯比后者劇烈,這是由艦面流場的非線性、不規則等特點決定的。對比有、無紊流兩種條件的計算結果可知,無紊流條件下的歐拉角速度變化曲線較為平滑,而有紊流條件下的計算結果則呈現了不規則性與隨機性,尤其在響應的初始階段,即直升機相對艦面懸停并隨艦跟進的1 s內,角速度曲線就呈現了明顯的變化趨勢,表明了紊流對直升機姿態的影響是不容忽視的。綜上所述,艦面流場的非線性、不規則和時空特性是影響直升機著艦安全的重要因素。

圖3　不同流場條件下直升機的歐拉角速度Fig.3　Helicopter Euler angular rates under 　different airflow field conditions

3.2艦面效應對計算結果的影響

直升機在著艦過程中,由于艦船存在升沉運動,使得艦面甲板在空間軸系中的位置發生了改變,導致了艦效作用的變化。

選取不考慮艦效、不考慮艦船運動和兩者均考慮三種條件進行計算對比。仿真時,流場條件均相同,其余仿真條件以及駕駛員對總距桿的操縱速度均與3.1節相同。表2給出了不同艦效條件下直升機觸艦時刻的狀態量。

表2　不同艦效條件下直升機觸艦時刻狀態量

對比有、無艦效兩種條件的計算結果可知,艦效作用延緩了直升機著艦下降過程,增加了著艦時間和觸艦時刻的水平偏移量,加劇了直升機滾轉和俯仰姿態的變化。對比有、無艦船運動兩種條件的計算結果,發現考慮艦船運動所需的觸艦時間略多于不考慮艦船運動的情況,這是由于觸艦時刻約為艦船升沉周期的1/4處,艦船甲板正處于下沉周期。下降過程時間的延長,增加了直升機在觸艦時刻的姿態變化量和水平偏移量。

圖4給出了不同艦效條件下直升機著艦降落過程中的歐拉角速度變化曲線。由圖可知,有、無艦效作用兩種條件下的計算結果是大不相同的。在響應的初始階段,考慮艦效作用的角速度響應曲線呈現出較為明顯的變化趨勢,這是由于考慮艦效后,旋翼誘導速度與葉素當地前進比和旋翼拉力系數相關,而葉素剖面氣流具有時空特性。因此,旋翼的氣動特性隨之變化,從而影響了直升機的歐拉角速度。在均考慮艦效作用的兩種條件下,響應初期兩者角速度的變化趨勢大體相同,但在響應后期,考慮艦船運動的角速度變化比不考慮艦船運動的結果更為劇烈一些。這是由于艦船的升沉運動改變了旋翼距離艦面甲板的垂直距離,在響應后期,艦船處于下沉周期內,因此,兩條曲線呈現出明顯的不同。

圖4　不同艦效條件下直升機的歐拉角速度Fig.4　Helicopter Euler angular rates under different ship deck ground effect conditions

4結論

(1)建立了一個艦載直升機-艦船動態配合耦合模型,考慮了子系統之間的耦合與相互影響,適用于直升機著艦仿真研究。

(2)艦面流場由于其非線性、不均勻性的特點,在著艦降落過程中對直升機的線速度和角速度起到了加劇作用,增大了觸艦時刻直升機的偏移量和姿態改變量,尤其是紊流的時空特性增加了直升機角速度變化的幅度和隨機性,對直升機狀態的影響不容忽視。

(3)艦效作用延緩了直升機著艦過程,導致流場等未知因素危及著艦安全的可能性增加,同時,著艦時間的延長增加了偏移量與機體姿態變化量。艦船的升沉運動通過影響艦面效應,加劇了直升機的角速度變化幅度。

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(編輯：方春玲)

Research on shipborne helicopter-ship dynamic interface and simulation of landing on the flight deck

XU Guang, HU Guo-cai, WANG Yun-liang

(Department of Airborne Vehicle Engineering, NAEI, Yantai 264001, China)

Abstract:A shipborne helicopter-ship dynamic interface coupled model is developed for the need of research on helicopter-ship dynamic interface. In this model, helicopter flight dynamic model is taken as the main body, including some subsystems, with the consideration of the interrelationships and coupling effects between these subsystems. The simulation of UH-60A helicopter in landing on the deck of a certain ship is calculated and analyzed, which shows that with the consideration of the shipborne factors including airflow field, ship deck ground effect and ship motion, the variety of the body attitude angles are intensified, the velocities and angular rates increase, and landing safety reduced.

Key words:shipborne helicopter; dynamic interface; landing on the flight deck; multiple systems coupled model

中圖分類號：V212.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)02-0020-04

作者簡介:徐廣(1987-)，男，浙江嵊州人，博士研究生，研究方向為直升機飛行動力學、機-艦動態配合。

基金項目:航空科學基金資助(20145784010)

收稿日期:2015-06-12;

修訂日期:2015-10-19; 網絡出版時間:2016-01-10 14:14