舰尾流对飞机下滑姿态的影响

于嘉晖，陶 杨，翟鸿君，付霖宇

(1.海军航空工程学院 指挥系，山东 烟台 264001;2.海军航空工程学院研究生大队，山东 烟台 264001;3.海军航空工程学院基础部，山东 烟台 264001;4.海军航空工程学院兵器科学与技术系，山 东烟台 264001)

0 引言

舰船的高速行驶和甲板的运动，舰船尾部存在着复杂的气流扰动，飞机在着舰的过程中不可避免的要受到这种气流影响[1]。舰尾流对飞机的着舰有很大影响，是威胁飞行安全的主要因素之一。受舰船的随机运动和大气紊流的扰动影响，舰尾流具有很大的随机性，不同的舰船、不同的海域，其舰尾流特性也不尽相同。另外，空气流场内大流动角气流的总压、静压和流向的测量等问题也给舰尾流研究增加了一定难度[2]。因此研究舰尾流对飞机下滑着舰的影响对飞机安全回收具有重要意义[2～4]。

1 舰尾流模型

美军标[5]中规定，在对飞机进场的最后800米内舰尾流进行模拟时，应用最终着舰进场的扰动模型。总扰动速度由自由大气紊流分量，尾流稳态分量，尾流周期分量，尾流随机分量所产生的各部分相互叠加得出[6～8]，总的舰尾流扰动如图1所示。

图1 总舰尾流扰动

2 飞机下滑过程动力学方程

2.1 质心运动方程

飞机在下滑过程中，受到的外力主要有发动机推力T、空气动力R(包括升力Y阻力Q侧力Z)和自身重力G。

为方便表述，定义由风产生的迎角和侧滑角为

着舰时的舰尾流风速远远小于飞机空速u，可以用式(2)来简化求解αw，βw值。

在对存在有舰尾流的飞机下滑过程分析时，只考虑了起主要作用的水平分量和垂直分量，而对βw的变化并未加以考虑，故可对式(1)第二式做适当的简化，即β=βh。则飞机质心运动方程可用式(3)来表示。

式中，v为飞机速度;α为迎角;β为侧滑角;φT为发动机推力作用线与机体纵轴夹角;γs为航迹速度滚转角;αh为航迹速度迎角;βh为航迹速度侧滑角。

2.2 质心转动方程

下滑过程中的质心转动方程与一般飞行器的相同。质心转动方程如式(4)所示。

式中，Ix为机体x轴转动惯量;Iy，Iz为机体y，z轴转动惯量;I为惯性积;eT为发动机安装偏心距。

另外，质心转动的运动学微分方程在有、无风切变情况下也同样有

式中，ϑ为俯仰角;ψ为偏航角;γ为滚转角。

2.3 运动补充方程

在地面坐标系中，运动学方程为

3 飞机下滑着舰舰尾流影响分析

依据前面建立的舰尾流模型，在一定的初始条件下，通过Matlab软件采用自主编制的四阶龙格库塔法求解飞机运动学方程，考虑有舰尾流和无舰尾流两种情况，对某型飞机下滑过程中的迎角、侧滑角、滚转角、偏航角、偏航距离及俯仰角等参数随时间变化关系进行仿真，仿真结果如图2～图7所示，由图中两种情况比较可知，舰尾流的存在影响到了飞机着舰拦阻的初始条件。

如图2所示，飞机在下滑初期迎角均减小，舰尾流对其影响不大。减小到4.42°后无舰尾流情况下基本保持稳定，而当有舰尾流时，迎角的波动很强烈，峰值差最大达到了2.06°，此时的飞行状态将很不稳定，飞机将不停的抬头低头。从图3～图6所示的飞机侧滑角、滚转角、偏航角和偏航距离随时间的变化曲线中可见，舰尾流对这三个姿态角及偏航距离的影响较小。如图7所示的俯仰角随时间的变化中可见，在没有舰尾流影响时，俯仰角先是下降较快，而后降至1.59°后下降较平稳;而加入了舰尾流后，原先较平稳的俯仰角下滑过程也变得波动不已，且俯仰角的均值也有大幅度减小。飞行高度随水平离舰距离的变化如图8所示，从同一位置开始下滑，在相同下滑高度上存在舰尾流时其水平离舰距离要更为靠前，这样导致最终的着舰点会比无舰尾流时向前偏差。对于本来长度就较短的航母飞行甲板而言，着舰点位置的前移意味着不能按照预定着舰位置拦阻，这样对于着舰而言可能会威胁到飞机的安全性。

图8 飞行高度随水平离舰距离的变化

4 结语

上面分析了舰船尾流的成因，建立了舰尾流模型和飞机下滑着舰动力学模型，对飞机下滑过程中舰尾流的影响进行了分析。通过计算分析和仿真验证可知，着舰环境对飞机着舰时的姿态角会产生很大影响，如果不加以控制，飞机将很难保持飞行中的平衡状态，严重时会导致飞行事故的发生。该力学模型的建立，对如何控制着舰飞机的飞行，维持其平衡的飞行状态，可以提供非常精确的理论数据。

[1]孙诗南.现代航空母舰[M].上海:上海科学普及出版社，2000.

[2]JONES L W.Development of Curves for Estimating Aircraft Arresting Hook Loads[R].ADA1199551，1982:15-42.

[3]DAVID J MOORHOUSE，ROBERT J WOODCOCK.Background Information and User Guide for MIL-F-8785C，Military Specification Flying Qualities of Piloted Airplanes[R].ADA119421，1981:189-193.

[4]ASHLEY M ANREY.FFG-7 Ship Motion and Airwake Trail[R].ADA291174，1994:3-15.

[5]BARNETT，WILLIAM F，WHITE，et al.Comparison of the Airflow Characteristics of Several Aircraft Carrier[R].AD0491448，1963:5-23.

[6]耿建中，姚海林，张宏.舰尾流对舰载机下滑特性影响研究[J].系统仿真学报，2009，21(18):5940-5943.

[7]彭兢，金长江.航空母舰尾流数值仿真研究[J].北京航空航天大学学报，2000，26(3):340-343.

[8]赵维义，傅百先.舰船空气尾流场特性研究[J].飞行力学，1996，14(1):54-59.