焦鑫, 江駒, 王新華, 甄子洋

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

艦載機(jī)綜合復(fù)飛決策研究

焦鑫, 江駒, 王新華, 甄子洋

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

艦載機(jī)在著艦過程中,由于種種干擾偏離理想下滑軌跡后,飛行員必須及時準(zhǔn)確地作出復(fù)飛決策并采取相應(yīng)的動作。針對這一問題,對已有的復(fù)飛下邊界準(zhǔn)則進(jìn)行了進(jìn)一步的完善,并推導(dǎo)和確定了復(fù)飛上邊界準(zhǔn)則。然后首次將基于小擾動動力學(xué)模型的著艦系統(tǒng)與基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)相結(jié)合,設(shè)計了基于改進(jìn)型復(fù)飛邊界準(zhǔn)則的綜合復(fù)飛決策系統(tǒng),得到了相應(yīng)的綜合復(fù)飛區(qū)及復(fù)飛邊界,并針對不同著艦情況對綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠及時判斷出艦載機(jī)是否進(jìn)入復(fù)飛區(qū),復(fù)飛是否安全,從而大大提高了艦載機(jī)的著艦效率和著艦安全性。

復(fù)飛決策系統(tǒng); 復(fù)飛邊界準(zhǔn)則; 艦載飛機(jī)

引言

海軍駕駛員執(zhí)行的最精確任務(wù)之一就是將高性能的飛機(jī)安全降落在航空母艦上[1]。但是,艦載機(jī)在著艦過程中,由于受到各種干擾影響或出現(xiàn)不可預(yù)估的故障,經(jīng)常會偏離理想的下滑軌跡[2-3]。此時,飛行員及時準(zhǔn)確地進(jìn)行復(fù)飛,對保證飛機(jī)安全至關(guān)重要。據(jù)文獻(xiàn)報道,目前艦載機(jī)每著艦20次,就有一次需要進(jìn)行復(fù)飛,即復(fù)飛概率為1/20[4]。所以如何保證復(fù)飛決策更加合理有效,從而保證著艦效率和安全性是一個重要的研究課題。文獻(xiàn)[5]對復(fù)飛整個過程進(jìn)行了闡述,并分析了復(fù)飛的原因;文獻(xiàn)[6]提出了一種智能復(fù)飛決策系統(tǒng),在原軍用推力操縱的基礎(chǔ)上,加入了具有保持迎角恒定的升降舵模糊控制,從而增強(qiáng)了低動壓狀態(tài)下飛機(jī)的機(jī)動能力,減小了復(fù)飛區(qū);文獻(xiàn)[7]在建立艦載飛機(jī)著艦復(fù)飛的非線性飛行動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,討論了復(fù)飛包線的生成方法,重點(diǎn)研究了復(fù)飛操縱動作對復(fù)飛包線的影響,對不同的操縱方法進(jìn)行了計算和比較。從以上文獻(xiàn)及研究成果可以看出,對復(fù)飛決策系統(tǒng)的研究不僅是必要的,而且是迫切的。

目前國內(nèi)對艦載機(jī)復(fù)飛的研究還比較少,不夠深入,尤其是對復(fù)飛邊界準(zhǔn)則考慮的因素較少,不夠準(zhǔn)確,研究成果實(shí)用性不強(qiáng)。本文所設(shè)計的綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)對復(fù)飛邊界準(zhǔn)則進(jìn)行了更深層次的研究,建立了更加完善的復(fù)飛上下邊界準(zhǔn)則。同時,針對不同初始條件下的艦載機(jī)進(jìn)行復(fù)飛決策,這不僅邁出了從傳統(tǒng)理論研究到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵一步,而且也可提高著艦的效率和安全性。

1 復(fù)飛邊界準(zhǔn)則

形成復(fù)飛邊界的臨界點(diǎn)應(yīng)滿足事先規(guī)定的復(fù)飛邊界準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則是綜合考慮飛機(jī)復(fù)飛的安全高度、飛行員對復(fù)飛指令的反應(yīng)滯后以及復(fù)飛操縱的手段等因素決定的。本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上,對復(fù)飛區(qū)下邊界準(zhǔn)則進(jìn)行了修正和完善,并提出了復(fù)飛區(qū)上邊界準(zhǔn)則。

1.1 復(fù)飛區(qū)下邊界準(zhǔn)則的完善

綜合考慮飛機(jī)復(fù)飛的安全高度、飛行員對復(fù)飛指令的反應(yīng)滯后以及復(fù)飛操縱手段等因素,已有的復(fù)飛邊界即復(fù)飛區(qū)下邊界的3條準(zhǔn)則如下:

(1)飛機(jī)飛至艦尾時,尾鉤離甲板至少有3 m的高度間隙。

(2)飛行員對復(fù)飛信號的允許反應(yīng)時間為0.7 s。

(3)飛行員采用的復(fù)飛操縱手段是在無縱向駕駛桿操縱的前提下,僅使用發(fā)動機(jī)軍用推力控制。

根據(jù)復(fù)飛下邊界準(zhǔn)則可得某艦載機(jī)著艦速度為60 m/s時復(fù)飛軌跡及復(fù)飛下邊界,如圖1所示。

圖1中,x為飛機(jī)距艦尾的水平距離,h為飛機(jī)距艦尾的垂直距離。根據(jù)一般航母大小,曲線G和H的最低點(diǎn)已絕對低于海平面,在不采用縱向駕駛桿操縱僅使用發(fā)動機(jī)軍用推力控制的時候,這樣的復(fù)飛軌跡是不合乎常理的。因此本文在以上3條準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了如下一條準(zhǔn)則:

(4)復(fù)飛軌跡最低點(diǎn)應(yīng)高于海平面。

對該準(zhǔn)則作進(jìn)一步說明如下:

飛機(jī)進(jìn)行復(fù)飛時,無論如何都要保證飛機(jī)的復(fù)飛軌跡最低點(diǎn)高于海平面,否則飛機(jī)會有墜海的危險。

圖1 某艦載機(jī)復(fù)飛軌跡及復(fù)飛邊界

復(fù)飛區(qū)下邊界既可通過基于飛機(jī)小擾動動力學(xué)模型的復(fù)飛決策系統(tǒng)確定,也須通過基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)確定。但是,基于飛機(jī)小擾動動力學(xué)模型的復(fù)飛決策系統(tǒng)是通過將飛機(jī)的位置與預(yù)先存儲在計算機(jī)中的復(fù)飛區(qū)進(jìn)行比較,需要大量的存儲空間,在實(shí)際使用時有一定的局限性。因此,本文采用基于終端狀態(tài)方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)確定復(fù)飛區(qū)下邊界,根據(jù)簡化的飛機(jī)縱向動力學(xué)方程,實(shí)現(xiàn)預(yù)估飛機(jī)到達(dá)艦尾的高度,按照復(fù)飛邊界準(zhǔn)則的要求,判斷飛機(jī)是否需要復(fù)飛。

根據(jù)基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)[9]可得某艦載機(jī)著艦速度為60 m/s時復(fù)飛區(qū)下邊界及復(fù)飛軌跡(見圖2)和不同下沉率時的復(fù)飛邊界(見圖3)。

圖2 基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛區(qū)上邊界

圖3 不同下沉率時的復(fù)飛區(qū)下邊界

由圖2和圖3可以得到以下結(jié)論:

(1)在不同下沉率情況下得到的復(fù)飛區(qū)不同,隨著下沉率的變大,相應(yīng)的復(fù)飛區(qū)也變大,飛機(jī)復(fù)飛的安全性越差。

(2)基于終端狀態(tài)預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)程序量較少,仿真時間短,可節(jié)約大量的內(nèi)存空間,縮短決策時間,提高系統(tǒng)實(shí)時性,便于工程應(yīng)用。

(3)基于終端狀態(tài)預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)僅改變預(yù)估方程參數(shù),不改變方程形式,即可實(shí)現(xiàn)對任一型號飛機(jī)在任一初始狀態(tài)(位置、初速度、下沉率等)的復(fù)飛決策。

(4)基于終端狀態(tài)預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)只能決定復(fù)飛區(qū)的下邊界,不能確定上邊界。

1.2 復(fù)飛區(qū)上邊界準(zhǔn)則的建立

當(dāng)艦載機(jī)飛行高度過高,飛機(jī)無法安全著艦時,復(fù)飛區(qū)上邊界的建立能夠使駕駛員判斷飛機(jī)是否高于復(fù)飛區(qū)上邊界,一旦飛行高度過高,則艦載機(jī)不需進(jìn)行著艦而直接進(jìn)行復(fù)飛操作,這樣既保證了飛行安全,又避免了不必要的損耗。

復(fù)飛區(qū)上邊界的確定主要是根據(jù)艦載機(jī)著艦下滑過程控制來確定的,根據(jù)艦載機(jī)著艦下滑過程及著艦要求,制訂了如下兩條復(fù)飛區(qū)上邊界準(zhǔn)則:

(1)飛機(jī)著艦點(diǎn)必須在最后一根攔阻索之前。

(2)飛機(jī)到達(dá)艦尾時的速度不能超過正常著艦速度。

對以上兩條準(zhǔn)則作進(jìn)一步說明如下:

(1)航母甲板上布置有4根攔阻索:第1根位于距船尾50 m左右處,其余3根按照艦尾至艦首方向每隔約12 m設(shè)1根。理想著艦點(diǎn)位于第2根和第3根攔阻索的中心位置,飛機(jī)著艦時,必須掛住任一根攔阻索。

(2)飛機(jī)著艦時,其著艦速度需在安全范圍內(nèi),如果著艦速度超過正常值,則會產(chǎn)生過大的沖量造成飛機(jī)撞毀,同時對攔阻索及地面也會造成磨損。

根據(jù)復(fù)飛上邊界準(zhǔn)則,通過圖4所示的基于飛機(jī)小擾動動力學(xué)模型的著艦系統(tǒng),可確定某艦載機(jī)的復(fù)飛區(qū)上邊界。

通過圖4所示的結(jié)構(gòu)圖,可得到艦載機(jī)著艦時的下滑軌跡。而復(fù)飛區(qū)的上邊界主要是根據(jù)艦載機(jī)著艦時的一系列下滑軌跡所確定的,通過復(fù)飛上邊界準(zhǔn)則(1)和(2),對復(fù)飛區(qū)進(jìn)行了限制,從而得到某艦載機(jī)復(fù)飛區(qū)上邊界。

圖4 確定復(fù)飛上邊界的結(jié)構(gòu)圖

2 綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)的構(gòu)成

綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)根據(jù)艦載機(jī)的狀態(tài)判斷艦載機(jī)和綜合復(fù)飛區(qū)的位置關(guān)系,從而進(jìn)行復(fù)飛決策。其中,綜合復(fù)飛區(qū)的上邊界利用基于小擾動動力學(xué)模型的著艦系統(tǒng)得到;下邊界利用基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)得到。某艦載機(jī)著艦速度為60 m/s時綜合復(fù)飛區(qū)及復(fù)飛邊界如圖5所示,綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)的決策流程如圖6所示。

圖5 綜合復(fù)飛區(qū)及復(fù)飛邊界

圖6 綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)的決策流程圖

按照圖6所示的程序流程圖,當(dāng)飛機(jī)處于圖5所示的復(fù)飛區(qū)中時,系統(tǒng)將提示必須復(fù)飛,此時飛行員應(yīng)立即拉動操縱桿進(jìn)行復(fù)飛,這樣飛機(jī)既不會因飛行高度過高導(dǎo)致不必要的逃逸,同時也有效地避免了撞艦事故的發(fā)生,保證了飛機(jī)的安全。

3 綜合復(fù)飛決策系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證

本系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺是利用Matlab的Simulink模塊和命令窗口來完成的,輸入飛機(jī)狀態(tài)后,根據(jù)圖6所示的復(fù)飛決策算法流程可判斷飛機(jī)是否需要復(fù)飛。下面選擇了典型的4種情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

(1)飛行高度過高:當(dāng)飛機(jī)離艦尾水平距離為400 m,高度為60 m時,飛機(jī)已經(jīng)高于復(fù)飛上邊界。通過該系統(tǒng)得出結(jié)論:“飛行高度過高,必須復(fù)飛”。

(2)未進(jìn)入復(fù)飛區(qū):當(dāng)飛機(jī)離艦尾水平距離為600 m,高度為50 m,飛機(jī)下降率為6 m/s2時,飛機(jī)未進(jìn)入復(fù)飛區(qū)。通過該系統(tǒng)得出結(jié)論:“到達(dá)艦尾高度為19.1 m,復(fù)飛安全”,同時可得到復(fù)飛安全情況下的復(fù)飛軌跡,如圖7所示。

圖7 復(fù)飛安全情況下的復(fù)飛軌跡

(3)臨近復(fù)飛區(qū):當(dāng)飛機(jī)離艦尾水平距離為500 m,高度為25 m,飛機(jī)下降率為4.5 m/s2時,飛機(jī)臨近復(fù)飛區(qū)。通過該系統(tǒng)得出結(jié)論:“到達(dá)艦尾高度為3.8 m,復(fù)飛告警”,同時可得到復(fù)飛告警情況下的復(fù)飛軌跡,如圖8所示。

圖8 復(fù)飛告警情況下的復(fù)飛軌跡

(4)已進(jìn)入復(fù)飛區(qū):當(dāng)飛機(jī)離艦尾水平距離為400 m,高度為30 m,飛機(jī)下降率為6.5 m/s2時,飛機(jī)已進(jìn)入復(fù)飛區(qū),如不采取相應(yīng)措施將有撞艦危險。通過該系統(tǒng)得出結(jié)論:“到達(dá)艦尾高度為-3.7 m,必須復(fù)飛”,同時可得到相應(yīng)的復(fù)飛軌跡,如圖9所示。

圖9 必須復(fù)飛情況下的復(fù)飛軌跡

以上仿真結(jié)果表明,通過該系統(tǒng)可以很好地決策出飛機(jī)是否需要復(fù)飛以及復(fù)飛是否安全。

4 結(jié)束語

本文對已有的復(fù)飛下邊界準(zhǔn)則進(jìn)行了完善,增加了限制條件。建立了復(fù)飛上邊界準(zhǔn)則,將基于飛機(jī)小擾動動力學(xué)模型的著艦系統(tǒng)與基于終端預(yù)估方程的復(fù)飛決策系統(tǒng)相結(jié)合,設(shè)計了基于改進(jìn)型復(fù)飛邊界準(zhǔn)則的綜合復(fù)飛決策系統(tǒng),得到了某艦載機(jī)的綜合復(fù)飛區(qū)及復(fù)飛邊界。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明,所設(shè)計的系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確地作出復(fù)飛決策,判斷出艦載機(jī)是否進(jìn)入復(fù)飛區(qū)、復(fù)飛是否安全等,從而提高了艦載機(jī)的著艦效率和著艦的安全性。

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(編輯：姚妙慧)

Researchoncomprehensivewave-offdecisionofcarrier-basedaircraft

JIAO Xin, JIANG Ju, WANG Xin-hua, ZHEN Zi-yang

(College of Automation Engineering, NUAA, Nanjing 210016, China)

After carrier-based aircraft deviates from ideal glide path due to several disturbances during landing, the pilot must make wave-off decision in time and take some actions. The perfect wave-off lower boundary criteria are presented in this paper, and upper boundary criteria are also deduced and defined. Combined wave-off decision system based on small perturbation equations with wave-off decision system based on terminal prediction equations, the comprehensive wave-off decision system based on improved wave-off boundary criteria are designed in this paper for the first time, from which the wave-off zone and wave-off boundary can be obtained. Besides, the simulation results of this system for different landing status are presented in this paper. The results indicate that this new system can judge whether it is in wave-off zone and whether it is safe, so that it can ensure the efficiency and safety of aircraft landing more effectively.

wave-off decision system; wave-off boundary criteria; carrier-based aircraft

V271.492

A

1002-0853(2012)05-0405-05

2011-11-21;

2012-04-15

國家自然科學(xué)基金資助(71071076)；航空科學(xué)基金資助(2010ZA52002)；南京航空航天大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)科研項(xiàng)目資助(NP2011012, NP2011049)

焦鑫(1986-)，女，山西運(yùn)城人，博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)飛行控制技術(shù)。