艦艉流對某飛機觸艦精度的影響研究

徐安金 高一星 王國鑌

摘要：艦載飛機在觸艦過程中無法避航空母艦艦艉流的影響，艦艉流是艦載飛機觸艦點誤差的主要來源之一，而其艦艉流穩態分量（雄雞尾流）是艦艉流的主要組成部分。本文建立艦艉流各個分量的數學模型，并著重研究了雄雞尾流，建立航空母艦CFD模型利用流場來對其準確仿真。同時，通過建立某飛機基于體體軸系方程的運動模型，研究艦艉流對某飛機進場觸艦精度的影響量。研究結果對提高飛行員信心，順利完成某飛機觸艦具有重要的意義。

關鍵詞：艦艉流;艦載飛機;理想著艦點;雄雞尾流;觸艦精度

1 引言

隨著我國海軍力量日益壯大，航空母艦數量逐漸增加，艦載機部隊規模增大，艦載飛機和飛行員隊伍逐漸發展壯大。而國內現役艦載飛機較少，飛機訓練強度較大，因而對飛行員盡快適應海上復雜惡劣的著艦環境不利。因此，部隊希望有更多飛機能承擔艦載飛行員的海上訓練任務，使飛行員能更快熟悉艦艉流等復雜著艦環境，迅速成長為合格的艦載飛行員。因而，對某飛機進行觸艦相關艦艉流影響研究，使該機成為艦載飛行員培養體系的重要一環，對我國艦載機部隊發展具有重要的意義。

艦載機的著艦環境非常惡劣，艦艉流對飛機下滑軌跡影響非常劇烈，使飛機可能偏離理想著艦點，因而對飛機觸艦精度的影響較大。若飛行員在尾流下洗氣流區操作不當，未及時跟蹤肉球并采取修正操作，可能帶來撞艦或墜海的風險。艦艉流可分為4個分量[1]：自由大氣紊流分量、尾流穩態分量（雄雞尾流）、尾流的周期性分量和尾流的隨機分量。艦艉流各個影響分量中，又以尾流穩態分量對飛機觸艦精度的影響最大。

本文建立艦艉流各個分量的數學模型，并著重研究了艦艉流穩態分量，即雄雞尾流，建立航空母艦CFD模型來對其準確仿真，分析航空母艦前行引起的流場變化來準確描述雄雞尾流。同時，通過建立某飛機基于體體軸系方程的模型，綜合分析艦艉流對某飛機進場觸艦精度的影響量，為某飛機順利完成觸艦提供有力的技術支持。

2艦艉流數學模型

2.1自由大氣紊流分量

自由大氣紊流分量與飛機相對位置無關，采用參考資料[1]中規定的大氣擾動模型自由大氣紊流分量。

2.2尾流穩態分量

尾流的穩態分量是艦體前行在尾部引起的雄雞尾式誘發氣流分離，是由航空母艦前行的穩態風的減小和出艦以后的顯著上洗所組成，因此也叫雄雞尾流。

因雄雞尾流對飛機觸艦精度的影響最大，根據航空母艦參數，專門進行網格建模（圖1）CFD仿真分析其準確的流場變化（圖2）。由圖2可以看出在艦艉處有明顯的雄雞尾式氣流。

2.3尾流周期性分量

尾流的周期性分量隨航空母艦艦體縱搖、橫搖、垂蕩、甲板風以及飛機離艦距離相關，采用參考資料[1]規定的大氣擾動模型周期性分量。

式中： ——母艦縱傾斜率，rad/s; ——母艦縱傾幅度，rad; ——母艦甲板上的風速;

p——隨機相位，rad。

在x<-681.53m，分量u3取為零，當x<-772.97m，分量w3取為零。

2.4尾流的隨機分量

尾流的隨機分量，采用對白噪聲進行濾波計算。

式中：——均方根幅度，m/s; ——時間常數，s。

3動力學方程

3.1飛機運動方程

飛機運動方程采用TT體系六自由度飛機運動方程[2]簡化后的縱向三自由度TT體系方程。

3.2駕駛員模型

駕駛員肢體動力學模型采用如下模型[3]。

4仿真結果與分析

4.1仿真條件

艦載飛機下滑速度和航空母艦行使速度對艦艉流均有影響。本文仿真分析了某飛機最大允許觸艦重量下滑速度和航空母艦行使速度15kn情況下，艦艉流各分量的具體大小，并結合飛機方程和駕駛員模型分析艦艉流對觸艦精度的影響。具體仿真條件如下：

● 仿真模型：上述運動模型;

● 飛機參數：某飛機參數;

● 飛機仿真速度：233km/h;

● 飛機仿真高度：從離艦尾約1800m處對應高度開始仿真到離甲板高度1m;

● 光學下滑角：4°;

● 航母參數：17艦;

● 航母行使速度：10kn、15kn。

4.2艦艉流分量

因在有艦艉流時，飛機從下滑起始點到艦艉，艦艉流的橫向分量小，對橫向對中影響不大，因此本文不分析艦艉流橫向影響。某飛機按4.1節條件進行仿真，整個仿真過程中，艦艉流各分量的水平分量和垂直分量隨仿真時間的變化過程如下圖3～圖6所示，其中雄雞尾流分量和周期性分量的水平和垂直分量為艦速15kn時仿真結果。由圖可知，雄雞尾流分量影響最大，其水平分量最大約1.3m/s，其垂直分量最大約0.9m/s。

4.3 觸艦點偏離分析

采用飛行員在環但無操作的條件建模仿真分析某飛機在艦艉流影響下觸艦點偏離情況。當艦速為10kn或15kn時，采用駕駛員模型但不加入艦艉流干擾時確定仿真系統參數，此時飛機觸艦點為理想著艦點。理想著艦點在攔阻索2索和3索之間，索與索之間間距12m[4]。當加入艦艉流干擾時，仿真系統參數不再改變。

以不加入艦艉流干擾時觸艦點在理想著艦點為基準，艦艉流各個分量的綜合作用使觸艦點相對理想著艦點后移，具體量如下表1所示。

5結論

本文研究了某飛機進行海上觸艦訓練時，著艦誤差的主要來源艦艉流對觸艦精度的影響。由分析可知，飛行員在環但不干預艦艉流的影響時，艦艉流使觸艦點相對理想著艦點后移約10m，小于12m，因此觸艦點仍在著艦攔阻區域。

參考文獻：

[1]董庚壽等.艦載飛機規范 飛行品質[M].北京：中國人民解放軍總裝備部軍標出版發行部，1999.

[2]顧誦芬等.飛機飛行品質計算手冊[M].北京：中華人民共和國航空工業部，1983.

[3]徐秋.艦載機進艦環境下駕駛員建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012

[4]楊一棟. 艦載飛機著艦導引與控制[M]. 北京： 國防工業出版社，2007.

作者簡介：徐安金（1983年6月），男，四川隆昌，漢族，大學本科，高級工程師，研究方向：飛行品質、控制律。

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