試論艦載機著艦仿真

時紹春（洪都航空工業(yè)集團 江西 南昌 330024)

試論艦載機著艦仿真

時紹春（洪都航空工業(yè)集團 江西 南昌 330024)

針對艦載機著艦的特點，從數(shù)學(xué)仿真模型和視景系統(tǒng)仿真方面簡要介紹艦載機著艦仿真，綜合歸納了艦載機仿真的特點。與陸基飛機相比，艦載機著艦仿真需要增加航母相關(guān)運動模型、邏輯和三維可視化模型，并且在視景顯示方面也有更高的要求。進行艦載機著艦仿真研究，建設(shè)艦載機地面試驗環(huán)境，開展地面飛行模擬試驗，對工程研究和飛行員訓(xùn)練具有重要的意義。

艦載機；著艦；仿真；航母模型

1 引言

艦載機以其特殊的作戰(zhàn)環(huán)境、搭載平臺和起降方式，與陸基飛機相比有更加苛刻的要求。艦載機要在航空母艦極為有限的甲板上進行起降作業(yè)，其危險性要比陸基飛機起降大上許多。航母在風(fēng)浪的影響下進行著六自由度運動，在艦尾形成尾流，增加艦載機精確保持航跡穩(wěn)定的難度，而且航母甲板空間有限，著艦甲板短，使艦載機著艦成了最危險的環(huán)節(jié)。因此，著艦訓(xùn)練是艦載機飛行員訓(xùn)練中最重要的環(huán)節(jié)之一。

艦載機著艦過程操作復(fù)雜，難度大，危險高，飛行員訓(xùn)練的難度和風(fēng)險大，因此進行艦載機著艦仿真研究，建設(shè)艦載機地面飛行模擬試驗設(shè)備，開展艦載機著艦的地面飛行模擬試驗，分析艦載機受力情況和飛行品質(zhì)及操縱特性，對工程設(shè)計和飛行員訓(xùn)練具有極為重要的意義。

艦載機著艦與陸基飛機著陸相比主要在仿真模型和視景顯示系統(tǒng)上有比較大的區(qū)別，本文將從仿真模型和視景顯示系統(tǒng)兩方面淺談艦載機著艦仿真需要考慮的因素。

2 艦載機仿真的特點

相比陸基飛機著陸仿真，艦載機飛機著艦仿真要復(fù)雜得多。陸基飛機由于在地面跑道上降落，起降條件限制少，影響因素簡單，其著陸仿真相對簡單：

△ 陸基飛機著陸仿真可以將跑道視為固定不變的平面；

△ 在不考慮地面濕滑情況下，陸基飛機與地面摩擦系數(shù)認(rèn)為是定值；

△ 機場周圍大氣環(huán)境穩(wěn)定，飛機受外界大氣擾動仿真建模簡單；

△ 飛行員通過目測和飛行儀表即可完成降落，不需要復(fù)雜的輔助裝置；

△ 飛機著陸采用拉平飄落的方式接地，沖擊小，姿態(tài)穩(wěn)定，接地后通過剎車或開傘的方式減速，仿真模型相對簡單；

△ 機場周圍視景顯示場景固定，可選用衛(wèi)片或航拍圖片模擬，并且飛機降落不會引起機場周圍視景顯示內(nèi)容的改變。

相比之下，艦載機著艦仿真要復(fù)雜得多：

△ 航母在大海中航行，受到風(fēng)浪影響進行六自由度運動，因此必須建立航母本身的運動模型，模擬航母運動和姿態(tài)；

△ 艦載機著艦瞬間，起落架受力分析必須考慮航母當(dāng)前的運動姿態(tài)；

△ 航母運動會對航母后方氣流產(chǎn)生影響，稱之為尾流，飛機從航母后方降落，必然會受到航母尾流的影響；

△ 艦載機在航母上降落，降落區(qū)域有限，甲板長度短，必須使用攔阻索和攔阻網(wǎng)輔助著艦，因此還必須建立攔阻索攔阻模型；

△ 對于視景顯示系統(tǒng)而言，由于艦載機著艦必須依靠著艦輔助設(shè)備，視景系統(tǒng)必須模擬著艦輔助設(shè)備如菲涅爾透鏡及其邏輯；

△ 增加額外通道模擬指揮官視角，從第三眼位觀察飛機降落情況；

△ 建立飛機本身和航母的三維顯示模型；

△ 模擬不同等級的海浪和航母航行激起的浪花及尾浪等，特別是海浪和浪花，要模擬得足夠真實是非常不容易的，與陸基機場的靜態(tài)貼圖相比要付出更加高昂的代價。

3 仿真建模

艦載機著艦仿真除要建立飛機六自由度運動模型之外，還需要增加以下模型：

△ 航母運動模型；

△ 航母尾流模型；

△ 攔阻索攔阻模型；

△ 菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)邏輯。

3.1 航母運動模型

在建立航母運動模型時，可以把航母視為剛體，建立以航母質(zhì)心為原點的固連在航母上的坐標(biāo)系，將航母運動分解為隨質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，平動稱之為“蕩”，轉(zhuǎn)動稱之為“搖”。其中以縱搖，橫搖和垂蕩（沉浮運動）對飛機影響最大。

3.1.1 縱搖

縱搖為航母繞質(zhì)心的縱向轉(zhuǎn)動，使航母抬頭的角度為正。艦載機著艦可看做是飛機相對大地坐標(biāo)系的絕對運動和航母運動的疊加，是艦載機相對航母的運動?？v搖會引起接地瞬間起落架受力的變化。在工程分析中，可以將航母縱搖近似用正弦函數(shù)表示其中為縱搖幅值，T為縱搖最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，縱搖幅值最大可達到4°，縱搖最短周期T約為4秒[1]。

3.1.2 橫搖

橫搖為航母繞質(zhì)心的橫向滾動，使航母右滾的角度為正。橫搖會引起接地瞬間起落架左右受力不均、飛機方向出現(xiàn)偏差、加劇滾轉(zhuǎn)角振蕩、攔阻鉤在攔阻索上滑動及單側(cè)起落架先著艦等情況。與縱搖相似，航母橫搖可近似用正為橫搖幅值，T為橫搖最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，在中等氣象海域，橫搖幅值最大可達到12°，橫搖最短周期T約為4.5秒[1]。

3.1.3 垂蕩（沉浮運動）

垂蕩為航母質(zhì)心的沉浮運動。垂蕩會引起艦載機著艦瞬間相對航母的下沉速率變化，從而引起起落架受力的變化，并且過大的沉浮運動不利于飛機員精確地控制接地點，以最理想的姿態(tài)著艦并成功鉤住攔阻索。與縱搖相似，在工程中可將沉浮運動近似用正弦函數(shù)表示：為垂蕩幅值，T為垂蕩最短周期，ε為初始相位角。資料記載，對于4萬噸級航母，垂蕩幅值不超過3米，最大法向速度不超過1.5米/秒[1]。

在實際情況中，縱搖、橫搖和垂蕩是同時存在的，在工程中，可將航母的運動看做是縱搖、橫搖和垂蕩的疊加。

3.2 航母尾流模型

航母尾流是航母本身和航母運動引起的大氣擾動。艦載機從航母后方接近航母并在航母上降落，會受到航母尾流的影響。在艦載機接近航母尾部805米內(nèi)，飛機開始受到航母尾流的影響，增大了精確保持航跡穩(wěn)定的難度[2]。

根據(jù)航母尾流的物理特性和形成原因，在工程中可將其視為由以下四種擾動疊加的和擾動：

△ 隨機自由大氣紊流；

△ 航母大氣尾流的穩(wěn)態(tài)分量；

△ 航母運動引起的大氣周期性擾動；

△ 航母尾流隨機擾動。

3.2.1 隨機自由大氣紊流

隨機自由大氣紊流與飛機相對位置無關(guān)，可用白噪聲發(fā)生器的輸出進行濾波產(chǎn)生的頻譜來表示。

3.2.2 航母大氣尾流的穩(wěn)態(tài)分量

航母大氣尾流的穩(wěn)態(tài)分量與航母甲板上的風(fēng)速有關(guān)，是由航母本身引起的氣流速度減小和氣流流過航母出現(xiàn)的上洗所形成的，與距航母尾部的距離有關(guān)。在距離航母尾部750米附近開始受到上洗氣流的影響，到250米附近突然轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯南孪碵3]。

3.2.3 航母運動引起的大氣周期性擾動

航母運動會產(chǎn)生對周圍大氣的擾動，在艦尾形成渦流。該擾動主要由航母縱搖和垂蕩引起，與航母縱搖頻率、縱搖幅值和風(fēng)速及飛機與艦尾距離有關(guān)，幅值越大，頻率越高，擾動越強烈；距離艦尾越近，擾動越強烈。計算和試驗表明，設(shè)飛機距離艦尾為 ，當(dāng)時，水平方向擾動分量為零；當(dāng) 時，垂直方向擾動分量為零[2]。

3.2.4 航母尾流隨機擾動

與自由大氣紊流相似，航母尾流的隨機擾動也可以用白噪聲進行濾波產(chǎn)生的頻譜來表示。

以上四種擾動疊加構(gòu)成艦載機降落時使用的大氣擾動模型。值得注意的是，對于帶反饋的電傳飛機而言，大氣擾動不僅僅體現(xiàn)在對飛機氣動力的影響上，而且還應(yīng)該體現(xiàn)在大氣數(shù)據(jù)相關(guān)傳感器上。

3.3 攔阻索攔阻模型

攔阻索是艦載機著艦最重要的輔助裝置之一。艦載機要在有限的甲板長度上降落，靠機輪剎車和減速傘減速是無法實現(xiàn)的，必須依靠攔阻掛鉤鉤住固定在甲板上的攔阻索，通過攔阻索吸收能量，提供額外的攔阻力迫使飛機在百米內(nèi)減速制動。如果艦載機著艦時未能鉤住攔阻索，必須立刻加油門復(fù)飛，按照標(biāo)準(zhǔn)著艦程序重新著艦。

艦載飛機接地時的姿態(tài)對于攔阻索攔阻力的分布有較大影響。艦載機由于降落條件復(fù)雜，接地姿態(tài)大，因此對于攔阻索攔阻模型的建立不僅僅要考慮飛機對稱、對中攔阻時的對稱攔阻力分布，還應(yīng)該考慮飛機帶有偏航、滾轉(zhuǎn)和非對中攔阻時受到的非對稱攔阻力的情況，以及攔阻鉤與攔阻索的相對滑動而帶來的攔阻力的分布變化。

3.4 菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)邏輯

菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)是航母上比較通用的助降設(shè)備。其在空中為飛行員提供一個可見光的、與飛行甲板平行、與海平面成一定角度的波面。在真實情況下，飛行員可以通過觀察光束之間的位置關(guān)系來判斷飛機下滑軌跡是否合適。但在仿真系統(tǒng)中，要在計算機中模擬菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)，只能通過模擬飛行員看見光束的實際情況來驅(qū)動視景系統(tǒng)中的燈點亮或熄滅，因此必須模擬菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)中飛機位置、姿態(tài)與信號燈之間的邏輯關(guān)系。

△ 綠燈亮，表示允許飛機進入下滑，可以著艦；

△ 黃燈在基準(zhǔn)面上，表示飛機在適宜的下滑道上，可以安全著艦；

△ 黃燈在基準(zhǔn)面之上，表示飛機在適宜下滑道之上，需要降低高度；

△ 黃燈在基準(zhǔn)面之下，表示飛機在適宜下滑道之下，需要提升高度；

△ 紅燈在基準(zhǔn)面之下，表示飛機過低，必須緊急拉起復(fù)飛，否則撞向艦尾或墜海。

在視景系統(tǒng)中，必須根據(jù)上述邏輯，將飛行員實際看到的情況轉(zhuǎn)化成視景系統(tǒng)中的點燈邏輯，根據(jù)當(dāng)前飛機狀態(tài)和位置等相關(guān)參數(shù)，點亮模擬菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)信號燈。

4 視景顯示系統(tǒng)

在艦載機著艦仿真中，除要增加相應(yīng)的仿真數(shù)學(xué)模型之外，也對視景系統(tǒng)提出了更高的要求。與陸基飛機著陸仿真相比，艦載機著艦仿真需增加以下部分內(nèi)容：

△ 航母三維模型；

△ 攔阻索三維模型；

△ 菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)；

△ 海洋環(huán)境和不同等級的海浪；

△ 船運動激起的浪花和拖出的尾跡；

△ 著艦指揮官視角。

4.1 航母三維模型

要在視景系統(tǒng)中顯示航母并能驅(qū)動航母運動，必須建立獨立的航母模型。通常使用C reator三維建模工具建立航母的三維模型，也可以通過如3DSMAX等軟件建立航母模型。為保證飛行員訓(xùn)練效果，提高沉浸感，航母模型必須足夠真實，關(guān)鍵部分如飛行甲板應(yīng)盡可能與真實數(shù)據(jù)一致，同時大量采用紋理貼圖、光照、陰影和DOF節(jié)點等，以提高沉浸感，達到以假亂真的效果。

4.2 攔阻索三維模型

與航母三維模型不同，攔阻索在飛機鉤住后會隨著飛機運動而不斷變化。傳統(tǒng)的攔阻索三維模型經(jīng)常用兩根直線來分別模擬攔阻索的左右部分，顯示效果較差，缺乏真實感。較逼真的建模方法是將攔阻索細(xì)分成小的單元，多個單元頭尾相接組成一套完整的攔阻索模型，可較大幅度提高攔阻索真實感，但同時也帶來了模型的復(fù)雜度和計算量的增加。

4.3 菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)

菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)模型可采用C reator工具建模，其難點在于燈的可視距離。真實系統(tǒng)發(fā)射出方向性極好的光束，在數(shù)公里外都能被飛行員看見。而在視景系統(tǒng)中，如果采用為模型貼上不同顏色紋理來模擬不同顏色燈光的模式，可視距離太短，飛行員根本看不見顏色變化。而采用點光源模擬信號燈未嘗不是一個好的解決方案，但與此同時，點光源在任意時刻任意距離都可以見的特性與真實情況不符，必須加以判斷并進行修正。

菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)模型中信號燈必須能夠獨立控制，根據(jù)真實飛行員看到的光束情況轉(zhuǎn)換成與飛機位置和姿態(tài)相關(guān)的信號燈點燈邏輯。

4.4 海洋環(huán)境和不同等級的海浪

陸基飛機機場附近景象可以通過衛(wèi)片及航拍圖片進行貼圖，效果好，真實度高。但海洋環(huán)境一直處于不斷變化中，海浪起伏和頂部的浪花均需要實時計算生成，計算量大大增加，并且要使模擬的海洋環(huán)境足夠真實，而不是一眼望去全是一成不變的海浪，其算法也是比較復(fù)雜的。VP軟件中的海洋模塊可以簡單模擬海洋效果，但不夠真實，要提高逼真度，必須采用更加專業(yè)的圖形生成系統(tǒng)。

4.5 船運動激起的浪花和拖出的尾跡

要逼真的模擬航母在海洋中的運動，除了建立航母的運動模型和航母的三維可視化模型外，還應(yīng)該模擬由于航母運動造成的周圍海洋環(huán)境的變化，如船首和兩側(cè)激起的浪花以及船尾螺旋槳造成的噴流。船運動激起的浪花與海浪有相似之處，其圖形生成可采用相同的算法，但兩者之間也有區(qū)別，即海浪可以按照一定的規(guī)律周而復(fù)始的運動，而船激起的浪花則和航母的運動有關(guān)，不同運動狀態(tài)下激起的浪花應(yīng)該有不同的范圍和效果。

4.6 著艦指揮官視角

艦載機著艦時著艦指揮官起著非常大的作用，其向飛行員發(fā)出操縱指令、引導(dǎo)下滑道上的飛機安全著艦。因此在艦載機著艦仿真中，有必要模擬著艦指揮官的視角。著艦指揮官視角應(yīng)模擬艦島左后部主飛行控制室或艦后部左舷LSO平臺處的視角，能觀察飛機下滑姿態(tài)、起落架和襟翼以及掛鉤狀態(tài)和攔阻索，引導(dǎo)飛行員以正確的姿態(tài)和下滑角安全著艦，當(dāng)不能安全著艦時即時發(fā)出復(fù)飛指令。

5 結(jié)論

通過開展艦載機著艦仿真研究，在陸基飛機飛行仿真的基礎(chǔ)上增加航母運動模型和三維可視化模型，考慮航母運動形成的大氣擾動對艦載機著艦的影響，模擬著艦過程中飛機受力的變化，建立逼真的視景場景，開展艦載機著艦地面飛行模擬實驗，對工程研究和飛行員訓(xùn)練具有重要的意義。

[1] 王大海.艦面運動對彈射起飛特性的影響.飛行力學(xué)[J]，1994

[2] 飛行力學(xué)編輯部.軍用規(guī)范-有人駕駛飛機的飛行品質(zhì)（MIL-F-8785C）[M]，1982

[3] 彭兢.航空母艦尾流數(shù)值仿真研究.北京航空航天大學(xué)學(xué)報[J]，2000

[4] 胡孟權(quán).艦載飛機著艦攔阻動力學(xué)分析.空軍工程大學(xué)學(xué)報[J]，2000

[5] 焦方金. 淺談艦載戰(zhàn)斗機的降落.?？樟α縖J]，2005

Brife on Carrier-based Aircraft Landing Simulation

Shi Shaochun
(Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi, 330024)

This paper introduces, based on the characteristics of car rier-based aircraf t landing，the car rier-based aircraft landing simulation, from the mathematical simulation model and the visual system simulation, and summarizes the characteristics of carrier-based aircraf t simulation. Compared with land-based aircraf t, the car rier aircraf t landing simulation needs to increase the car rier movement model, logic and three-dimensional visualization model, and have higher requirements with respect to visual display system. Car rying through car rier-based aircraf t simulation research,bui lding car rier aircraf t ground testing environment and conducting ground f l ight simulation test is of an important signi f icance to the engineering research and pi lot training.

Car rier-based aircraf t; Landing; Simulation; Car rier movement model

2010-09-20）

時紹春，男，1984年11月出生，本科，現(xiàn)從事飛行仿真研究和飛行模擬器設(shè)計工作。