舰载机弹射起飞动力学仿真与安全边界评估

车竞, 和争春

(中国空气动力研究与发展中心 计算空气动力学研究所, 四川 绵阳 621000)

舰载机弹射起飞动力学仿真与安全边界评估

车竞, 和争春

(中国空气动力研究与发展中心 计算空气动力学研究所, 四川 绵阳 621000)

为了研究影响舰载机弹射起飞安全性的因素,在舰载机弹射起飞动力学模型的基础上,设计了标准起飞航迹并进行了数值仿真。分别对航母、飞机、环境等参数对安全起飞的影响规律进行了仿真研究,然后对多种参数的组合影响进行了仿真分析,最终获得了安全起飞的边界参数。

舰载机; 弹射起飞; 动力学仿真; 安全边界

0 引言

舰载机的弹射起飞主要依靠航母上的弹射器助推,借助强大的拉力使其在较短的距离达到起飞条件,多用于大型航母上的固定翼重型喷气式战斗机和预警机。美、俄、法等发达国家的舰载机起降技术已经比较成熟,对弹射起飞和滑跃起飞方式均进行了大量研究,并形成了操作程序规范;但仍然不断采用新技术提高舰载机起降过程的安全性[1-3]。国内对舰载机弹射起飞动力学的研究也正逐步展开:王俊彦等[4]对航母纵摇情况下的舰载机弹射起飞进行了建模及控制律设计;郭元江等[5]研究了甲板风、地效及纵摇对弹射起飞的影响;隋成国等[6]建立了弹射起飞的动力学虚拟样机,初步探讨了弹射起飞安全性;杨磊松[7]对弹射起飞过程进行了仿真分析,讨论了舰载机的起飞质量、发动机推力和初始迎角对离舰下沉量的影响。总的来说,国内的研究着重突出舰载机弹射起飞的单一因素影响,对航母运动、环境扰动、起落架运动、机舰适配等诸多因素进行了较多简化,全面细致的建模、仿真与起飞安全边界评估仍然缺乏。

本文以美国“尼米兹”级航母和F/A-18舰载机为参考对象,建立了弹射起飞阶段的动力学与运动学模型,对弹射起飞标准过程进行了数值仿真,并在此基础上全面评估了飞机特性、航母特性、弹射器模型、环境特性、机舰适配等因素对安全起飞的影响,得到了安全起飞边界参数。

1 弹射起飞动力学方程组

舰载机弹射起飞阶段的动力学模型是典型的刚体与柔性体耦合的多体动力学问题。本文在甲板坐标系Ojxjyjzj上分别建立飞机刚性本体和起落架轮胎系统的动力学和运动学模型。甲板坐标系原点位于甲板上弹射器冲程起点,Ojxj轴指向舰首,Ojyj轴垂直于甲板向上,Ojzj轴指向符合右手法则。

1.1 轮胎与起落架系统动力学方程

假设起落架与轮胎轴线在起飞滑跑过程中与甲板保持近似垂直,运用轮胎动力学方程对轮胎进行积分,得到相对于甲板坐标系Ojyj方向的动力学方程组:

(1)

式中:Qey,Qky分别为牵连惯性力和柯氏惯性力在甲板坐标系Ojyj方向上的分量;Q为起落架支反力;θm为舰船纵摇参数;下标l表示轮胎。

1.2 飞机刚性体动力学方程

飞机在甲板坐标系下的纵向质心运动学与动力学方程组为:

(2)

式中:mf为飞机质量,不包括前后起落架及轮胎;Fa,P,T,f,ae,ac,Q分别为空气动力、弹射器拉力、发动机推力、轮胎摩擦力、牵连加速度、柯氏加速度以及起落架支反力;M为力矩;Jz为对体轴系z轴的惯性矩;下标j表示相对于甲板坐标系;下标n,m分别表示前、后起落架。

2 弹射起飞标准航迹仿真

参考美国现役航母和舰载机参数(见图1)设定:弹射冲程L3=70 m,冲程结束后甲板长度L4=40 m;航母速度30 kn,航向偏度0°;舰载机预置俯仰舵偏角-10°。弹射冲程结束后,采用速度追踪导引法将飞机导引至一远高点。设计了标准弹射起飞航迹,仿真结果如图2所示。图中:Sq为起落架压缩量,“-”为压缩,“+”为离甲板高度;α,θ分别为飞机的迎角和航迹倾角;下标n,m分别表示前、后起落架。

图1 舰船尺寸Fig.1 Size definition of carrier

图2 标准起飞航迹曲线Fig.2 Standard take-off path curves

在标准参数设置和起飞航迹下,弹射器模型合理,弹射结束后飞机达到起飞速度70 m/s;俯仰舵偏角预置偏保守,弹射结束后前起落架突伸,飞机迅速抬头达到起飞迎角,随即抬轮起飞,此时距离舰首仍有10 m的距离。起落架参数设置合理,飞机滑跑过程中姿态与垂直方向速度振荡轻微。

3 安全边界评估

在标准起飞参数的基础上,对航母运动参数、飞机预置姿态、起飞质量、航母尺寸参数等的散布进行单项与组合仿真研究,得到安全起飞的参数边界。本文规定起飞下沉量dy<3 m可安全起飞。

3.1 单项因素影响仿真

在标准航迹参数下,分别改变舰船前进速度V、离舰速度Vc、舰船纵摇幅度θm、纵摇周期Tm、垂荡幅值Ym、弹射冲程L3、预置俯仰角dz及飞机质量mf等参数,考察它们对安全起飞的影响。仿真结果如图3～图8所示。由仿真结果可以看出:

(1)舰船速度影响:当速度小于7.5 m/s(合14 kn)时,离舰速度达不到最大下沉量超过3 m的规定,其临界舰船速度为7.5 m/s,临界起飞速度66 m/s,在离舰后起飞。

(2)纵摇幅度影响:当纵摇周期为10 s时,纵摇幅度不超过3.5°,可安全起飞,此时安全起飞在离舰后离舰轨迹下沉2.23 m后拉起,离舰速度71.89 m/s,离舰迎角3.94°。

(3)纵摇周期影响:当周期在6.3～8.95 s之间时,飞机不能安全起飞。舰船纵摇周期对起飞速度影响较小,但对起飞迎角影响较大,说明在此段纵摇频率之间,飞机未达到安全起飞迎角。

(4)舰船垂荡影响:0～4 m的垂荡幅值对当前航母速度和舰载机情况是安全的。其他仿真结果也表明,4～10 s垂荡周期内,舰载机在4 m以下的垂荡幅值范围内能够安全起飞。

(5)弹射冲程影响:当前条件下,保证安全起飞的弹射冲程不能低于50 m。当然,若能增大飞机发动机推力、减小飞机质量、增大弹射器功率,弹射冲程可进一步减小。

(6)起飞质量影响:起飞质量超过29 t时,弹射器和发动机推力将无法在有限飞行甲板长度内将飞机加速至起飞速度,因此,现有能力内起飞质量低于29 t可安全起飞。

图3 舰船速度V、下沉量dy与离舰速度Vc的关系Fig.3 Relationship of V, dy and Vc

图4 下沉量dy、离舰速度Vc与舰船纵摇幅度θm的关系Fig.4 Relationship of dy, Vc and θm

图5 下沉量dy、离舰速度Vc与舰船纵摇周期Tm的关系Fig.5 Relationship of dy, Vc and Tm

图6 下沉量dy、离舰速度Vc与舰船垂荡Ym的关系Fig.6 Relationship of dy, Vc and Ym

图7 下沉量dy、离舰速度Vc与弹射冲程L3的关系Fig.7 Relationship of dy, Vc and L3

图8 下沉量dy、离舰速度Vc与飞机质量mf的关系Fig.8 Relationship of dy, Vc and mf

3.2 航母运动因素影响仿真

为考察航母运动对安全起飞的影响,进行多项参数组合仿真。本文考虑舰船前进速度、纵摇幅值、纵摇周期、垂荡幅值的综合影响,进行了4组仿真,每组400次,仿真结果如表1所示。

表1 航母运动参数组合仿真Table 1 Simulation of combined parameters for carrier

仿真显示,若提高舰船速度,减小纵摇幅度,可显著提高安全起飞概率P。第4组仿真安全概率达到94.5%,400次仿真中仅有22次下沉量超过3 m规定,主要由于较小的舰船速度使得甲板风不足以及纵摇幅值较大导致。

3.3 起飞环境因素影响仿真

将弹射冲程、起飞质量、预置舵偏角三个因素组合在一起称为起飞环境,研究它们对安全起飞性能的影响,进行了3组仿真,每组400次,仿真结果如表2所示。

第3种组合方式下,安全起飞概率高达98.8%,400次仿真中仅有5次下沉量超过3 m的规定,5次仿真中弹射冲程均不足60 m,起飞质量接近26 t,导致飞机达不到安全起飞速度。

表2 起飞环境参数组合仿真Table 2 Simulation of combined parameters for circumstance

通过单项和组合仿真,初步得到舰载机弹射起飞的安全参数边界(下沉量小于3 m,安全起飞概率大于99%):舰船前进速度不小于14 kn,航母纵摇幅值小于3.5°,纵摇周期位于6～9 s之外,垂荡幅值小于4 m,弹射冲程大于60 m,飞机预置俯仰舵偏角小于-2°,起飞质量小于26 t。

4 结束语

舰载机弹射起飞是一个复杂的动力学过程,涉及到航母运动、环境扰动、飞机与航母的匹配、滑跑姿态预置等因素。本文在舰载机起飞动力学模型的基础上,进行了标准起飞航迹设计与安全边界评估工作,得到了航母、飞机、环境等参数对安全起飞的影响规律,以及初步的安全起飞参数组合边界,可为航母、舰载机匹配设计提供参考。

[1] Gelhauson P,MyBlebust A.Improving aircraft conceptual design tools—new enhancements to ACSYNT[R].AIAA-93-3970,1993.

[2] Rao P S,Saraf A.Performance analysis and control design for ski-jump take off[R].AIAA-2003-5412,2003.

[3] Imhof G,Schork W.Using simulation to optimize ski jump ramp profiles for STOVL aircraft[R].AIAA-2000-4285,2000.

[4] 王俊彦,吴文海,高丽,等.舰载机弹射起飞建模与控制[J].飞机设计,2010,30(2):10-13.

[5] 郭元江,李会杰,申功璋,等.复杂环境下舰载机弹射起飞环境因素建模分析[J].北京航空航天大学学报,2011,37(7):877-881.

[6] 隋成国,许锋,聂宏.舰载机弹射起飞动力学虚拟试验研究[J].中国机械工程,2013,24(4):522-527.

[7] 杨磊松.舰载机弹射起飞动力学仿真分析[D].南京:南京航空航天大学,2011.

(编辑：李怡)

Dynamic simulation and safe boundary evaluation of CATO for carrier-based aircraft

CHE Jing, HE Zheng-chun

(Computational Aerodynamics Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

To study the safety factor of catapult-assisted take-off(CATO) for carrier-based aircraft, a normal flight path was designed and simulated numerically on the basis of the mathematical model. The influences of the single and combined parameters, such as carrier, aircraft and circumstance, on the safe takeoff were evaluated and analyzed. Finally, primary safe boundaries were obtained.

carrier-based aircraft; catapult-assisted take-off; dynamic simulation; safe boundary

2014-03-31;

2014-07-24;

时间:2014-10-24 12:09

车竞(1977-)，男，四川成都人，副研究员，博士，研究方向为飞行器设计。

V212.13

A

1002-0853(2015)01-0009-04