復雜環(huán)境下艦載機彈射起飛環(huán)境因素建模分析

郭元江 李會杰 申功璋 楊 汀

(北京航空航天大學飛行器控制一體化技術(shù)重點實驗室，北京 100191)(第一飛機設(shè)計研究院 第六研究所，西安 710089)

艦載機彈射起飛是一個典型的多系統(tǒng)的復雜動力學過程，涉及艦載飛機、航空母艦、海洋以及風的運動及其相互作用.環(huán)境因素對艦載機彈射起飛的影響主要表現(xiàn)為:①航空母艦甲板運動.甲板縱搖和沉浮影響艦載機離艦時速度矢量與迎角，造成艦載機彈射離艦后下沉量、爬升率發(fā)生變化;②甲板風與艦首氣流.受船體影響，艦首氣流、甲板風與海上氣流存在差異，這會使飛機的迎角、側(cè)滑角和空速產(chǎn)生變化，從而對艦載機的起飛性能產(chǎn)生影響;③地面效應.地面效應對升力的影響最為嚴重，艦載機飛離甲板瞬間地效升力會突然消失，可能導致艦載機下沉現(xiàn)象發(fā)生，直接影響飛機的飛行安全.

目前國內(nèi)對艦載機彈射起飛的研究主要集中在動力學建模［1－2］、前起落架突伸問題［3］和升降舵預置問題［4］.關(guān)于環(huán)境條件對彈射起飛影響的描述，也以分析單一環(huán)境對艦載機彈射起飛的影響［5－6］為主，尚未涉及艦載機彈射起飛中的多環(huán)境因素建模與分析.國外在艦載機彈射起飛方面的研究起步很早，由于保密的緣故，公開的資料很少.俄羅斯學者研究了甲板風對艦載機起降的影響［7］.文獻［8］通過對不同艦載機彈射起飛測試，制定了相應的安全準則.英國學者也分析了艦載機起飛的安全標準［9］.

本文通過建立包含甲板運動、艦首氣流、地面效應等復雜環(huán)境的完整艦載機彈射起飛模型，分析各環(huán)境因素對艦載機彈射起飛的影響.

1 艦載機彈射起飛建模

艦載機彈射起飛模型由飛機剛體動力學模型、飛機氣動力學模型、甲板風和艦首氣流模型、地面效應模型與甲板運動模型組成，如圖1所示.本文將地面效應與甲板運動對艦載機彈射起飛的影響視為附加力與附加力矩，并根據(jù)甲板風和艦首氣流解算出空速矢量v、迎角α和側(cè)滑角β，加入到常規(guī)的飛機六自由度模型［10］中，構(gòu)建完整的艦載機彈射起飛模型.

圖1 艦載機彈射起飛模型

1.1 甲板風和艦首氣流模型

由于艦首氣流無法用標準化的公式或模型描述，本文采用計算流體力學(CFD，Computational Fluid Dynamics)的方法［11－12］，以“小鷹號”航母為模型，得到航母起飛甲板區(qū)域及附近的縱向氣流流速與方向.

圖2 甲板氣流在甲板坐標系x與y軸流速分量分布圖

圖2為10 m/s的迎面風狀態(tài)下甲板氣流在甲板坐標系［1］下的分布情況.如圖所示，航空母艦x軸方向氣流流速Vx隨距甲板高度h的降低而減小，形成風切變;對于垂向的氣流流速Vy在甲板上方變化不明顯，而在艦首甲板前緣，存在局部氣流高速上洗區(qū)域——艦首氣流，且艦首氣流的強度隨h減小而增大.

根據(jù)對甲板風和艦首氣流的分析，可知甲板風和艦首氣流使v與地速vground存在差異，兩者關(guān)系為

式中，vwind為甲板風與艦首氣流的流速向量.

因此，在甲板風和艦首氣流的影響下，艦載機的α，β和空速V會發(fā)生變化，即

式中，α0，β0分別為未受到甲板風和艦首氣流時飛機的α和β;Δα，Δβ分別為根據(jù)氣流綜合解算模型得到的由甲板風和艦首氣流引起的附加迎角與附加側(cè)滑角;u，v，w分別為v在俄羅斯坐標系x，y，z軸的分量.

1.2 地面效應模型

地面效應對飛機的氣動力特性影響［13］較大，升力系數(shù)CL，阻力系數(shù)CD以及俯仰力矩系數(shù)CM均會發(fā)生變化.圖3和圖4分別是某型艦載機在有、無地效時CL與CM對比曲線.受地效作用的影響，飛機在相同α下升力增大，俯仰力矩減小，另外，CL增速加快約10%，CM對α的斜率減小約20%.

圖3 有、無地效時飛機升力系數(shù)對比曲線

圖4 有、無地效時飛機俯仰力矩系數(shù)對比曲線

氣動導數(shù)需在原氣動導數(shù)基礎(chǔ)上，加入與地面效應相關(guān)的附加氣動導數(shù)，即

產(chǎn)生附加升力ΔL、阻力ΔD和俯仰力矩ΔM:

式中，Q為動壓;cA為機翼平均幾何弦長;Sw為機翼面積.

1.3 甲板運動模型

假設(shè)航空母艦在靜水中穩(wěn)定，推進力、操縱力和粘性力等外力認為相互平衡，當船體作搖蕩運動時，船體受到的外力主要有流體動力(包括定常阻力、輻射力和波浪擾動力)以及因船體搖蕩偏離平衡位置產(chǎn)生的靜恢復力.

航母在規(guī)則波下的六自由度運動方程為［14］

式中，x為船體六自由度運動狀態(tài)量;M為慣性矩陣;A為附加質(zhì)量矩陣;B為阻尼系數(shù)矩陣;C為靜恢復力系數(shù)矩陣;Fw為波浪擾動力.

由于航母肥大的船型特點，采用切片理論計算各流體動力系數(shù)，而波浪擾動力的計算根據(jù)傅汝德-克雷諾夫(Froude-Krylov)假設(shè).

本文以“小鷹號”為對象，建立了航母六自由度運動數(shù)學模型.圖5為6級海況，浪向角為180°(迎浪)、船速15 kn時航母甲板升沉量z與縱搖角θ的變化情況.z最大為 1 m，平均值約為0.25 m;θ最大為2°，平均值約為1°.

圖5 航母在6級海況下浪向角為180°時升沉與縱搖

甲板受海浪擾動作用而做周期性運動，通過起落架產(chǎn)生對艦載機的附加力與力矩，從而影響艦載機的彈射起飛.

2 艦載機彈射起飛安全準則

環(huán)境對艦載機影響主要體現(xiàn)在其離艦后的安全性，國外對艦載機的起飛過程提出了如下安全準則［8］:

1)航跡下沉量Δh:一般航空母艦距海面的高度為12.192 m以上，相對飛機在甲板末端時的重心位置，其重心的下沉量不能超過3.048 m;

2)α:在航跡出現(xiàn)最大下沉量時，艦載飛機的飛行迎角最大，而允許的最大迎角不超過0.9CLmax(無動力)對應的迎角;

3 環(huán)境因素對艦載機的影響

為對比環(huán)境因素對艦載機的影響，本文選取一次成功彈射起飛作為算例，其初始條件設(shè)為:升降舵預置為－10°;彈射器發(fā)射閥開度為0.6;無起落架突伸力;航空母艦靜止于海面.

當不考慮環(huán)境因素(甲板運動、艦首氣流與甲板風、地效突變)，艦載機彈射起飛后的最大下沉量 Δhmax為 0.44 m，3 s后達到 4.7 m/s.

3.1 地面效應的影響

圖6為艦載機離艦期間飛機的縱向氣動力與氣動力矩的變化情況.當艦載機在2.59 s離艦時，地效作用對飛機附加力、力矩突然消失，導致飛機的升力L、俯仰力矩M減小，阻力D增加.

圖6 艦載機離艦期間飛機的縱向氣動力與氣動力矩

本文在初始條件基礎(chǔ)上分別對有、無地效突變情況下的艦載機彈射起飛分別進行仿真，如圖7所示，H為艦載機質(zhì)心距海平面的高度.當考慮地效突變時，Δhmax為 0.63 m為2.69 m/s.相比較于不考慮地效突變，地效突變造成艦載機減小40%，Δhmax增大50%，同時α也相應增大.可見，地效突變增大 Δhmax，減小

圖7 地面效應對彈射起飛艦載機航跡與α的影響

3.2 甲板風和艦首氣流的影響

水平逆向甲板風提高飛機空速，于是L增加，同時，艦首上洗氣流增大飛機離艦時刻α值，L又增大，所以在甲板風和艦首氣流的作用下，艦載機Δhmax必將減小，從而改善艦載機的過艦首航跡下沉特性.

本文在初始條件基礎(chǔ)上設(shè)定存在地效突變，分別對有、無考慮甲板風和艦首氣流兩種情況進行仿真，艦載機彈射起飛航跡與α變化如圖8所示.當考慮甲板風和艦首氣流時，在5級海況下，離艦過程沒有下沉量為8.4 m/s;當沒有甲板風和艦首氣流時，艦載機 Δhmax為 0.63 m為2.69 m/s.5級海況下的迎面甲板風與艦首氣流減小飛機 Δhmax約0.6m，增大約6m/s.顯然，迎面甲板風與艦首氣流減小飛機離艦后Δhmax，對艦載機彈射起飛有益.

圖8 甲板風對彈射起飛艦載機航跡與α的影響

分別對0，3，5和6級海況下進行艦載機彈射起飛仿真，Δhmax與如表1所示.

從表1中可看到，當風速越大，艦載機Δhmax越小越大，可見，風速越高，甲板風與艦首氣流對艦載機彈射起飛越有利.

表1 不同風速條件下艦載機Δhmax與對比

表1 不同風速條件下艦載機Δhmax與對比

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3.3 甲板運動的影響

在艦載機彈射起飛過程中，甲板運動會對飛機的安全性產(chǎn)生影響，本文重點分析甲板運動幅度和離艦時刻甲板縱搖相位角φ對艦載機彈射起飛安全與性能指標的影響.

本文對艦載機在5級海況下，φ分別為0°，90°，180°和 270°的情況進行仿真分析.其中為了消除風對結(jié)果的干擾，將不考慮風對v和α的影響.

圖9 φ分別為0°和180°時的航跡變化

當φ=90°時，甲板處于縱搖角θ正向最大，飛機離艦后沒有下沉量為3.30 m/s.而當φ=270°時，甲板處于θ負向最大，飛機離艦后Δhmax達到1.42 m為 2.22 m/s，如圖10 所示.

從表2可以看到，甲板縱搖對艦載機離艦后航跡影響較大，Δhmax因φ不同而增加或減小;當θ＞0和＞0時甲板運動對減小下沉量起積極作用，θ＜0和＜0其對減小下沉量起消極作用，即φ為0°和90°離艦時，甲板運動對艦載機彈射起飛有利;而當飛機在φ=180°和270°離艦時，甲板運動對艦載機起飛不利.

圖10 φ分別為90°和270°時的航跡變化

表2 不同離艦相位角艦載機Δhmax與對比

表2 不同離艦相位角艦載機Δhmax與對比

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4 結(jié)論

本文對甲板運動、甲板風與艦首氣流、地面效應等外部復雜環(huán)境因素進行建模，進而構(gòu)建艦載機彈射起飛模型.通過分析各環(huán)境因素對艦載機彈射起飛影響，可得如下結(jié)論:①地效突變增大艦載機下沉量，減小爬升率;②水平逆向甲板風與艦首氣流減小艦載機下沉量，增大離艦后爬升率，且風速越大，其對彈射起飛越有利;③甲板縱搖對下沉量影響較大.正縱搖角和向上垂向速度對減小下沉量起積極作用，負縱搖角和向下垂向速度對減小下沉量起消極作用.

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