下滑指示器在艦船搖擺過(guò)程中的位移變化分析?

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

艦載直升機(jī)以艦船為基地在海上執(zhí)行任務(wù)，由于艦船甲板面積有限，為確保艦載直升機(jī)在夜間或白天低能見(jiàn)度的情況下順利返航、并在甲板平臺(tái)安全降落，國(guó)內(nèi)外搭載直升機(jī)的多數(shù)艦船都在艦船后部機(jī)庫(kù)和甲板平臺(tái)配備了直升機(jī)著艦引導(dǎo)助降裝置，目前使用最多的是法國(guó)研制的直升機(jī)助降燈光系統(tǒng)，其中下滑橫搖指示系統(tǒng)是核心燈光助降裝置。

隨著艦載直升機(jī)使用條件日漸復(fù)雜，在特殊條件下，尤其是邊界海況條件下，裝備的下滑指示器會(huì)隨艦艇搖擺產(chǎn)生較大位移，造成燈光失準(zhǔn)，對(duì)直升機(jī)著艦造成不利影響［1］。本文以下滑指示器為分析對(duì)象，結(jié)合艦船運(yùn)動(dòng)特性，建立了燈光位移與艦艇縱橫搖角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)仿真計(jì)算手段，對(duì)燈光位移進(jìn)行量化。

2 下滑指示器工作原理簡(jiǎn)介

圖1 下滑指示器工作原理框圖示意圖

下滑指示器是下滑系統(tǒng)的主要組成部分，是在夜間或低能見(jiàn)度時(shí)引導(dǎo)直升機(jī)以正確的航向和下滑角安全返航的信號(hào)裝置。其工作原理為：實(shí)時(shí)接收艦上導(dǎo)航信息，通過(guò)在空中形成紅、綠、黃三色光帶向飛行員提供直升機(jī)下滑的正確軌跡，下滑引導(dǎo)光束能在直升機(jī)偏離下滑軌道時(shí)，通過(guò)不同顏色的光束能對(duì)駕駛員起到警示作用，同時(shí)下滑指示器根據(jù)艦艇橫搖縱搖信息調(diào)整內(nèi)部伺服裝置，使下滑燈帶不隨艦艇搖擺而產(chǎn)生位移。

工作流程圖如圖1所示。

3 位移量化分析

以某型艦艇下滑指示器為例，下滑引導(dǎo)光束的水平張角為30°，軸線(xiàn)兩側(cè)各為15°，下滑引導(dǎo)光束呈扇形，垂直張角為14°。黃光區(qū)的垂直張角為8°，紅光區(qū)的垂直張角為4°，其上界面與水平面成3°，下界面與水平面成-1°；綠光區(qū)的垂直張角為2°；其軸線(xiàn)與水平面成4°［2］。燈帶示意圖如圖2所示。

圖2 下滑指示器燈帶示意圖

圖中，Q點(diǎn)為直升機(jī)所在位置，距離起降平臺(tái)著艦區(qū)距離為L(zhǎng)，Q點(diǎn)所在處綠色光帶的高度為H，由于綠色光帶的寬度較小，僅為2°，H大小可近似為以L(fǎng)為半徑，P點(diǎn)為圓心的圓弧長(zhǎng)即：，通常直升機(jī)下滑指示器的作用距離為夜間大于3n mail，到達(dá)距離艦艉100m后通過(guò)橫搖指示器進(jìn)行引導(dǎo)著艦，因此L變化范圍在100m～3n mail之間，可以求得 H的變化范圍在3.49m～192m之間，即距離母艦越近，燈帶的高度度越窄。同理可以求得下滑指示器燈帶的寬度變化范圍為52m～2907m。

直升機(jī)下滑時(shí)，俯角相對(duì)大地是固定的，因此要求下滑指示器發(fā)出的引導(dǎo)光束在空間也是穩(wěn)定的，但由于艦體的結(jié)構(gòu)形式及使用要求的限制，下滑指示器的實(shí)船安裝位置一般不在母艦的搖擺中心，而是位于機(jī)庫(kù)門(mén)左側(cè)上方，如圖3所示。下滑指示器伺服系統(tǒng)雖能使下滑引導(dǎo)光束相對(duì)大地保持水平，但無(wú)法消除因下滑指示器安裝位置偏離艦船搖擺軸心而產(chǎn)生的下滑引導(dǎo)光束在空間的位移。

圖3 下滑指示器安裝位置圖

為分析艦艇橫縱搖對(duì)下滑指示光束帶來(lái)的影響，建立坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，當(dāng)艦艇靜止時(shí)，艦船穩(wěn)心為O點(diǎn)，艦艇縱搖軸方向?yàn)閄軸，橫搖軸方向?yàn)閅軸，按照右手定則Z軸垂直于XOY平面向上［3］，坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 建立坐標(biāo)系示意圖

設(shè)定下滑指示器的初始位置坐標(biāo)為P(x0，y0，z0)，實(shí)際航行過(guò)程中，橫搖與縱搖是同時(shí)存在的，艦艇產(chǎn)生橫縱搖時(shí)，下滑指示器實(shí)際位置坐標(biāo)為位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 艦艇橫縱搖帶來(lái)的燈光位移圖

Δx-艦艇橫搖在縱搖軸方向產(chǎn)生的位移；Δy-艦艇縱搖在橫搖軸方向產(chǎn)生的位移；Δz-艦艇縱橫搖在垂直方向上產(chǎn)生的位移和。

若在某一時(shí)刻艦艇的橫搖角度為θ，縱搖角度為β，由于橫搖與縱搖是相互獨(dú)立，因此，為分析下滑指示器在某時(shí)刻的位移，現(xiàn)對(duì)艦艇運(yùn)動(dòng)進(jìn)行橫搖方向和縱搖方向分解，分別分析。

1）橫搖帶來(lái)的下滑指示器的位移

為分析橫搖位移，建立如下坐標(biāo)系，以艦船橫搖中心為原點(diǎn)Oh，橫搖軸方向?yàn)閅h，縱搖軸方向?yàn)?Xh，垂直 XhOhYh平面向上為Zh。

圖6 艦艇橫搖帶來(lái)的燈光位移示意圖

如圖6，艦艇在橫搖過(guò)程中下滑指示器位置由P移至P1，圖中各參數(shù)如下：

θ為艦艇橫搖角度，即∠P1O1P；a為P點(diǎn)與艦艇橫搖軸間的水平距離；b為P點(diǎn)與艦艇橫搖軸間的垂直距離。

Δz1-艦艇橫搖導(dǎo)致的下滑指示器在垂直方向上的位移。

2）縱搖帶來(lái)的下滑指示器的位移

圖7 艦艇縱搖帶來(lái)的燈光位移示意圖

如圖7，艦艇在橫搖后再進(jìn)行縱搖，過(guò)程中下滑指示器位置由P1移至P'，圖中OzXZYZZZ坐標(biāo)系是艦艇經(jīng)歷橫搖后，以縱搖中心為原點(diǎn)Oz，艦艇縱搖軸方向?yàn)閄z軸，橫搖軸方向?yàn)閅z軸，垂直于OzXZYZ平面向上為ZZ軸，建立的坐標(biāo)系，各參數(shù)如下：

β為艦艇縱搖角度，即∠P1O2P'；c為下滑指示器與艦艇縱搖軸間的水平距離；d為下滑指示器與艦艇縱搖軸間的垂直距離；Δz2為艦艇橫搖導(dǎo)致的下滑指示器在ZZ軸方向上的位移。將下滑指示器在OzXZYZZZ中的位移轉(zhuǎn)換至OXYZ坐標(biāo)系，有以下關(guān)系：

通過(guò)上述理論計(jì)算公式可以看出，驅(qū)護(hù)艦下滑指示器產(chǎn)生的位移是與橫搖角度、縱搖角度、艦艇橫搖軸位置、艦艇縱搖軸位置有關(guān)的物理量，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，形成定量分析數(shù)據(jù)圖，并以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展下一步解決影響位移的方法的研究。

分析圖8～圖10，可以看出，由于橫搖引起的橫向位移在4m之內(nèi)，由于縱搖引起的艏向位移不足1m，二者相對(duì)于燈帶52m～2907m的寬度范圍來(lái)說(shuō)影響較小。由于橫縱搖引起的垂直方向位移范圍在3m左右，相對(duì)于綠色燈帶3.49m～192m的高度范圍，影響較大，尤其在直升機(jī)接近艦艇時(shí)，大角度的橫縱搖產(chǎn)生的垂向位移已接近于綠色燈帶的高度，造成的影響越發(fā)明顯，即使飛行員在下滑過(guò)程中處于正確的下滑通道中，在最后進(jìn)近階段，也可能會(huì)由于艦船搖擺導(dǎo)致原本觀(guān)察到的綠色燈光變?yōu)榧t色或黃色，造成飛行員的判斷失誤，對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行錯(cuò)誤調(diào)整，影響著艦效率，甚至造成著艦事故。

圖8 下滑指示器橫向位移隨橫搖角度變化曲線(xiàn)

圖9 下滑指示器艦艏向位移隨縱搖角度變化曲線(xiàn)

圖10 下滑指示器垂直位移隨橫縱搖角度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了當(dāng)前裝備于艦船上的下滑指示器存在的燈光偏移問(wèn)題。為進(jìn)一步明確偏移的位移量大小，文中采用數(shù)學(xué)建模方法，通過(guò)矢量分解，分別建立燈光在艦船橫向、艏向、垂向的位移與艦船橫縱搖角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，繪制出燈光位移與艦船橫縱搖角度對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線(xiàn)。文中所得結(jié)果，為解決今后下滑指示器燈光位移問(wèn)題提供理論計(jì)算依據(jù)，建議在今后，利用所得結(jié)果，通過(guò)調(diào)整燈光使用方法或改進(jìn)下滑指示器結(jié)構(gòu)等手段，消除下滑指示器位移帶來(lái)的不利影響。