孫洪波, 葉兵, 程亮亮, 曹青春

(海軍航空兵學(xué)院 艦載機(jī)系, 遼寧 葫蘆島 125001)

基于臨界能量管理的著艦技術(shù)研究

孫洪波, 葉兵, 程亮亮, 曹青春

(海軍航空兵學(xué)院 艦載機(jī)系, 遼寧 葫蘆島 125001)

以一種全新的視角,用能量管理來解釋艦載機(jī)著艦,更加直接地分析艦載機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并從能量管理的角度為著艦駕駛操作提供有益參考。結(jié)合艦載機(jī)著艦仿真數(shù)據(jù),分析飛機(jī)油門、駕駛桿等控制量的輸入對艦載機(jī)能量狀態(tài)的影響,總結(jié)了規(guī)律性的著艦操縱方法,有助于飛行學(xué)員理解和掌握著艦理論,對其掌握艦載機(jī)的著艦駕駛技能有著積極的作用。

能量守恒; 能量轉(zhuǎn)化; 艦載機(jī); 著艦技術(shù)

0 引言

艦載機(jī)阻攔著艦是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高增益的任務(wù),即使有各種措施和設(shè)備輔助,仍比著陸風(fēng)險(xiǎn)大,是艦載機(jī)作業(yè)事故率最高的環(huán)節(jié)[1]。飛行員的操縱水平是艦載機(jī)安全著艦的主要依靠,對著艦技術(shù)的理解程度決定了飛行員的著艦水平。

艦載機(jī)著艦是一個(gè)等角下滑的過程[2],從能量方面考慮,也是一個(gè)艦載機(jī)的總能量相對于飛行甲板著艦點(diǎn)逐漸變小直至歸零的過程。通過分析艦載機(jī)著艦過程中的能量變化,能夠得出客觀且易于理解的結(jié)論,有助于飛行員透徹把握著艦實(shí)質(zhì),掌握著艦操縱要領(lǐng),提高訓(xùn)練效率。

1 艦載機(jī)著艦?zāi)芰繝顟B(tài)

艦載機(jī)著艦過程中的能量狀態(tài)是持續(xù)變化的,有其特殊性,但也有規(guī)律可循。

1.1 臨界能量狀態(tài)

著艦飛行過程中,艦載機(jī)既有動(dòng)能,又有勢能,飛行速度決定動(dòng)能,飛行高度決定勢能,其總能量是動(dòng)能和勢能之和。正常飛行情況下,艦載機(jī)的總能量可以滿足穩(wěn)定飛行和空中機(jī)動(dòng)需求,完成平臺(tái)運(yùn)載功能。著艦是艦載機(jī)減速、降高直至停在航母甲板上的過程,著艦完成意味著艦載機(jī)相對飛行甲板的動(dòng)能歸零,勢能也歸零,即總能量歸零。

讓艦載機(jī)的總能量歸零,降低艦載機(jī)著艦起始點(diǎn)的初始能量是一個(gè)好的策略,實(shí)現(xiàn)總能量低起點(diǎn)可以從兩個(gè)方面著手:一是降低艦載機(jī)的勢能,即降低艦載機(jī)的著艦高度,從低起點(diǎn)開始著艦安全性更高;二是降低艦載機(jī)的動(dòng)能,即降低艦載機(jī)的著艦速度,低速度著艦安全性更高。低高度有一個(gè)極限值,艦載機(jī)要安全飛過航母艦尾段,這決定了艦載機(jī)下滑道的基準(zhǔn)角;低速也有一個(gè)極限,即空速不能小于艦載機(jī)的失速速度,這決定了艦載機(jī)要在反區(qū)飛行,如圖1所示。

圖1 飛機(jī)需用推力-速度關(guān)系圖Fig.1 Aircraft requiring thrust-velocity relation

由圖可知,在艦載機(jī)安全可控的前提下,要使艦載機(jī)速度比較小,則艦載機(jī)工作在反區(qū)為宜[3-4]。在保證失速安全裕度的情況下,艦載機(jī)飛行速度可以選取到低值,是理想的工作區(qū)間。著艦下滑飛行時(shí),艦載機(jī)工作在臨界迎角附近,動(dòng)能較低,高度下降,勢能降低。整個(gè)著艦過程,艦載機(jī)的總能量處在安全飛行的臨界點(diǎn)上,故稱其為臨界能量狀態(tài)。

1.2 能量狀態(tài)變化

為了使采用阻攔方式著艦的艦載機(jī)在航母飛行甲板著艦區(qū)鉤住阻攔索,通常在斜角甲板后部布設(shè)四道阻攔索,索間距約12 m,所以著艦區(qū)長度約為36 m。要使機(jī)身長接近20 m的艦載機(jī)準(zhǔn)確降落在36 m的著艦區(qū),艦載機(jī)采用了等角下滑的著艦技術(shù),即艦載機(jī)在著艦的直線下滑段以固定的下滑角度,等速下滑直到觸艦,其下滑角度一般在3.5°～4°,如圖2所示。

圖2 艦載機(jī)等角下滑示意圖Fig.2 Carrier-based aircraft equiangular sliding angle

由圖可知,在艦載機(jī)著艦下滑過程中,其總能量狀態(tài)是逐漸減小的,具體地說是勢能隨高度的降低而減小,動(dòng)能因保持等速飛行而不變。艦載機(jī)能量狀態(tài)變化遵循“當(dāng)前飛行點(diǎn)能量守恒、下滑過程能量穩(wěn)定減小”的規(guī)律。所謂當(dāng)前飛行點(diǎn)能量守恒指的是飛行員進(jìn)行著艦操縱的當(dāng)前時(shí)刻,在這一位置點(diǎn)上艦載機(jī)的總能量應(yīng)保持臨界狀態(tài),如果總能量過高,會(huì)增加著艦風(fēng)險(xiǎn);如果總能量過低,飛機(jī)可能失控。為保證艦載機(jī)能夠按要求著艦,其總能量必須是臨界能量線上的一點(diǎn),動(dòng)能與勢能的轉(zhuǎn)化遵循能量守恒,如果動(dòng)能低了,勢能就要高一些;反過來,如果勢能低了,動(dòng)能就要高一些,這樣的艦載機(jī)著艦過程才是一個(gè)良性可控狀態(tài)。下滑過程能量穩(wěn)定減小是指在整個(gè)著艦下滑過程中勢能持續(xù)線性減小。

2 艦載機(jī)著艦飛行特點(diǎn)

總能量處于臨界狀態(tài)的艦載機(jī),其飛行具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)強(qiáng)直運(yùn)動(dòng)

低能量平衡狀態(tài)飛機(jī)的飛行速度低,需要靠近臨界迎角來提高升力。處于這種狀態(tài)的飛機(jī),其姿態(tài)穩(wěn)定性要求較高,所以艦載機(jī)的俯仰角和坡度角都不宜有大幅度的變化,為了保持這種臨界穩(wěn)定狀態(tài),艦載機(jī)的舵面也不應(yīng)有大幅度的變化,處于這樣一種臨界狀態(tài)的飛機(jī)只有保持強(qiáng)直狀態(tài),才能安全著艦。所謂強(qiáng)直狀態(tài)是指艦載機(jī)的飛行以順勢飄動(dòng)為主,而不宜劇烈機(jī)動(dòng)。

(2)容易失速

艦載機(jī)在著艦航線上配平之后,空速接近最優(yōu)空速,迎角靠近臨界迎角。雖然已經(jīng)配平,但飛機(jī)處于點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)飛機(jī)或飛行的任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化,都可能使飛機(jī)掉高度或失速,而失速的可能性最大,危害也最大。

為了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著艦,艦載機(jī)要調(diào)整航跡和姿態(tài),在進(jìn)行縱桿操縱調(diào)整飛機(jī)的俯仰時(shí),會(huì)改變飛機(jī)的姿態(tài)角,造成飛機(jī)的迎角大于或小于最優(yōu)迎角,而失去配平狀態(tài),發(fā)生危險(xiǎn);橫桿操縱會(huì)使機(jī)翼翼尖迎角首先發(fā)生變化,飛行狀態(tài)改變,進(jìn)而可能導(dǎo)致飛機(jī)失速,無論哪種情況都可能帶來災(zāi)難性的后果。

(3)下降快上升慢

理想情況下,艦載機(jī)著艦下滑是等速直線運(yùn)動(dòng)過程。此時(shí),艦載機(jī)的升力與重力平衡,二者方向相反,大小相等。升力和重力的形成機(jī)理不同使二者對飛行員操控的響應(yīng)迥異,氣動(dòng)升力的補(bǔ)償有延遲,重力對飛機(jī)的作用始終存在,因此,重力對飛機(jī)航跡的影響更直接。升力和重力對飛機(jī)作用機(jī)理上的差異,使艦載機(jī)著艦過程中呈現(xiàn)出降低高度速度快、而上升高度速度慢的現(xiàn)象。

3 基于臨界總能量管理的著艦操縱原則

處于臨界總能量狀態(tài)的艦載機(jī)有著特殊的操縱要求,符合要求的操縱輸入才能使其保持在理想下滑道附近,順利實(shí)現(xiàn)安全著艦。

3.1 總能量穩(wěn)定變化

艦載機(jī)著艦過程是一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng),其總能量處于臨界狀態(tài),艦載機(jī)的總能量一旦低于臨界能量狀態(tài)就可能掉高度或失速,意味著著艦失敗;總能量若高于臨界能量狀態(tài),艦載機(jī)就會(huì)大下滑角觸艦或進(jìn)入速度正區(qū),著艦風(fēng)險(xiǎn)驟增。所以,在著艦過程中要對艦載機(jī)的能量進(jìn)行必要的調(diào)整,標(biāo)準(zhǔn)是總能量狀態(tài)要穩(wěn)定,即艦載機(jī)的速度要處于優(yōu)化的空速附近,著艦航跡要在理想下滑道上。對飛行員來說就是艦載機(jī)的空速或迎角在指定范圍內(nèi),燈球在基準(zhǔn)燈附近,飛行狀態(tài)相對穩(wěn)定。

3.2 油門控制總能量

著艦飛行的艦載機(jī)由于高度不斷下降,其勢能逐漸減小。由于速度不變,所以其動(dòng)能基本穩(wěn)定。發(fā)動(dòng)機(jī)推力是艦載機(jī)唯一的能量輸入,當(dāng)艦載機(jī)的總能量變化時(shí),可以進(jìn)行能量補(bǔ)償?shù)闹挥邪l(fā)動(dòng)機(jī)推力,也就是控制油門桿,使總能量保持在臨界狀態(tài)。

油門桿操作是慢周期響應(yīng),意味著發(fā)現(xiàn)偏差再進(jìn)行修正時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量補(bǔ)償滯后的問題。要解決這一問題,要么消除補(bǔ)償?shù)膫鬟f延遲,但發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)理決定了這是不可能做到的;要么小幅度高頻率地使用油門,用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)平均推力替代穩(wěn)定油門推力,這是可以實(shí)現(xiàn)的。

3.3 駕駛桿控制能量轉(zhuǎn)換

操縱飛機(jī)離不開駕駛桿,通過操縱飛機(jī)的舵面來調(diào)整飛機(jī)的氣動(dòng)力,改變姿態(tài)和航跡?？v向使用駕駛桿,能快速地實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換。拉桿會(huì)增加迎角和阻力,飛機(jī)的速度降低,高度增加,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能;推桿會(huì)使飛機(jī)的迎角減小,阻力也減小,飛機(jī)的速度增加,高度降低,勢能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。橫桿操縱會(huì)影響飛機(jī)的氣動(dòng)特性,造成升力下降而掉高度,勢能降低,總能量下降?？梢?駕駛桿不會(huì)補(bǔ)償艦載機(jī)的總能量,只能改變艦載機(jī)動(dòng)能和勢能的分配。能量轉(zhuǎn)換會(huì)有損失,即使用駕駛桿后,飛機(jī)的總能量也是減少的。

4 艦載機(jī)著艦復(fù)合偏差修正方法

艦載機(jī)著艦出現(xiàn)單一偏差時(shí),按照上述原則操縱即可,但著艦過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)復(fù)合偏差,其修正的難度更大。下面以幾種典型的復(fù)合偏差修正為例予以說明。

(1)又高又快

判斷:高說明勢能大,快說明動(dòng)能大。

結(jié)論:總能量高。

此時(shí)首先要減少總能量,即收油門桿減油,再通過駕駛桿調(diào)整當(dāng)前飛行點(diǎn)動(dòng)能和勢能的分配(見圖3)。圖中:H為高度;D為距離;Vb為表速;Dz為縱桿位移;δT為油門桿位移。

圖3 下滑道操縱曲線1Fig.3 Glide slope control curves 1

由圖3可知,在整個(gè)著艦下滑過程中,飛機(jī)基本上都處在高于理想下滑道的位置,勢能偏高,動(dòng)能偏大。通過陰影標(biāo)注部分,起始點(diǎn)都處于空速快的狀態(tài),因此飛機(jī)總能量較高,其后飛行員主要通過收油門進(jìn)行修正,同時(shí)輔以桿的微調(diào)后,將飛機(jī)空速調(diào)整到正常的范圍內(nèi),同時(shí)接近理想下滑道高度,回到正常的能量狀態(tài)。這里需要強(qiáng)調(diào),從圖中可以看出,飛行員在操縱飛機(jī)著艦的過程中降高、減速的駕駛動(dòng)作并不明顯,但同時(shí)還應(yīng)注意到飛行員帶桿的動(dòng)作非常頻繁,所以說駕駛桿用來控制動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)換,而能量轉(zhuǎn)換必然要造成能量損失,降低了飛機(jī)的總能量,所以飛機(jī)的軌跡依然逼近理想下滑道。

(2)又高又慢

判斷:高說明勢能大,慢說明動(dòng)能小。

結(jié)論:總能量適中。

此時(shí)不用大幅度補(bǔ)償總能量,油門桿保持穩(wěn)定,調(diào)整駕駛桿,根據(jù)高和慢的具體情況,調(diào)整當(dāng)前飛行點(diǎn)的動(dòng)能和勢能的分配(見圖4)。由圖4可知,在沿跑道距“著艦點(diǎn)”500 m以前的下滑過程中,飛機(jī)基本上都處在高于理想下滑道的位置,勢能偏高。

圖4 下滑道操縱曲線2Fig.4 Glide slope control curves 2

在第一個(gè)陰影標(biāo)注部分,飛機(jī)空速開始低于正常要求,并呈減小趨勢,飛行員主要通過桿的操作進(jìn)行修正,油門基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi);在第二個(gè)陰影標(biāo)注部分,空速處于正常稍偏低的狀態(tài),并呈現(xiàn)變小的趨勢,飛機(jī)總能量適中,在這一過程中也主要是通過桿的控制進(jìn)行調(diào)整,油門在開始稍加一點(diǎn)再收回后基本保持穩(wěn)定,飛機(jī)空速調(diào)整到正常范圍后,同時(shí)處于理想下滑道高度,回到正常的能量狀態(tài)。

(3)又低又快

判斷:低說明勢能小,快說明動(dòng)能大。

結(jié)論:總能量適中。

此時(shí)不用大幅度補(bǔ)償總能量,油門桿保持穩(wěn)定,調(diào)整駕駛桿,根據(jù)高和慢的具體情況,調(diào)整當(dāng)前飛行點(diǎn)的動(dòng)能和勢能的分配(見圖5)。由圖5可知,在沿跑道距“著艦點(diǎn)”300 m以前的下滑過程中,飛機(jī)基本上處在低于理想下滑道的位置,勢能稍偏低。

在圖中兩個(gè)陰影標(biāo)注部分,飛機(jī)空速開始都高于正常要求,在此過程中飛行員主要通過桿的操作進(jìn)行修正,油門基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),保持飛機(jī)總能量適中,飛機(jī)空速調(diào)整到正常范圍后,也基本處于理想下滑道高度上,回到正常的能量狀態(tài)。

圖5 下滑道操縱曲線3Fig.5 Glide slope control curves 3

(4)又低又慢

判斷:低說明勢能小,慢說明動(dòng)能小。

結(jié)論:總能量低。

此時(shí)首先要增大總能量,即推油門桿加油,再調(diào)整駕駛桿,調(diào)整當(dāng)前飛行點(diǎn)的動(dòng)能和勢能的分配(見圖6)。由圖6可知,在沿跑道距“著艦點(diǎn)”300 m以前的下滑過程中,飛機(jī)基本上處在低于理想下滑道的位置,勢能稍偏低。

圖中陰影標(biāo)注部分,飛機(jī)空速開始呈減小趨勢,總體能量狀態(tài)偏低。在此過程中飛行員主要通過增加油門進(jìn)行修正,同時(shí)穩(wěn)定桿位在一定范圍,補(bǔ)充飛機(jī)總能量到正常狀態(tài),之后在沿跑道距“著艦點(diǎn)”700 m左右的位置回到理想下滑道高度上。

圖6 下滑道操縱曲線4Fig.6 Glide slope control curves 4

5 結(jié)束語

本文從臨界總能量管理的角度解析艦載機(jī)著艦問題,深入淺出、易于把握,能給艦載機(jī)飛行員理解著艦原理、掌握駕駛技能提供有益幫助。艦載機(jī)飛行員著艦飛行必須遵循能量變化的規(guī)律,而操縱方法的選擇,可以根據(jù)偏差類型、出現(xiàn)時(shí)機(jī)和個(gè)人的操作習(xí)慣進(jìn)行具體分析來確定。

[1] U.S.Navy Landing Signal Officers School.Landing signal officers reference manual[M].Virginia:Naval Air Station Oceana,1999.

[2] 海軍裝備部飛機(jī)辦公室.國外艦載機(jī)技術(shù)發(fā)展[M].第1版.北京:航空工業(yè)出版社,2008:52.

[3] 陳彩輝,周榮坤,吳紅兵,等.基于機(jī)艦協(xié)同的艦載機(jī)著艦過程分析[J].電腦與信息技術(shù),2010,18(4):8-10.

[4] 王延剛,屈香菊.艦載機(jī)進(jìn)艦著艦過程仿真建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(24):6592-6594,6598.

(編輯：方春玲)

Research on landing technique based on critical energy management

SUN Hong-bo, YE Bing, CHENG Liang-liang, CAO Qing-chun

(Carrier-based Aircraft Department, Naval Aviation Institute, Huludao 125001, China)

This paper explains the landing of carrier-based aircraft based on energy management in a new perspective,analyzes the motion state directly and provide helpful reference for landing from the point view of energy management. By combining with the simulation data of landing,the influence of throttle and stick control on energy state of the carrier aircraft is analyzed,and the regular landing techniques are summarized,which are useful for flying cadets to understand the landing theories,play an active role in mastering the landing skills on the carrier.

energy conservation; energy transformation; carrier-based aircraft; landing technique

2014-12-05;

2015-04-13;

時(shí)間:2015-06-24 15:03

孫洪波(1972-)，男，吉林梅河口人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)榕炤d機(jī)飛行。

V271.4

A

1002-0853(2015)05-0451-05