下滑指示器在艦船搖擺過程中的位移變化分析?

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

艦載直升機以艦船為基地在海上執行任務，由于艦船甲板面積有限，為確保艦載直升機在夜間或白天低能見度的情況下順利返航、并在甲板平臺安全降落，國內外搭載直升機的多數艦船都在艦船后部機庫和甲板平臺配備了直升機著艦引導助降裝置，目前使用最多的是法國研制的直升機助降燈光系統，其中下滑橫搖指示系統是核心燈光助降裝置。

隨著艦載直升機使用條件日漸復雜，在特殊條件下，尤其是邊界海況條件下，裝備的下滑指示器會隨艦艇搖擺產生較大位移，造成燈光失準，對直升機著艦造成不利影響［1］。本文以下滑指示器為分析對象，結合艦船運動特性，建立了燈光位移與艦艇縱橫搖角度之間的數學關系，通過仿真計算手段，對燈光位移進行量化。

2 下滑指示器工作原理簡介

圖1 下滑指示器工作原理框圖示意圖

下滑指示器是下滑系統的主要組成部分，是在夜間或低能見度時引導直升機以正確的航向和下滑角安全返航的信號裝置。其工作原理為：實時接收艦上導航信息，通過在空中形成紅、綠、黃三色光帶向飛行員提供直升機下滑的正確軌跡，下滑引導光束能在直升機偏離下滑軌道時，通過不同顏色的光束能對駕駛員起到警示作用，同時下滑指示器根據艦艇橫搖縱搖信息調整內部伺服裝置，使下滑燈帶不隨艦艇搖擺而產生位移。

工作流程圖如圖1所示。

3 位移量化分析

以某型艦艇下滑指示器為例，下滑引導光束的水平張角為30°，軸線兩側各為15°，下滑引導光束呈扇形，垂直張角為14°。黃光區的垂直張角為8°，紅光區的垂直張角為4°，其上界面與水平面成3°，下界面與水平面成-1°；綠光區的垂直張角為2°；其軸線與水平面成4°［2］。燈帶示意圖如圖2所示。

圖2 下滑指示器燈帶示意圖

圖中，Q點為直升機所在位置，距離起降平臺著艦區距離為L，Q點所在處綠色光帶的高度為H，由于綠色光帶的寬度較小，僅為2°，H大小可近似為以L為半徑，P點為圓心的圓弧長即：，通常直升機下滑指示器的作用距離為夜間大于3n mail，到達距離艦艉100m后通過橫搖指示器進行引導著艦，因此L變化范圍在100m～3n mail之間，可以求得 H的變化范圍在3.49m～192m之間，即距離母艦越近，燈帶的高度度越窄。同理可以求得下滑指示器燈帶的寬度變化范圍為52m～2907m。

直升機下滑時，俯角相對大地是固定的，因此要求下滑指示器發出的引導光束在空間也是穩定的，但由于艦體的結構形式及使用要求的限制，下滑指示器的實船安裝位置一般不在母艦的搖擺中心，而是位于機庫門左側上方，如圖3所示。下滑指示器伺服系統雖能使下滑引導光束相對大地保持水平，但無法消除因下滑指示器安裝位置偏離艦船搖擺軸心而產生的下滑引導光束在空間的位移。

圖3 下滑指示器安裝位置圖

為分析艦艇橫縱搖對下滑指示光束帶來的影響，建立坐標進行數學建模，當艦艇靜止時，艦船穩心為O點，艦艇縱搖軸方向為X軸，橫搖軸方向為Y軸，按照右手定則Z軸垂直于XOY平面向上［3］，坐標系如圖4所示。

圖4 建立坐標系示意圖

設定下滑指示器的初始位置坐標為P(x0，y0，z0)，實際航行過程中，橫搖與縱搖是同時存在的，艦艇產生橫縱搖時，下滑指示器實際位置坐標為位置關系如圖5所示。

圖5 艦艇橫縱搖帶來的燈光位移圖

Δx-艦艇橫搖在縱搖軸方向產生的位移；Δy-艦艇縱搖在橫搖軸方向產生的位移；Δz-艦艇縱橫搖在垂直方向上產生的位移和。

若在某一時刻艦艇的橫搖角度為θ，縱搖角度為β，由于橫搖與縱搖是相互獨立，因此，為分析下滑指示器在某時刻的位移，現對艦艇運動進行橫搖方向和縱搖方向分解，分別分析。

1）橫搖帶來的下滑指示器的位移

為分析橫搖位移，建立如下坐標系，以艦船橫搖中心為原點Oh，橫搖軸方向為Yh，縱搖軸方向為 Xh，垂直 XhOhYh平面向上為Zh。

圖6 艦艇橫搖帶來的燈光位移示意圖

如圖6，艦艇在橫搖過程中下滑指示器位置由P移至P1，圖中各參數如下：

θ為艦艇橫搖角度，即∠P1O1P；a為P點與艦艇橫搖軸間的水平距離；b為P點與艦艇橫搖軸間的垂直距離。

Δz1-艦艇橫搖導致的下滑指示器在垂直方向上的位移。

2）縱搖帶來的下滑指示器的位移

圖7 艦艇縱搖帶來的燈光位移示意圖

如圖7，艦艇在橫搖后再進行縱搖，過程中下滑指示器位置由P1移至P'，圖中OzXZYZZZ坐標系是艦艇經歷橫搖后，以縱搖中心為原點Oz，艦艇縱搖軸方向為Xz軸，橫搖軸方向為Yz軸，垂直于OzXZYZ平面向上為ZZ軸，建立的坐標系，各參數如下：

β為艦艇縱搖角度，即∠P1O2P'；c為下滑指示器與艦艇縱搖軸間的水平距離；d為下滑指示器與艦艇縱搖軸間的垂直距離；Δz2為艦艇橫搖導致的下滑指示器在ZZ軸方向上的位移。將下滑指示器在OzXZYZZZ中的位移轉換至OXYZ坐標系，有以下關系：

通過上述理論計算公式可以看出，驅護艦下滑指示器產生的位移是與橫搖角度、縱搖角度、艦艇橫搖軸位置、艦艇縱搖軸位置有關的物理量，通過對其進行數學建模，形成定量分析數據圖，并以此為基礎，開展下一步解決影響位移的方法的研究。

分析圖8～圖10，可以看出，由于橫搖引起的橫向位移在4m之內，由于縱搖引起的艏向位移不足1m，二者相對于燈帶52m～2907m的寬度范圍來說影響較小。由于橫縱搖引起的垂直方向位移范圍在3m左右，相對于綠色燈帶3.49m～192m的高度范圍，影響較大，尤其在直升機接近艦艇時，大角度的橫縱搖產生的垂向位移已接近于綠色燈帶的高度，造成的影響越發明顯，即使飛行員在下滑過程中處于正確的下滑通道中，在最后進近階段，也可能會由于艦船搖擺導致原本觀察到的綠色燈光變為紅色或黃色，造成飛行員的判斷失誤，對飛機的姿態進行錯誤調整，影響著艦效率，甚至造成著艦事故。

圖8 下滑指示器橫向位移隨橫搖角度變化曲線

圖9 下滑指示器艦艏向位移隨縱搖角度變化曲線

圖10 下滑指示器垂直位移隨橫縱搖角度變化曲線

4 結語

本文提出了當前裝備于艦船上的下滑指示器存在的燈光偏移問題。為進一步明確偏移的位移量大小，文中采用數學建模方法，通過矢量分解，分別建立燈光在艦船橫向、艏向、垂向的位移與艦船橫縱搖角度之間的數學關系，繪制出燈光位移與艦船橫縱搖角度對應的關系曲線。文中所得結果，為解決今后下滑指示器燈光位移問題提供理論計算依據，建議在今后，利用所得結果，通過調整燈光使用方法或改進下滑指示器結構等手段，消除下滑指示器位移帶來的不利影響。