艦載機著艦艦面效應及其補償方法研究

張放, 蒙文鞏, 杜亮

(中國船舶工業系統工程研究院 航空系統研究所, 北京 100094)

?

艦載機著艦艦面效應及其補償方法研究

張放, 蒙文鞏, 杜亮

(中國船舶工業系統工程研究院 航空系統研究所, 北京 100094)

摘要:根據艦面效應的作用機理,分析了艦面效應對艦載機著艦的影響,總結了艦載機在不同著艦模式下的艦面效應補償方法。針對艦載機自動著艦模式,通過分析艦面效應所產生的附加升力造成的著艦偏差,提出了引導信號指令修正的艦面效應補償方法,并給出了艦面效應自動補償方法的具體流程,分析了自動補償方法的特性及其應用面臨的關鍵問題。

關鍵詞:艦載機; 著艦; 艦面效應; 自動補償

0引言

地面效應是飛行器在貼近地面飛行時產生的一種特有的空氣動力現象,可使飛行器的誘導阻力減小,同時獲得比空中飛行更高的升阻比。由于陸基飛機在著陸末段采用“平飄”方式完成最后的著陸[1],地面效應對著陸精度的影響十分明顯。與陸基飛機類似,艦載機著艦時,也經歷由遠及近、逐步接近艦面的過程,因此也存在與地面效應類似的艦面效應。

考慮到艦載機對著艦精度的要求很高,有必要深入研究艦面效應對著艦的影響。徐彥軍等[2]分析了艦面效應對著艦精度的影響,提出了在目視著艦情況下減小地面效應影響的操控措施,但沒有研究全自動著艦模式下如何減小艦面效應的影響問題。本文根據著艦基本原理,通過分析艦面效應對著艦的影響,提出艦載機著艦艦面效應補償方法,旨在減小乃至消除艦面效應對著艦的影響,提高著艦的安全性和可靠性。

1艦載機著艦技術

1.1艦載機著艦模式

依據美軍航母艦載機著艦規范,目前艦載機著艦具有四種模式[3]:

模式Ⅰ:全自動著艦模式。從艦載機進入目標信息測量傳感器截獲窗口開始,由母艦和機上相關系統協同工作,自動控制艦載機完成著艦,飛行員不需手動操控艦載機。

模式ⅠA:類似模式Ⅰ,只是以模式Ⅰ飛行到離艦約900 m左右時轉為飛行員依靠菲涅爾光學助降裝置的指示,目視完成著艦。

模式Ⅱ:為半自動著艦模式,與模態Ⅰ不同的是著艦引導誤差信息不與艦載機的控制系統耦合,只通過儀表顯示,為飛行員操控艦載機提供依據;離艦約900 m左右轉為飛行員依靠菲涅爾光學助降裝置的指示,目視完成著艦。

模式Ⅲ:為人工引導著艦方式,由艦上的指揮人員觀察相關設備,獲取艦載機方位和俯仰誤差,借助語音通信方式,指揮飛行員開展著艦飛行,直至離艦約900 m左右轉為飛行員依靠菲涅爾光學助降裝置的指示,目視完成著艦。

1.2目視著艦特點

除模態Ⅰ外,在著艦末段,飛行員都采用目視方式,依據光學助降裝置提供的理想下滑道的指示,判定艦載機相對理想下滑道的高低,操控艦載機完成著艦。因此,飛行員可通過充分的訓練,依據積累的豐富試驗,手動操控艦載機來部分消除、降低艦艉流、艦面效應、甲板運動等因素對著艦安全性及精度的影響。

1.3全自動著艦特點

全自動著艦工作原理如圖1所示。在全自動著艦過程中,母艦上的目標信息測量傳感器測出艦載機的空間位置,同時由穩定平臺測量母艦甲板運動情況,處理后對甲板運動進行補償;然后計算獲得艦載機在慣性空間坐標系中的實際位置,將艦載機的理想位置和實際位置進行比較,得到艦載機著艦偏差信息,并結合甲板運動預報及補償[4-5]、艦艉流抑制等,經由引導律計算得到艦載機的引導控制指令,再由數據鏈發送給艦載機;艦載機飛控系統根據引導控制指令,自動控制艦載機在預定位置安全著艦[6]。

圖1　全自動著艦工作原理Fig.1　The operating principles of automatic carrier landing

美國AN/SPN-42全自動著艦系統中,縱向控制通道采用俯仰角控制引導律,根據艦載機相對理想下滑道的高度偏差Her,通過引導律計算,生成使艦載機按理想下滑道下滑的俯仰控制指令,即θc=f(Her)。

與半自動著艦由飛行員完成操控不同,全自動著艦是由一個艦機緊密耦合的復雜閉環自動控制系統實現的,期間飛行員只需監視著艦狀態即可。因此,只能通過艦載、機載相關系統的緊密協同工作,消除、降低艦艉流、艦面效應、甲板運動等因素對著艦安全性及精度的影響。

全自動著艦能夠大大降低艦載機著艦的縱橫向誤差,保證艦載機高效率地完成批次降落,大大提高了艦載機著艦的安全性、準確性和自動化程度。采用全自動著艦后,艦載機獲得了更大的自由度,無論白天、黑夜、晴天、雨天,甚至在能見度為零的條件下,都能安全著艦。

1.4艦載機著艦相關參數計算

假設航母的航行速度為VS,其在斜角甲板的速度分量為VScosφ(φ為斜角甲板跑道中心線與母艦艏艉線的夾角,如圖2所示)。

圖2　艦載機著艦幾何關系Fig.2　The geometry relationship of carrier aircraft landing

艦載機以速度VA沿斜角甲板方向、按照θ的理想下滑道著艦飛行,則艦載機相對母艦的飛行速度VAS與VScosφ,VA三者之間滿足矢量三角形的合成法則[2]。經推導,可得艦載機下滑的相對軌跡角及其在慣性空間內的下滑角(γA)滿足以下關系式:

(1)

當θ,γA均較小時,根據近似關系sin(θ-γA)≈θ-γA,sinθ≈θ,可得:

(2)

艦載機飛躍母艦艉截面時,距離甲板的高度為:

(3)

式中:xTD為理想著艦點到艦艉的距離。

2艦面效應及其對著艦的影響

2.1艦面效應產生機理

地面效應的產生主要有兩方面原因:一方面,機翼下方的氣流由于受到地面的阻滯,流速減慢,導致機翼下表面壓力增大,從而使得飛機的升力增加;另一方面,由于地面的阻擋,流過機翼的下洗流的下洗角ε減小,使得飛機的誘導阻力減小,因此地面效應使得飛機的升力增加,阻力減小,改善了飛機的升阻比[7]。另外,機翼后方氣流下洗角的減小又會改變水平尾翼周圍的流場[1],使得飛機的上仰力矩減小,導致飛機產生附加的低頭力矩。通常,地面效應的影響使得升力系數增加0.05～0.18[2]。

實驗和理論分析表明,對固定翼飛機而言,地面效應的強弱主要與飛機距離地面的高度有關。一般來說,當飛機距離地面的高度與其翼展相等時,地面效應開始起作用。當飛機距離地面的高度等于其翼展的一半時,地面效應的作用顯著增強[8]。

與陸基飛機在著陸時受到地面效應的影響類似,對于采用等角下滑、沒有“平飄”階段的艦載機,在其飛躍艦艉、完成著艦的過程中,由于流經機翼與艦面間的氣流被強烈阻滯,使得機翼誘導阻力減少、升阻比增加,升力顯著提高,即出現“艦面效應”。

2.2艦面效應對著艦的影響

2.2.1艦面效應影響距離及時間

根據美軍規定:理想著艦點設置在第2到第3根攔阻索之間,約距艦艉71 m,θ=3°～4°。依據艦載機著艦的幾何關系,可得艦載機飛躍母艦艉截面時,尾鉤距離甲板的高度為3.72～4.96 m。對F/A-18E/F艦載機,飛躍母艦艉截面時艦載機到甲板面的距離不超過7 m,遠小于其13.7 m的翼展。因此艦載機飛躍母艦艉截面后,立刻受到艦面效應的強烈影響,使其產生低頭且向上運動的現象[2],無法沿理想下滑道完成最終著艦,如圖3所示,必須考慮艦面效應對艦載機著艦的影響。

圖3　艦面效應對著艦的影響Fig.3　The impact of deck effect on carrier landing

顯然,艦面效應的作用距離就是理想著艦點和艦艉的距離,作用時間為:

(4)

2.2.2艦面效應對著艦精度的影響

在著艦過程中,艦面效應對艦載機的影響主要體現在升力、阻力和力矩的變化上。其中,考慮到艦載機的慣性,飛躍母艦艉截面后艦載機基本保持原來的質量和原有的前進速度,阻力變化在短時間內對艦載機運動的影響可以忽略不計。

假設艦面效應引起的升力系數增量為ΔCL,由此導致的升力增量為:

(5)

式中:ρ為空氣密度;S為機翼參考面積。

由升力增量作用產生的艦載機垂直方向的法向加速度為:

(6)

式中:m為艦載機質量,該加速度的方向與重力加速度方向相反。

由于存在艦面效應導致的負加速度,艦載機飛到理想著艦點時其高度偏差為:

(7)

因為存在高度偏差,艦載機沒有在理想著艦點著艦,而是以實際的下滑角θ′繼續飛行,如圖4所示。實際下滑角為:

(8)

圖4　艦面效應對縱向著艦誤差的影響Fig.4　The impact of deck effect on longitudinal error of carrier landing

艦面效應引起的艦載機縱向著艦誤差就是實際著艦點與理想著艦點之間的距離,由下式計算得到:

(9)

假設相關著艦參數如表1所示,按照式(2)～式(9),計算可得艦面效應引起的艦載機縱向著艦誤差如圖5所示。可以看出,艦面效應對著艦精度的影響比較顯著,艦載機會出現向前漂移現象,使得艦載機可能無法鉤住攔阻索,導致著艦任務失敗。

表1　相關著艦參數

圖5　艦面效應引起的縱向著艦偏差Fig.5　The longitudinal deviation of carrier landing caused by deck effect

除升力外,艦面效應還會引起艦載機俯仰力矩的變化。艦面效應引起的升力和力矩的變化對艦載機運動的綜合作用表現為艦載機低頭且向上運動。由于作用時間較短,為1 s左右[2],艦載機低頭態勢表現不明顯,而升力增加引起的向上運動表現比較明顯,再加上艦載機以較小的軌跡角著艦飛行,從而會引起較大的縱向著艦偏差。

3艦面效應補償方法

根據著艦模式的不同,提出多種艦面效應補償方法,旨在減小甚至消除艦面效應對著艦的影響。

3.1飛行員手動操控補償方法

在著艦過程中,通過飛行員的觀察或艦上指揮員的指揮,飛行員在著艦末段略向前迎桿,使艦載機在飛躍艦艉上空前先“向下”運動一定程度[2](安全范圍內),飛躍艦艉后由于艦面效應的作用,在理想著艦點上完成著艦。

飛行員本身具有較強的適應能力,經過一定次數的飛行訓練后,飛行員的操縱中含有對艦面效應的修正成分,會在著艦最后階段主動調整自己的操縱策略,修正艦面效應的影響。

依靠飛行員手動操控修正減小艦面效應對著艦影響的方法比較簡單,不需要母艦、艦載機增加其他有關的設施,但需要依靠飛行員的經驗,增加了飛行員的工作負擔。同時,由于作用時間很短,而艦載機有一定的響應延遲,因此飛行員的修正行為必須在達到艦艉之前開始,這對于駕駛員的心理和控制精度要求極高。并且該方法只能在依靠飛行員手動操控的目視著艦中使用,而全自動著艦依靠艦載、機載設備的協同工作,自動控制艦載機飛行,無法由飛行員手動操控修正減小艦面效應的影響。

3.2理想著艦點位置后移補償方法

在著艦過程中,艦上相關助降設備(如AN/SPN-46雷達、光學助降設備FLOLS、起降綜合電視監視系統ILARTS等)為艦上指揮人員、機上飛行員提供理想下滑道指示,指揮、控制艦載機按照理想的飛行軌跡在理想著艦點完成著艦阻攔。

著艦過程中,特別是在著艦最后階段,在預測艦面效應對著艦影響程度基礎上,合理調整理想著艦點的位置,使得艦上相關助降設備指示的理想下滑道統一適當后移,可補償艦面效應的影響。

通過調整理想著艦點的位置補償艦面效應影響的方法相對復雜,涉及到雷達、光學、電視等艦上相關助降設備,都需要同時修正指示的理想下滑道,以保證系統的一致性。

由于每次著艦時艦面效應的影響程度可能不一樣,對理想著艦點的調整程度也不一樣,這就需要艦上相關人員和飛行員每次都要熟悉理想著艦點調整的程度,進而增加了工作負荷。

3.3全自動著艦艦面效應自動補償方法

全自動著艦由艦載、機載相關系統協同工作,自動控制艦載機完成著艦飛行。“人”在艦機控制回路中處于監視狀態,無法由飛行員手動操控減小艦面效應對著艦的影響。

根據全自動著艦工作原理,可在母艦經數據鏈上傳給艦載機的著艦引導控制指令中補償減小艦面效應影響的參數,由艦載機自動響應減小艦面效應。具體流程如下:

(1)計算艦面效應對艦載機著艦的影響程度,即艦面效應引起的艦載機飛到理想著艦點處的高度偏差ΔH。

(2)根據實時預測的著艦飛行軌跡,預估艦載機飛躍艦艉時的著艦偏差ΔHf。

(3)根據圖6所示艦載機飛躍艦艉的幾何關系,計算艦面效應的補償量ΔHGE。若ΔHf+ΔH<ΔHd,則ΔHGE=ΔHd-ΔHf;否則,ΔHGE=ΔHh。其中,ΔHu,ΔHd分別為艦載機飛躍艦尾安全邊界的上、下限。

(4)根據引導律,生成融合補償艦面效應措施的引導控制指令,并通過數據鏈上傳給艦載機,自動完成艦面效應的補償。

圖6　艦載機飛躍艦艉幾何關系圖Fig.6　The geometry relationship of carrier aircraft landing over the ship’s stern

上述艦面效應自動補償方法自動化程度和安全性高,不會增加艦、機、人的負擔,適用性強,可根據不同艦載機及其著艦狀態,在滿足著艦安全前提下最大程度地減小艦面效應的影響。但何時引入艦面效應的補償分量是該方法的核心和關鍵,需要根據不同艦載機的響應特性,經過大量試驗驗證后才能明確。

4結束語

艦載機在艦面效應作用下會向前“漂移”一段

距離,影響縱向著艦精度,甚至使得鉤索失敗,因此需要進行補償。本文提出的艦載機著艦艦面效應補償方法充分考慮了各種著艦模式的差異,具有較好的適用性,對提高著艦能力具有重要意義。需要指出的是,艦面效應對艦載機著艦的影響程度因艦載機、著艦狀態的不同而有所差別,需要根據實際情況進行研究、數值仿真和飛行試驗驗證。同時,艦面效應的補償程度還需要經過大量的試驗驗證后,才能達到工程應用的條件。

參考文獻：

[1]方振平,陳萬春,張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:74-75.

[2]徐彥軍,李冀鑫.地面效應對著艦精度的影響及操控策略[J].四川兵工學報,2011,32(12):117-119.

[3]吳鑫.艦載機自動著艦控制系統設計與研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[4]Davies W D T,Noury R.AN/SPN-42 automatic carrier landing system[R].AD74-35209,1974.

[5]余勇.精確著艦導引及復飛技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2003.

[6]顏振萍.艦載機自動著艦控制系統研究[D].上海:復旦大學,2009.

[7]葉永林.地效翼船總體性能設計技術[J].船舶力學,2002,6(5):95-103.

[8]楊暉.地效飛機的發展和展望[J].飛行力學,2001,19(1):13-17.

(編輯：崔立峰)

Research on deck effect and compensation method for carrier aircraft landing

ZHANG Fang, MENG Wen-gong, DU Liang

(Aviation System Research Department, System Engineering Research Institute of CSSC,Beijing 100094, China)

Abstract:This paper analyzes the influence of deck effect on carrier landing based on the action principles of deck effect. The compensation method of deck effect was introduced for different carrier landing models. For the automatic carrier landing, based on the method of correcting the guidance command to compensate deck effect was presented by analyzing the landing deviation caused by the additional lift from deck effect. The specific flow chart for automatic compensation of deck effect was built, and the characteristics and key engineering problem were analyzed, too.

Key words:carrier aircraft; carrier landing; deck effect; automatic compensation

中圖分類號：V212.1; V249.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)01-0077-05

作者簡介:張放(1978-)，男，河北承德人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為艦載機航空保障技術。

收稿日期:2015-05-20;

修訂日期:2015-09-23; 網絡出版時間:2015-10-09 14:41