菲涅爾助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性影響

屈程+鄒鑫+王鵬

摘 要：研究了菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載飛機(jī)著艦安全性的影響。闡述了光學(xué)助降系統(tǒng)控制律的工作機(jī)理，采用白噪聲通過(guò)成形濾波器的方法建立了甲板運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)模型，針對(duì)不同海況條件，仿真分析了線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性的影響。結(jié)果表明：采用線穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律在平穩(wěn)和惡劣海況條件都能保證較好的著艦安全性；采用慣性穩(wěn)定方式控制律在平穩(wěn)海況條件能保證相對(duì)較好的著艦安全性，但在惡劣海況條件著艦成功率僅能達(dá)到59%，不能保證著艦安全性。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；助降系統(tǒng)控制律；線穩(wěn)定；慣性穩(wěn)定；著艦安全性

中圖分類號(hào)：V212.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0017-03

艦載飛機(jī)的著艦比陸基飛機(jī)的著陸更加困難和危險(xiǎn)，到目前為止，菲涅爾光學(xué)著艦助降系統(tǒng)依然是艦載飛機(jī)著艦引導(dǎo)最終階段的最基本手段[1]。在航母隨海浪的搖晃和振蕩運(yùn)動(dòng)下，菲涅爾助降系統(tǒng)發(fā)出的光波束也隨之運(yùn)動(dòng)，使光學(xué)下滑道發(fā)生變化，進(jìn)而引起理想著艦點(diǎn)的位置變化，這會(huì)導(dǎo)致較大的著艦偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至造成著艦失敗。菲涅爾助降系統(tǒng)控制律能夠根據(jù)甲板運(yùn)動(dòng)的信息，按一定的規(guī)律控制下滑道光波束運(yùn)動(dòng)，使光波束相對(duì)于甲板運(yùn)動(dòng)盡可能穩(wěn)定，從而增加著艦成功率[2]，因此，研究菲涅爾光學(xué)著艦助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載飛機(jī)著艦安全性的影響，對(duì)于保證艦載機(jī)飛行安全具有非常重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于艦載機(jī)著艦安全性的研究，主要集中在航母運(yùn)動(dòng)[3-5]以及航母艦尾流[6-8]的影響方面，而關(guān)于菲涅爾光學(xué)著艦助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載飛機(jī)著艦安全性影響的研究還比較少見(jiàn)。本文在對(duì)比分析不同光學(xué)著艦助降系統(tǒng)控制律的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論，采用白噪聲通過(guò)成形濾波器的方法建立了甲板運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)模型，針對(duì)平穩(wěn)海況和惡劣海況兩種條件，仿真并分析了采用不同助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性的影響。

1 菲涅爾助降系統(tǒng)控制律

菲涅爾光學(xué)著艦助降系統(tǒng)控制律能夠在慣性空間為飛行員提供一條相對(duì)于艦體穩(wěn)定的光波束，主要包括角穩(wěn)定、點(diǎn)穩(wěn)定、線穩(wěn)定、慣性穩(wěn)定四種方式[1]。角穩(wěn)定和點(diǎn)穩(wěn)定方式雖然能夠保證理想著艦點(diǎn)不變，但是會(huì)在著艦過(guò)程中給飛行員操縱飛機(jī)帶來(lái)很大的困難，因此，這兩種方式已經(jīng)很少使用。目前四種方式中使用較為廣泛的是線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式：

線穩(wěn)定方式是指在慣性空間內(nèi)保持光波束相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)一定的規(guī)律控制菲涅爾燈箱的運(yùn)動(dòng)，保證光波束不受航母甲板俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，只隨甲板的垂蕩運(yùn)動(dòng)而垂直運(yùn)動(dòng)，且垂蕩幅度與航母保持一致。

慣性穩(wěn)定方式是指在慣性空間內(nèi)保持光波束絕對(duì)的穩(wěn)定，通過(guò)光學(xué)助降系統(tǒng)控制律保證光波束不受甲板運(yùn)動(dòng)的影響。

通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式的不同之處在于是否對(duì)航母甲板的沉浮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償，本文針對(duì)線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定兩種方式助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性的影響開(kāi)展研究。

2 甲板運(yùn)動(dòng)隨機(jī)模型

助降系統(tǒng)控制律的核心是利用光波束對(duì)甲板的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，因此，精確模擬甲板運(yùn)動(dòng)對(duì)于研究助降系統(tǒng)控制律對(duì)著艦安全性的影響非常有必要。如圖1所示，航母六自由度運(yùn)動(dòng)包括橫蕩、垂蕩、縱蕩、艏搖、橫搖和縱搖，在風(fēng)、海況以及航母本身狀態(tài)等因素的共同作用下，甲板運(yùn)動(dòng)具有很高的復(fù)雜性。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)采用正弦波疊加的方式建立了確定性的甲板運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，但實(shí)際上甲板運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，不能采用確定性的函數(shù)描述[9]，針對(duì)確定性的甲板運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的不足，本文采用白噪聲通過(guò)成形濾波器的方法建立了甲板運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)模型。

根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論，如果產(chǎn)生隨機(jī)現(xiàn)象的條件在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯變化，就可以把一個(gè)隨機(jī)過(guò)程看成平穩(wěn)的。由于航空母艦具有很大的尺寸和重量，在艦載機(jī)著艦這一短暫的過(guò)程中產(chǎn)生甲板隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的條件不會(huì)發(fā)生明顯變化，因此甲板運(yùn)動(dòng)可以視為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

如圖2所示，如果一個(gè)線性定常系統(tǒng)的輸入x（t）是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，那么經(jīng)過(guò)線性傳遞函數(shù)G（s）后的輸出y（t）也是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

3 理想著艦點(diǎn)處高度偏差

艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處的高度偏差是影響著艦精度和安全的重要因素之一[5]，該偏差的理想值范圍是-2.493～4.986ft，允許值范圍是-4.986～10.004ft，當(dāng)該偏差小于允許值的最小值時(shí)會(huì)造成艦載機(jī)提前撞艦，當(dāng)該偏差大于允許值的最大值時(shí)會(huì)造成艦載機(jī)鉤鎖脫掛[3]。因此，本文重點(diǎn)分析線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定兩種方式助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處高度偏差的影響。

圖3給出了艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處高度偏差示意圖，其中，ha為飛行員眼睛到基準(zhǔn)光波束的垂向距離，RTD為理著艦點(diǎn)與菲涅爾透鏡之間的水平距離，β0為光基準(zhǔn)下滑波束角， 為艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處的實(shí)際高度，h？墜？壯D航母甲板在海浪作用下會(huì)發(fā)生搖蕩運(yùn)動(dòng)，此時(shí)理想著艦點(diǎn)的高度為hTD，艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處的高度偏差△hTD為：

在艦載機(jī)著艦過(guò)程中，飛機(jī)需要跟蹤光波束的運(yùn)動(dòng)hb，當(dāng)飛機(jī)跟上光波束后，有ha=hb，這樣（4）式可以改寫(xiě)為：

其中，hs為甲板的垂蕩幅度，？茲s和？漬s航母甲板的縱搖角和橫搖角，LTD為理想著艦點(diǎn)距離航母俯仰中心的水平距離，YTD為理想著艦點(diǎn)距離航母滾轉(zhuǎn)軸的水平距離。

4 仿真分析

仿真分析了線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定兩種方式菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性的影響，LTD=286ft，H/E=14.5ft，RTD=275ft，β0=3.5°，在航母六自由度搖蕩中，縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)理想著艦點(diǎn)高度變化的影響最大[3]，因此，本文重點(diǎn)研究航母甲板的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)影響。文獻(xiàn)[10]給出了平穩(wěn)海況和惡劣海況下航母甲板縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)：

甲板隨機(jī)運(yùn)動(dòng)采用白噪聲通過(guò)成型濾波器的方法仿真實(shí)現(xiàn)，仿真條件設(shè)置為：有限帶寬白噪聲隨機(jī)種子數(shù)為81262，噪聲功率譜密度為1，采樣時(shí)間為0.1s，仿真算法采用固定步長(zhǎng)歐拉法。圖4給出了平穩(wěn)海況分別采用線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律時(shí)理想著艦點(diǎn)的高度偏差，觀察圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，采用線穩(wěn)定方式理想著艦點(diǎn)的高度偏差幾乎全部處于理想偏差區(qū)，在30s的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)入允許偏差區(qū)的時(shí)間為0.9s，占總仿真時(shí)間的3%，一般不會(huì)造成提前撞艦或鉤索脫掛的危險(xiǎn)；觀察圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，采用慣性穩(wěn)定方式理想著艦點(diǎn)的高度偏差全部處于理想偏差區(qū)，同樣不會(huì)出現(xiàn)鉤索脫掛或提前撞艦的情況。endprint

圖5給出了惡劣海況分別采用線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律時(shí)理想著艦點(diǎn)的高度偏差。觀察圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，在惡劣海況下采用線穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律能夠保證較好的著艦成功率，理想著艦點(diǎn)的高度偏差在30s仿真時(shí)間內(nèi)僅有2.3s進(jìn)入了允許偏差區(qū)，占總仿真時(shí)間的7.67%，不會(huì)引起鉤索脫掛或提前撞艦的危險(xiǎn)；觀察圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)，采用慣性穩(wěn)定方式理想著艦點(diǎn)的高度偏差進(jìn)入提前撞艦區(qū)和鉤索脫掛區(qū)的時(shí)間分別為5.3s和7s，分別占總仿真時(shí)間的17.67%和23.3%，惡劣海況下，在30s仿真時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)艦載機(jī)著艦成功率僅為59%，按照規(guī)范要求，著艦成功的概率至少應(yīng)在65%以上，因此，惡劣海況下采用慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律不能滿足艦載機(jī)著艦安全性的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)平穩(wěn)海況和惡劣海況條件，仿真分析了采用線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)控制律對(duì)艦載機(jī)著艦安全性的影響，主要結(jié)論如下：（1）本文方法能夠模擬不同海況條件采用不同方式助降系統(tǒng)控制律時(shí)艦載機(jī)在理想著艦點(diǎn)處的高度偏差。（2）艦載機(jī)在平穩(wěn)海況條件下著艦時(shí)，采用線穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律都能夠保證相對(duì)較高的著艦安全性，可以優(yōu)先選擇飛行員操縱負(fù)擔(dān)相對(duì)較輕的慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律引導(dǎo)飛行員著艦。（3）艦載機(jī)在惡劣海況條件下著艦時(shí)，采用線穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律能夠保證相對(duì)較高的著艦安全性，采用慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律著艦成功率相對(duì)較低，盡管飛行員能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及著艦指揮官的指令及時(shí)作出調(diào)整以提高著艦成功率，但并不能完全保證艦載機(jī)著艦的安全性，因此，惡劣海況條件下應(yīng)盡量避免采用慣性穩(wěn)定方式助降系統(tǒng)控制律進(jìn)行艦載機(jī)著艦引導(dǎo)。

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