舰载机着舰舰面效应及其补偿方法研究

张放, 蒙文巩, 杜亮

(中国船舶工业系统工程研究院 航空系统研究所, 北京 100094)



舰载机着舰舰面效应及其补偿方法研究

张放, 蒙文巩, 杜亮

(中国船舶工业系统工程研究院 航空系统研究所, 北京 100094)

摘要:根据舰面效应的作用机理,分析了舰面效应对舰载机着舰的影响,总结了舰载机在不同着舰模式下的舰面效应补偿方法。针对舰载机自动着舰模式,通过分析舰面效应所产生的附加升力造成的着舰偏差,提出了引导信号指令修正的舰面效应补偿方法,并给出了舰面效应自动补偿方法的具体流程,分析了自动补偿方法的特性及其应用面临的关键问题。

关键词:舰载机; 着舰; 舰面效应; 自动补偿

0引言

地面效应是飞行器在贴近地面飞行时产生的一种特有的空气动力现象,可使飞行器的诱导阻力减小,同时获得比空中飞行更高的升阻比。由于陆基飞机在着陆末段采用“平飘”方式完成最后的着陆[1],地面效应对着陆精度的影响十分明显。与陆基飞机类似,舰载机着舰时,也经历由远及近、逐步接近舰面的过程,因此也存在与地面效应类似的舰面效应。

考虑到舰载机对着舰精度的要求很高,有必要深入研究舰面效应对着舰的影响。徐彦军等[2]分析了舰面效应对着舰精度的影响,提出了在目视着舰情况下减小地面效应影响的操控措施,但没有研究全自动着舰模式下如何减小舰面效应的影响问题。本文根据着舰基本原理,通过分析舰面效应对着舰的影响,提出舰载机着舰舰面效应补偿方法,旨在减小乃至消除舰面效应对着舰的影响,提高着舰的安全性和可靠性。

1舰载机着舰技术

1.1舰载机着舰模式

依据美军航母舰载机着舰规范,目前舰载机着舰具有四种模式[3]:

模式Ⅰ:全自动着舰模式。从舰载机进入目标信息测量传感器截获窗口开始,由母舰和机上相关系统协同工作,自动控制舰载机完成着舰,飞行员不需手动操控舰载机。

模式ⅠA:类似模式Ⅰ,只是以模式Ⅰ飞行到离舰约900 m左右时转为飞行员依靠菲涅尔光学助降装置的指示,目视完成着舰。

模式Ⅱ:为半自动着舰模式,与模态Ⅰ不同的是着舰引导误差信息不与舰载机的控制系统耦合,只通过仪表显示,为飞行员操控舰载机提供依据;离舰约900 m左右转为飞行员依靠菲涅尔光学助降装置的指示,目视完成着舰。

模式Ⅲ:为人工引导着舰方式,由舰上的指挥人员观察相关设备,获取舰载机方位和俯仰误差,借助语音通信方式,指挥飞行员开展着舰飞行,直至离舰约900 m左右转为飞行员依靠菲涅尔光学助降装置的指示,目视完成着舰。

1.2目视着舰特点

除模态Ⅰ外,在着舰末段,飞行员都采用目视方式,依据光学助降装置提供的理想下滑道的指示,判定舰载机相对理想下滑道的高低,操控舰载机完成着舰。因此,飞行员可通过充分的训练,依据积累的丰富试验,手动操控舰载机来部分消除、降低舰艉流、舰面效应、甲板运动等因素对着舰安全性及精度的影响。

1.3全自动着舰特点

全自动着舰工作原理如图1所示。在全自动着舰过程中,母舰上的目标信息测量传感器测出舰载机的空间位置,同时由稳定平台测量母舰甲板运动情况,处理后对甲板运动进行补偿;然后计算获得舰载机在惯性空间坐标系中的实际位置,将舰载机的理想位置和实际位置进行比较,得到舰载机着舰偏差信息,并结合甲板运动预报及补偿[4-5]、舰艉流抑制等,经由引导律计算得到舰载机的引导控制指令,再由数据链发送给舰载机;舰载机飞控系统根据引导控制指令,自动控制舰载机在预定位置安全着舰[6]。

图1　全自动着舰工作原理Fig.1　The operating principles of automatic carrier landing

美国AN/SPN-42全自动着舰系统中,纵向控制通道采用俯仰角控制引导律,根据舰载机相对理想下滑道的高度偏差Her,通过引导律计算,生成使舰载机按理想下滑道下滑的俯仰控制指令,即θc=f(Her)。

与半自动着舰由飞行员完成操控不同,全自动着舰是由一个舰机紧密耦合的复杂闭环自动控制系统实现的,期间飞行员只需监视着舰状态即可。因此,只能通过舰载、机载相关系统的紧密协同工作,消除、降低舰艉流、舰面效应、甲板运动等因素对着舰安全性及精度的影响。

全自动着舰能够大大降低舰载机着舰的纵横向误差,保证舰载机高效率地完成批次降落,大大提高了舰载机着舰的安全性、准确性和自动化程度。采用全自动着舰后,舰载机获得了更大的自由度,无论白天、黑夜、晴天、雨天,甚至在能见度为零的条件下,都能安全着舰。

1.4舰载机着舰相关参数计算

假设航母的航行速度为VS,其在斜角甲板的速度分量为VScosφ(φ为斜角甲板跑道中心线与母舰艏艉线的夹角,如图2所示)。

图2　舰载机着舰几何关系Fig.2　The geometry relationship of carrier aircraft landing

舰载机以速度VA沿斜角甲板方向、按照θ的理想下滑道着舰飞行,则舰载机相对母舰的飞行速度VAS与VScosφ,VA三者之间满足矢量三角形的合成法则[2]。经推导,可得舰载机下滑的相对轨迹角及其在惯性空间内的下滑角(γA)满足以下关系式:

(1)

当θ,γA均较小时,根据近似关系sin(θ-γA)≈θ-γA,sinθ≈θ,可得:

(2)

舰载机飞跃母舰艉截面时,距离甲板的高度为:

(3)

式中:xTD为理想着舰点到舰艉的距离。

2舰面效应及其对着舰的影响

2.1舰面效应产生机理

地面效应的产生主要有两方面原因:一方面,机翼下方的气流由于受到地面的阻滞,流速减慢,导致机翼下表面压力增大,从而使得飞机的升力增加;另一方面,由于地面的阻挡,流过机翼的下洗流的下洗角ε减小,使得飞机的诱导阻力减小,因此地面效应使得飞机的升力增加,阻力减小,改善了飞机的升阻比[7]。另外,机翼后方气流下洗角的减小又会改变水平尾翼周围的流场[1],使得飞机的上仰力矩减小,导致飞机产生附加的低头力矩。通常,地面效应的影响使得升力系数增加0.05～0.18[2]。

实验和理论分析表明,对固定翼飞机而言,地面效应的强弱主要与飞机距离地面的高度有关。一般来说,当飞机距离地面的高度与其翼展相等时,地面效应开始起作用。当飞机距离地面的高度等于其翼展的一半时,地面效应的作用显著增强[8]。

与陆基飞机在着陆时受到地面效应的影响类似,对于采用等角下滑、没有“平飘”阶段的舰载机,在其飞跃舰艉、完成着舰的过程中,由于流经机翼与舰面间的气流被强烈阻滞,使得机翼诱导阻力减少、升阻比增加,升力显著提高,即出现“舰面效应”。

2.2舰面效应对着舰的影响

2.2.1舰面效应影响距离及时间

根据美军规定:理想着舰点设置在第2到第3根拦阻索之间,约距舰艉71 m,θ=3°～4°。依据舰载机着舰的几何关系,可得舰载机飞跃母舰艉截面时,尾钩距离甲板的高度为3.72～4.96 m。对F/A-18E/F舰载机,飞跃母舰艉截面时舰载机到甲板面的距离不超过7 m,远小于其13.7 m的翼展。因此舰载机飞跃母舰艉截面后,立刻受到舰面效应的强烈影响,使其产生低头且向上运动的现象[2],无法沿理想下滑道完成最终着舰,如图3所示,必须考虑舰面效应对舰载机着舰的影响。

图3　舰面效应对着舰的影响Fig.3　The impact of deck effect on carrier landing

显然,舰面效应的作用距离就是理想着舰点和舰艉的距离,作用时间为:

(4)

2.2.2舰面效应对着舰精度的影响

在着舰过程中,舰面效应对舰载机的影响主要体现在升力、阻力和力矩的变化上。其中,考虑到舰载机的惯性,飞跃母舰艉截面后舰载机基本保持原来的质量和原有的前进速度,阻力变化在短时间内对舰载机运动的影响可以忽略不计。

假设舰面效应引起的升力系数增量为ΔCL,由此导致的升力增量为:

(5)

式中:ρ为空气密度;S为机翼参考面积。

由升力增量作用产生的舰载机垂直方向的法向加速度为:

(6)

式中:m为舰载机质量,该加速度的方向与重力加速度方向相反。

由于存在舰面效应导致的负加速度,舰载机飞到理想着舰点时其高度偏差为:

(7)

因为存在高度偏差,舰载机没有在理想着舰点着舰,而是以实际的下滑角θ′继续飞行,如图4所示。实际下滑角为:

(8)

图4　舰面效应对纵向着舰误差的影响Fig.4　The impact of deck effect on longitudinal error of carrier landing

舰面效应引起的舰载机纵向着舰误差就是实际着舰点与理想着舰点之间的距离,由下式计算得到:

(9)

假设相关着舰参数如表1所示,按照式(2)～式(9),计算可得舰面效应引起的舰载机纵向着舰误差如图5所示。可以看出,舰面效应对着舰精度的影响比较显著,舰载机会出现向前漂移现象,使得舰载机可能无法钩住拦阻索,导致着舰任务失败。

表1　相关着舰参数

图5　舰面效应引起的纵向着舰偏差Fig.5　The longitudinal deviation of carrier landing caused by deck effect

除升力外,舰面效应还会引起舰载机俯仰力矩的变化。舰面效应引起的升力和力矩的变化对舰载机运动的综合作用表现为舰载机低头且向上运动。由于作用时间较短,为1 s左右[2],舰载机低头态势表现不明显,而升力增加引起的向上运动表现比较明显,再加上舰载机以较小的轨迹角着舰飞行,从而会引起较大的纵向着舰偏差。

3舰面效应补偿方法

根据着舰模式的不同,提出多种舰面效应补偿方法,旨在减小甚至消除舰面效应对着舰的影响。

3.1飞行员手动操控补偿方法

在着舰过程中,通过飞行员的观察或舰上指挥员的指挥,飞行员在着舰末段略向前迎杆,使舰载机在飞跃舰艉上空前先“向下”运动一定程度[2](安全范围内),飞跃舰艉后由于舰面效应的作用,在理想着舰点上完成着舰。

飞行员本身具有较强的适应能力,经过一定次数的飞行训练后,飞行员的操纵中含有对舰面效应的修正成分,会在着舰最后阶段主动调整自己的操纵策略,修正舰面效应的影响。

依靠飞行员手动操控修正减小舰面效应对着舰影响的方法比较简单,不需要母舰、舰载机增加其他有关的设施,但需要依靠飞行员的经验,增加了飞行员的工作负担。同时,由于作用时间很短,而舰载机有一定的响应延迟,因此飞行员的修正行为必须在达到舰艉之前开始,这对于驾驶员的心理和控制精度要求极高。并且该方法只能在依靠飞行员手动操控的目视着舰中使用,而全自动着舰依靠舰载、机载设备的协同工作,自动控制舰载机飞行,无法由飞行员手动操控修正减小舰面效应的影响。

3.2理想着舰点位置后移补偿方法

在着舰过程中,舰上相关助降设备(如AN/SPN-46雷达、光学助降设备FLOLS、起降综合电视监视系统ILARTS等)为舰上指挥人员、机上飞行员提供理想下滑道指示,指挥、控制舰载机按照理想的飞行轨迹在理想着舰点完成着舰阻拦。

着舰过程中,特别是在着舰最后阶段,在预测舰面效应对着舰影响程度基础上,合理调整理想着舰点的位置,使得舰上相关助降设备指示的理想下滑道统一适当后移,可补偿舰面效应的影响。

通过调整理想着舰点的位置补偿舰面效应影响的方法相对复杂,涉及到雷达、光学、电视等舰上相关助降设备,都需要同时修正指示的理想下滑道,以保证系统的一致性。

由于每次着舰时舰面效应的影响程度可能不一样,对理想着舰点的调整程度也不一样,这就需要舰上相关人员和飞行员每次都要熟悉理想着舰点调整的程度,进而增加了工作负荷。

3.3全自动着舰舰面效应自动补偿方法

全自动着舰由舰载、机载相关系统协同工作,自动控制舰载机完成着舰飞行。“人”在舰机控制回路中处于监视状态,无法由飞行员手动操控减小舰面效应对着舰的影响。

根据全自动着舰工作原理,可在母舰经数据链上传给舰载机的着舰引导控制指令中补偿减小舰面效应影响的参数,由舰载机自动响应减小舰面效应。具体流程如下:

(1)计算舰面效应对舰载机着舰的影响程度,即舰面效应引起的舰载机飞到理想着舰点处的高度偏差ΔH。

(2)根据实时预测的着舰飞行轨迹,预估舰载机飞跃舰艉时的着舰偏差ΔHf。

(3)根据图6所示舰载机飞跃舰艉的几何关系,计算舰面效应的补偿量ΔHGE。若ΔHf+ΔH<ΔHd,则ΔHGE=ΔHd-ΔHf;否则,ΔHGE=ΔHh。其中,ΔHu,ΔHd分别为舰载机飞跃舰尾安全边界的上、下限。

(4)根据引导律,生成融合补偿舰面效应措施的引导控制指令,并通过数据链上传给舰载机,自动完成舰面效应的补偿。

图6　舰载机飞跃舰艉几何关系图Fig.6　The geometry relationship of carrier aircraft landing over the ship’s stern

上述舰面效应自动补偿方法自动化程度和安全性高,不会增加舰、机、人的负担,适用性强,可根据不同舰载机及其着舰状态,在满足着舰安全前提下最大程度地减小舰面效应的影响。但何时引入舰面效应的补偿分量是该方法的核心和关键,需要根据不同舰载机的响应特性,经过大量试验验证后才能明确。

4结束语

舰载机在舰面效应作用下会向前“漂移”一段

距离,影响纵向着舰精度,甚至使得钩索失败,因此需要进行补偿。本文提出的舰载机着舰舰面效应补偿方法充分考虑了各种着舰模式的差异,具有较好的适用性,对提高着舰能力具有重要意义。需要指出的是,舰面效应对舰载机着舰的影响程度因舰载机、着舰状态的不同而有所差别,需要根据实际情况进行研究、数值仿真和飞行试验验证。同时,舰面效应的补偿程度还需要经过大量的试验验证后,才能达到工程应用的条件。

参考文献：

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[3]吴鑫.舰载机自动着舰控制系统设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

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[5]余勇.精确着舰导引及复飞技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2003.

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[8]杨晖.地效飞机的发展和展望[J].飞行力学,2001,19(1):13-17.

(编辑：崔立峰)

Research on deck effect and compensation method for carrier aircraft landing

ZHANG Fang, MENG Wen-gong, DU Liang

(Aviation System Research Department, System Engineering Research Institute of CSSC,Beijing 100094, China)

Abstract:This paper analyzes the influence of deck effect on carrier landing based on the action principles of deck effect. The compensation method of deck effect was introduced for different carrier landing models. For the automatic carrier landing, based on the method of correcting the guidance command to compensate deck effect was presented by analyzing the landing deviation caused by the additional lift from deck effect. The specific flow chart for automatic compensation of deck effect was built, and the characteristics and key engineering problem were analyzed, too.

Key words:carrier aircraft; carrier landing; deck effect; automatic compensation

中图分类号：V212.1; V249.1

文献标识码：A

文章编号：1002-0853(2016)01-0077-05

作者简介:张放(1978-)，男，河北承德人，高级工程师，硕士研究生，研究方向为舰载机航空保障技术。

收稿日期:2015-05-20;

修订日期:2015-09-23; 网络出版时间:2015-10-09 14:41