艦載機(jī)起降限制區(qū)域及主要影響參數(shù)

晉文超，李鵬，李亞軍，邱遼原

1海軍裝備研究院，北京100161

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

艦載機(jī)起降限制區(qū)域及主要影響參數(shù)

晉文超1，李鵬2，李亞軍2，邱遼原2

1海軍裝備研究院，北京100161

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

艦載機(jī)起降作業(yè)能力直接反映了航空母艦（簡稱“航母”）的作戰(zhàn)能力。根據(jù)美國“尼米茲”級航母的圖片資料進(jìn)行航母船型的設(shè)計，通過STF切片理論對本船的運動參數(shù)進(jìn)行理論預(yù)報，并結(jié)合CV/CVN甲板運動限制準(zhǔn)則，利用判斷函數(shù)，以極坐標(biāo)圖形式直觀反映航母運動參數(shù)對艦載機(jī)起降作業(yè)的限制區(qū)域和非限制區(qū)域。從航母自身運動特性出發(fā)，逐項分析航母運動參數(shù)對艦載機(jī)起降作業(yè)的影響，明確提出不同浪向下限制艦載機(jī)起降的主要運動參數(shù)，并分析影響艦載機(jī)起降運動參數(shù)的敏感性。為航母設(shè)計過程中改善耐波性、擴(kuò)大艦載機(jī)起降作業(yè)區(qū)域指明優(yōu)化方向。

航空母艦；艦載機(jī)；耐波性；限制區(qū)域

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1345.032.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：晉文超，李鵬，李亞軍，等.艦載機(jī)起降限制區(qū)域及主要影響參數(shù)［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：28-34.

JIN Wenchao，LI Peng，LI Yajun，et al.Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：28-34.

0　引言

目前，國內(nèi)外對航母艦載機(jī)起降作業(yè)的研究偏重于著艦引導(dǎo)的過程，一般采取的方法是通過對航母運動進(jìn)行極短期預(yù)報，然后結(jié)合合理的引導(dǎo)控制律，實現(xiàn)艦載機(jī)進(jìn)艦下滑過程的模擬。國內(nèi)許多學(xué)者對運動極短期預(yù)報和引導(dǎo)控制律分別展開了研究，如段文洋等［1-2］采用AR模型、顧民等［3］基于混沌理論與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Khan等［4-5］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、蔡烽等［6］基于相空間重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)了艦船運動的極短期預(yù)報；朱齊丹等［7］研究了在艦尾流干擾和航母運動情況下的飛行員操控特性，總結(jié)了在擾動下的控制規(guī)律；章衛(wèi)國等［8］采用解析形式的模糊控制規(guī)則，對艦載機(jī)縱向自動著艦控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與仿真；袁鎖中等［9］根據(jù)著艦運動及H∞控制方法的概念，對自動著艦導(dǎo)引系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與仿真。然而在艦機(jī)適配性研究中，同時還需關(guān)注與艦載機(jī)起降限制因素相關(guān)的研究，通過分析限制因素對艦載機(jī)起降的影響，可以指導(dǎo)航母航行過程中選取有利于艦載機(jī)起降的航速和航向，并為航母設(shè)計過程中的耐波性優(yōu)化指明方向。美國經(jīng)過多年的積累，提出了CV/CVN甲板運動限制準(zhǔn)則，其中不同海況下的作業(yè)難度不同，對于極限衡準(zhǔn)需通過很大的努力才能完成起降作業(yè)［10］。本文將從航母運動角度出發(fā)，分析單一限制因素在不同有義波高下對艦載機(jī)起降作業(yè)的限制區(qū)域，提出不同浪向下的主要限制參數(shù)，為航母開展基于艦載機(jī)起降作業(yè)的耐波性優(yōu)化提出明確的目標(biāo)。

1　航母運動預(yù)報

航母運動預(yù)報采用STF切片理論，假定航母的橫向運動和縱向運動相互獨立。6個自由度運動耦合的線性微分方程為

式中：Mjk為質(zhì)量矩陣；Ajk為附加質(zhì)量矩陣；Bjk為阻尼系數(shù)矩陣；Cjk為恢復(fù)力系數(shù)矩陣；ξk為運動位移；Fj為波浪擾動力。

將Mjk，Ajk，Bjk和Cjk代入運動方程可以看出，對于橫向?qū)ΨQ的船，六自由度的運動方程變成了2組方程。

第1組為縱蕩、垂蕩和縱搖的3個耦合運動方程：

第2組為橫蕩、橫搖和艏搖的3個耦合運動方程：

上式中的水動力系數(shù)和波浪擾動力（矩）可以通過計算每個船體剖面上的受力并沿船長方向積分得到。

對式（2）～式（7）求解，可以得出船體六自由度運動的頻率響應(yīng)函數(shù)fj（ω）。根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)，可由式（8）和式（9）求出船體六自由度運動在不規(guī)則波中的運動譜Sj（ω）和方差值m0j。

式中：H1/3為有義波高；T01為特征周期；ω為波浪圓頻率。

運動方差確定后，假定運動譜為狹譜，船體的第j模式運動的單幅有義值

根據(jù)美國“尼米茲”級航母的圖片資料進(jìn)行航母船型設(shè)計（圖1）。以此船型為對象進(jìn)行全航速（0～30 kn）、全浪向（0°～360°）運動預(yù)報，以及部分工況下的模型試驗驗證。其中海浪譜采用ITTC雙參數(shù)譜

預(yù)報有義波高H1/3=4，5和6 m，對應(yīng)的平均周期分別為8.3，9.1和9.8 s。

圖1　型線圖Fig.1Ship's lines

數(shù)值預(yù)報與模型試驗得到航速18 kn、艏斜浪150°下的垂蕩、縱搖和橫搖運動響應(yīng)幅值算子對比（圖2），兩者吻合較好，說明采用STF切片理論預(yù)報航母運動具有較高的預(yù)報精度。圖中，k為波數(shù)，ζa為波幅λ為波長，L為船長，Z為垂蕩位移，θ為縱搖角，φ為橫搖角。

圖2　運動響應(yīng)幅值算子Fig.2Response amplitude operator

2　甲板運動準(zhǔn)則

張勇等［10］對美國艦載航空甲板運動準(zhǔn)則的形成及演變進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，其中更新的甲板運動準(zhǔn)則包括無約束使用值和航空使用限制值，本文分析高海況下的艦載機(jī)起降能力，因此采用其中的航空使用限制值作為準(zhǔn)則，具體如表1所示，其中，Tφ和Tθ分別為橫搖平均周期和縱搖平均周期。

表1　CV/CVN甲板運動限制準(zhǔn)則Tab.1CV/CVN limiting deck motion criteria

基于表1中各項運動參數(shù)分析限制艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域時，首先利用STF切片理論對全航速、全浪向下的航母運動進(jìn)行預(yù)報，然后利用f（Vi'θj）≤fcritical進(jìn)行判斷，若成立，則該航速、浪向組合下的航母運動滿足艦載機(jī)起降要求，否則該航速、浪向組合為限制點，最后全航速、全浪向的限制點形成限制區(qū)域，并計算限制區(qū)域面積與總面積的比值得到作業(yè)區(qū)域占比。

3　不同海況下的限制因素分析

3.1基于單一運動參數(shù)的艦載機(jī)起降作業(yè)區(qū)域分析

采用Visual Basic語言實現(xiàn)了艦載機(jī)起降作業(yè)區(qū)域的極坐標(biāo)圖形顯示，如圖3～圖7所示，其中綠色區(qū)域為航母運動滿足甲板運動限制準(zhǔn)則中相關(guān)參數(shù)的限制要求，圖中徑向為航速、周向為浪向角（180°為迎浪）。

從圖3可知，當(dāng)有義波高H1/3=4，5和6 m時，本艦的橫搖在高速艉斜浪60°和300°區(qū)域附近，不滿足甲板運動限制準(zhǔn)則。隨著有義波高增加，本艦橫搖幅值增大，限制艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

從圖4可知，當(dāng)有義波高H1/3=4和5m時，全航速、全浪向范圍內(nèi)的坡道水平位移均較小，滿足甲板運動限制準(zhǔn)則，不影響艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=6m時，高速艉斜浪60°～30°和300°～330°區(qū)域附近的坡道水平位移幅值超出甲板運動限制準(zhǔn)則，限制艦載機(jī)起降作業(yè)。

圖3　橫搖限制區(qū)域Fig.3Restricted region for roll

圖4　坡道水平位移限制區(qū)域Fig.4Restricted region for slope's horizontal displacement

從圖5可知，當(dāng)有義波高H1/3=4和5 m時，全航速、全浪向范圍內(nèi)的坡道垂直位移亦較小，滿足甲板運動限制準(zhǔn)則，不影響艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=6 m時，艏斜浪150°至艉斜浪60°和艏斜浪210°至艉斜浪300°區(qū)域附近的坡道垂直位移幅值超出甲板運動限制準(zhǔn)則，限制艦載機(jī)起降作業(yè)。由于橫浪90°和270°時，縱搖很小，而且航母的垂蕩是由橫浪向艏艉斜浪逐漸減小，因此，在有義波高H1/3=6 m時，引起坡道垂直位移超出甲板運動限制準(zhǔn)則的主要因素為航母垂蕩。

圖5　坡道垂直位移限制區(qū)域Fig.5Restricted region for slope's vertical displacement

從圖6可知，當(dāng)有義波高H1/3=4 m時，全航速、全浪向范圍內(nèi)的縱搖滿足甲板運動限制準(zhǔn)則，不影響艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=5 m時，艏斜浪120°和240°區(qū)域附近的縱搖超出甲板運動限制準(zhǔn)則，限制艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=6 m時，由于縱搖幅值增大，限制艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，在迎浪和艏斜浪區(qū)域中僅橫浪90°及低速迎浪180°區(qū)域附近滿足甲板運動限制準(zhǔn)則。

圖6　縱搖限制區(qū)域Fig.6Restricted region for pitch

從圖7可知，當(dāng)有義波高H1/3=4 m時，全航速、全浪向范圍內(nèi)的觸艦點垂直速度均較小，滿足甲板運動限制準(zhǔn)則，不影響艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=5 m時，艏斜浪120°至橫浪90°和艏斜浪240°至橫浪270°區(qū)域附近的觸艦點垂直速度幅值超出甲板運動限制準(zhǔn)則，限制艦載機(jī)起降作業(yè)。當(dāng)有義波高H1/3=6 m時，限制艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域進(jìn)一步向艏斜浪150°和210°擴(kuò)大。與坡道垂直位移類似，引起觸艦點垂直速度超出甲板運動限制準(zhǔn)則的主要因素為航母垂蕩。

圖7　觸艦點垂直速度限制區(qū)域Fig.7Restricted region for aircraft carrier landing position's vertical velocity

3.2航母耐波性與艦載機(jī)起降綜合分析

通過3.1節(jié)的分析可知：

1）當(dāng)有義波高H1/3=4 m時，航母運動較小，對艦載機(jī)起降作業(yè)基本上沒有影響；隨著有義波高增加，甲板運動限制準(zhǔn)則中各項參數(shù)的限制性逐漸顯現(xiàn)。

2）橫搖和坡道水平位移主要在高速艉斜浪區(qū)域限制艦載機(jī)起降，且兩者的限制區(qū)域基本重疊，橫搖的限制區(qū)域略大。

3）縱搖主要在迎浪和艏斜浪區(qū)域限制艦載機(jī)起降，當(dāng)有義波高H1/3達(dá)到6 m時，縱搖在迎浪和艏斜浪的限制區(qū)域較大。

4）坡道垂直位移和觸艦點垂直速度都是受航母的垂蕩影響較大，而且對艦載機(jī)起降作業(yè)的限制區(qū)域都是以橫浪為中心向艏艉斜浪擴(kuò)展；當(dāng)有義波高H1/3=6m時，坡道垂直位移的限制區(qū)域涵蓋了觸艦點垂直速度的限制區(qū)域，但當(dāng)有義波高H1/3=5 m時，觸艦點垂直速度對艦載機(jī)起降作業(yè)的限制作用更加明顯。

各單項參數(shù)在有義波高H1/3=6 m下對艦載機(jī)起降作業(yè)的限制范圍匯總，如表2所示。

表2　單項參數(shù)的主要限制區(qū)域（H1/3=6 m）Tab.2Primary restricted region of single parameter（H1/3=6 m）

綜合各項參數(shù)對艦載機(jī)起降作業(yè)的影響，當(dāng)有義波高H1/3=6 m時，以本船運動及CV/CVN甲板運動限制準(zhǔn)則來評判艦載機(jī)起降區(qū)域，僅低速迎浪區(qū)域以及全航速的艉斜浪30°/330°至順浪0°區(qū)域具備艦載機(jī)起降作業(yè)的條件（圖8）。

圖8　甲板運動準(zhǔn)則綜合限制區(qū)域（H1/3=6 m）Fig.8Compositive restricted region for CV/CVN limiting deck motion criteria（H1/3=6 m）

3.3運動參數(shù)對艦載機(jī)起降作業(yè)敏感性的影響

由于耐波性優(yōu)化涉及縱搖、橫搖、垂蕩等多個運動參數(shù)，而各項運動參數(shù)在優(yōu)化過程中往往相互制約，因此通過分析單項運動參數(shù)影響艦載機(jī)起降的敏感性，并以此作為優(yōu)化過程中的主要優(yōu)化目標(biāo)，從而最大程度地擴(kuò)大艦載機(jī)起降區(qū)域。

假設(shè)通過單目標(biāo)優(yōu)化［11］可令有義波高為6 m時的航母某項運動減小10%（如橫搖幅值減小10%或坡道水平位移減小10%等），則此時對艦載機(jī)起降作業(yè)限制區(qū)域的影響如表3所示。其中，起降區(qū)域占比為非限制區(qū)域與全航速、全浪向區(qū)域的百分比。從表3可知，在影響艦載機(jī)起降的運動參數(shù)中，縱向運動的敏感度較高，其中坡道垂直位移的敏感度最高。

表3　運動參數(shù)敏感性Tab.3Sensitivity of motion parameters

4　結(jié)語

本文根據(jù)美國“尼米茲”級航母的圖片資料進(jìn)行船型設(shè)計，逐項分析了高海況下航母運動參數(shù)與甲板運動限制準(zhǔn)則的適配情況。研究表明，迎浪和艏斜浪區(qū)域的主要限制參數(shù)為縱搖、坡道垂直位移與觸艦點垂直速度；橫浪區(qū)域的主要限制參數(shù)為坡道垂直位移與觸艦點垂直速度；艉斜浪區(qū)域的主要限制參數(shù)為橫搖與坡道垂直位移。

通過分析影響艦載機(jī)起降運動參數(shù)的敏感性，發(fā)現(xiàn)縱向運動的敏感度較高，其中坡道垂直位移的敏感度最高。在航母為剛體的假設(shè)下，坡道垂直位移主要是由航母垂蕩和縱搖耦合引起的。鑒于此，為最大程度地擴(kuò)大高海況下艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域，在航母設(shè)計過程中需重點針對縱搖和垂蕩開展優(yōu)化設(shè)計。然而，對于航母而言，改善航母運動的措施十分有限，如何降低航母縱向運動，也是后續(xù)研究的重要方向。

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Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts

JIN Wenchao1，LI Peng2，LI Yajun2，QIU Liaoyuan2
1 Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The takeoff and landing capability directly reflects the fighting capability of an aircraft carrier. A notional aircraft carrier was designed according to pictures of the American Nimitz-class aircraft carrier. The motion was predicted theoretically by the STF method，and then a criterion function established with CV/CVN limiting deck motion criteria was used to analyze ship motion.The program visually displayed the restricted region induced by the aircraft carrier's motion and non-restricted region with a polar plot.Based on the self-characteristics of aircraft the carrier's motion，the influence of each parameter on the takeoff and landing of carrier-based aircraft was analyzed item by item.The study presents the primary parameter restricting takeoff and landing for different wave directions.It also analyzes the sensitivity of motion on takeoff and landing.As such，it shows the optimization orientations clearly for improving the seakeeping capacity and enlarging the non-restricted region in the design process of aircraft carriers.

aircraft carrier；carrier-based aircraft；seakeeping capacity；restricted region

U661.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.005

2016-01-17網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-9-21 13:45

國家部委基金資助項目

晉文超，男，1985年生，博士，工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計

李鵬（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：艦船航行性能研究。

E-mail：lp0125@163.com