黃旭東 朱萬(wàn)博 聞子俠 劉瑋

引用格式：黃旭東，朱萬(wàn)博，聞子俠，等.艦尾流下自動(dòng)著艦進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償?shù)姆抡媾c分析［J］.航空兵器，2023，30（1）：69-73.

HuangXudong，ZhuWanbo，WenZixia，etal.SimulationandAnalysisofApproachPowerCompensationforAutomaticLandingwithCarrierAirWake［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：69-73.（inChinese）

摘要：著艦過(guò)程中艦尾流影響艦載機(jī)高度和速度，造成著艦偏差，甚至?xí)?dǎo)致復(fù)飛。針對(duì)艦尾流造成艦載機(jī)自動(dòng)著艦落點(diǎn)精度差的問(wèn)題，本文首先介紹傳統(tǒng)速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償、迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償2種方案，并對(duì)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償控制方案進(jìn)行改進(jìn)，減小縱向高度通道與速度通道的耦合程度，降低艦尾流對(duì)下滑道控制精度的影響。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真對(duì)比了3種方案抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案能夠有效抑制艦尾流垂直分量的影響，并能夠改善艦尾流水平分量的影響。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)著艦；艦尾流；進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償；速度恒定；迎角恒定；艦載機(jī)

中圖分類號(hào)：TJ760.12；E925.671

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5048（2023）01-0069-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0143

0引言

艦船在大海中前行，氣流與艦船建筑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大量渦流，這些渦流在艦船后方產(chǎn)生不規(guī)則變化氣流，即艦尾流［1］。在自動(dòng)著艦過(guò)程中，以下滑角3.5°為例，1m的高度跟蹤偏差會(huì)導(dǎo)致16.35m的著艦落點(diǎn)縱向偏差。當(dāng)艦載機(jī)著艦?zāi)┒卧庥雠炍擦鲿r(shí)，會(huì)對(duì)高度、速度產(chǎn)生嚴(yán)重干擾［2］，使著艦落點(diǎn)的散布范圍擴(kuò)大。因此，艦尾流是加劇著艦任務(wù)的難度和危險(xiǎn)性［3］、造成著艦落點(diǎn)精度差的重要因素，不僅影響著艦控制，還會(huì)威脅著艦安全［4］。

艦載機(jī)著艦的惡劣環(huán)境對(duì)控制律的快速性、準(zhǔn)確性和魯棒性提出很高的要求，且在著艦時(shí)艦載機(jī)處于低動(dòng)壓、操縱性弱的狀態(tài)，存在諸多模型不確定性［5］，增加了控制律的設(shè)計(jì)難度。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)全自動(dòng)著艦進(jìn)行了諸多研究，很多先進(jìn)控制算法被應(yīng)用到自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)（AutomaticCarrierLandingSystem，ACLS）中，如模型參考自適應(yīng)控制［6］、預(yù)測(cè)控制［7］、魯棒控制［8］、滑模控制［9］等。為提高著艦成功率，一些智能算法也被用來(lái)優(yōu)化控制器參數(shù)，從而改善下滑道跟蹤性能［10-11］。

在艦尾流抑制方面，現(xiàn)有研究主要通過(guò)提高高度控制回路帶寬［12］、控制平尾來(lái)達(dá)到抑制艦尾流的效果。油門(mén)控制通道的進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)（ApproachPowerCompensatorSystem，APCS）通常用于穩(wěn)速度、保迎角，其艦尾流抑制效果的研究還較少。目前分析油門(mén)通道控制與抑制艦尾流干擾關(guān)系的研究亦較少，文獻(xiàn)［13］僅驗(yàn)證了進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償對(duì)艦尾流垂直分量的抑制效果，未說(shuō)明對(duì)艦尾流水平分量的抑制效果；文獻(xiàn)［1，14］均未具體分析艦尾流抑制過(guò)程中動(dòng)力補(bǔ)償?shù)淖饔脵C(jī)理及效果。而艦載機(jī)各通道之間呈現(xiàn)強(qiáng)耦合特性，分析油門(mén)通道控制對(duì)抑制艦尾流的效果很有必要。

本文首先描述艦尾流模型，介紹傳統(tǒng)自動(dòng)著艦進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償方案的主要原理，然后對(duì)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償控制方案進(jìn)行改進(jìn)，提出了傳統(tǒng)的速度恒定進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償、傳統(tǒng)的迎角恒定進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償、改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償3種方案，最后對(duì)這3種方案進(jìn)行自動(dòng)著艦閉環(huán)仿真，對(duì)比其抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。

1艦尾流模型

艦尾流是艦船尾部的氣流場(chǎng)，是艦載機(jī)著艦落點(diǎn)散布誤差的重要來(lái)源，參考美軍標(biāo)MIL-F-8785C，艦尾

流由四個(gè)分量合成，即

Ug=u1+u2+u3+u4Vg=v1+v4Wg=w1+w2+w3+w4（1）

式中：Ug，Vg，Wg分別為水平尾流、橫向尾流和垂直尾流；u1，v1，w1為自由大氣紊流分量，與艦載機(jī)相對(duì)于艦

船的位置和姿態(tài)無(wú)關(guān)，其大小可以用單位白噪聲信號(hào)分別通過(guò)成形濾波器得到；u3，w3為艦尾流周期分量，由艦船的縱搖幅值和頻率、甲板風(fēng)速與艦載機(jī)飛行速度、距艦船縱搖中心的距離來(lái)決定，主要成因是艦船的縱搖運(yùn)動(dòng)；u4，v4，w4為艦尾流隨機(jī)分量，可以用單位白噪聲通過(guò)成形濾波器來(lái)得到；u2，w2為艦尾流穩(wěn)態(tài)分量，是艦尾流的主要部分，是由于艦船逆風(fēng)行駛，氣流通過(guò)平坦的艦尾后形成的一種形狀像雄雞尾的風(fēng)，因此又被稱為“雄雞尾流”，其強(qiáng)度分布與到艦船的縱搖中心的距離有關(guān)，分布如圖1所示，vWOD為甲板風(fēng)速。由于艦尾流穩(wěn)態(tài)分量是艦尾流的主要構(gòu)成部分，艦船在行駛過(guò)程中，氣流由艦首向艦尾沿著甲板流動(dòng)，流過(guò)艦尾后表現(xiàn)為下洗氣流，遠(yuǎn)離艦尾之后下洗逐漸變?yōu)樯舷矗诖瓜虮憩F(xiàn)出雄雞尾狀的氣流，是影響著艦的重要因素，因此本文主要針對(duì)艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的抑制效果進(jìn)行分析。

2進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償方案

2.1傳統(tǒng)進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償

艦載機(jī)速度v的狀態(tài)方程［15］為

v·=Tmcosα－Dm－gsinγ（2）

式中：m為艦載機(jī)質(zhì)量；g為重力加速度；γ為航跡傾角。速度變化率v·主要與推力T、阻力D和重力分量有關(guān)，艦載機(jī)著艦時(shí)速度較小，通常工作在速度不穩(wěn)定區(qū)域。若無(wú)動(dòng)力補(bǔ)償，通過(guò)改變俯仰角來(lái)調(diào)整航跡傾角時(shí)將影響艦載機(jī)速度，進(jìn)而影響航跡調(diào)節(jié)效果，那么最直接實(shí)現(xiàn)進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償?shù)乃悸肥潜３炙俣群愣ā?/p>

傳統(tǒng)保持速度恒定的進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)是通過(guò)反饋速度v來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力，采用PI控制保證艦載機(jī)在著艦時(shí)維持速度恒定，如圖2所示。

控制器形式為

ΔδT（s）=kv+kvIsΔv（3）

式中：δT為油門(mén)偏度；kv和kvI為控制器系數(shù)。

另外一種進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償?shù)牡乃悸肥潜３钟呛愣?。?dāng)忽略縱向和橫側(cè)向耦合的情況下，俯仰角θ為迎角α與航跡傾角γ之和，即

θ=α+γ。

若能保持迎角恒定，則航跡傾角能夠跟隨俯仰角同步變化，進(jìn)而精確調(diào)整航跡。有研究表明，保持迎角恒定的進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)也具有保持速度恒定的能力［14］。

傳統(tǒng)的保持迎角恒定的進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)是通過(guò)反饋迎角α來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力，采用PI控制保證艦載機(jī)在著艦時(shí)維持迎角恒定，如圖3所示。

控制器形式為

ΔδT（s）=kα+kαIsΔα（4）

式中：kα和kαI為控制器系數(shù)。

2.2改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償

艦載機(jī)迎角α的狀態(tài)方程［14］為

α·=q－Tmvsinα－Lmv+gvcosγ（5）

q·=MδezJzδe（6）

迎角變化率α·主要與俯仰角速度q、速度v、推力T、升力L和重力分量有關(guān)，俯仰角速度q受平尾δe控制，Mδez為氣動(dòng)參數(shù)，Jz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。顯然，當(dāng)進(jìn)行迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償時(shí)，姿態(tài)-平尾通道和迎角-油門(mén)通道存在強(qiáng)耦合特性。因此，前述方案中僅用PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償易受通道耦合影響，難以得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為改善傳統(tǒng)方案的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，對(duì)保持迎角恒定的進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，引入法向過(guò)載變化信息和平尾指令變化信息，用以減小姿態(tài)-平尾通道對(duì)迎角-油門(mén)通道的耦合影響，如圖4所示。

最終的控制器形式為

ΔδT（s）=kα+kαIsΔα+knyΔny－kδeΔδe（7）

式中：kny，kδe為控制器系數(shù)。

3仿真對(duì)比分析

針對(duì)已設(shè)計(jì)好自動(dòng)駕駛儀的固定翼艦載機(jī)，分別在臨近著艦時(shí)僅加入艦尾流垂直分量、僅加入艦尾流水平分量、同時(shí)加入艦尾流垂直和水平分量條件下，對(duì)3種動(dòng)力補(bǔ)償方案的自動(dòng)著艦過(guò)程進(jìn)行艦機(jī)閉環(huán)數(shù)學(xué)仿真。由于艦尾流僅在臨近著艦前存在，以下仿真結(jié)果重點(diǎn)關(guān)注存在艦尾流的著艦?zāi)┒?。仿真時(shí)，選取中等噸位航空母艦，在3級(jí)中等海況下，航速18節(jié)、甲板風(fēng)速vWOD為9m/s的典型條件。參考軍標(biāo)要求，按照幅值裕度6dB，相角裕度45°的規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出一組控制參數(shù)如下：kv=0.85，kvI=0.0051，kα=5，kαI=0.5，kny=2，kδe=5。

3.1僅加入艦尾流垂直分量

在僅加入艦尾流垂直分量條件下，分別對(duì)速度恒定、迎角恒定、改進(jìn)迎角恒定模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5和表1所示。

圖5的3種方案中，艦載機(jī)均在180s左右觸艦，w2，Δh，vy的變化趨勢(shì)表明，艦載機(jī)在著艦?zāi)┒藭?huì)遭遇到上洗氣流，使艦載機(jī)軌跡有偏離到下滑道上方的趨勢(shì)，從而使高度指令低于實(shí)際高度，臨近艦尾時(shí)又會(huì)遭遇下洗氣流使艦載機(jī)軌跡有下降趨勢(shì)。若不及時(shí)調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

當(dāng)艦載機(jī)遇到上洗氣流時(shí)，軌跡偏離到下滑道上方使縱向自動(dòng)駕駛儀敏感到高度偏差，從而驅(qū)動(dòng)平尾調(diào)整高度。

在速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案中，由于垂直方向的w2遠(yuǎn)小于艦載機(jī)水平方向的速度，因此艦載機(jī)空速變化較小，油門(mén)響應(yīng)有限，僅能依靠平尾控制高度。

在迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案中，上洗氣流使艦載機(jī)迎角增加，于是增加油門(mén)來(lái)保持迎角恒定，而增加油門(mén)將使空速增加，艦載機(jī)升力更大，加劇偏離到下滑道上方的趨勢(shì)，反而加重了平尾控制高度的壓力。

改進(jìn)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案相比于傳統(tǒng)方案，在油門(mén)指令中引入平尾指令偏差信號(hào)，未遇到艦尾流時(shí)平尾不偏轉(zhuǎn)，油門(mén)與傳統(tǒng)方案一致；當(dāng)遇到上洗氣流，平尾正偏開(kāi)始調(diào)整高度時(shí)，改變傳統(tǒng)方案中的油門(mén)增加趨勢(shì)，反而使油門(mén)減小，有利于艦載機(jī)降高跟蹤下滑道，對(duì)平尾控制高度起到輔助作用。

表1表明，傳統(tǒng)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償與速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償相比，可以減小因艦尾流垂直穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)的著艦縱向散布誤差，且艦尾流垂直分量對(duì)著艦側(cè)向偏差影響較小，但二者在遭遇艦尾流垂直分量時(shí)，高度和垂直速度的波動(dòng)較大，使高度控制誤差大于0.5m。從高度和垂直速度響應(yīng)可以看出，改進(jìn)迎角恒定方案相較于前兩者可以顯著減小因艦尾流垂直分量帶來(lái)垂直速度和高度的波動(dòng)，其中高度誤差在0.1m以內(nèi)。因此，改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案可以抑制艦尾流垂直穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)的影響。

3.2僅加入艦尾流水平分量

在僅加入艦尾流水平分量條件下，分別對(duì)速度恒定、迎角恒定、改進(jìn)迎角恒定的模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6和表2所示。

圖6中，3種方案中艦載機(jī)均在180s左右觸艦，u2，Δh，vy的變化趨勢(shì)表明，艦載機(jī)在著艦?zāi)┒藭?huì)遭遇到水平氣流，使艦載機(jī)軌跡出現(xiàn)偏離到下滑道下方的趨勢(shì)，從而使高度指令高于實(shí)際高度，若不及時(shí)調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

當(dāng)艦載機(jī)遇到水平氣流時(shí)，軌跡偏離到下滑道下方，使縱向自動(dòng)駕駛儀敏感到高度偏差，從而驅(qū)動(dòng)平尾調(diào)整高度。

在傳統(tǒng)速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案中，由于水平方向的u2使艦載機(jī)空速減小，油門(mén)增加來(lái)保持空速，于是地速增加使艦載機(jī)偏離到下滑道上方，造成著艦誤差。

在傳統(tǒng)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案中，水平氣流u2使艦載機(jī)迎角增加，油門(mén)增加來(lái)保持迎角恒定，于是地速增加使艦載機(jī)偏離到下滑道上方，造成著艦誤差。

改進(jìn)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案相比于傳統(tǒng)方案，在油門(mén)指令中引入平尾指令偏差信號(hào)，未遇到艦尾流時(shí)平尾不偏轉(zhuǎn)，油門(mén)與傳統(tǒng)方案一致。當(dāng)遇到水平氣流時(shí)，油門(mén)增加使艦載機(jī)偏離到下滑道上方，平尾正偏開(kāi)始調(diào)整高度時(shí)，減緩油門(mén)增加趨勢(shì)，減輕艦載機(jī)偏離下滑道的程度，從而減小著艦縱向誤差。

表2表明，傳統(tǒng)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償與速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償均會(huì)因艦尾流水平穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)較大的著艦縱向散布誤差，而改進(jìn)迎角恒定方案相較于前兩者，縱向散布誤差有所改善，且艦尾流水平分量對(duì)著艦側(cè)向偏差影響較小。從圖6可以看出，改進(jìn)方案對(duì)因水平風(fēng)帶來(lái)垂直速度和高度的波動(dòng)有改善作用。因此，改進(jìn)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案可以改善艦尾流水平穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)的影響。

3.3同時(shí)加入艦尾流垂直分量和水平分量

同時(shí)加入艦尾流垂直分量和水平分量條件下，分別對(duì)速度恒定、迎角恒定、改進(jìn)迎角恒定的模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7和表3所示。

圖7中，3種方案中艦載機(jī)均在180s左右觸艦，v2，Δh，vy的變化趨勢(shì)表明，艦載機(jī)在著艦?zāi)┒藭?huì)遭遇到復(fù)雜氣流使艦載機(jī)軌跡偏離下滑道，若不及時(shí)調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

根據(jù)表3和前述仿真結(jié)果，對(duì)比速度恒定的縱向偏差可知，艦尾流水平分量和垂直分量共同作用時(shí)，對(duì)著艦的影響并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，其對(duì)著艦縱向誤差影響較大，對(duì)著艦側(cè)向偏差影響較小。傳統(tǒng)迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償與速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償相比，對(duì)著艦縱向散布誤差有所改善，改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案對(duì)縱向散布誤差改善更加明顯。從圖7可以看出，改進(jìn)方案對(duì)因艦尾流穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)垂直速度和高度的波動(dòng)有改善作用。因此，改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案能夠有效改善艦尾流穩(wěn)態(tài)分量帶來(lái)的影響。

4結(jié)論

本文針對(duì)自動(dòng)著艦過(guò)程中傳統(tǒng)的速度恒定及迎角恒定進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償方案進(jìn)行分析，在迎角恒定方案的基礎(chǔ)上引入法向過(guò)載和平尾指令信息，對(duì)傳統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)，減小姿態(tài)-平尾通道與迎角-油門(mén)通道的耦合影響，改善通道響應(yīng)效果，提高通道抗干擾能力。相較于之前文獻(xiàn)，本文詳細(xì)分析了3種動(dòng)力補(bǔ)償方案在艦尾流抑制過(guò)程中的作用機(jī)理，通過(guò)多組對(duì)比仿真，分析了3種方案抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的速度恒定動(dòng)力補(bǔ)償和迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案，改進(jìn)的迎角恒定動(dòng)力補(bǔ)償方案能夠有效抑制艦尾流垂直分量的影響，改善艦尾流水平分量的影響。

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WuSentang.FlightControlSystem［M］.2rded.Beijing：BeijingUniversityofAeronautics&AstronauticsPress，2013.（inChinese）

SimulationandAnalysisofApproachPowerCompensationfor

AutomaticLandingwithCarrierAirWake

HuangXudong*，ZhuWanbo，WenZixia，LiuWei

（AVICXianFlightAutomaticControlResearchInstitute，Xian710065，China）

Abstract：Intheprocessofcarrierlanding，thecarrierairwakeaffectstheheightandspeedofcarrieraircraft，resultinginlandingdeviationandevengoingaround.Aimingattheproblemofpooraccuracyoflandingpointcausedbycarrierairwake，thispaperfirstlyintroducesthetraditionalpowercompensationschemewithconstantspeedandthetraditionalpowercompensationschemewithconstantangleofattack，anditimprovesthepowercompensatorschemewithconstantangleofattacktoreducethecouplingbetweenlongitudinalheightchannelandspeedchannel，whichcanreducetheinfluenceofcarrierairwakeonthecontrolaccuracyofglidepath.Theeffectsofthreeschemesonsuppressingthesteadycomponentofcarrierairwakearecomparedthroughnumericalsimulation.Thesimulationresultsshowthattheimprovedpowercompensationschemewithconstantangleofattackcaneffectivelysuppresstheinfluenceoftheverticalcomponentofcarrierairwakeandreducetheinfluenceofthehorizontalcomponentofcarrierairwake.

Keywords：automaticlanding；carrierairwake；approachpowercompensation；constantspeed；constantangleofattack;carrieraircraft

收稿日期：2022-06-30

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金項(xiàng)目（201907053005）

*作者簡(jiǎn)介：黃旭東（1994-），男，陜西西安人，碩士。