于嘉暉，陶 楊，翟鴻君，付霖宇

(1.海軍航空工程學院 指揮系，山東 煙臺 264001;2.海軍航空工程學院研究生大隊，山東 煙臺 264001;3.海軍航空工程學院基礎部，山東 煙臺 264001;4.海軍航空工程學院兵器科學與技術系，山 東煙臺 264001)

0 引言

艦船的高速行駛和甲板的運動，艦船尾部存在著復雜的氣流擾動，飛機在著艦的過程中不可避免的要受到這種氣流影響[1]。艦尾流對飛機的著艦有很大影響，是威脅飛行安全的主要因素之一。受艦船的隨機運動和大氣紊流的擾動影響，艦尾流具有很大的隨機性，不同的艦船、不同的海域，其艦尾流特性也不盡相同。另外，空氣流場內大流動角氣流的總壓、靜壓和流向的測量等問題也給艦尾流研究增加了一定難度[2]。因此研究艦尾流對飛機下滑著艦的影響對飛機安全回收具有重要意義[2～4]。

1 艦尾流模型

美軍標[5]中規(guī)定，在對飛機進場的最后800米內艦尾流進行模擬時，應用最終著艦進場的擾動模型?？倲_動速度由自由大氣紊流分量，尾流穩(wěn)態(tài)分量，尾流周期分量，尾流隨機分量所產(chǎn)生的各部分相互疊加得出[6～8]，總的艦尾流擾動如圖1所示。

圖1 總艦尾流擾動

2 飛機下滑過程動力學方程

2.1 質心運動方程

飛機在下滑過程中，受到的外力主要有發(fā)動機推力T、空氣動力R(包括升力Y阻力Q側力Z)和自身重力G。

為方便表述，定義由風產(chǎn)生的迎角和側滑角為

著艦時的艦尾流風速遠遠小于飛機空速u，可以用式(2)來簡化求解αw，βw值。

在對存在有艦尾流的飛機下滑過程分析時，只考慮了起主要作用的水平分量和垂直分量，而對βw的變化并未加以考慮，故可對式(1)第二式做適當?shù)暮喕?，即?βh。則飛機質心運動方程可用式(3)來表示。

式中，v為飛機速度;α為迎角;β為側滑角;φT為發(fā)動機推力作用線與機體縱軸夾角;γs為航跡速度滾轉角;αh為航跡速度迎角;βh為航跡速度側滑角。

2.2 質心轉動方程

下滑過程中的質心轉動方程與一般飛行器的相同。質心轉動方程如式(4)所示。

式中，Ix為機體x軸轉動慣量;Iy，Iz為機體y，z軸轉動慣量;I為慣性積;eT為發(fā)動機安裝偏心距。

另外，質心轉動的運動學微分方程在有、無風切變情況下也同樣有

式中，?為俯仰角;ψ為偏航角;γ為滾轉角。

2.3 運動補充方程

在地面坐標系中，運動學方程為

3 飛機下滑著艦艦尾流影響分析

依據(jù)前面建立的艦尾流模型，在一定的初始條件下，通過Matlab軟件采用自主編制的四階龍格庫塔法求解飛機運動學方程，考慮有艦尾流和無艦尾流兩種情況，對某型飛機下滑過程中的迎角、側滑角、滾轉角、偏航角、偏航距離及俯仰角等參數(shù)隨時間變化關系進行仿真，仿真結果如圖2～圖7所示，由圖中兩種情況比較可知，艦尾流的存在影響到了飛機著艦攔阻的初始條件。

如圖2所示，飛機在下滑初期迎角均減小，艦尾流對其影響不大。減小到4.42°后無艦尾流情況下基本保持穩(wěn)定，而當有艦尾流時，迎角的波動很強烈，峰值差最大達到了2.06°，此時的飛行狀態(tài)將很不穩(wěn)定，飛機將不停的抬頭低頭。從圖3～圖6所示的飛機側滑角、滾轉角、偏航角和偏航距離隨時間的變化曲線中可見，艦尾流對這三個姿態(tài)角及偏航距離的影響較小。如圖7所示的俯仰角隨時間的變化中可見，在沒有艦尾流影響時，俯仰角先是下降較快，而后降至1.59°后下降較平穩(wěn);而加入了艦尾流后，原先較平穩(wěn)的俯仰角下滑過程也變得波動不已，且俯仰角的均值也有大幅度減小。飛行高度隨水平離艦距離的變化如圖8所示，從同一位置開始下滑，在相同下滑高度上存在艦尾流時其水平離艦距離要更為靠前，這樣導致最終的著艦點會比無艦尾流時向前偏差。對于本來長度就較短的航母飛行甲板而言，著艦點位置的前移意味著不能按照預定著艦位置攔阻，這樣對于著艦而言可能會威脅到飛機的安全性。

圖8 飛行高度隨水平離艦距離的變化

4 結語

上面分析了艦船尾流的成因，建立了艦尾流模型和飛機下滑著艦動力學模型，對飛機下滑過程中艦尾流的影響進行了分析。通過計算分析和仿真驗證可知，著艦環(huán)境對飛機著艦時的姿態(tài)角會產(chǎn)生很大影響，如果不加以控制，飛機將很難保持飛行中的平衡狀態(tài)，嚴重時會導致飛行事故的發(fā)生。該力學模型的建立，對如何控制著艦飛機的飛行，維持其平衡的飛行狀態(tài)，可以提供非常精確的理論數(shù)據(jù)。

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