艦載機著艦過程的艦尾氣流場數(shù)值仿真分析

呂開東，李新飛，姜邁，朱齊丹

（1.哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；3.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧沈陽 110016）

0 引言

艦載機為了在航母甲板上降落，在進艦與著艦過程中要穿越航母飛行甲板后方空域，最后在斜角甲板著艦區(qū)域降落，這一過程中艦尾氣流場是造成著艦誤差的主要干擾因素之一，因此對艦尾氣流場的研究便成為艦載機進艦與著艦技術研究中的一項極為重要的內容。艦尾氣流場的分布主要取決于艦船剖面以及垂直于海平面方向的剖面的變化形式［1］，還取決于大氣來流方向［2］。國外早在 20 世紀50年代便開始了對艦尾氣流場的理論與試驗研究［3-5］。目前國內對這個問題研究的比較少，彭兢等［6-7］對航母艦尾氣流場進行了研究，楊一棟［1］近年來也對艦尾氣流場做了進一步的研究。

本文根據美軍標 MIL－HDBK-1797［8］給出的艦尾氣流場模型，對其進行了深入的分析與研究。首先根據空間功率和時間功率譜的轉換方法［9］，將艦尾氣流場其中之一的分量——自由大氣紊流分量的空間功率譜轉化成時間功率譜，并給出其時間濾波器的形式。根據艦尾流隨機分量的傳遞函數(shù)參數(shù)具有時變性的特點，提出了將其轉換為狀態(tài)空間實現(xiàn)的方法，實現(xiàn)了傳遞函數(shù)參數(shù)分段變化的問題。最后，在Simulink中對艦尾流進行了仿真分析。

1 艦尾氣流場數(shù)學模型

1.1 MIL-HDBK-1797艦尾流模型

設Oxgygzg為地面慣性坐標系，ug為沿著xg軸方向的干擾速度分量，向前為正；vg為沿著yg軸方向的干擾速度分量，沿著駕駛員的右手為正；wg為沿著zg軸方向的干擾速度分量，向下為正。

在艦載機引導仿真中，艦尾氣流場模型應當在飛機距離航母艦尾805 m處開始使用。艦尾流場擾動模型中的水平u分量方向與甲板風方向平行。艦尾氣流場模型由隨機自由大氣擾流、艦船尾流穩(wěn)態(tài)值、艦船運動引發(fā)的周期紊流和艦船尾流隨機擾流組成。其中，自由大氣擾流值由水平分量u1、橫向分量v1和垂直分量w1組成；艦船尾流穩(wěn)態(tài)值由水平分量u2和垂直分量w2組成；艦船運動引發(fā)的周期紊流值由水平分量u3和垂直分量w3組成；艦船尾流隨機擾流值由水平分量u4、橫向分量v4和垂直分量w4組成。

因此，艦尾氣流場模型各個方向的分量ug，vg和wg由下式計算:

所有隨機擾流濾波器的輸入有以下三種類型:白噪聲信號、零均值高斯輸出和單位方差隨機數(shù)發(fā)生器。下面分別介紹艦尾氣流場四種分量的特點。

1.2 自由大氣紊流分量

自由大氣紊流分量［8］是和飛機的相對位置無關的量，它可以由白噪聲信號輸出到濾波器而得到的下列空間頻譜來代表:

式（2）給出的是以空間頻率Ω為自變量的空間頻譜Φ（Ω），為了計算艦載機對大氣紊流的響應所需要的是以時間頻率ω為自變量的時間頻譜Φ（ω），因此，必須把空間功率譜轉換成時間功率譜［14］，并對于大氣紊流的任何頻譜，有下式成立:

式中，v*為空速在縱向、豎直以及側向的分量。

下面研究如何將對影響艦載機飛行軌跡的u1，v1，w1這三個分量的空間功率譜Φ（Ω）轉換為時間功率譜Φ（ω）。當艦載機在自由大氣紊流場中以速度v0飛行時，飛機所經受的紊流是關于時間t的函數(shù)，由式（3）可得沿xg軸、yg軸和zg軸的紊流時間功率譜分別為:

根據式（2）和式（4）可得將自由大氣紊流的空間功率譜轉化為時間功率譜:

式（5）的均方差可以由時間功率譜積分得到。為了獲得時間域中自由大氣紊流的u1，v1和w1三個分量，需要用到前面介紹的線性定常系統(tǒng)的平穩(wěn)隨機過程理論［11］。若輸入線性定常系統(tǒng)G（s）的信號是一個單位白噪聲過程，則由Φ（ω）可以求得|G（jω）|，并且由于Φ（ω）是單邊頻譜，因此可得:

由式（6）可求出|G（jω）|對應成型濾波器G（s），因此，式（5）對應的成型濾波器為:

1.3 艦尾流穩(wěn)態(tài)分量

艦尾流穩(wěn)態(tài)分量［8］由一個減小的穩(wěn)態(tài)風和一個占主導地位的艦尾上洗風組成，它們是距離的函數(shù)，圖1是美軍標MIL－HDBK-1797給出的艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的變化率。

圖1 CVA型航母艦尾渦流穩(wěn)態(tài)風的變化率

在圖1中，穩(wěn)態(tài)風和甲板風比值的函數(shù)為u2/Vd，上洗風和甲板風比值的函數(shù)為w2/Vd，它們是距離航母縱搖中心距離L的函數(shù)，Vd為甲板風大小。因此，對于不同大小的甲板風，可以得到不同大小的穩(wěn)態(tài)風和上洗風。

1.4 艦船尾流周期分量

美軍標MIL－HDBK-1797中，艦船尾流周期分量是隨著艦船縱搖頻率、縱搖幅度、甲板風和飛機的相對距離不同而變化的，艦船尾流周期分量可以按照下式計算:

式中，ωp為艦船的縱搖頻率；θs為艦船的縱搖幅度；p為隨機相位。

當x＜－682 m時，艦船尾流周期分量u3方向值設置為零；當x＜－773 m時，艦船尾流周期分量w3方向值設置為零。從式（8）中可以看出，艦船尾流周期分量u3和w3不但與甲板風大小有關，還與航母的縱搖頻率、幅值有關。

1.5 艦尾流隨機分量

美軍標MIL－HDBK-1797中，和艦船運動相關的隨機速度分量［8］可以通過對一個白噪聲信號進行濾波來計算:

式中，σ（x）為RMS幅度；τ（x）為時間常數(shù)。它們的值的統(tǒng)計特性如圖2所示。I代表輸入信號，可用下式表示:

在圖2中，σ/Vd代表RMS幅度與甲板風大小的比值，因此對不同大小的甲板風可以得到不同大小的艦尾流隨機縱向分量。同樣，從公式（9）中可以看出，對于不同大小的甲板風，可以得到不同大小的艦尾流隨機垂向分量。

其中，Gu4（s）的RMS幅度σ及時間常數(shù)τ都是一個分段函數(shù)，在Matlab中直接使用傳遞函數(shù)形式無法實現(xiàn)，本文提出將傳遞函數(shù)轉換成狀態(tài)空間方程來實現(xiàn)傳遞函數(shù)參數(shù)的時變問題。

圖2 時間常數(shù)和均方差與距離的關系

2 艦尾氣流場仿真結果及分析

2.1 自由大氣紊流仿真結果及分析

在Simulink中建立自由大氣紊流的仿真框圖，同時設飛機的進艦飛行速度為v0=64 m/s，下滑角為－3.5°，則可以得到沿xg軸、yg軸和zg軸方向飛機的速度，將這三個方向的速度值代入式（7），可以得到濾波器的傳遞函數(shù)。通過仿真得到自由大氣紊流的仿真曲線如圖3所示。

圖3 自由大氣紊流仿真結果

由圖可知，u1的相關性比v1和w1大得多，這是因為飛機在縱向的速度要比其他方向的速度大得多，可以將u1，v1和w1代入飛機的數(shù)學模型，來檢測它們對著艦精度的影響。從仿真結果中可以看出，自由大氣紊流分量和飛機進場速度也是密切相關的。

2.2 艦尾流穩(wěn)態(tài)分量仿真結果

假設航母以24 kn的典型航速巡航，海洋環(huán)境風為0 m/s，即甲板風為24 kn，艦載機在距離航母縱搖中心900 m處的下滑道上，以130 kn的速度下滑進艦。根據美軍標MIL－HDBK－1797給出穩(wěn)態(tài)分量的結果（見圖1），此時艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的仿真結果如圖4所示。由圖可知，艦尾流穩(wěn)態(tài)分量包含的縱向分量u2在距離航母縱搖中心大約550 m左右開始起作用，到航母的艦尾結束，這中間有一個明顯像“公雞尾”的形狀，因此艦尾流穩(wěn)態(tài)分量也被稱為“公雞尾流”。艦尾流穩(wěn)態(tài)分量包含的垂直分量w2在距離航母縱搖中心800 m左右開始起作用，到航母的艦尾結束。在著艦過程中，飛機首先遇到的是一個垂直方向的上洗風；隨著飛機逐漸接近艦尾，這個上洗風逐漸減小，接著變?yōu)橄孪达L，在最后接近艦尾時，這個下洗風又逐漸減小，變成上洗風。因此在著艦過程中駕駛員所面臨的艦尾氣流場是非常復雜的，這也是著艦事故的高發(fā)階段。

圖4 艦尾流穩(wěn)態(tài)分量仿真結果

2.3 艦尾流周期分量仿真結果

若某一型號航母的縱搖運動描述為下式:

式中，θs為航母縱搖角度。航母縱搖的幅度值大概為1.05°，其幅值可取為θs=1.05/57.3=0.0183，頻率為ωp=0.62 rad/s。由于艦載機距離航母縱搖中心的距離可以寫成下式:

式中，x0為艦載機距離航母縱搖中心的初始距離，在這里設置為－900 m；vc為航母航速，近似認為等于甲板風大小。仿真時可由式（11）求得各個時刻x的值，再由式（8）求得各個時刻的u3和w3的值，仿真得到的結果如圖5所示。由圖可知，距離艦尾越近，艦尾流周期分量的值越大。

2.4 艦尾流隨機分量仿真結果

艦尾流隨機紊流中縱向分量、側向和豎直分量隨著距離航母縱搖中心變化的示意圖如圖6所示。其中甲板風的大小為24 kn，白噪聲的設置同自由大氣紊流仿真時的設置一樣。

圖6 艦尾隨機紊流仿真結果

2.5 艦尾氣流場模型仿真結果綜合分析

根據文獻MIL－HDBK-1797中的描述，艦尾流的縱向分量u與甲板風方向平行，當航母迎風行駛時，航行風和海風形成的甲板風與航母對稱軸線方向平行，而艦載機為了在斜角甲板上降落，必須沿著斜角中心線方向進艦著艦，因此這種情況下，艦載機在一種非對稱的氣流場中飛行，對安全而準確的著艦非常不利。為了解決這個問題，本文總結出了一種利用航行風來改善艦尾氣流場的非對稱的方法。這種方法是利用航母航行風與海風合成產生一個沿著斜角甲板中線方向的甲板風，這樣能在艦載機進艦著艦的下滑道上，產生一個具有對稱性的艦尾氣流場，這有利于提高著艦的安全性及準確性。

根據仿真結果及其分析也可以看出，美軍標MIL－HDBK－1797給出的艦尾氣流場模型是和甲板風大小及艦船縱搖頻率大小及幅值都有直接關系的，在仿真中根據實際需要，可以模擬出各種海況下的艦尾流的仿真數(shù)據，這對進一步研究艦載機進艦引導技術是非常有實際意義的。

3 結論

本文根據美軍標MIL－HDBK－1797給出的艦尾流數(shù)學模型，建立了其仿真模型，得出以下結論:根據空間功率譜和時間功率譜的轉換方法，給出了自由大氣紊流濾波器的形式。根據艦尾流隨機分量傳遞函數(shù)中的參數(shù)時變問題，提出了將之轉換成狀態(tài)空間實現(xiàn)的方法。為了改善艦尾氣流場的對稱性，提出了一種利用航行風來改變甲板風方向的方法。航母艦尾流仿真結果對艦載機進艦著艦的引導和控制影響非常重大，但有待于進一步驗證。

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［6］彭兢，金長江.在 Matlab中模擬平穩(wěn)隨機過程［J］.北京航空航天大學學報，2001，21（5）:585－588.

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