艦艉流對(duì)某飛機(jī)觸艦精度的影響研究

徐安金 高一星 王國(guó)鑌

摘要：艦載飛機(jī)在觸艦過(guò)程中無(wú)法避航空母艦艦艉流的影響，艦艉流是艦載飛機(jī)觸艦點(diǎn)誤差的主要來(lái)源之一，而其艦艉流穩(wěn)態(tài)分量（雄雞尾流）是艦艉流的主要組成部分。本文建立艦艉流各個(gè)分量的數(shù)學(xué)模型，并著重研究了雄雞尾流，建立航空母艦CFD模型利用流場(chǎng)來(lái)對(duì)其準(zhǔn)確仿真。同時(shí)，通過(guò)建立某飛機(jī)基于體體軸系方程的運(yùn)動(dòng)模型，研究艦艉流對(duì)某飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)觸艦精度的影響量。研究結(jié)果對(duì)提高飛行員信心，順利完成某飛機(jī)觸艦具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：艦艉流;艦載飛機(jī);理想著艦點(diǎn);雄雞尾流;觸艦精度

1 引言

隨著我國(guó)海軍力量日益壯大，航空母艦數(shù)量逐漸增加，艦載機(jī)部隊(duì)規(guī)模增大，艦載飛機(jī)和飛行員隊(duì)伍逐漸發(fā)展壯大。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)役艦載飛機(jī)較少，飛機(jī)訓(xùn)練強(qiáng)度較大，因而對(duì)飛行員盡快適應(yīng)海上復(fù)雜惡劣的著艦環(huán)境不利。因此，部隊(duì)希望有更多飛機(jī)能承擔(dān)艦載飛行員的海上訓(xùn)練任務(wù)，使飛行員能更快熟悉艦艉流等復(fù)雜著艦環(huán)境，迅速成長(zhǎng)為合格的艦載飛行員。因而，對(duì)某飛機(jī)進(jìn)行觸艦相關(guān)艦艉流影響研究，使該機(jī)成為艦載飛行員培養(yǎng)體系的重要一環(huán)，對(duì)我國(guó)艦載機(jī)部隊(duì)發(fā)展具有重要的意義。

艦載機(jī)的著艦環(huán)境非常惡劣，艦艉流對(duì)飛機(jī)下滑軌跡影響非常劇烈，使飛機(jī)可能偏離理想著艦點(diǎn)，因而對(duì)飛機(jī)觸艦精度的影響較大。若飛行員在尾流下洗氣流區(qū)操作不當(dāng)，未及時(shí)跟蹤肉球并采取修正操作，可能帶來(lái)撞艦或墜海的風(fēng)險(xiǎn)。艦艉流可分為4個(gè)分量[1]：自由大氣紊流分量、尾流穩(wěn)態(tài)分量（雄雞尾流）、尾流的周期性分量和尾流的隨機(jī)分量。艦艉流各個(gè)影響分量中，又以尾流穩(wěn)態(tài)分量對(duì)飛機(jī)觸艦精度的影響最大。

本文建立艦艉流各個(gè)分量的數(shù)學(xué)模型，并著重研究了艦艉流穩(wěn)態(tài)分量，即雄雞尾流，建立航空母艦CFD模型來(lái)對(duì)其準(zhǔn)確仿真，分析航空母艦前行引起的流場(chǎng)變化來(lái)準(zhǔn)確描述雄雞尾流。同時(shí)，通過(guò)建立某飛機(jī)基于體體軸系方程的模型，綜合分析艦艉流對(duì)某飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)觸艦精度的影響量，為某飛機(jī)順利完成觸艦提供有力的技術(shù)支持。

2艦艉流數(shù)學(xué)模型

2.1自由大氣紊流分量

自由大氣紊流分量與飛機(jī)相對(duì)位置無(wú)關(guān)，采用參考資料[1]中規(guī)定的大氣擾動(dòng)模型自由大氣紊流分量。

2.2尾流穩(wěn)態(tài)分量

尾流的穩(wěn)態(tài)分量是艦體前行在尾部引起的雄雞尾式誘發(fā)氣流分離，是由航空母艦前行的穩(wěn)態(tài)風(fēng)的減小和出艦以后的顯著上洗所組成，因此也叫雄雞尾流。

因雄雞尾流對(duì)飛機(jī)觸艦精度的影響最大，根據(jù)航空母艦參數(shù)，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行網(wǎng)格建模（圖1）CFD仿真分析其準(zhǔn)確的流場(chǎng)變化（圖2）。由圖2可以看出在艦艉處有明顯的雄雞尾式氣流。

2.3尾流周期性分量

尾流的周期性分量隨航空母艦艦體縱搖、橫搖、垂蕩、甲板風(fēng)以及飛機(jī)離艦距離相關(guān)，采用參考資料[1]規(guī)定的大氣擾動(dòng)模型周期性分量。

式中： ——母艦縱傾斜率，rad/s; ——母艦縱傾幅度，rad; ——母艦甲板上的風(fēng)速;

p——隨機(jī)相位，rad。

在x<-681.53m，分量u3取為零，當(dāng)x<-772.97m，分量w3取為零。

2.4尾流的隨機(jī)分量

尾流的隨機(jī)分量，采用對(duì)白噪聲進(jìn)行濾波計(jì)算。

式中：——均方根幅度，m/s; ——時(shí)間常數(shù)，s。

3動(dòng)力學(xué)方程

3.1飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方程采用TT體系六自由度飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方程[2]簡(jiǎn)化后的縱向三自由度TT體系方程。

3.2駕駛員模型

駕駛員肢體動(dòng)力學(xué)模型采用如下模型[3]。

4仿真結(jié)果與分析

4.1仿真條件

艦載飛機(jī)下滑速度和航空母艦行使速度對(duì)艦艉流均有影響。本文仿真分析了某飛機(jī)最大允許觸艦重量下滑速度和航空母艦行使速度15kn情況下，艦艉流各分量的具體大小，并結(jié)合飛機(jī)方程和駕駛員模型分析艦艉流對(duì)觸艦精度的影響。具體仿真條件如下：

● 仿真模型：上述運(yùn)動(dòng)模型;

● 飛機(jī)參數(shù)：某飛機(jī)參數(shù);

● 飛機(jī)仿真速度：233km/h;

● 飛機(jī)仿真高度：從離艦尾約1800m處對(duì)應(yīng)高度開(kāi)始仿真到離甲板高度1m;

● 光學(xué)下滑角：4°;

● 航母參數(shù)：17艦;

● 航母行使速度：10kn、15kn。

4.2艦艉流分量

因在有艦艉流時(shí)，飛機(jī)從下滑起始點(diǎn)到艦艉，艦艉流的橫向分量小，對(duì)橫向?qū)χ杏绊懖淮?，因此本文不分析艦艉流橫向影響。某飛機(jī)按4.1節(jié)條件進(jìn)行仿真，整個(gè)仿真過(guò)程中，艦艉流各分量的水平分量和垂直分量隨仿真時(shí)間的變化過(guò)程如下圖3～圖6所示，其中雄雞尾流分量和周期性分量的水平和垂直分量為艦速15kn時(shí)仿真結(jié)果。由圖可知，雄雞尾流分量影響最大，其水平分量最大約1.3m/s，其垂直分量最大約0.9m/s。

4.3 觸艦點(diǎn)偏離分析

采用飛行員在環(huán)但無(wú)操作的條件建模仿真分析某飛機(jī)在艦艉流影響下觸艦點(diǎn)偏離情況。當(dāng)艦速為10kn或15kn時(shí)，采用駕駛員模型但不加入艦艉流干擾時(shí)確定仿真系統(tǒng)參數(shù)，此時(shí)飛機(jī)觸艦點(diǎn)為理想著艦點(diǎn)。理想著艦點(diǎn)在攔阻索2索和3索之間，索與索之間間距12m[4]。當(dāng)加入艦艉流干擾時(shí)，仿真系統(tǒng)參數(shù)不再改變。

以不加入艦艉流干擾時(shí)觸艦點(diǎn)在理想著艦點(diǎn)為基準(zhǔn)，艦艉流各個(gè)分量的綜合作用使觸艦點(diǎn)相對(duì)理想著艦點(diǎn)后移，具體量如下表1所示。

5結(jié)論

本文研究了某飛機(jī)進(jìn)行海上觸艦訓(xùn)練時(shí)，著艦誤差的主要來(lái)源艦艉流對(duì)觸艦精度的影響。由分析可知，飛行員在環(huán)但不干預(yù)艦艉流的影響時(shí)，艦艉流使觸艦點(diǎn)相對(duì)理想著艦點(diǎn)后移約10m，小于12m，因此觸艦點(diǎn)仍在著艦攔阻區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]董庚壽等.艦載飛機(jī)規(guī)范 飛行品質(zhì)[M].北京：中國(guó)人民解放軍總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1999.

[2]顧誦芬等.飛機(jī)飛行品質(zhì)計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部，1983.

[3]徐秋.艦載機(jī)進(jìn)艦環(huán)境下駕駛員建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012

[4]楊一棟. 艦載飛機(jī)著艦導(dǎo)引與控制[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：徐安金（1983年6月），男，四川隆昌，漢族，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向：飛行品質(zhì)、控制律。

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