航母艦載機阻攔及起飛過程綜合控制

許允之， 王仁順， 張可馨

（中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

航空母艦對于我國維護海洋權益意義重大，其威懾力強、打擊范圍廣，我國已成為當今世界上少數(shù)能夠建造現(xiàn)代航母的強國，能夠較好地體現(xiàn)我國的國防水平［1］。艦載機承擔航母上的重要作戰(zhàn)任務，其起飛降落是目前航母上公認的危險系數(shù)最高的作業(yè)，研究艦載機的阻攔和起飛過程可以降低危險事故發(fā)生，同時有利于提升我國國防實力。

國內外均對艦載機攔阻降落和起飛過程進行了大量研究。西方國家早在20世紀50年代開始對阻攔索動力學特性進行了相關研究［2］，本世紀初美國便開始了對先進阻攔裝置的探究［3］。我國起步較晚，但發(fā)展迅速，取得的顯著的研究成果。張智等［4］將有限元方法引入阻攔索動力學，對阻攔索張力進行建模分析；張曉谞等［5］提出以阻攔電機的新型電磁阻攔裝置，并提出了基于轉矩的阻攔閉環(huán)控制，喻浩文等［6］對艦載機起飛過程建立部件級動力學模型，通過實驗對比驗證了模型的準確性。本文根據(jù)電磁理論對艦載機起飛和降落過程進行建模分析，建立了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)，對艦載機起飛、降落和復位過程進行綜合控制。

1 電磁阻攔索原理

1.1 電磁阻攔裝置系統(tǒng)構成

如圖1所示，電磁阻攔系統(tǒng)主要由阻攔索、感應塊、緩沖裝置、電感線圈、電源以及控制器等組成［7］。當艦載機降落時，忽略艦載機偏航，假設其鉤索處正好為阻攔索的中央位置，則艦載機受到來自阻攔索的力可認為大小相同且關于艦載機對稱，為簡化分析將艦載機看作為一個質點進行受力分析。

圖1 降落時電磁阻攔系統(tǒng)示意圖

1.2 電磁阻攔裝置建模

對艦載機進行受力分析，結合牛頓第二運動定律，其受力分析圖如圖2所示［8］，并且其中存在以下關系：

式中：Cx代表阻力系數(shù)；ρ代表空氣密度；S0代表機翼正投影面積；D代表空氣阻力方程。

圖2 艦載機受力分析圖

根據(jù)圖2可得：

當艦載機鉤到阻攔索并在航母上滑行時，由于滾動摩擦力較小可以忽略，令Ff＝0，則式（1）變?yōu)?/p>

結合空氣阻力方程可得：

根據(jù)能量守恒定律和安培力計算公式可以得到以下關系：

式中：v0表示艦載機的初始速度；M表示艦載機的質量；I0代表螺線管中的初始電流；L表示電感線圈電感值大小；N為電感線圈匝數(shù)；k為常數(shù)。

根據(jù)式（6）可得線圈供電電流

將其代入式（9）可得：

對式（10）兩邊積分可以得到：

2 艦載機降落過程仿真分析

2.1 艦載機降落過程相關參數(shù)

根據(jù)文獻［2］中艦載機建模使用的相關參數(shù)，本文選用與該型號艦載機相近的參數(shù)范圍進行研究，具體參數(shù)值如下：艦載機質量M＝20 t，飛機最小速度vmin＝5 m／s，飛機初始速度v0＝60 m／s，跑道中心線距滑輪距離X＝16 m，電感線圈值L＝5 H。

由于在艦載機阻攔降落過程中要求最后可靠停在航母跑道上，即vmin＝0，但在建模分析時忽略了摩擦力與空氣阻力等因素，為保證仿真結果更接近實際情況，假定飛機最小速度并不為零，而是取vmin＝5 m／s。但由于阻力等因素的存在，依然可以確保艦載機在安全攔停距離內可靠降落。

2.2 艦載機降落時電流與速度關系

由圖3可以得知，當電流取最大值，艦載機的速度為最小值時，電流變化率為最小；當電流變化率取最大值，艦載機的速度同時取得最大值時，電流值為零。由于飛機在剛剛著陸時其速度達到最大值，根據(jù)圖3需要電磁裝置提供一個最大的電流變化率來產(chǎn)生最大的電磁阻力，從而使艦載機做減速運動，并在可靠距離內滑行并最終停止在航母上。

圖3 電流與速度關系曲線

2.3 艦載機降落時電流與時間關系

為了便于利用控制器對電磁裝置電流進行控制，需要找到電流與時間的變化關系，根據(jù)式（11）可得：

代入

即可得到電流與時間的變化關系，代入相關參數(shù)，采用MATLAB軟件可得到兩者變化關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，艦載機降落時電流隨時間的變化曲線與電流隨速度變化曲線類似。

2.4 電流控制

采用Matlab軟件搭建Simulink電磁阻攔仿真模塊，其仿真模型如圖5所示，其中加速度輸入由斜坡輸入和積分環(huán)節(jié)組成。

圖4 電流與時間關系曲線

圖5 電磁阻攔控制回路仿真電路圖

改變不同的受控電壓信號形式，包括定值輸入、斜坡輸入以及加速度輸入形式，得到的電感線圈的電壓電流波形分別如圖6～8所示。

圖6 受控電壓源控制信號為定值

圖7 受控電壓源控制信號為斜坡給定

圖8 受控電壓源信號為加速度給定

根據(jù)上述3種電壓控制信號波形對應的電感線圈電流分析可知：所加電壓控制信號的電壓越大，其對應的電流變化率越大；所加電壓控制信號為加速度給定時，其后期電流變化率較好。

考慮到艦載機降落時開始需要提供巨大的電磁阻力，故應考慮加一個較大的控制信號電壓，并使其以2次或更高次形式迅速減小，以提供足夠的電磁阻力使艦載機平穩(wěn)停止。采用Simulink搭建模塊模擬艦載機降落時電流曲線，Simulink框圖以及仿真曲線分別如圖9、10所示。

2.5 復位過程

考慮到艦載機降落以后電磁感應塊降落到最頂部，為保證第2架艦載機的連續(xù)降落需要改變控制信號，依靠電磁力將磁鐵推到頂部初始位置，以保證承載多架艦載機的連續(xù)降落過程。

圖9 艦載機降落時模擬電流框圖

圖10 降落時電磁裝置電流示意圖

3 艦載機起飛過程仿真分析

3.1 艦載機起飛過程建模分析

與艦載機降落過程相對應，可以利用電磁發(fā)射裝置對艦載機進行彈射起飛，電磁彈射裝置系統(tǒng)組成示意圖如圖11所示。由于此時摩擦力等為阻力，選取初始速度為v0＝0，相比于阻攔降落過程建模分析，艦載機起飛時部分受力分析發(fā)生改變，此時重力和電磁力為艦載機起飛提供動力，由阻攔索帶動艦載機加速達到艦載機需要的發(fā)射速度，為了便于同降落過程對比，取發(fā)射速度等于降落時的初始速度，即v0＝60 m／s，同時應考慮航母航速、艦載機質量等不同參數(shù)情況下保證將艦載機發(fā)射出去［9］。

圖11 起飛時電磁彈射系統(tǒng)示意圖

對起飛時艦載機進行受力分析可得：

結合空氣阻力方程可得：

根據(jù)能量守恒定律可得電感線圈中供電電流：

同降落過程分析類比可得：

即

3.2 艦載機起飛時電流與速度關系

結合式（16）可以得到艦載機彈射起飛時電流和速度的關系曲線，如圖12所示。同圖3對比發(fā)現(xiàn)，艦載機起飛和降落時速度與電磁裝置電流兩者之間的關系變化規(guī)律相同。

3.3 艦載機起飛時電流與時間關系

將式（18）變換，同理可得到速度和時間的關系：

將式（19）代入式（16），即可得到艦載機彈射起飛時電流與時間的變化關系曲線，見圖13。

圖12 艦載機起飛時速度與電流關系圖

圖13 艦載機起飛時電流與時間關系圖

對比圖4和圖13可以發(fā)現(xiàn)，艦載機降落和彈射起飛時電流與時間關系不同，根據(jù)這兩者的區(qū)別需要采用不同的控制信號對電流進行控制。

3.4 電流控制

根據(jù)圖12中艦載機起飛時速度與電流兩者之間的關系，同時考慮到艦載機起飛時其速度是逐漸增大，因此需要在初始時刻加上電壓信號，然后調節(jié)可控電壓源使得電流值以2次或者更高次形式快速增大，從而確保艦載機在短時間內獲得足夠的前進推力，依靠電磁裝置實現(xiàn)艦載機的彈射起飛。

為實現(xiàn)上述過程考慮根據(jù)電流與時間曲線模擬電流信號，其Simulink仿真框圖如圖14所示，得到的電流曲線如圖15所示。

圖14 艦載機起飛時模擬電流框圖

圖15 起飛時電磁裝置電流示意圖

3.5 復位過程

考慮到艦載機起飛后電磁感應塊降落到最底部，為保證第2架艦載機的連續(xù)起飛需要利用控制系統(tǒng)，利用電磁力將感應塊推到頂部，完成復位，以保證承載多架艦載機的連續(xù)彈射起飛過程。

4 電磁裝置改進方案

4.1 電磁裝置靈敏度分析

航母進行艦載機的降落、起飛和復位過程是一項十分復雜的工作，需要考慮到不同艦載機沖索速度、艦載機不同型號、外界阻力干擾等多種復雜情況［10］，根據(jù)上述分析中發(fā)現(xiàn)艦載機起飛和降落過程原理類似，以艦載機降落過程為例，對相關參數(shù)進行靈敏度分析。

（1）不同初速度時仿真分析。考慮到艦載機在停落航母時初速度難以保證相同，當沖索速度不同時，電磁阻攔裝置需要提供的能量也不相同，采用的控制信號也需要相應調整［11］。選取艦載機的質量為20 t，初始速度分別為50和60 m／s進行仿真實驗，得到的速度隨時間的變化關系如圖16所示，其中速度與時間包圍的面積即為艦載機駛過的攔停距離。

由圖16可知，當艦載機的質量相同而沖索初速度不同時，雖然兩者速度降為零的時間幾乎相等，但艦載機的初速度越大，其速度降落過程的攔停距離也會越大；同時考慮到P＝Mv2／2，故初速度越大，艦載機具有的動能越大，電磁阻攔裝置需要提供更大的能量讓艦載機可靠停止，攔阻索承受的拉力也隨之增大，所以為保證艦載機的可靠降落，對艦載機的初始速度有一定的要求。

圖16 不同初速度時艦載機的速度和時間關系

（2）不同艦載機質量時仿真分析?？紤]到航母功能多樣性，同一艘航母會進行多種類型的艦載機起落，并且同一種類型的艦載機在載荷不同時其質量也不盡相等，因此需要考慮艦載機質量不同時對電磁阻攔裝置的影響。選取艦載機的初始速度為60 m／s，分別采用質量為18、20和22 t的艦載機進行仿真分析，得到的速度隨時間的變化關系如圖17所示。

由圖17可知，當以相同的艦載機沖索初速度，分別采用不同質量的艦載機阻攔時，可以發(fā)現(xiàn)艦載機的攔停距離受艦載機質量影響較小，并且后期的艦載機速度變化比較接近勻減速運動，既能快速將速度降為零，同時也能保證駕駛員的舒適度。同理根據(jù)P＝Mv2／2，故艦載機質量越大，艦載機具有的動能越大，電磁阻攔裝置需要提供更大的能量讓艦載機可靠停止，攔阻索承受的拉力也隨之增大，需要根據(jù)阻攔索承受的最大拉力等實際情況確定艦載機停靠的最大質量。

圖17 不同質量時艦載機的速度和時間關系

4.2 電磁裝置的優(yōu)化

由于考慮到不同型號艦載機、不同初始速度等復雜情況下的艦載機起飛、降落和復位過程，本文對控制器進行統(tǒng)一設計，不僅讓電磁裝置的電流可以調節(jié)，并且電感線圈的電感值也能在某個范圍內進行調節(jié)，以滿足不同情況下的需求，同時考慮到電磁兼容的問題，使電磁阻攔裝置得以進一步廣泛應用。

4.2.1 電磁兼容

由前面分析過程可知，艦載機主要包含起飛、降落和復位過程，并且這3種狀態(tài)下艦載機所處的電磁環(huán)境也不完全相同，其中當艦載機遠離航母時，電磁裝置對其影響相對較小；當艦載機起飛和降落過程時受到電磁影響較大，現(xiàn)代艦船雷達的輻射功率可產(chǎn)生高達10 kV／m的峰值場強，從而當艦載機經(jīng)過高場強區(qū)時會感應出大電壓和電流，易引發(fā)安全事故［12］。故電磁裝置設計時應該考慮提高艦載機屏蔽性能的措施，從而降低電磁裝置帶來的危害。

其中具體提高艦載機屏蔽性能的措施為：減小和控制艦面電磁環(huán)境，關鍵是艦載機起降航道區(qū)域的電磁環(huán)境；采用電磁屏蔽涂料提高艦載機抗電磁輻射能力，如采用化學鍍法設計艦載機機柜輕質門［13］。

4.2.2 可調電感實現(xiàn)方法

由于考慮到不同情況下的艦載機起飛、降落和復位過程，本文設計電感線圈的電感值也能在某個范圍內進行調節(jié)，從而防止電路電流過大而引起安全問題，以滿足不同情況下的安全需求。

（1）改變電感自身可變參數(shù)?？紤]到鐵心電抗器中電磁材料的磁導率遠遠大于空氣的磁導率，所以計算時整個磁路的磁阻可以忽略電磁材料的磁阻，鐵心電抗器的電感值計算公式為［14］：

式中：μ0為空氣磁導率；Rm為磁路中的磁阻；Rm0為氣隙中的磁阻；N為線圈匝數(shù)；S0是氣隙的等效導磁面積；l0為鐵心電抗器磁路中氣隙長度。所以除了通過調節(jié)電感線圈匝數(shù)可調節(jié)電感值外，還可以通過調節(jié)電抗器磁路的磁阻可以實現(xiàn)對電感值大小的改變。

（2）采用外電路控制改變電感值。采用晶閘管（SCR）與固定參數(shù)的電抗器串聯(lián)，然后通過控制晶閘管導通角來控制流過電抗器的電流，從而等效為對電感值進行控制，其中晶閘管控制的電抗器電路圖如圖18 所示［15］。

圖18 晶閘管控制電抗器電路圖

4.2.3 閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)設計

為保證不同艦載機型號、艦載機在載重不同、存在摩擦力和空氣阻力等干擾多種復雜情況下依然可以按照設定的速度進行起飛和降落，本文設計了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)。其中控制器可以調節(jié)電磁裝置中電流大小和線圈電感大?。粰z測裝置可以將艦載機的速度數(shù)據(jù)實時反饋給控制器進行比較，結合控制算法實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差控制，同時可以檢測感應塊的位置在起飛和降落過程后進行復位操作，以保證多架艦載機的連續(xù)起飛和降落（見圖19）。由于閉環(huán)綜合電磁裝置系統(tǒng)的準確性和抗干擾性比較強，同時利用先驗概率更新規(guī)則可以進一步提升閉環(huán)系統(tǒng)的檢測性能［16］，能夠滿足復雜情況下的多種需求。

圖19 閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)結構框圖

5 結 語

本文根據(jù)電磁理論對艦載機起飛和降落過程進行建模分析，結合受控電壓源模擬對電感線圈電流進行控制，根據(jù)建模分析得到了電流隨時間的變化關系，可以作為后續(xù)閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)的給定信號，并針對艦載機質量和初始速度的改變對電磁裝置參數(shù)進行靈敏性分析，探究保證艦載機可靠完成降落以及起飛過程，考慮到多種復雜情況下艦載機依然可以可靠進行起飛和降落，為增強系統(tǒng)的準確性和抗干擾能力，建立了閉環(huán)綜合電磁裝置控制系統(tǒng)。

由于本文對艦載機降落和起飛建模過程中的分析忽略了摩擦力和空氣阻力，艦載機運行過程偏離中心線，滑輪的運動過程等諸多因素，故仿真的結果需要進一步修正以貼合實際情況，還需要繼續(xù)分析與完善。