光學(xué)下滑道指示誤差對艦載機(jī)著艦影響分析*

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

航空母艦的甲板跑道很短，飛行員直到距離航空母艦很近時，才能確定飛機(jī)是否對準(zhǔn)跑道中心線，因而容易發(fā)生偏航事故。同時，航空母艦又在海上不停地運(yùn)動，縱搖、橫搖、升沉、行駛等，使得著艦的瞄準(zhǔn)點(diǎn)飄忽不定，增加了飛行員瞄準(zhǔn)著艦點(diǎn)的難度[1～3]。

只有在系統(tǒng)的精確引導(dǎo)和指揮引導(dǎo)人員的準(zhǔn)確指揮下，艦載機(jī)才能在航母上安全準(zhǔn)確地完成著艦。艦載機(jī)進(jìn)行著艦需要多個引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行綜合交替引導(dǎo)，是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程[4]。艦載機(jī)飛行員在著艦的最后階段主要靠光學(xué)助降裝置提供的引導(dǎo)光束形成的光學(xué)下滑道目視著艦[5]，因此，光學(xué)下滑道的引導(dǎo)精度直接關(guān)系著艦載機(jī)著艦的成功率。研究光學(xué)下滑道的指示誤差對艦載機(jī)著艦的影響至關(guān)重要。

2 光學(xué)下滑道穩(wěn)定方式分析

2.1 四種穩(wěn)定方式

光學(xué)助降裝置是當(dāng)前艦載機(jī)著艦引導(dǎo)設(shè)施中主要的近程著艦引導(dǎo)設(shè)備，它采用一定的穩(wěn)定方式，通過相應(yīng)的補(bǔ)償算法控制隨動系統(tǒng)對航母的縱搖、橫搖和升沉等運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償，為艦載機(jī)飛行員提供一個能夠引導(dǎo)其進(jìn)行目視著艦的相對穩(wěn)定的光學(xué)下滑道[6～7]。目前，常見的下滑道穩(wěn)定方式有點(diǎn)穩(wěn)定、角穩(wěn)定、線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定四種方式[8～10]。

1）點(diǎn)穩(wěn)定：整個下滑道光束只相對離透鏡設(shè)置的一個固定點(diǎn)保持穩(wěn)定，一般為2500英尺（762m），為保持這一個點(diǎn)的穩(wěn)定性，下滑道需進(jìn)行上下平移和俯仰運(yùn)動，補(bǔ)償艦姿態(tài)角變化。

2）角穩(wěn)定：通過隨動系統(tǒng)控制燈箱的縱搖運(yùn)動，使下滑道光束保持空間角度不變，即俯仰不變，不對艦縱搖、橫搖、升沉引起的下滑道高度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

3）線穩(wěn)定：通過隨動系統(tǒng)對艦船的縱橫搖進(jìn)行補(bǔ)償，利用包括瞄準(zhǔn)燈組和輔助燈組在內(nèi)的燈光陣列系統(tǒng)，為返航著艦的艦載機(jī)提供一個光學(xué)下滑道引導(dǎo)光束，引導(dǎo)飛行員進(jìn)行目視著艦。下滑道在空間相對穩(wěn)定，不受艦縱搖、橫搖姿態(tài)角變化影響，僅隨艦的升沉運(yùn)動而垂直變化。

4）慣性穩(wěn)定：保持下滑道光束在慣性空間絕對穩(wěn)定，不受航空母艦縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動的影響，也稱點(diǎn)和線穩(wěn)定。

2.2 穩(wěn)定方式分析

點(diǎn)穩(wěn)定、角穩(wěn)定兩種方案無法保證下滑道在空間的完全穩(wěn)定，飛行員會覺得下滑光波束仍隨航空母艦運(yùn)動而上下運(yùn)動，而且飛機(jī)離理想著艦點(diǎn)越近，下滑光波束的運(yùn)動越劇烈。

慣性穩(wěn)定在線穩(wěn)定方案基礎(chǔ)上增加了對升沉運(yùn)動的補(bǔ)償，減少了飛機(jī)機(jī)動，減輕了飛行員操縱負(fù)荷。但是當(dāng)航母抬升或下沉1m時會引起著艦點(diǎn)沿跑道中心線相應(yīng)的向艦艉或艦艏移動1/tanβ0（m），對安全著艦產(chǎn)生巨大的影響（β0是基準(zhǔn)下滑光波束角）。

因此，本文針對線穩(wěn)定方式進(jìn)行分析研究光學(xué)下滑道指示誤差對艦載機(jī)的著艦影響。

3 線穩(wěn)定原理分析

線穩(wěn)定是慣性穩(wěn)定衍生出來的一種穩(wěn)定方式，通過在慣性穩(wěn)定的基礎(chǔ)上去掉了浮沉補(bǔ)償而形成。在線穩(wěn)定方式下，下滑道光束不會隨著航空母艦的縱搖和橫搖而晃動，只會隨航空母艦升沉運(yùn)動而上下偏移。線穩(wěn)定下的引導(dǎo)光束下滑道示意圖如圖1所示。

光學(xué)助降裝置中有5個單體瞄準(zhǔn)燈箱，通過菲涅爾透鏡等光學(xué)元器件，分別向空中發(fā)射一層光束，形成一組有3種顏色、5個層次的光束（從上往下分別為1層黃色，3層橙色，1層紅色）。中間的一層光束所在的平面與著艦跑道中心線的垂直甲板交面的相交線，就是理想狀態(tài)下艦載機(jī)的理想下滑道，如圖2所示[11]。

圖1 線穩(wěn)定引導(dǎo)光束下滑道示意圖

圖2 光學(xué)助降裝置工作示意圖

4 光學(xué)下滑道指示偏差分析

4.1 “肉球”的形成與偏移

“肉球”其實是人所看到的光束反向聚焦形成的一個光體，它是一個虛像。飛行員著艦時看到的“肉球”并不是菲涅爾透鏡所在的位置，而是在其后方某一個固定點(diǎn)處發(fā)出來的，因為五層光波束都反向聚焦在這個虛像點(diǎn)上[12]。由于“肉球”的位置偏移與艦載機(jī)相對光基準(zhǔn)下滑線的偏移成正比的關(guān)系，因此可以用“肉球”的位移大小來表示艦載機(jī)的的下滑偏差，如圖3所示。

圖3 “肉球”的偏移

4.2 光學(xué)下滑道指示誤差對著艦的影響分析

艦載機(jī)如果按照基準(zhǔn)下滑道下滑，則尾鉤便可成功勾住阻攔索。但是假如光學(xué)助降裝置存在一定偏差，則會引起光學(xué)下滑道指示誤差，造成“肉球”偏離基準(zhǔn)位置，而“肉球”的偏移同時也引起艦載機(jī)著艦時，實際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的偏差，如圖4所示。

圖4 光學(xué)助降裝置指示誤差影響示意圖

圖中，O點(diǎn)表示光束反向聚焦點(diǎn)即虛像的位置，F(xiàn)點(diǎn)表示理想著艦點(diǎn)，它們之間的水平距離為L。A點(diǎn)表示艦載機(jī)飛行員的，C點(diǎn)為過A點(diǎn)的垂直平面和O點(diǎn)所在位置的水平面的交點(diǎn)，D點(diǎn)為過A點(diǎn)的垂直平面和F點(diǎn)所在位置的水平面的交點(diǎn)，OC=Rx，CD=Δh，d表示“肉球”偏移量，ha表示艦載機(jī)的下滑偏移量，β0表示艦載機(jī)理想的下滑角，β表示艦載機(jī)的實際下滑角，兩個角度之間的差即為下滑偏差角e。

由圖4可知，F(xiàn)F′即為著艦點(diǎn)偏差。根據(jù)圖中所示的位置關(guān)系可以得到

5 實驗計算

設(shè)下滑基準(zhǔn)光波束角為β0（單位：°），“肉球”的虛像位置在下滑道與水平基準(zhǔn)光條前方L（單位：m）處的垂直平面的交點(diǎn)處（由于數(shù)據(jù)的保密性，相應(yīng)數(shù)據(jù)用字母表示）。虛像的位置低于水平基準(zhǔn)光條所在的水平面。

表1給出下滑偏差角e和“肉球”偏移量d的關(guān)系。

表1 下滑偏差角e和“肉球”偏移量d的關(guān)系

由此，根據(jù)圖4所示的幾何關(guān)系，可推導(dǎo)出下滑偏移量ha和“肉球”偏移量d的關(guān)系為

經(jīng)過仿真，下滑偏移量與“肉球”偏移量以及艦載機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離之間的關(guān)系如圖5所示，圖中“肉球”偏移量和下滑偏移量均為偏高數(shù)。

圖5 下滑偏移量與“肉球”偏移量以及艦載機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離關(guān)系圖

著艦偏差量與“肉球”偏移量的關(guān)系如圖6所示，著艦偏差量偏向艦艏方向為正，偏向艦艉方向為負(fù)。

圖6 “肉球”偏移量對著艦點(diǎn)偏差的影響

通過以上仿真結(jié)果可以得出，下滑偏移量與“肉球”偏移量以及艦載機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離均成正比例關(guān)系；著艦偏移量與“肉球”偏移量也成正比例關(guān)系。隨著“肉球”偏移量的增大，實際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的偏差越來越大。當(dāng)“肉球”偏高時，實際著艦點(diǎn)在理想著艦點(diǎn)前方；偏低時，實際著艦點(diǎn)在理想著艦點(diǎn)后方。

當(dāng)達(dá)到安全著艦允許的最大偏差值時，應(yīng)對光學(xué)助降裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，以便于更好地引導(dǎo)飛行員安全順利著艦。

6 結(jié)語

艦載機(jī)的安全著艦是遂行海上任務(wù)的前提，而艦載機(jī)的安全著艦很大程度上依賴于光學(xué)下滑道的指示引導(dǎo)。本文對線穩(wěn)定方式下，光學(xué)下滑道的指示誤差對艦載機(jī)著艦的影響進(jìn)行分析，通過仿真定量給出了不同“肉球”偏移量對應(yīng)的著艦誤差，為飛行員著艦提供了輔助作用，同時也可以作為對光學(xué)助降裝置進(jìn)行校準(zhǔn)的一個依據(jù)。