舰载飞机进场着舰仿真模型的需求

姚海林，赵一飞，黄振威

（中航工业一飞院，陕西西安 710089）

舰载飞机进场着舰仿真模型的需求

姚海林，赵一飞，黄振威

（中航工业一飞院，陕西西安 710089）

分析了舰载飞机着舰过程的特点，以及在进场下滑、拦阻着舰、和复飞逃逸过程中影响飞行安全的环境因素，分析了为保证进场着舰安全要求飞机必须具有的机动能力。讨论了舰载飞机进场着舰过程中飞行力学和飞行控制所要解决的主要问题，提出了进行飞机进场着舰仿真分析时需要建立的有关数学模型和数据库需求。

舰载飞机；进场着舰；仿真建模；数据库

1 引 言

进场着舰是舰载飞机最复杂、最危险的飞行阶段。在随机海浪影响下航母的运动响应也是随机的。从进场到着舰啮合前，航母运动形成的周期性扰动、航母舰岛后方以及排放烟气流形成的紊流等复杂的气流环境对飞机着舰运动均形成影响。因此，复杂变化的气流环境和航母的摇荡运动，给驾驶员保持下滑航迹和精确着舰造成困难，是舰载飞机事故最多的飞行阶段。

2 舰载飞机着舰过程简介

舰载飞机是利用航空母舰上拦阻系统的拦阻索拦阻着舰的。航空母舰上一般布置有4根拦阻索，拦阻索垂直于着舰甲板中心线。

飞机的理想着舰点应位于拦阻钢索的第二、三条之间，这样飞机的挂钩能有效地挂在钢索上而使飞机被有效地拦阻。应该注意到由于海浪的影响，航空母舰上的着舰点是一个变化的动点，特别是着舰的最后阶段，飞机必须能够响应这种变化。

舰载飞机在降落前，先在空中放下起落架，同时把着舰尾钩放下，准备降落。飞行甲板的拦阻索同时升起，拦阻装置处于准备状态。舰载机在进入着舰入口后采用固定下滑角、无平飘下滑方式着舰，下滑角一般为3.5～4度。飞机在下滑过程中，飞行员借助于菲涅耳透镜光学助降系统、着舰导引系统保持相对航空母舰的着舰点，以合适的迎角和速度以固定的下滑角匀速直线下滑直至接舰，在接舰前没有常规飞机接地前的平飘段。

接舰要求飞机的尾部钩钩住航母上的目标拦阻索，当飞机着舰后向前高速滑跑时，其伸出的尾钩只要钩着一根拦阻索，拦阻索带动拦阻系统的阻尼筒产生拦阻力，便可强制使飞机在50－70米距离内减速停止，在拦阻力的作用下飞机安全着舰。

3 影响舰载飞机着舰安全的环境因素

影响舰载飞机安全着舰的环境因素包括：大气紊流、舰尾气流扰动及航空母舰运动［1］。

3.1 大气紊流

通常的大气紊流是考虑在海平面100英尺以上高度，而在这个高度和更低一些的高度上，大气将在很大程度上影响飞机和航母甲板的啮合环境.大气紊流对飞机有三个方面的影响：其一是使飞机的空速发生变化；其二是使飞机的侧滑角发生变化，另外是使飞机的迎角发生变化。前两项由水平大气紊流引起，第三项由垂直大气紊流引起。

3.2 舰尾气流扰动

不难想象，一艘运动着的航空母舰后部气流的复杂性，不仅有自然风形成的气流扰动，也有母舰舰桥造成的涡流等。舰面上气流在通过甲板平台后会突然向海面下沉，然后再向空中上升。飞机进入这股气流中，如果驾驶员经验不足，压杆或拉杆过猛，则会导致飞机低于下滑道而撞舰尾或高于下滑道而不能准确挂钩。

航母舰尾流是影响舰载机安全着舰的最重要因素之一，它直接影响飞机在着舰过程中的迎角、速度、高度等状态参数，是导致舰载机着舰飞行事故和逃逸现象发生的一个重要原因，所以应仔细研究航母舰尾流特性。

航母舰尾流由三部分组成：

稳态尾流—一种仅仅由于母舰的存在而引起的均匀定常流；

纵摇诱导尾流—由于母舰周期性的纵摇引起的振荡型气流；

随机尾流—一种不确定的随机紊流。

3.3 母舰运动

航空母舰的运动对舰载机的着舰下滑有很大影响，在恶劣天气下，特别是有大浪情况，母舰会产生大幅度的摇晃，发生纵倾、横摇、上下升沉，给飞机下沉对准跑道、准确挂钩带来困难。飞行员往往是眼看着母舰后端升上来，在飞机差一步就要着舰时，甲板后端一下子又沉下去，使拦阻钩抓空。如果这种纵摇的周期较长（如1分钟），还好对付一些，如果周期较短（如20秒），着舰就更困难。

4 涡桨飞机特点

一般涡桨飞机布局为翼吊发动机，飞机推重比都较小，着舰过程发动机加减速特性差，螺旋桨滑流对飞机气动力／力矩影响显著，这些特点都对飞机准确着舰有很大影响，如何保证其在航空母舰甲板上顺利、安全的起降是设计和使用首要考虑的关键问题。同时由于发动机轴线距飞机对称面远，单发时产生的不对称力矩较大，单发着舰能力需求对飞机操纵效能设计提出更高要求。

5 安全着舰要求

舰载机进场着舰的基本要求如下：

（1）飞机由平飞进入4°下滑轨迹时，飞行员必须看到舰尾水线［2］；

（2）飞机进场着舰时要有良好的速度／油门稳定性和飞机下滑轨迹稳定性。

（3）着舰速度的数值应不小于1.05倍的进场速度；要保证有足够的安全余量，因为调整下滑角时可能减速。

（4）将油门位置固定在下滑轨迹所需要的正确功率位置时，飞机应能够在5秒时间内，从下滑轨迹调整高度约15米；且调整机动过程中的最大法向过载值不应超过最大使用升力系数进行机动时法向过载的一半。

（5）飞机在接近失速速度时，变状态特性要符合要求，不允许横向摆动超过一定程度（例如±45°），不允许有自动上仰现象。

（6）复飞时，从飞机正常进场小转速推力增加到最大加力的时间不应大于3秒，同时飞机的纵向加速度不应小于1.5 m／s2。

6 进场着舰过程飞行力学需研究的关键问题

6.1 进场下滑过程的稳定性研究

舰载飞机为了在航空母舰长度、宽度有限的甲板上着舰，必须以足够小的速度进场，并且在整个着舰过程中精确地控制飞行轨迹，这要求飞机在着舰过程中必须具有轨迹稳定性。飞机轨迹稳定性取决于飞机的极曲线特性，飞机的飞行速度越低，轨迹稳定性越差。舰载战斗飞机为了满足在航空母舰上着舰要求，它的着舰速度通常要比陆基飞机小得多，通常处于操纵反区，此时轨迹稳定性较差。涡桨飞机特点是低速特性较好，其着舰速度有可能处于操纵正反区分界的灵敏区，所以必须采取措施改善舰载机轨迹稳定性［3］。

6.2 复飞决策包线研究

舰载机的复飞概率比常规陆基飞机要高得多，着舰时一旦挂索失败必须立即复飞。由于航空母舰着舰区的甲板长度很短，因而对舰载机复飞操纵要求较高。通常，舰载机着舰时飞行员既要准确地操纵飞机以便挂钩成功，又要随时准备复飞。这就需要仔细研究飞行员着舰时的复飞准备操纵及复飞决策条件、复飞时机和复飞操纵动作。

当舰载飞机遇到不可预计的干扰或故障时，能否及时准确地进行复飞，对保证舰及飞机的安全是非常重要的。当舰载飞机下滑至舰尾某高度时，由于不满足着舰要求，例如迎角不够、高度下降过多等，不能保证安全着舰，就需要拉起复飞，这时主要是操纵升降舵（平尾）来实现。因此要求飞机舵面效率必须足够，飞机纵向稳定度不能太大，否则不易拉起。

但不是在任何情况下，飞机都能够安全复飞，还要有一定的限制和要求。着舰指挥官根据飞机着舰飞行的状态和这些限制要求，要及时作出判断决策并及时给飞行员发出复飞的命令。事实上对每一种舰载机都存在一个能够使其安全复飞的复飞包线，而这一复飞包线的确定，主要依据以下三个原则：

（1）在航母舰尾处飞机拦阻钩应在舰尾上方10英尺；

（2）允许飞行员对复飞信号响应时间为0.3秒。

（3）飞行员复飞技术，包括只用发动机推力。

舰载飞机的复飞过程是：位于航母上的精确跟踪雷达不断地测量飞机进场速度、下沉速率、飞机距舰尾的水平距离、及高度并将测量结果提供给着舰指挥官，当飞机有撞舰的危险时，由着舰指挥官判断发出复飞指令，命令飞行员执行复飞任务。

因此，根据飞机操纵能力，确定合适的复飞边界是舰载飞机着舰安全的重要工作。

6.3 拦阻滑跑的动力学研究

舰载飞机为了在有限长度的航母甲板上着舰，飞机在助降系统导引下撞击式着舰后，必须通过航母上的拦阻系统强制飞机减速止动。当舰载飞机的拦阻挂钩与拦阻索啮合后，其动力学分析与陆基飞机常规无拦阻着陆动力学分析的主要差别在于它还要受拦阻索给于它的拦阻力，因此舰载飞机着舰拦阻动力学分析的关键在于拦阻力的确定。

准确而完整的数学建模是进行舰载机拦阻动力学分析的基础。舰载机在拦阻状态的数学模型应包括以下几个部分：

（1）飞机的气动力；

（2）发动机的推力（或螺旋桨拉力）；

（3）飞机的重力和舰面的反作用力；

（4）起落架减震支柱和轮胎压缩状态的阻尼力；

（5）拦阻系统的拦阻力。

对不同的飞机以及同一飞机不同着舰载荷情况，拦阻系统应设置不同的拦阻载荷以保证舰载机在挂上拦阻索后能稳定的被拦阻停下，需要考虑飞机的对称拦阻与非对称拦阻情况、不同拦阻载荷的影响、侧风的影响、飞行员操纵动作的影响以及飞机结构参数如尾钩位置等的影响。

6.4 逃逸复飞滑跑动力学特性研究

飞机在着舰拦阻区外着舰会发生脱挂。驾驶员发现没能够挂上拦阻索后，就需要快速推油门至最大推力，沿斜甲板加速滑跑，迅速达到安全离舰速度复飞，又称逃逸复飞。此情况要求发动机加速性好，以使飞机在很短时间内能够迅速加速。在着舰斜甲板长度内，安全逃逸复飞是舰载飞机应具备的能力，是航母／飞机适配性设计中最基本、最重要的要求之一。飞机逃逸复飞过程由加速滑跑段和上升段组成。离舰上升特性虽与加速滑跑特性密切有关，但其计算方法与陆基飞机离地上升段计算方法本质上是一样的。因此，需重点研究脱挂后的加速滑跑运动。

飞机的逃逸复飞滑跑动力学特性通过数值仿真方法研究，逃逸复飞滑跑动力学特性涉及飞机机体运动、起落架伸缩运动和轮胎变形运动以及舰体运动特性。

7 飞机进场着舰模拟的数学模型与数据库

舰载飞机着舰飞行过程始终存在很强的外界大气扰动，因此，要研究舰载飞机的着舰飞行动力学问题，必须采用数值仿真的方法。在飞机的六自由度运动方程的基础上，建立一系列新的数学模型和数据库。

7.1 航母运动模型

针对航空母舰的海上运动状态模拟，有两种方法较为常用：一是基于实际航母运动数据统计，利用平稳随机过程理论建立的频率谱函数模型，但得出的频谱函数不是解析形式，使用不便；二是将航母运动看作谐波叠加，并航母六自由度运动分解为各个单自由度运动的线性组合，研究航母运动的振幅、频率和离舰时刻相位角等参数变化对着舰的影响。航母运动谐波模型的方程可以描述为：

式中：振幅Ai和频率ωi为各自由度对应的均方值，相位角φi可任意选取。

在通常的航速下，首摇、纵荡和横荡运动对飞机着舰特性的影响较小，因此需要着重考虑纵摇（俯仰运动）、横摇（滚转运动）、垂荡（升沉运动）三种运动对飞机着舰安全的影响。

美国海军规定舰载飞机着舰时，航母纵摇不得超过2°；横摇不得超过7°（俄罗斯海军规定也是这样）。而舰尾的下沉不得超过1.5米。另外，母舰舰体的纵摇对飞机主起落架和着陆钩的强度设计也有很大影响，因为这时的冲击载荷是很大的。

7.2 大气紊流数学模型和数据库

在舰载飞机的着舰飞行模拟研究中，除通常的大气紊流外还需要建立与航空母舰环境相关的特殊的大气紊流数学模型和数据库，包括舰首上洗气流、舰尾公鸡尾尾流、斜角甲板产生的侧洗气流等。

（1）舰尾处“公鸡尾”气流模型研究

航空母舰行驶时，通过舰面的气流有时会在尾部突然向海面下沉，然后再上升，形状象公鸡尾，亦称“公鸡尾”气流.飞机着舰时必须通过该区域，会受到该气流向下的作用而掉高度，这对舰载机实现轨迹精确控制和着舰安全都影响很大。

（2）着舰区紊流模型研究

为使飞机着舰时有足够的甲板风，母舰要根据实际情况高速航行。这时甲板风不是沿着着舰区的中心线流动，而是沿母舰的轴线方向流动。对飞机来说，这种气流是来自右舷的侧风，而且，来自舰首方向的气流遇到飞行甲板上的舰桥后产生紊流向舰尾处流去，这种紊流会对着舰产生更复杂的不利影响。

7.3 拦阻力模型

航空母舰上的着舰拦阻系统也是一个非常复杂的系统。建立准确的拦阻系统的动态模型是真实地模拟研究舰载飞机拦阻着舰特性的必要条件，包括舰载飞机着舰时的对称拦阻与非对称拦阻情况。

一般对于拦阻器，已知的是无因次拦阻力与无因次拦阻冲程之间的关系。而此拦阻力应位于拦阻索平面内，并且与通过跑道中心线与甲板面垂直的平面平行。在确定飞机的对称、对中拦阻力时，计算较为简便。但是，由于舰载飞机的着舰条件十分复杂，飞机着舰时一般带有一定的偏心、滚转和偏航，这样飞机所受到的拦阻力是不对称的，拦阻挂钩和拦阻索之间存在摩擦，两者间还可能产生相对滑动，拦阻力的确定就比较复杂。它是舰载飞机着舰动力学分析的难点所在。

7.4 舰载飞机气动力数学模型和数据库

气动力数学模型是飞行模拟真实程度的关键，对于涡桨类飞机的数学模型除了包含常规涡喷类飞机的气动力影响因素外，还应完整的考虑滑流影响的数学模型和气动力数据库。地面效应变化影响数学模型和数据库。

7.5 舰载机发动机数学模型

发动机特性的特殊之处应在数学模型和数据库中反映出来。涡桨发动机除了要考虑发动机推力外，还要考虑桨叶的法向力作用。

发动机推力一般作用在飞机对称平面内，若已知发动机推力T、发动机安装角σT和飞机质心到发动机推力线的距离Zt，发动机推力及力矩在飞机体轴中的分量表示为：

7.6 菲涅尔镜光学导引系统数学模型

在舰载飞机着舰过程中使用菲涅尔镜光学导引系统是它与常规陆基飞机不同的一个重要特点。因此，建立菲涅尔镜光学导引系统的数学模型和数据库对舰载飞机的着舰飞行模拟是很重要的。该数学模型主要是根据舰船运动给出理想的下滑道的位置，以及飞机相对于下滑道位置，确定飞行员所能看见的灯球颜色。

7.7 飞行控制系统数学模型和数据库

舰载飞机的飞行控制系统与常规陆基飞机有很大的不同，为减轻飞行员操纵负担，应在控制增稳系统的基础上增加动力补偿功能，尾流抑制等功能。应根据特定飞机的特性建立相应的数学模型和控制律参数。

8 结束语

［1］ 杨一栋.舰载机着舰引导与控制［M］.北京：国防工业出版社，2007.

YANG Yidong.Guidance and control of carrier－based airplane［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2007.

［2］ 王萌辉，赵波.舰载飞机起降动力学研究［J］.飞机设计，1997，3（1）：21－33.

WANG Menghui，ZHAO Bo.Study of carrier-based airplane launch and landing dynamics［J］.Aircraft Design，1997，3（1）：21－33.

［3］ 张子彦.舰载飞机起飞和着舰的地面飞行模拟试验［J］.飞行力学，1997，9（3）：61－66.

ZHANG Ziyan.Ground flight simulation test of the aircraft taking off and landing on the ship［J］.Flight Mechanics，1997，9（3）：61－66.

姚海林 男（1969－），陕西礼泉人，高级工程师，主要研究方向为飞机操纵性与稳定性分析与飞行仿真的研究设计工作。

赵一飞 男（1983－），江苏南京人，高级工程师，主要研究方向为飞机操纵性与稳定性设计。

Requirements of a Carrier-based Airplane Approaching and Carrier Landing Simulation Models

YAO Hailin，ZHAO Yifei，HUANG Zhenwei
（AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China）

This research analyzed the characteristics in the airplane carrier landing process，and the environment factors which influencing the flight safety during the airplane approaching，arrested decklanding，wave off and bolting.This research also analyzed the maneuver capability required for safty flighting during approaching and deck-landing.We discussed the main problems of the flight dynam ics and the flight control during the carrier-based airplane approaching and deck-landing.Finally，We presents the requirement of themath models and database in the carried-based airplane approaching and deck-landing simulation.

carried-based airplane；approaching and landing；simulation modeling；database

TP 391

A