艦尾流下自動著艦進場動力補償?shù)姆抡媾c分析

黃旭東 朱萬博 聞子俠 劉瑋

引用格式：黃旭東，朱萬博，聞子俠，等.艦尾流下自動著艦進場動力補償?shù)姆抡媾c分析［J］.航空兵器，2023，30（1）：69-73.

HuangXudong，ZhuWanbo，WenZixia，etal.SimulationandAnalysisofApproachPowerCompensationforAutomaticLandingwithCarrierAirWake［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：69-73.（inChinese）

摘要：著艦過程中艦尾流影響艦載機高度和速度，造成著艦偏差，甚至?xí)?dǎo)致復(fù)飛。針對艦尾流造成艦載機自動著艦落點精度差的問題，本文首先介紹傳統(tǒng)速度恒定動力補償、迎角恒定動力補償2種方案，并對迎角恒定動力補償控制方案進行改進，減小縱向高度通道與速度通道的耦合程度，降低艦尾流對下滑道控制精度的影響。通過數(shù)學(xué)仿真對比了3種方案抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。仿真結(jié)果表明，改進的迎角恒定動力補償方案能夠有效抑制艦尾流垂直分量的影響，并能夠改善艦尾流水平分量的影響。

關(guān)鍵詞：自動著艦；艦尾流；進場動力補償；速度恒定；迎角恒定；艦載機

中圖分類號：TJ760.12；E925.671

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2023）01-0069-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0143

0引言

艦船在大海中前行，氣流與艦船建筑的相對運動產(chǎn)生大量渦流，這些渦流在艦船后方產(chǎn)生不規(guī)則變化氣流，即艦尾流［1］。在自動著艦過程中，以下滑角3.5°為例，1m的高度跟蹤偏差會導(dǎo)致16.35m的著艦落點縱向偏差。當(dāng)艦載機著艦?zāi)┒卧庥雠炍擦鲿r，會對高度、速度產(chǎn)生嚴重干擾［2］，使著艦落點的散布范圍擴大。因此，艦尾流是加劇著艦任務(wù)的難度和危險性［3］、造成著艦落點精度差的重要因素，不僅影響著艦控制，還會威脅著艦安全［4］。

艦載機著艦的惡劣環(huán)境對控制律的快速性、準(zhǔn)確性和魯棒性提出很高的要求，且在著艦時艦載機處于低動壓、操縱性弱的狀態(tài)，存在諸多模型不確定性［5］，增加了控制律的設(shè)計難度。目前國內(nèi)外學(xué)者針對全自動著艦進行了諸多研究，很多先進控制算法被應(yīng)用到自動著艦控制系統(tǒng)（AutomaticCarrierLandingSystem，ACLS）中，如模型參考自適應(yīng)控制［6］、預(yù)測控制［7］、魯棒控制［8］、滑?？刂疲?］等。為提高著艦成功率，一些智能算法也被用來優(yōu)化控制器參數(shù)，從而改善下滑道跟蹤性能［10-11］。

在艦尾流抑制方面，現(xiàn)有研究主要通過提高高度控制回路帶寬［12］、控制平尾來達到抑制艦尾流的效果。油門控制通道的進場動力補償系統(tǒng)（ApproachPowerCompensatorSystem，APCS）通常用于穩(wěn)速度、保迎角，其艦尾流抑制效果的研究還較少。目前分析油門通道控制與抑制艦尾流干擾關(guān)系的研究亦較少，文獻［13］僅驗證了進場動力補償對艦尾流垂直分量的抑制效果，未說明對艦尾流水平分量的抑制效果；文獻［1，14］均未具體分析艦尾流抑制過程中動力補償?shù)淖饔脵C理及效果。而艦載機各通道之間呈現(xiàn)強耦合特性，分析油門通道控制對抑制艦尾流的效果很有必要。

本文首先描述艦尾流模型，介紹傳統(tǒng)自動著艦進場動力補償方案的主要原理，然后對迎角恒定動力補償控制方案進行改進，提出了傳統(tǒng)的速度恒定進場動力補償、傳統(tǒng)的迎角恒定進場動力補償、改進的迎角恒定動力補償3種方案，最后對這3種方案進行自動著艦閉環(huán)仿真，對比其抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。

1艦尾流模型

艦尾流是艦船尾部的氣流場，是艦載機著艦落點散布誤差的重要來源，參考美軍標(biāo)MIL-F-8785C，艦尾

流由四個分量合成，即

Ug=u1+u2+u3+u4Vg=v1+v4Wg=w1+w2+w3+w4（1）

式中：Ug，Vg，Wg分別為水平尾流、橫向尾流和垂直尾流；u1，v1，w1為自由大氣紊流分量，與艦載機相對于艦

船的位置和姿態(tài)無關(guān)，其大小可以用單位白噪聲信號分別通過成形濾波器得到；u3，w3為艦尾流周期分量，由艦船的縱搖幅值和頻率、甲板風(fēng)速與艦載機飛行速度、距艦船縱搖中心的距離來決定，主要成因是艦船的縱搖運動；u4，v4，w4為艦尾流隨機分量，可以用單位白噪聲通過成形濾波器來得到；u2，w2為艦尾流穩(wěn)態(tài)分量，是艦尾流的主要部分，是由于艦船逆風(fēng)行駛，氣流通過平坦的艦尾后形成的一種形狀像雄雞尾的風(fēng)，因此又被稱為“雄雞尾流”，其強度分布與到艦船的縱搖中心的距離有關(guān)，分布如圖1所示，vWOD為甲板風(fēng)速。由于艦尾流穩(wěn)態(tài)分量是艦尾流的主要構(gòu)成部分，艦船在行駛過程中，氣流由艦首向艦尾沿著甲板流動，流過艦尾后表現(xiàn)為下洗氣流，遠離艦尾之后下洗逐漸變?yōu)樯舷?，在垂向表現(xiàn)出雄雞尾狀的氣流，是影響著艦的重要因素，因此本文主要針對艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的抑制效果進行分析。

2進場動力補償方案

2.1傳統(tǒng)進場動力補償

艦載機速度v的狀態(tài)方程［15］為

v·=Tmcosα－Dm－gsinγ（2）

式中：m為艦載機質(zhì)量；g為重力加速度；γ為航跡傾角。速度變化率v·主要與推力T、阻力D和重力分量有關(guān)，艦載機著艦時速度較小，通常工作在速度不穩(wěn)定區(qū)域。若無動力補償，通過改變俯仰角來調(diào)整航跡傾角時將影響艦載機速度，進而影響航跡調(diào)節(jié)效果，那么最直接實現(xiàn)進場動力補償?shù)乃悸肥潜３炙俣群愣ā?/p>

傳統(tǒng)保持速度恒定的進場動力補償系統(tǒng)是通過反饋速度v來調(diào)節(jié)發(fā)動機推力，采用PI控制保證艦載機在著艦時維持速度恒定，如圖2所示。

控制器形式為

ΔδT（s）=kv+kvIsΔv（3）

式中：δT為油門偏度；kv和kvI為控制器系數(shù)。

另外一種進場動力補償?shù)牡乃悸肥潜３钟呛愣ā．?dāng)忽略縱向和橫側(cè)向耦合的情況下，俯仰角θ為迎角α與航跡傾角γ之和，即

θ=α+γ。

若能保持迎角恒定，則航跡傾角能夠跟隨俯仰角同步變化，進而精確調(diào)整航跡。有研究表明，保持迎角恒定的進場動力補償系統(tǒng)也具有保持速度恒定的能力［14］。

傳統(tǒng)的保持迎角恒定的進場動力補償系統(tǒng)是通過反饋迎角α來調(diào)節(jié)發(fā)動機推力，采用PI控制保證艦載機在著艦時維持迎角恒定，如圖3所示。

控制器形式為

ΔδT（s）=kα+kαIsΔα（4）

式中：kα和kαI為控制器系數(shù)。

2.2改進的迎角恒定動力補償

艦載機迎角α的狀態(tài)方程［14］為

α·=q－Tmvsinα－Lmv+gvcosγ（5）

q·=MδezJzδe（6）

迎角變化率α·主要與俯仰角速度q、速度v、推力T、升力L和重力分量有關(guān)，俯仰角速度q受平尾δe控制，Mδez為氣動參數(shù)，Jz為轉(zhuǎn)動慣量。顯然，當(dāng)進行迎角恒定動力補償時，姿態(tài)-平尾通道和迎角-油門通道存在強耦合特性。因此，前述方案中僅用PI控制來實現(xiàn)迎角恒定動力補償易受通道耦合影響，難以得到良好的動態(tài)響應(yīng)。為改善傳統(tǒng)方案的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，對保持迎角恒定的進場動力補償系統(tǒng)進行改進，引入法向過載變化信息和平尾指令變化信息，用以減小姿態(tài)-平尾通道對迎角-油門通道的耦合影響，如圖4所示。

最終的控制器形式為

ΔδT（s）=kα+kαIsΔα+knyΔny－kδeΔδe（7）

式中：kny，kδe為控制器系數(shù)。

3仿真對比分析

針對已設(shè)計好自動駕駛儀的固定翼艦載機，分別在臨近著艦時僅加入艦尾流垂直分量、僅加入艦尾流水平分量、同時加入艦尾流垂直和水平分量條件下，對3種動力補償方案的自動著艦過程進行艦機閉環(huán)數(shù)學(xué)仿真。由于艦尾流僅在臨近著艦前存在，以下仿真結(jié)果重點關(guān)注存在艦尾流的著艦?zāi)┒?。仿真時，選取中等噸位航空母艦，在3級中等海況下，航速18節(jié)、甲板風(fēng)速vWOD為9m/s的典型條件。參考軍標(biāo)要求，按照幅值裕度6dB，相角裕度45°的規(guī)則進行設(shè)計，得出一組控制參數(shù)如下：kv=0.85，kvI=0.0051，kα=5，kαI=0.5，kny=2，kδe=5。

3.1僅加入艦尾流垂直分量

在僅加入艦尾流垂直分量條件下，分別對速度恒定、迎角恒定、改進迎角恒定模式進行仿真，結(jié)果如圖5和表1所示。

圖5的3種方案中，艦載機均在180s左右觸艦，w2，Δh，vy的變化趨勢表明，艦載機在著艦?zāi)┒藭庥龅缴舷礆饬?，使艦載機軌跡有偏離到下滑道上方的趨勢，從而使高度指令低于實際高度，臨近艦尾時又會遭遇下洗氣流使艦載機軌跡有下降趨勢。若不及時調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

當(dāng)艦載機遇到上洗氣流時，軌跡偏離到下滑道上方使縱向自動駕駛儀敏感到高度偏差，從而驅(qū)動平尾調(diào)整高度。

在速度恒定動力補償方案中，由于垂直方向的w2遠小于艦載機水平方向的速度，因此艦載機空速變化較小，油門響應(yīng)有限，僅能依靠平尾控制高度。

在迎角恒定動力補償方案中，上洗氣流使艦載機迎角增加，于是增加油門來保持迎角恒定，而增加油門將使空速增加，艦載機升力更大，加劇偏離到下滑道上方的趨勢，反而加重了平尾控制高度的壓力。

改進迎角恒定動力補償方案相比于傳統(tǒng)方案，在油門指令中引入平尾指令偏差信號，未遇到艦尾流時平尾不偏轉(zhuǎn)，油門與傳統(tǒng)方案一致；當(dāng)遇到上洗氣流，平尾正偏開始調(diào)整高度時，改變傳統(tǒng)方案中的油門增加趨勢，反而使油門減小，有利于艦載機降高跟蹤下滑道，對平尾控制高度起到輔助作用。

表1表明，傳統(tǒng)迎角恒定動力補償與速度恒定動力補償相比，可以減小因艦尾流垂直穩(wěn)態(tài)分量帶來的著艦縱向散布誤差，且艦尾流垂直分量對著艦側(cè)向偏差影響較小，但二者在遭遇艦尾流垂直分量時，高度和垂直速度的波動較大，使高度控制誤差大于0.5m。從高度和垂直速度響應(yīng)可以看出，改進迎角恒定方案相較于前兩者可以顯著減小因艦尾流垂直分量帶來垂直速度和高度的波動，其中高度誤差在0.1m以內(nèi)。因此，改進的迎角恒定動力補償方案可以抑制艦尾流垂直穩(wěn)態(tài)分量帶來的影響。

3.2僅加入艦尾流水平分量

在僅加入艦尾流水平分量條件下，分別對速度恒定、迎角恒定、改進迎角恒定的模式進行仿真，結(jié)果如圖6和表2所示。

圖6中，3種方案中艦載機均在180s左右觸艦，u2，Δh，vy的變化趨勢表明，艦載機在著艦?zāi)┒藭庥龅剿綒饬?，使艦載機軌跡出現(xiàn)偏離到下滑道下方的趨勢，從而使高度指令高于實際高度，若不及時調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

當(dāng)艦載機遇到水平氣流時，軌跡偏離到下滑道下方，使縱向自動駕駛儀敏感到高度偏差，從而驅(qū)動平尾調(diào)整高度。

在傳統(tǒng)速度恒定動力補償方案中，由于水平方向的u2使艦載機空速減小，油門增加來保持空速，于是地速增加使艦載機偏離到下滑道上方，造成著艦誤差。

在傳統(tǒng)迎角恒定動力補償方案中，水平氣流u2使艦載機迎角增加，油門增加來保持迎角恒定，于是地速增加使艦載機偏離到下滑道上方，造成著艦誤差。

改進迎角恒定動力補償方案相比于傳統(tǒng)方案，在油門指令中引入平尾指令偏差信號，未遇到艦尾流時平尾不偏轉(zhuǎn)，油門與傳統(tǒng)方案一致。當(dāng)遇到水平氣流時，油門增加使艦載機偏離到下滑道上方，平尾正偏開始調(diào)整高度時，減緩油門增加趨勢，減輕艦載機偏離下滑道的程度，從而減小著艦縱向誤差。

表2表明，傳統(tǒng)迎角恒定動力補償與速度恒定動力補償均會因艦尾流水平穩(wěn)態(tài)分量帶來較大的著艦縱向散布誤差，而改進迎角恒定方案相較于前兩者，縱向散布誤差有所改善，且艦尾流水平分量對著艦側(cè)向偏差影響較小。從圖6可以看出，改進方案對因水平風(fēng)帶來垂直速度和高度的波動有改善作用。因此，改進迎角恒定動力補償方案可以改善艦尾流水平穩(wěn)態(tài)分量帶來的影響。

3.3同時加入艦尾流垂直分量和水平分量

同時加入艦尾流垂直分量和水平分量條件下，分別對速度恒定、迎角恒定、改進迎角恒定的模式進行仿真，結(jié)果如圖7和表3所示。

圖7中，3種方案中艦載機均在180s左右觸艦，v2，Δh，vy的變化趨勢表明，艦載機在著艦?zāi)┒藭庥龅綇?fù)雜氣流使艦載機軌跡偏離下滑道，若不及時調(diào)整將顯著增加著艦偏差。

根據(jù)表3和前述仿真結(jié)果，對比速度恒定的縱向偏差可知，艦尾流水平分量和垂直分量共同作用時，對著艦的影響并不是簡單的疊加關(guān)系，其對著艦縱向誤差影響較大，對著艦側(cè)向偏差影響較小。傳統(tǒng)迎角恒定動力補償與速度恒定動力補償相比，對著艦縱向散布誤差有所改善，改進的迎角恒定動力補償方案對縱向散布誤差改善更加明顯。從圖7可以看出，改進方案對因艦尾流穩(wěn)態(tài)分量帶來垂直速度和高度的波動有改善作用。因此，改進的迎角恒定動力補償方案能夠有效改善艦尾流穩(wěn)態(tài)分量帶來的影響。

4結(jié)論

本文針對自動著艦過程中傳統(tǒng)的速度恒定及迎角恒定進場動力補償方案進行分析，在迎角恒定方案的基礎(chǔ)上引入法向過載和平尾指令信息，對傳統(tǒng)方案進行改進，減小姿態(tài)-平尾通道與迎角-油門通道的耦合影響，改善通道響應(yīng)效果，提高通道抗干擾能力。相較于之前文獻，本文詳細分析了3種動力補償方案在艦尾流抑制過程中的作用機理，通過多組對比仿真，分析了3種方案抑制艦尾流穩(wěn)態(tài)分量的效果。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的速度恒定動力補償和迎角恒定動力補償方案，改進的迎角恒定動力補償方案能夠有效抑制艦尾流垂直分量的影響，改善艦尾流水平分量的影響。

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SimulationandAnalysisofApproachPowerCompensationfor

AutomaticLandingwithCarrierAirWake

HuangXudong*，ZhuWanbo，WenZixia，LiuWei

（AVICXianFlightAutomaticControlResearchInstitute，Xian710065，China）

Abstract：Intheprocessofcarrierlanding，thecarrierairwakeaffectstheheightandspeedofcarrieraircraft，resultinginlandingdeviationandevengoingaround.Aimingattheproblemofpooraccuracyoflandingpointcausedbycarrierairwake，thispaperfirstlyintroducesthetraditionalpowercompensationschemewithconstantspeedandthetraditionalpowercompensationschemewithconstantangleofattack，anditimprovesthepowercompensatorschemewithconstantangleofattacktoreducethecouplingbetweenlongitudinalheightchannelandspeedchannel，whichcanreducetheinfluenceofcarrierairwakeonthecontrolaccuracyofglidepath.Theeffectsofthreeschemesonsuppressingthesteadycomponentofcarrierairwakearecomparedthroughnumericalsimulation.Thesimulationresultsshowthattheimprovedpowercompensationschemewithconstantangleofattackcaneffectivelysuppresstheinfluenceoftheverticalcomponentofcarrierairwakeandreducetheinfluenceofthehorizontalcomponentofcarrierairwake.

Keywords：automaticlanding；carrierairwake；approachpowercompensation；constantspeed；constantangleofattack;carrieraircraft

收稿日期：2022-06-30

基金項目：航空科學(xué)基金項目（201907053005）

*作者簡介：黃旭東（1994-），男，陜西西安人，碩士。