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        基于航母運(yùn)動(dòng)的艦載機(jī)自動(dòng)著艦落點(diǎn)分布研究

        2021-12-12 08:49:40顏世偉李海旭
        艦船科學(xué)技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:模型

        顏世偉,郝 佳,李海旭

        (1.中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì),北京 100161;2.中國(guó)船舶系統(tǒng)工程研究院,北京 100036)

        0 引 言

        對(duì)于艦載機(jī)來說,安全降落到母艦是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。航母雖然是一個(gè)龐然大物,但與陸地機(jī)場(chǎng)相比卻依然很小,其著艦跑道長(zhǎng)度不足陸地機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)度的1/10,為確保艦載機(jī)在如此短小的飛行甲板上安全降落,需要先進(jìn)的裝備和飛行員高超的技術(shù)。艦載機(jī)著艦時(shí),尾鉤應(yīng)準(zhǔn)確地勾住甲板上的阻攔索,動(dòng)能迅速地被阻攔裝置緩沖器吸收,艦載機(jī)經(jīng)短距離滑跑后停下。艦載機(jī)著艦時(shí),著艦點(diǎn)必須非常準(zhǔn)確,若觸艦點(diǎn)太靠向艦首方向,艦載機(jī)會(huì)脫鉤;若觸艦點(diǎn)太靠向艦尾方向,艦載機(jī)則又可能與航母艦尾相撞。因此,如何控制艦載機(jī)準(zhǔn)確著艦關(guān)系到整個(gè)任務(wù)飛行過程的成敗與否,是航母及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵性問題。為了提高惡劣氣象條件下艦載機(jī)著艦安全性,美國(guó)首先開展了全自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)的研究和應(yīng)用。美國(guó)于1948年提出艦載機(jī)全自動(dòng)著艦需求后,研制了基于雷達(dá)的AN/SPN-10自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng),后逐步升級(jí)到AN/SPN-46自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng),目前美國(guó)各型航母均已裝備了AN/SPN-46自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng),大大提高了艦載機(jī)在航母上的著艦成功率。基于雷達(dá)的全自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)通過艦載精密跟蹤雷達(dá)等手段測(cè)量出艦載機(jī)的空間相對(duì)位置,再結(jié)合航母自身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和氣象參數(shù),利用導(dǎo)引指令計(jì)算機(jī)解算處理后形成艦載機(jī)控制指令,并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給艦載機(jī),由飛控系統(tǒng)和自動(dòng)油門系統(tǒng)不斷修正飛行軌跡,使艦載機(jī)按預(yù)定的理想下滑道飛行,從而達(dá)到引導(dǎo)艦載機(jī)自動(dòng)著艦的目的[1]。

        1 艦載機(jī)模型

        為開展艦載機(jī)在不同海況下全自動(dòng)著艦引導(dǎo)研究,需對(duì)相關(guān)的艦載機(jī)、母艦和氣流場(chǎng)等進(jìn)行建模,以便開展后續(xù)仿真和研究工作。

        1.1 空氣動(dòng)力學(xué)模型

        以某型艦載機(jī)作為仿真對(duì)象,其空氣動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)主要包括升力、阻力、側(cè)力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩和偏航力矩,氣動(dòng)參數(shù)為高維分段線性表,其中反映了迎角、側(cè)滑角、速度、高度、平尾、襟翼等各項(xiàng)因素的影響,艦載機(jī)著艦過程氣動(dòng)阻力和滾轉(zhuǎn)力矩模型如圖1所示。

        圖1 氣動(dòng)參數(shù)模型Fig.1 Model of aerodynamic parameters

        1.2 飛控系統(tǒng)模型

        艦載機(jī)飛控系統(tǒng)包括縱向桿輸入的前向增益、俯仰角速度增穩(wěn)、迎角穩(wěn)定3個(gè)主要回路,并通過平尾等舵面動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)縱向姿態(tài)調(diào)整。其中,艦載機(jī)縱向飛控系統(tǒng)模型如圖2所示,系統(tǒng)包括縱向桿輸入的前向增益、俯仰角速度增穩(wěn)、迎角穩(wěn)定3個(gè)主要回路,并通過平尾等舵面動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)縱向姿態(tài)調(diào)整。橫向飛控系統(tǒng)模型如圖3所示,系統(tǒng)包括橫向桿輸入的前向策略、橫滾角速度增穩(wěn)、迎角穩(wěn)定3個(gè)主要回路,并通過差動(dòng)平尾、副翼等舵面動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)橫向姿態(tài)調(diào)整。艦載機(jī)側(cè)向飛控系統(tǒng)模型如圖4所示,包括方向舵輸入的前向增益、偏航角速度增穩(wěn)、側(cè)向過載阻尼、橫向桿動(dòng)作的協(xié)調(diào)補(bǔ)償?shù)瓤刂撇呗?,并通過垂直尾翼的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)姿態(tài)調(diào)整。

        圖2 縱向飛控系統(tǒng)原理圖Fig.2 Structure block of longitudinal flight control system

        圖3 橫向飛控系統(tǒng)原理圖Fig.3 Structure block of lateral flight control system

        圖4 側(cè)向飛控系統(tǒng)原理圖Fig.4 Structure block of directional flight control system

        1.3 縱向線性小擾動(dòng)模型

        雖然艦載機(jī)非線性仿真模型能夠得到更加真實(shí)的仿真結(jié)果,但線性化模型在研究引導(dǎo)律設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)頻域特性等方面存在一定優(yōu)勢(shì),針對(duì)某型艦載機(jī)給出其縱向線性小擾動(dòng)模型。擬采用線性小擾動(dòng)方程研究艦載機(jī)對(duì)大氣紊流的響應(yīng),假設(shè)風(fēng)速遠(yuǎn)小于飛行速度,以無風(fēng)時(shí)的對(duì)稱定常直線飛行為基準(zhǔn),把由風(fēng)引起的附加力和力矩作為外加干擾項(xiàng)引入線性模型。首先需要分析大地坐標(biāo)系oxg軸方向(水平)的空氣速度wxg和oxg軸(垂直)方向的空氣速度wzg對(duì)飛行的影響。

        若wxg為正值,即風(fēng)速沿xg軸分量與艦載機(jī)前進(jìn)方向相同,就氣動(dòng)效果來說相當(dāng)于減小了艦載機(jī)的空速;若wzg負(fù)值,即法向風(fēng)速朝上,則對(duì)艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響如圖5所示。

        圖5 上升突風(fēng)對(duì)飛行的短時(shí)間影響Fig.5 The influence of vertical gust

        突風(fēng)在短時(shí)間的作用效果是:艦載機(jī)俯仰角不變,迎角和航跡角變化相同幅度,有式(2)成立,式中 αd為航速矢量與本體坐標(biāo)軸xb的夾角,稱為地速迎角。雖然航速發(fā)生變化,但空速基本保持不變,且根據(jù)風(fēng)速遠(yuǎn)小于航速,又可推出

        因?yàn)榕炤d機(jī)的基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬于“鉛垂平面下的對(duì)稱飛行”,所以艦載機(jī)的橫側(cè)向角度、角速度均為零,即

        據(jù)此,艦載機(jī)可將小擾動(dòng)方程分兩組,其中一組包含縱向小擾動(dòng)方程組。又把縱向方程組分為兩類:其中一類互相影響而必須聯(lián)立求解,為耦合方程組;另一類可以在耦合方程解出后單獨(dú)求解,而不影響其他方程,成為非耦合方程。經(jīng)過整理化簡(jiǎn)后,可得到縱向小擾動(dòng)方程的狀態(tài)矩陣形式。除舵面偏量、油門開度(油門桿位置)偏量的單位為度(°),其他角度的偏量均以弧度(rad)為單位,角速度的偏量單位均為rad/s。

        1.4 全自動(dòng)引導(dǎo)模型

        在參考美國(guó)F/A-18A艦載機(jī)縱向引導(dǎo)律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,給出基于Hdot指令的縱向引導(dǎo)律的一般設(shè)計(jì)方法。Hdot指令引導(dǎo)律以下沉速率作為航跡控制環(huán)的控制輸出和自動(dòng)駕駛的控制輸入。Hdot指令引導(dǎo)律的結(jié)構(gòu)如圖6所示,以下沉速率作為自動(dòng)駕駛儀控制目標(biāo),要求飛行控制系統(tǒng)具有快速下沉速率的響應(yīng)能力。以前的艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以姿態(tài)控制為主,因此姿態(tài)響應(yīng)速度較快,而下沉率響應(yīng)較慢。為了滿足Hdot指令引導(dǎo)律的結(jié)構(gòu)對(duì)下沉速率響應(yīng)速度的要求,需要對(duì)原有飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。因此Hdot指令引導(dǎo)律設(shè)計(jì)包括:飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)和引導(dǎo)律設(shè)計(jì)3部分[2]。

        圖6 俯仰角指令引導(dǎo)律的結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure block of pitch angle command guidance law

        Hdot指令自動(dòng)駕駛儀一般采用如下形式:

        式中:qcom為俯仰角角速度指令,為來自引導(dǎo)系統(tǒng)的引導(dǎo)指令,為下沉率反饋,為垂直加速度反饋,和為 前三者 的系數(shù) 。

        此外,為了保證著艦過程的安全性和對(duì)異常擾動(dòng)的抵抗能力,飛行控制系統(tǒng)一般需要對(duì)俯仰角速度進(jìn)行限位,F(xiàn)/A-18A艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)中俯仰角速度指令限位為3°/s,這也對(duì)俯仰角速度內(nèi)環(huán)響應(yīng)提出了一定要求。

        1.5 艦尾流模型

        航母艦尾流對(duì)艦載機(jī)飛行姿態(tài)、軌跡和控制都有較大影響,關(guān)系到艦載機(jī)著艦過程的安全,為研究其對(duì)著艦過程和艦載機(jī)落點(diǎn)的影響,有必要先對(duì)其進(jìn)行建模。艦尾流場(chǎng)頻譜模型將艦尾氣流場(chǎng)按水平、橫向和垂直3個(gè)方向分別建模,每個(gè)方向包括四大部分:大氣紊流、艦尾氣流的穩(wěn)態(tài)分量、艦尾氣流的周期分量和艦尾氣流的隨機(jī)分量,艦尾氣流場(chǎng)的各個(gè)分量如表1所示。水平尾流Ug、 橫向尾流Vg和垂直尾流Wg與各個(gè)分量之間的關(guān)系如下式:

        表1 艦尾氣流擾動(dòng)的各個(gè)分量Tab.1

        由于本文僅關(guān)心縱向回路氣流擾動(dòng)作用,因此下面主要針對(duì)Ug和Wg各分量模型進(jìn)行研究[3]。

        自由大氣隨機(jī)紊流分量與艦載機(jī)和航母的相對(duì)位置無關(guān)。MIL-F-8785C通過空間功率譜密度的形式給出水平和垂直兩個(gè)方向的大氣紊流,分別為:

        將上述空間譜密度轉(zhuǎn)化為時(shí)間譜密度,以便進(jìn)行仿真計(jì)算。

        圖7 自由大氣紊流分量Fig.7 The turbulence component of atmosphere

        艦尾流穩(wěn)態(tài)分量由穩(wěn)態(tài)風(fēng)和一個(gè)占主導(dǎo)地位的艦尾上洗風(fēng)組成,它們是距離的函數(shù),航母尾流周期分量是隨著航母縱搖頻率、縱搖幅度、甲板風(fēng)和艦載機(jī)的相對(duì)距離不同而變化的,艦尾流隨機(jī)分量模型,可以通過對(duì)一個(gè)白噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波來計(jì)算,計(jì)算方法如下:

        式中: σ (x)=RMS幅度,ft/s; τ (x)=時(shí)間常數(shù),s,其仿真結(jié)果如圖8所示。

        圖8 艦尾隨機(jī)紊流仿真結(jié)果Fig.8 The simulation result of random wake turbulence

        2 航母運(yùn)動(dòng)模型

        航母運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)分量受海風(fēng)和浪涌的隨機(jī)特性的影響,很難給出解析的模型,工程上普遍采用統(tǒng)計(jì)分析的方法來描述航母的擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析表明在最終著艦的幾十秒范圍內(nèi),航母運(yùn)動(dòng)近似為平穩(wěn)的隨機(jī)過程,可以用線性方程來描述。所以可將航母實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)功率譜轉(zhuǎn)化為成型濾波器,然后利用白噪聲通過成型濾波器的方法來模擬來航母擾動(dòng)運(yùn)動(dòng),用這種方法來模擬航母的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng),仿真曲線如圖9~圖11所示。

        橫搖運(yùn)動(dòng)成型濾波器:

        縱搖運(yùn)動(dòng)成型濾波器:

        垂蕩運(yùn)動(dòng)成型濾波器:

        圖9 橫搖運(yùn)動(dòng)仿真曲線Fig.9 The simulation result of rolling motion

        圖10 縱搖運(yùn)動(dòng)仿真曲線Fig.10 The simulation result of pitching motion

        圖11 垂蕩運(yùn)動(dòng)仿真曲線Fig.11 The simulation result of heave motion

        3 母艦運(yùn)動(dòng)及甲板風(fēng)對(duì)著艦影響

        為了解決艦載機(jī)軌跡跟蹤過程的滯后,須引入偏差信息的預(yù)估和超前,艦載機(jī)在跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)主頻信號(hào)時(shí),會(huì)有一定滯后時(shí)間,必須通過預(yù)報(bào)或補(bǔ)償技術(shù),國(guó)外采用帶有超前作用的濾波器來實(shí)現(xiàn)相位超前,但是當(dāng)艦載機(jī)跟蹤滯后較大時(shí),僅用濾波器易導(dǎo)致誤差過大,可與甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法相結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)算法已具有了較高的精度,還要研究?jī)H靠甲板預(yù)報(bào)算法實(shí)現(xiàn)滯后補(bǔ)償?shù)牟呗?,并且?huì)對(duì)比2種方案的精度[4]。

        補(bǔ)償策略加預(yù)報(bào)策略為:甲板運(yùn)動(dòng)信號(hào)為了解決艦載機(jī)軌跡跟蹤過程的滯后,須引入偏差信息的預(yù)估和超前,針對(duì)性地設(shè)計(jì)補(bǔ)償算法。將采用甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)和超前濾波器技術(shù)結(jié)合,共同實(shí)現(xiàn)信號(hào)的滯后補(bǔ)償。同時(shí),為了抑制信號(hào)超前過程中引入的放大噪聲,在補(bǔ)償回路中加入低通濾波器。僅預(yù)報(bào)策略為:直接根據(jù)艦載機(jī)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)過程的滯后大小,選擇合適的預(yù)報(bào)時(shí)間,然后將預(yù)報(bào)后的信號(hào)疊加至艦載機(jī)高度跟蹤的期望中。

        為了檢驗(yàn)全自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)在多種擾動(dòng)因素影響下的綜合偏差表現(xiàn),在仿真中同時(shí)加入甲板運(yùn)動(dòng)影響和艦尾擾流影響,并加入甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法和穩(wěn)態(tài)微流的補(bǔ)償算法,甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法采用預(yù)報(bào)加補(bǔ)償?shù)木C合策略,選用5~6級(jí)海況數(shù)據(jù),進(jìn)行500次仿真,最終得到縱向落點(diǎn)偏差絕對(duì)值均值為5.89 m,最大值為22.45 m,偏差方差為53.96 m。500次仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的縱向落點(diǎn)偏差概率分布直方圖如圖12所示,仿真結(jié)果基本符合正態(tài)分布特性。

        圖12 縱向落點(diǎn)偏差分布Fig.12 The distribution of longitudinal touchdown points

        從綜合仿真結(jié)果看出,當(dāng)考慮甲板運(yùn)動(dòng)和艦尾流綜合影響時(shí),縱向落點(diǎn)偏差分布明顯比單一因素影響更大,系統(tǒng)的落點(diǎn)偏差無法保證絕大部分落在正負(fù)1道索之內(nèi)。

        圖13給出了不同海況下的100次仿真落點(diǎn)分布情況,可以看出隨著海況增加,縱向落點(diǎn)分布會(huì)明顯增加,但5級(jí)海況時(shí)其變化幅度基本限制在3道索之內(nèi),保證了艦載機(jī)大部分掛索仍集中分布在2和3道索,橫向落點(diǎn)偏差沒有隨著海況增加明顯增加。

        圖13 不同海況落點(diǎn)分布Fig.13 The distribution of touchdown points for different sea state

        4 仿真結(jié)果分析

        不同海況和艦尾流條件下艦載機(jī)著艦落點(diǎn)仿真分析結(jié)果表明,現(xiàn)有全自動(dòng)著艦控制方案產(chǎn)生的落點(diǎn)偏差仍然偏大。從4級(jí)海況到5級(jí)海況時(shí),海況越高,落點(diǎn)散布和偏差越大,縱向平均偏差最大增加超過2倍。不同航速和浪向下艦載機(jī)落點(diǎn)仿真結(jié)果表明看,在甲板搖擺和升沉幅度相當(dāng)?shù)那闆r下,航行過程中艦載機(jī)縱向落點(diǎn)偏差更大,這主要是由于航母航行時(shí),艦載機(jī)相對(duì)慣性空間下滑角變小,導(dǎo)致在同等高度偏差下對(duì)應(yīng)的縱向落點(diǎn)偏差散射范圍更大;艦載機(jī)橫向落點(diǎn)偏差隨著海況增加有穩(wěn)定的上升趨勢(shì),總體較小,而且受浪向角和甲板航行等因素影響較小。為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)著艦在不同海況下的可靠應(yīng)用,可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化:一是提高甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)及補(bǔ)償?shù)木龋档鸵蚰概炦\(yùn)動(dòng)對(duì)落點(diǎn)精度的影響;二是提高全自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)對(duì)抗隨機(jī)擾流的能力,采用帶有自適應(yīng)能力或動(dòng)態(tài)變參數(shù)的控制策略,減少突風(fēng)、艦尾流等隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)艦載機(jī)的影響。

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