航母艦載機(jī)阻攔及起飛過程綜合控制

許允之， 王仁順， 張可馨

（中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

航空母艦對(duì)于我國維護(hù)海洋權(quán)益意義重大，其威懾力強(qiáng)、打擊范圍廣，我國已成為當(dāng)今世界上少數(shù)能夠建造現(xiàn)代航母的強(qiáng)國，能夠較好地體現(xiàn)我國的國防水平［1］。艦載機(jī)承擔(dān)航母上的重要作戰(zhàn)任務(wù)，其起飛降落是目前航母上公認(rèn)的危險(xiǎn)系數(shù)最高的作業(yè)，研究艦載機(jī)的阻攔和起飛過程可以降低危險(xiǎn)事故發(fā)生，同時(shí)有利于提升我國國防實(shí)力。

國內(nèi)外均對(duì)艦載機(jī)攔阻降落和起飛過程進(jìn)行了大量研究。西方國家早在20世紀(jì)50年代開始對(duì)阻攔索動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究［2］，本世紀(jì)初美國便開始了對(duì)先進(jìn)阻攔裝置的探究［3］。我國起步較晚，但發(fā)展迅速，取得的顯著的研究成果。張智等［4］將有限元方法引入阻攔索動(dòng)力學(xué)，對(duì)阻攔索張力進(jìn)行建模分析；張曉谞等［5］提出以阻攔電機(jī)的新型電磁阻攔裝置，并提出了基于轉(zhuǎn)矩的阻攔閉環(huán)控制，喻浩文等［6］對(duì)艦載機(jī)起飛過程建立部件級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。本文根據(jù)電磁理論對(duì)艦載機(jī)起飛和降落過程進(jìn)行建模分析，建立了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)，對(duì)艦載機(jī)起飛、降落和復(fù)位過程進(jìn)行綜合控制。

1 電磁阻攔索原理

1.1 電磁阻攔裝置系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，電磁阻攔系統(tǒng)主要由阻攔索、感應(yīng)塊、緩沖裝置、電感線圈、電源以及控制器等組成［7］。當(dāng)艦載機(jī)降落時(shí)，忽略艦載機(jī)偏航，假設(shè)其鉤索處正好為阻攔索的中央位置，則艦載機(jī)受到來自阻攔索的力可認(rèn)為大小相同且關(guān)于艦載機(jī)對(duì)稱，為簡化分析將艦載機(jī)看作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。

圖1 降落時(shí)電磁阻攔系統(tǒng)示意圖

1.2 電磁阻攔裝置建模

對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行受力分析，結(jié)合牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，其受力分析圖如圖2所示［8］，并且其中存在以下關(guān)系：

式中：Cx代表阻力系數(shù)；ρ代表空氣密度；S0代表機(jī)翼正投影面積；D代表空氣阻力方程。

圖2 艦載機(jī)受力分析圖

根據(jù)圖2可得：

當(dāng)艦載機(jī)鉤到阻攔索并在航母上滑行時(shí)，由于滾動(dòng)摩擦力較小可以忽略，令Ff＝0，則式（1）變?yōu)?/p>

結(jié)合空氣阻力方程可得：

根據(jù)能量守恒定律和安培力計(jì)算公式可以得到以下關(guān)系：

式中：v0表示艦載機(jī)的初始速度；M表示艦載機(jī)的質(zhì)量；I0代表螺線管中的初始電流；L表示電感線圈電感值大小；N為電感線圈匝數(shù)；k為常數(shù)。

根據(jù)式（6）可得線圈供電電流

將其代入式（9）可得：

對(duì)式（10）兩邊積分可以得到：

2 艦載機(jī)降落過程仿真分析

2.1 艦載機(jī)降落過程相關(guān)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［2］中艦載機(jī)建模使用的相關(guān)參數(shù)，本文選用與該型號(hào)艦載機(jī)相近的參數(shù)范圍進(jìn)行研究，具體參數(shù)值如下：艦載機(jī)質(zhì)量M＝20 t，飛機(jī)最小速度vmin＝5 m／s，飛機(jī)初始速度v0＝60 m／s，跑道中心線距滑輪距離X＝16 m，電感線圈值L＝5 H。

由于在艦載機(jī)阻攔降落過程中要求最后可靠停在航母跑道上，即vmin＝0，但在建模分析時(shí)忽略了摩擦力與空氣阻力等因素，為保證仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，假定飛機(jī)最小速度并不為零，而是取vmin＝5 m／s。但由于阻力等因素的存在，依然可以確保艦載機(jī)在安全攔停距離內(nèi)可靠降落。

2.2 艦載機(jī)降落時(shí)電流與速度關(guān)系

由圖3可以得知，當(dāng)電流取最大值，艦載機(jī)的速度為最小值時(shí)，電流變化率為最小；當(dāng)電流變化率取最大值，艦載機(jī)的速度同時(shí)取得最大值時(shí)，電流值為零。由于飛機(jī)在剛剛著陸時(shí)其速度達(dá)到最大值，根據(jù)圖3需要電磁裝置提供一個(gè)最大的電流變化率來產(chǎn)生最大的電磁阻力，從而使艦載機(jī)做減速運(yùn)動(dòng)，并在可靠距離內(nèi)滑行并最終停止在航母上。

圖3 電流與速度關(guān)系曲線

2.3 艦載機(jī)降落時(shí)電流與時(shí)間關(guān)系

為了便于利用控制器對(duì)電磁裝置電流進(jìn)行控制，需要找到電流與時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)式（11）可得：

代入

即可得到電流與時(shí)間的變化關(guān)系，代入相關(guān)參數(shù)，采用MATLAB軟件可得到兩者變化關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，艦載機(jī)降落時(shí)電流隨時(shí)間的變化曲線與電流隨速度變化曲線類似。

2.4 電流控制

采用Matlab軟件搭建Simulink電磁阻攔仿真模塊，其仿真模型如圖5所示，其中加速度輸入由斜坡輸入和積分環(huán)節(jié)組成。

圖4 電流與時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 電磁阻攔控制回路仿真電路圖

改變不同的受控電壓信號(hào)形式，包括定值輸入、斜坡輸入以及加速度輸入形式，得到的電感線圈的電壓電流波形分別如圖6～8所示。

圖6 受控電壓源控制信號(hào)為定值

圖7 受控電壓源控制信號(hào)為斜坡給定

圖8 受控電壓源信號(hào)為加速度給定

根據(jù)上述3種電壓控制信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的電感線圈電流分析可知：所加電壓控制信號(hào)的電壓越大，其對(duì)應(yīng)的電流變化率越大；所加電壓控制信號(hào)為加速度給定時(shí)，其后期電流變化率較好。

考慮到艦載機(jī)降落時(shí)開始需要提供巨大的電磁阻力，故應(yīng)考慮加一個(gè)較大的控制信號(hào)電壓，并使其以2次或更高次形式迅速減小，以提供足夠的電磁阻力使艦載機(jī)平穩(wěn)停止。采用Simulink搭建模塊模擬艦載機(jī)降落時(shí)電流曲線，Simulink框圖以及仿真曲線分別如圖9、10所示。

2.5 復(fù)位過程

考慮到艦載機(jī)降落以后電磁感應(yīng)塊降落到最頂部，為保證第2架艦載機(jī)的連續(xù)降落需要改變控制信號(hào)，依靠電磁力將磁鐵推到頂部初始位置，以保證承載多架艦載機(jī)的連續(xù)降落過程。

圖9 艦載機(jī)降落時(shí)模擬電流框圖

圖10 降落時(shí)電磁裝置電流示意圖

3 艦載機(jī)起飛過程仿真分析

3.1 艦載機(jī)起飛過程建模分析

與艦載機(jī)降落過程相對(duì)應(yīng)，可以利用電磁發(fā)射裝置對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行彈射起飛，電磁彈射裝置系統(tǒng)組成示意圖如圖11所示。由于此時(shí)摩擦力等為阻力，選取初始速度為v0＝0，相比于阻攔降落過程建模分析，艦載機(jī)起飛時(shí)部分受力分析發(fā)生改變，此時(shí)重力和電磁力為艦載機(jī)起飛提供動(dòng)力，由阻攔索帶動(dòng)艦載機(jī)加速達(dá)到艦載機(jī)需要的發(fā)射速度，為了便于同降落過程對(duì)比，取發(fā)射速度等于降落時(shí)的初始速度，即v0＝60 m／s，同時(shí)應(yīng)考慮航母航速、艦載機(jī)質(zhì)量等不同參數(shù)情況下保證將艦載機(jī)發(fā)射出去［9］。

圖11 起飛時(shí)電磁彈射系統(tǒng)示意圖

對(duì)起飛時(shí)艦載機(jī)進(jìn)行受力分析可得：

結(jié)合空氣阻力方程可得：

根據(jù)能量守恒定律可得電感線圈中供電電流：

同降落過程分析類比可得：

即

3.2 艦載機(jī)起飛時(shí)電流與速度關(guān)系

結(jié)合式（16）可以得到艦載機(jī)彈射起飛時(shí)電流和速度的關(guān)系曲線，如圖12所示。同圖3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，艦載機(jī)起飛和降落時(shí)速度與電磁裝置電流兩者之間的關(guān)系變化規(guī)律相同。

3.3 艦載機(jī)起飛時(shí)電流與時(shí)間關(guān)系

將式（18）變換，同理可得到速度和時(shí)間的關(guān)系：

將式（19）代入式（16），即可得到艦載機(jī)彈射起飛時(shí)電流與時(shí)間的變化關(guān)系曲線，見圖13。

圖12 艦載機(jī)起飛時(shí)速度與電流關(guān)系圖

圖13 艦載機(jī)起飛時(shí)電流與時(shí)間關(guān)系圖

對(duì)比圖4和圖13可以發(fā)現(xiàn)，艦載機(jī)降落和彈射起飛時(shí)電流與時(shí)間關(guān)系不同，根據(jù)這兩者的區(qū)別需要采用不同的控制信號(hào)對(duì)電流進(jìn)行控制。

3.4 電流控制

根據(jù)圖12中艦載機(jī)起飛時(shí)速度與電流兩者之間的關(guān)系，同時(shí)考慮到艦載機(jī)起飛時(shí)其速度是逐漸增大，因此需要在初始時(shí)刻加上電壓信號(hào)，然后調(diào)節(jié)可控電壓源使得電流值以2次或者更高次形式快速增大，從而確保艦載機(jī)在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的前進(jìn)推力，依靠電磁裝置實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)的彈射起飛。

為實(shí)現(xiàn)上述過程考慮根據(jù)電流與時(shí)間曲線模擬電流信號(hào)，其Simulink仿真框圖如圖14所示，得到的電流曲線如圖15所示。

圖14 艦載機(jī)起飛時(shí)模擬電流框圖

圖15 起飛時(shí)電磁裝置電流示意圖

3.5 復(fù)位過程

考慮到艦載機(jī)起飛后電磁感應(yīng)塊降落到最底部，為保證第2架艦載機(jī)的連續(xù)起飛需要利用控制系統(tǒng)，利用電磁力將感應(yīng)塊推到頂部，完成復(fù)位，以保證承載多架艦載機(jī)的連續(xù)彈射起飛過程。

4 電磁裝置改進(jìn)方案

4.1 電磁裝置靈敏度分析

航母進(jìn)行艦載機(jī)的降落、起飛和復(fù)位過程是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，需要考慮到不同艦載機(jī)沖索速度、艦載機(jī)不同型號(hào)、外界阻力干擾等多種復(fù)雜情況［10］，根據(jù)上述分析中發(fā)現(xiàn)艦載機(jī)起飛和降落過程原理類似，以艦載機(jī)降落過程為例，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。

（1）不同初速度時(shí)仿真分析。考慮到艦載機(jī)在停落航母時(shí)初速度難以保證相同，當(dāng)沖索速度不同時(shí)，電磁阻攔裝置需要提供的能量也不相同，采用的控制信號(hào)也需要相應(yīng)調(diào)整［11］。選取艦載機(jī)的質(zhì)量為20 t，初始速度分別為50和60 m／s進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖16所示，其中速度與時(shí)間包圍的面積即為艦載機(jī)駛過的攔停距離。

由圖16可知，當(dāng)艦載機(jī)的質(zhì)量相同而沖索初速度不同時(shí)，雖然兩者速度降為零的時(shí)間幾乎相等，但艦載機(jī)的初速度越大，其速度降落過程的攔停距離也會(huì)越大；同時(shí)考慮到P＝Mv2／2，故初速度越大，艦載機(jī)具有的動(dòng)能越大，電磁阻攔裝置需要提供更大的能量讓艦載機(jī)可靠停止，攔阻索承受的拉力也隨之增大，所以為保證艦載機(jī)的可靠降落，對(duì)艦載機(jī)的初始速度有一定的要求。

圖16 不同初速度時(shí)艦載機(jī)的速度和時(shí)間關(guān)系

（2）不同艦載機(jī)質(zhì)量時(shí)仿真分析。考慮到航母功能多樣性，同一艘航母會(huì)進(jìn)行多種類型的艦載機(jī)起落，并且同一種類型的艦載機(jī)在載荷不同時(shí)其質(zhì)量也不盡相等，因此需要考慮艦載機(jī)質(zhì)量不同時(shí)對(duì)電磁阻攔裝置的影響。選取艦載機(jī)的初始速度為60 m／s，分別采用質(zhì)量為18、20和22 t的艦載機(jī)進(jìn)行仿真分析，得到的速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖17所示。

由圖17可知，當(dāng)以相同的艦載機(jī)沖索初速度，分別采用不同質(zhì)量的艦載機(jī)阻攔時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)艦載機(jī)的攔停距離受艦載機(jī)質(zhì)量影響較小，并且后期的艦載機(jī)速度變化比較接近勻減速運(yùn)動(dòng)，既能快速將速度降為零，同時(shí)也能保證駕駛員的舒適度。同理根據(jù)P＝Mv2／2，故艦載機(jī)質(zhì)量越大，艦載機(jī)具有的動(dòng)能越大，電磁阻攔裝置需要提供更大的能量讓艦載機(jī)可靠停止，攔阻索承受的拉力也隨之增大，需要根據(jù)阻攔索承受的最大拉力等實(shí)際情況確定艦載機(jī)停靠的最大質(zhì)量。

圖17 不同質(zhì)量時(shí)艦載機(jī)的速度和時(shí)間關(guān)系

4.2 電磁裝置的優(yōu)化

由于考慮到不同型號(hào)艦載機(jī)、不同初始速度等復(fù)雜情況下的艦載機(jī)起飛、降落和復(fù)位過程，本文對(duì)控制器進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，不僅讓電磁裝置的電流可以調(diào)節(jié)，并且電感線圈的電感值也能在某個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同情況下的需求，同時(shí)考慮到電磁兼容的問題，使電磁阻攔裝置得以進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

4.2.1 電磁兼容

由前面分析過程可知，艦載機(jī)主要包含起飛、降落和復(fù)位過程，并且這3種狀態(tài)下艦載機(jī)所處的電磁環(huán)境也不完全相同，其中當(dāng)艦載機(jī)遠(yuǎn)離航母時(shí)，電磁裝置對(duì)其影響相對(duì)較小；當(dāng)艦載機(jī)起飛和降落過程時(shí)受到電磁影響較大，現(xiàn)代艦船雷達(dá)的輻射功率可產(chǎn)生高達(dá)10 kV／m的峰值場強(qiáng)，從而當(dāng)艦載機(jī)經(jīng)過高場強(qiáng)區(qū)時(shí)會(huì)感應(yīng)出大電壓和電流，易引發(fā)安全事故［12］。故電磁裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮提高艦載機(jī)屏蔽性能的措施，從而降低電磁裝置帶來的危害。

其中具體提高艦載機(jī)屏蔽性能的措施為：減小和控制艦面電磁環(huán)境，關(guān)鍵是艦載機(jī)起降航道區(qū)域的電磁環(huán)境；采用電磁屏蔽涂料提高艦載機(jī)抗電磁輻射能力，如采用化學(xué)鍍法設(shè)計(jì)艦載機(jī)機(jī)柜輕質(zhì)門［13］。

4.2.2 可調(diào)電感實(shí)現(xiàn)方法

由于考慮到不同情況下的艦載機(jī)起飛、降落和復(fù)位過程，本文設(shè)計(jì)電感線圈的電感值也能在某個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而防止電路電流過大而引起安全問題，以滿足不同情況下的安全需求。

（1）改變電感自身可變參數(shù)。考慮到鐵心電抗器中電磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，所以計(jì)算時(shí)整個(gè)磁路的磁阻可以忽略電磁材料的磁阻，鐵心電抗器的電感值計(jì)算公式為［14］：

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率；Rm為磁路中的磁阻；Rm0為氣隙中的磁阻；N為線圈匝數(shù)；S0是氣隙的等效導(dǎo)磁面積；l0為鐵心電抗器磁路中氣隙長度。所以除了通過調(diào)節(jié)電感線圈匝數(shù)可調(diào)節(jié)電感值外，還可以通過調(diào)節(jié)電抗器磁路的磁阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電感值大小的改變。

（2）采用外電路控制改變電感值。采用晶閘管（SCR）與固定參數(shù)的電抗器串聯(lián)，然后通過控制晶閘管導(dǎo)通角來控制流過電抗器的電流，從而等效為對(duì)電感值進(jìn)行控制，其中晶閘管控制的電抗器電路圖如圖18 所示［15］。

圖18 晶閘管控制電抗器電路圖

4.2.3 閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證不同艦載機(jī)型號(hào)、艦載機(jī)在載重不同、存在摩擦力和空氣阻力等干擾多種復(fù)雜情況下依然可以按照設(shè)定的速度進(jìn)行起飛和降落，本文設(shè)計(jì)了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)。其中控制器可以調(diào)節(jié)電磁裝置中電流大小和線圈電感大小；檢測裝置可以將艦載機(jī)的速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制器進(jìn)行比較，結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差控制，同時(shí)可以檢測感應(yīng)塊的位置在起飛和降落過程后進(jìn)行復(fù)位操作，以保證多架艦載機(jī)的連續(xù)起飛和降落（見圖19）。由于閉環(huán)綜合電磁裝置系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和抗干擾性比較強(qiáng)，同時(shí)利用先驗(yàn)概率更新規(guī)則可以進(jìn)一步提升閉環(huán)系統(tǒng)的檢測性能［16］，能夠滿足復(fù)雜情況下的多種需求。

圖19 閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié) 語

本文根據(jù)電磁理論對(duì)艦載機(jī)起飛和降落過程進(jìn)行建模分析，結(jié)合受控電壓源模擬對(duì)電感線圈電流進(jìn)行控制，根據(jù)建模分析得到了電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以作為后續(xù)閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)的給定信號(hào)，并針對(duì)艦載機(jī)質(zhì)量和初始速度的改變對(duì)電磁裝置參數(shù)進(jìn)行靈敏性分析，探究保證艦載機(jī)可靠完成降落以及起飛過程，考慮到多種復(fù)雜情況下艦載機(jī)依然可以可靠進(jìn)行起飛和降落，為增強(qiáng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和抗干擾能力，建立了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)。

由于本文對(duì)艦載機(jī)降落和起飛建模過程中的分析忽略了摩擦力和空氣阻力，艦載機(jī)運(yùn)行過程偏離中心線，滑輪的運(yùn)動(dòng)過程等諸多因素，故仿真的結(jié)果需要進(jìn)一步修正以貼合實(shí)際情況，還需要繼續(xù)分析與完善。