艦載機(jī)著艦下滑道指示一致性分析

杜亞杰，趙建軍，楊利斌

(海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001)

艦載機(jī)在著艦的最后階段，主要靠中線相機(jī)為著艦指揮官提供的十字線圖像信息以及光學(xué)助降裝置為飛行員提供的光學(xué)下滑道指示信息進(jìn)行著艦[1-3]。只有在兩種設(shè)備精確一致地引導(dǎo)和著艦指揮官準(zhǔn)確地指揮下，艦載機(jī)才能在航母上安全地完成著艦[4-6]。但是，由于航母長(zhǎng)時(shí)間在海上遂行軍事任務(wù)，以及設(shè)備老化、零位漂移等因素，系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)和引導(dǎo)精度將會(huì)發(fā)生變化[7-8]。為了保證系統(tǒng)的可靠性和精確性，必須加強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)控制，適時(shí)地對(duì)系統(tǒng)中各引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校[9-10]。

一般來(lái)說(shuō)，逐個(gè)測(cè)量單一引導(dǎo)設(shè)備的引導(dǎo)精度，只要各自的精度在系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)，就不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校[11]。但是，也會(huì)出現(xiàn)引導(dǎo)不一致的情況。比如，中線相機(jī)指示艦載機(jī)飛行偏低，而飛行員看到的光學(xué)助降裝置所給出的下滑道光束顯示自己飛行偏高，出現(xiàn)引導(dǎo)不一致的現(xiàn)象，給飛行員造成巨大的心理壓力，容易造成著艦安全事故。本文提出一種基于下滑道指示一致性的指標(biāo)，可作為是否需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校的一個(gè)依據(jù)。

1 “肉球”偏移與飛機(jī)下滑偏移之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖1 下滑偏差角與下滑偏移的幾何關(guān)系

在進(jìn)場(chǎng)著艦時(shí)，飛行員能看見(jiàn)“肉球”在燈室表面隨飛機(jī)對(duì)理想下滑道的偏移而平滑地上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)飛機(jī)在理想下滑道上時(shí)，飛行員看見(jiàn)“肉球”與燈室兩邊的水平基準(zhǔn)光條在同一高度。當(dāng)飛機(jī)高于理想下滑道時(shí)，飛行員看見(jiàn)“肉球”在水平基準(zhǔn)光條的上方。當(dāng)飛機(jī)低于理想下滑道時(shí)，飛行員看見(jiàn)“肉球”在水平基準(zhǔn)光條的下方[13]。

根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出飛機(jī)相對(duì)于理想下滑道的偏移ha和“肉球”相對(duì)水平基準(zhǔn)光條的偏移d之間的關(guān)系。

在圖1中，O點(diǎn)表示虛像位置，虛像的位置低于水平基準(zhǔn)光條所在的水平面。F點(diǎn)表示水平基準(zhǔn)燈位置，它們之間的水平距離為L(zhǎng)。A點(diǎn)表示飛行員眼睛，B點(diǎn)是光基準(zhǔn)下滑線與經(jīng)過(guò)飛行員眼睛的垂直水平的交點(diǎn)，C點(diǎn)為過(guò)A點(diǎn)的垂直平面和O點(diǎn)所在位置的水平面的交點(diǎn)，D點(diǎn)為過(guò)A點(diǎn)的垂直平面和甲板水平面的交點(diǎn)，OC=Rx，CD=Δh，d表示“肉球”偏移量，β0表示飛機(jī)理想的下滑角，β表示飛機(jī)的實(shí)際下滑角，兩個(gè)角度之間的差即為下滑偏差角e。

下滑偏差角e和偏移量d之間的關(guān)系為：

(1)

由于

(2)

式(2)中下滑基準(zhǔn)角β0較小，因此e+β0也是一個(gè)較小的角度，故可做近似處理得：

因此可得：

B3={{1,3,4},{1,3,5},{1,4,5},{2,3,4},{2,3,5},{2,4,5},{3,4,5},{1,2,3,4},{1,2,3,5},

(3)

可推導(dǎo)出偏移量ha和d的關(guān)系為：

(4)

經(jīng)過(guò)仿真，下滑偏移量ha與“肉球”偏移量d以及艦載機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 下滑偏移量與“肉球”偏移量以及艦載機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離關(guān)系圖

由式(4)可以看出，當(dāng)Rx較大時(shí)，即使是較小的“肉球”偏移量d，也會(huì)引起比較大的下滑偏移ha，飛行員應(yīng)操縱駕駛桿調(diào)節(jié)飛行高度；但是，隨著Rx不斷減小，較小的下滑偏移ha可能出現(xiàn)較大的“肉球”偏移量d，飛行員也察覺(jué)到較大的視差角a，飛行員應(yīng)謹(jǐn)慎操作，不要采取大幅度校正，應(yīng)根據(jù)著艦指揮官的指示決定是否進(jìn)行復(fù)飛[14]。

2 光學(xué)助降裝置誤差影響分析

艦載機(jī)如果按照基準(zhǔn)下滑道下滑，則尾鉤便可成功勾住阻攔索。但是假如光學(xué)助降裝置存在一定偏差時(shí)，會(huì)造成“肉球”偏離基準(zhǔn)位置，而“肉球”的偏移同時(shí)也表現(xiàn)在當(dāng)飛機(jī)著艦時(shí)，實(shí)際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的偏差。

由圖1可知，F(xiàn)F′即為著艦點(diǎn)偏差。根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系得：

假設(shè)飛機(jī)按照某一給定基準(zhǔn)下滑角下滑，則光學(xué)助降裝置的誤差對(duì)著艦點(diǎn)偏差的影響如圖3所示。

圖3 光學(xué)助降裝置誤差對(duì)著艦點(diǎn)偏差的影響

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以得出，隨著下滑偏差角的增大，實(shí)際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的偏差越來(lái)越大。當(dāng)“肉球”偏高時(shí)，實(shí)際著艦點(diǎn)在理想著艦點(diǎn)前方；偏低時(shí)，實(shí)際著艦點(diǎn)在理想著艦點(diǎn)后方。按照著艦引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)助降裝置單個(gè)設(shè)備提出的精度指標(biāo)要求，結(jié)合圖3仿真結(jié)果，當(dāng)著艦偏差不滿足系統(tǒng)允許的誤差時(shí)，需要對(duì)光學(xué)助降裝置進(jìn)行標(biāo)校。

3 中線相機(jī)誤差影響分析

中線相機(jī)位于斜甲板跑道中線上，其主要功能是向著艦指揮官提供直觀的艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)下滑道的視頻信息，同時(shí)可以得到艦載機(jī)的角度信息。

在最后著艦階段，中線相機(jī)起著至關(guān)重要的作用，它對(duì)艦載機(jī)是否對(duì)準(zhǔn)跑道中線以及是否在理想著艦下滑道上直接產(chǎn)生影響，進(jìn)而最終影響艦載機(jī)的安全著艦。中線相機(jī)的指示誤差對(duì)艦載機(jī)下滑道產(chǎn)生的下滑偏移量如圖4所示。

圖4 中線相機(jī)指示誤差示意圖

圖4中B為理想下滑道上的空間點(diǎn)，β0是理想下滑角，α是沿理想下滑道上的中線相機(jī)的測(cè)量角度；S是理想著艦點(diǎn)與中線相機(jī)之間的距離，R是空間點(diǎn)B與理想著艦點(diǎn)之間的水平距離；D是過(guò)B點(diǎn)的垂面與斜角甲板中線的交點(diǎn)。當(dāng)中線電視存在測(cè)量偏差角δ時(shí)，中線電視測(cè)量的目標(biāo)位置會(huì)有偏差，即A點(diǎn)是中線相機(jī)存在誤差時(shí)，在當(dāng)前距離上的指示點(diǎn)，AB即為相機(jī)的指示誤差對(duì)艦載機(jī)下滑道產(chǎn)生的下滑偏移量。

下面給出中線相機(jī)偏差和由此產(chǎn)生的艦載機(jī)下滑偏移量之間的關(guān)系，有：

Rtanβ0=(R+S)tanα

AB=(R+S)tan(α+δ)-Rtanβ0

經(jīng)過(guò)計(jì)算，中線相機(jī)的指示偏高時(shí)，在不同距離上產(chǎn)生的下滑偏移量如圖5所示。

圖5 距離、中線相機(jī)指示誤差與下滑偏差量的關(guān)系圖

由圖5可以看出，當(dāng)艦載機(jī)距離理想著艦點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，即使中線相機(jī)的指示偏差較小，也會(huì)引起比較大的下滑偏移量；隨著艦載機(jī)不斷接近理想著艦點(diǎn)，當(dāng)中線相機(jī)指示偏差引起的下滑偏移量不滿足系統(tǒng)允許的誤差時(shí)，需要對(duì)中線相機(jī)進(jìn)行標(biāo)校。

4 下滑道指示一致性分析

艦載機(jī)著艦最后階段主要依靠飛行員的目視能力，也就是飛行員依靠“肉球”控制飛機(jī)按照下滑道指示進(jìn)行著艦。但是系統(tǒng)中的引導(dǎo)設(shè)備可能會(huì)因?yàn)樽陨淼恼`差，導(dǎo)致指示不一致的現(xiàn)象?？赡軙?huì)出現(xiàn)飛行員看到“肉球”偏高，需要向下調(diào)整飛行，但是中線相機(jī)指示艦載機(jī)飛行偏低，著艦指揮官根據(jù)中線相機(jī)提供的引導(dǎo)信息要求飛行員抬高，出現(xiàn)引導(dǎo)不一致的現(xiàn)象，給飛行員造成巨大的心理壓力，容易造成著艦安全事故。因此，可以將飛行員看到的“肉球”偏移作為光學(xué)助降裝置和中線相機(jī)兩型設(shè)備下滑道指示一致性的指標(biāo)[15]。

利用本文第3節(jié)得到的中線相機(jī)的指示誤差引起的艦載機(jī)下滑偏移量，結(jié)合第1節(jié)“肉球”偏移和下滑偏移的關(guān)系來(lái)推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的“肉球”偏移量，并與光學(xué)助降裝置指示誤差引起的“肉球”偏移量作對(duì)比，對(duì)著艦下滑道指示一致性進(jìn)行分析。圖6為光學(xué)助降裝置和中線相機(jī)下滑道指示一致性示意圖。

圖6中B為理想下滑道上的空間點(diǎn)，β0是理想下滑角，α是沿理想下滑道上的中線相機(jī)的測(cè)量角度；S是理想著艦點(diǎn)與后中線相機(jī)之間的距離，R是空間點(diǎn)B與理想著艦點(diǎn)之間的水平距離；D是過(guò)B點(diǎn)的垂面與斜角甲板中線的交點(diǎn)。當(dāng)中線電視存在測(cè)量偏差角δ時(shí)，中線相機(jī)測(cè)量的目標(biāo)位置會(huì)有偏差，即A點(diǎn)是中線相機(jī)存在誤差時(shí)，在當(dāng)前距離上的指示點(diǎn)，AB即為相機(jī)的指示誤差對(duì)艦載機(jī)下滑道產(chǎn)生的下滑偏移量。O是光學(xué)助降裝置中光學(xué)下滑道的虛像的位置，L是虛像到理想著艦點(diǎn)的距離，h為虛像下移高度。若飛行員根據(jù)中線相機(jī)提供的信息對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操作著艦，d為飛行員看到的肉球偏移量。

圖6 下滑道指示一致性示意圖

當(dāng)沿著基準(zhǔn)下滑道下滑時(shí)，存在如下關(guān)系：

Rtanβ0=(S+R)tanα

當(dāng)中線相機(jī)存在測(cè)量誤差時(shí)，根據(jù)圖6中的幾何關(guān)系得：

(R+L)tan(β0+e)=(S+R)tan(α+δ)+h

由此可以計(jì)算出當(dāng)前飛行員在當(dāng)前位置上的光學(xué)助降裝置的指示偏差，從而得到當(dāng)前飛行員可以看到的肉球偏移量。

圖7給出了不同的中線相機(jī)指示誤差，在不同距離上產(chǎn)生的肉球偏移量。

圖7 中線相機(jī)指示誤差與不同距離肉球偏移量的關(guān)系圖

中線相機(jī)指示誤差和光學(xué)助降裝置的引導(dǎo)誤差，可以用艦載機(jī)飛行員看到的“肉球”偏差來(lái)綜合反映出來(lái)。當(dāng)“肉球”的偏差量對(duì)飛行員產(chǎn)生足夠大的心里負(fù)擔(dān)時(shí)，即使這兩型設(shè)備的誤差均在系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)，也建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校，以免引發(fā)安全事故。

5 結(jié)論

很大程度上，艦載機(jī)的安全著艦依賴于著艦引導(dǎo)系統(tǒng)中各引導(dǎo)設(shè)備精確地指示引導(dǎo)。當(dāng)引導(dǎo)設(shè)備出現(xiàn)偏差時(shí)會(huì)對(duì)艦載機(jī)著艦造成影響。本文針對(duì)光學(xué)助降裝置和中線相機(jī)產(chǎn)生引導(dǎo)偏差時(shí)，其分別對(duì)艦載機(jī)的著艦點(diǎn)和下滑偏移量產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析和仿真計(jì)算，在各自的誤差允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響艦載機(jī)安全著艦。本文提出指示一致性的指標(biāo)，將上述兩型引導(dǎo)設(shè)備存在誤差時(shí)，飛行員看到的“肉球”偏移量作為分析對(duì)象。當(dāng)飛行員看到的“肉球”偏移量比較大時(shí)，容易對(duì)飛行員造成巨大的心理壓力，影響操作，引發(fā)安全事故。因此，可以將指示一致性作為系統(tǒng)標(biāo)校的指標(biāo)。