葉 兵，孫洪波，張 力，姜 鵬

(海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125001)

在航母整個(gè)作業(yè)周期，艦載機(jī)著艦是艦載航空兵最具特色的任務(wù)，也是最困難和最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。著艦信號(hào)官即Landing Signal Officer(LSO)［1］對于著艦回收作業(yè)的順利實(shí)施具有首要責(zé)任，也是艦載機(jī)飛行人員安全的重要保障。在整個(gè)著艦指揮過程中，由于LSO只能根據(jù)肉眼觀察和自身經(jīng)驗(yàn)對艦載機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而對飛行員操作進(jìn)行指揮和引導(dǎo)，因此保持其視線穩(wěn)定或者控制其變化在一定范圍，對LSO而言尤為必要，也與艦載機(jī)能否成功著艦密切相關(guān)。

LSO眼位與其著艦指揮戰(zhàn)位在航母甲板上的位置和所處高度有關(guān)，它直接決定LSO觀察艦載機(jī)時(shí)視線角度的變化情況，即LSO視角［2］。在不考慮其他因素影響下，如果著艦指揮戰(zhàn)位在航母甲板上的位置設(shè)置恰當(dāng)，同時(shí)LSO眼位處在優(yōu)化的高度上，那么，LSO視角就能保持相對穩(wěn)定，一方面有利于LSO觀察與判斷飛機(jī)狀態(tài)，另一方面也為培訓(xùn)LSO建立有利條件，有助于快速形成著艦指揮能力。目前國內(nèi)外研究主要基于美國、法國和俄羅斯等國為代表的現(xiàn)代航母，集中在艦載機(jī)著艦控制方法、人才培養(yǎng)、著艦環(huán)境、LSO決策技術(shù)和航空保障作業(yè)流程等方面［3-6］，較少涉及LSO眼位對著艦指揮的影響以及著艦指揮戰(zhàn)位位置優(yōu)化設(shè)置方面的研究。

文獻(xiàn)［2］中，針對俄“庫茲涅佐夫”號(hào)航母，對其現(xiàn)行著艦指揮戰(zhàn)位位置下的理想LSO眼位進(jìn)行了研究，并首次從眼位的角度對LSO視角變化及其對LSO指揮效果的影響進(jìn)行了分析。本文在全甲板范圍，進(jìn)一步分析不同著艦指揮戰(zhàn)位位置所對應(yīng)的LSO視角和理想眼位高度的變化情況，以期為著艦指揮戰(zhàn)位位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益參考。首先，建立LSO眼位和視角數(shù)學(xué)模型，從理論上分析說明全甲板范圍LSO視角變化特點(diǎn)及其與眼位的聯(lián)系;其次，設(shè)計(jì)基于理想LSO眼位高度的著艦指揮戰(zhàn)位位置確定方案;最后，在全甲板范圍內(nèi)進(jìn)行仿真分析，研究并驗(yàn)證理想LSO眼位高度的分布規(guī)律。結(jié)果表明，隨著著艦指揮戰(zhàn)位位置在甲板上變化，LSO視角和理想眼位高度，在整個(gè)甲板上具有明顯的分布規(guī)律，應(yīng)在航母著艦指揮戰(zhàn)位設(shè)計(jì)過程中加以考慮。

1 數(shù)學(xué)模型與理論分析

1.1 著艦下滑幾何

如圖 1所示，“菲涅爾”透鏡光學(xué)助降裝置(FLOLS)［8］中心燈球所發(fā)出光平面與過著艦甲板中線垂面相交，所得交線即為光學(xué)下滑道。光學(xué)下滑道與著艦甲板交點(diǎn)為光學(xué)著艦點(diǎn)，所形成夾角即為艦載機(jī)著艦時(shí)的基準(zhǔn)角。

圖1 艦載機(jī)著艦下滑幾何示意圖

相對于航母，飛行員沿光學(xué)下滑道下滑，理想情況下保持其眼位始終在光學(xué)下滑道上。LSO的職責(zé)就是通過目視觀察飛機(jī)狀態(tài)，引導(dǎo)飛行員進(jìn)行偏差修正以保持其眼位在光學(xué)下滑道上。顯然光學(xué)著艦點(diǎn)也是LSO的最佳觀察位置，其視角在整個(gè)著艦過程中保持恒定，但實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致LSO對于飛機(jī)下滑軌跡觀察與飛行員所參考光學(xué)下滑道出現(xiàn)偏差，影響LSO對飛機(jī)狀態(tài)判斷的精準(zhǔn)程度。

1.2 全甲板LSO視角

為確定出滿足LSO視角要求同時(shí)對其觀察影響最小的著艦指揮位置和LSO眼位高度，在甲板上建立坐標(biāo)系，以光學(xué)著艦點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸與著艦甲板中心線平行，向艦艉方向?yàn)檎?，Z軸垂直于著艦甲板平面，向上為正。艦載機(jī)著艦時(shí)LSO視角和相關(guān)空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 LSO視角模型示意圖

圖2中，P、L分別為飛行員和LSO眼位所在位置，OP為光學(xué)下滑道，θ為基準(zhǔn)角。P'、L'分別為飛行員和LSO眼位在相應(yīng)平面上的投影，φ為LSO視角。

設(shè)L坐標(biāo)為(xLSO，yLSO，hLSO)，P與L在 X軸方向上的水平距離為 S，則 P坐標(biāo)為［xLSO+S，0，(xLSO+S)tanθ］，由三角函數(shù)關(guān)系可得

由于S?yLSO，可以將yLSO視為小量，同時(shí)θ、φ相對較小，因此由式(1)可得

在艦載機(jī)著艦過程中，基準(zhǔn)角θ和LSO眼位一旦確定即為定值，由式(2)可知，對于某基準(zhǔn)角和LSO眼位設(shè)置，對應(yīng)LSO視角只與S有關(guān)，而其變化趨勢取決于xLSOtanθ-hLSO，由圖2可知，xLSOtanθ為 LSO 著艦指揮戰(zhàn)位所對應(yīng)的光學(xué)下滑道位置，由式(2)可知:

當(dāng)xLSOtanθ-hLSO＞0，即LSO眼位在光學(xué)下滑道下方時(shí)，LSO視角φ隨著艦載機(jī)接近航母不斷增大;

當(dāng)xLSOtanθ-hLSO=0，即LSO眼位在光學(xué)下滑道上時(shí)，LSO視角φ與基準(zhǔn)角θ保持一致;

當(dāng)xLSOtanθ-hLSO＜0時(shí)，即LSO眼位在光學(xué)下滑道上方時(shí)，LSO視角φ隨著艦載機(jī)接近航母不斷減小。

1.3 全甲板LSO眼位

由式(2)可得，艦載機(jī)距離航母S1、S2兩點(diǎn)處的LSO視角差為

進(jìn)一步計(jì)算可得LSO眼位高度為

2 眼位影響下著艦指揮戰(zhàn)位位置確定方案

當(dāng)著艦下滑道入口與LSO決策點(diǎn)(決定是否允許艦載機(jī)繼續(xù)著艦時(shí)飛機(jī)距理想著艦點(diǎn)的水平距離對應(yīng)的點(diǎn))處視角差滿足人眼最小分辨角要求時(shí)，其所對應(yīng)的LSO眼位高度即為當(dāng)前著艦指揮戰(zhàn)位處的理想眼位高度，結(jié)合當(dāng)前著艦指揮戰(zhàn)位在甲板平面上所處位置，就可確定出適當(dāng)?shù)闹炛笓]戰(zhàn)位。

本文以俄羅斯“庫茲涅佐夫”號(hào)航空母艦為例，取其著艦下滑道入口為1800m，F(xiàn)LOLS基準(zhǔn)角為4°，LSO決策點(diǎn)位于艦載機(jī)距離航母著艦點(diǎn)［7］300m處，以最小人眼分辨角為閾值。眼位影響下的著艦信號(hào)官指揮戰(zhàn)位位置確定方案計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 著艦指揮戰(zhàn)位確定方案流程圖

3 仿真分析

為便于說明問題，假定飛行員在著艦過程中保持其眼位始終位于光學(xué)下滑道上，同時(shí)航母甲板保持平穩(wěn)。同樣以俄羅斯“庫茲涅佐夫”號(hào)航空母艦為對象，其他條件與圖3所示方案相同。當(dāng)著艦指揮戰(zhàn)位處在甲板上不同位置時(shí)，不同LSO眼位下對應(yīng)視角變化情況如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)著艦指揮戰(zhàn)位處在甲板上不同位置時(shí)，對于不同高度的LSO眼位，其LSO視角在艦載機(jī)從下滑道入口到LSO決策點(diǎn)過程中，始終保持一致的連續(xù)性變化趨勢，但不同的眼位條件下LSO視角變化區(qū)別較大，與式(2)結(jié)論相印證?；诖?，由式(3)，利用著艦下滑道入口點(diǎn)和LSO決策點(diǎn)間視角差Δφ=φ300-φ1800來衡量著艦下滑過程中LSO視角變化范圍。結(jié)合人眼最小分辨角優(yōu)化后，滿足視角差閾值條件下的理想LSO眼位如圖5所示。

圖4 全甲板范圍內(nèi)LSO視角變化圖

圖5 全甲板范圍理想LSO眼位分布圖

由圖5可知，隨著著艦指揮戰(zhàn)位在全甲板范圍內(nèi)位置不斷變化，結(jié)合人眼最小分辨角要求，滿足相應(yīng)LSO視角差閾值條件下的理想LSO眼位高度，在全甲板范圍內(nèi)具有明顯的分布規(guī)律，其基本趨勢關(guān)于著艦甲板中心線對稱，從艦艏至艦艉逐漸增大。為進(jìn)一步說明其變化規(guī)律，從甲板平面進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 全甲板范圍理想LSO眼位高度平面分布圖

圖6中中心豎線為著艦甲板中心線。由圖6結(jié)果可知，在航母甲板的縱向方向上，滿足閾值條件的LSO眼位高度從艦艏到艦艉方向上逐漸增大;在航母甲板的橫向方向上，滿足閾值條件的LSO眼位高度關(guān)于著艦甲板中心線呈對稱關(guān)系，并從著艦甲板中心線向兩側(cè)逐漸變小，所得這一結(jié)果也與圖5中結(jié)果所顯示的規(guī)律相一致。

4 結(jié)束語

本文以俄“庫茲涅佐夫”號(hào)航母為代表，基于LSO著艦指揮戰(zhàn)位在全甲板范圍變化的情況，在艦載機(jī)從下滑道入口到LSO決策點(diǎn)的過程中，LSO視角保持一致的變化趨勢，但不同的眼位條件下LSO視角變化區(qū)別較大，這對LSO觀察和判斷艦載機(jī)狀態(tài)的影響也較大。以人眼最小分辨角為閾值條件時(shí)，其理想LSO眼位高度在全甲板范圍內(nèi)關(guān)于著艦甲板中心線對稱，從中心向兩側(cè)逐漸減小，從艦艏向艦艉方向逐漸增大。

因此，在航母甲板設(shè)計(jì)之初，可結(jié)合理想LSO眼位分布特點(diǎn)，將其納入LSO著艦指揮戰(zhàn)位位置設(shè)計(jì)的影響因素中，結(jié)合各甲板位置的可用性、指揮的高效性和安全性等因素綜合考慮，為其優(yōu)化設(shè)置提供有益參考，以切實(shí)提高LSO在著艦下滑道上的指揮成效，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)著艦回收的安全保障與高效實(shí)施。

［1］ 歐汛.航母艦載機(jī)著艦助降裝置［J］.現(xiàn)代艦船，2005，8(A):44-47.

［2］ 張力，葉兵.基于 MATLAB的著艦信號(hào)官眼位研究［J］.指揮控制與仿真，2013，35(4):71-74.

［3］ Urnes J M，Hess R K.Development of the F/A-18A Automatic Carrier Landing System ［J］.Journal of Guidance，Control and Dynamics(S0731-5090)，1985，18(3):289-295.

［4］ 張明廉，徐軍.艦載飛機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，20(4):386-291.

［5］ 彭兢，金長江.航空母艦尾流數(shù)值仿真研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26(3):340-343.

［6］ Richards R，Chrenka J，Thordsen M.Artificial intelligence technique for Pilot Approach Decision Aid Logic(PADAL)System ［R］∥ AD-A388045，2001.USA:AD，2001.

［7］ Corpus Christi.Carrier Qualification Flight Procedures［Z］.Texas，Naval Air Training Command，2001:12 ～15.

［8］ 胡恩勇.光波束著艦引導(dǎo)系統(tǒng)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)研究生院，2008.

［9］ 職新衛(wèi).視覺分辨力與圖像顯示尺寸研究［J］.多媒體技術(shù)，2008(5).