试论舰载机着舰仿真

时绍春（洪都航空工业集团 江西 南昌 330024)

试论舰载机着舰仿真

时绍春（洪都航空工业集团 江西 南昌 330024)

针对舰载机着舰的特点，从数学仿真模型和视景系统仿真方面简要介绍舰载机着舰仿真，综合归纳了舰载机仿真的特点。与陆基飞机相比，舰载机着舰仿真需要增加航母相关运动模型、逻辑和三维可视化模型，并且在视景显示方面也有更高的要求。进行舰载机着舰仿真研究，建设舰载机地面试验环境，开展地面飞行模拟试验，对工程研究和飞行员训练具有重要的意义。

舰载机；着舰；仿真；航母模型

1 引言

舰载机以其特殊的作战环境、搭载平台和起降方式，与陆基飞机相比有更加苛刻的要求。舰载机要在航空母舰极为有限的甲板上进行起降作业，其危险性要比陆基飞机起降大上许多。航母在风浪的影响下进行着六自由度运动，在舰尾形成尾流，增加舰载机精确保持航迹稳定的难度，而且航母甲板空间有限，着舰甲板短，使舰载机着舰成了最危险的环节。因此，着舰训练是舰载机飞行员训练中最重要的环节之一。

舰载机着舰过程操作复杂，难度大，危险高，飞行员训练的难度和风险大，因此进行舰载机着舰仿真研究，建设舰载机地面飞行模拟试验设备，开展舰载机着舰的地面飞行模拟试验，分析舰载机受力情况和飞行品质及操纵特性，对工程设计和飞行员训练具有极为重要的意义。

舰载机着舰与陆基飞机着陆相比主要在仿真模型和视景显示系统上有比较大的区别，本文将从仿真模型和视景显示系统两方面浅谈舰载机着舰仿真需要考虑的因素。

2 舰载机仿真的特点

相比陆基飞机着陆仿真，舰载机飞机着舰仿真要复杂得多。陆基飞机由于在地面跑道上降落，起降条件限制少，影响因素简单，其着陆仿真相对简单：

△ 陆基飞机着陆仿真可以将跑道视为固定不变的平面；

△ 在不考虑地面湿滑情况下，陆基飞机与地面摩擦系数认为是定值；

△ 机场周围大气环境稳定，飞机受外界大气扰动仿真建模简单；

△ 飞行员通过目测和飞行仪表即可完成降落，不需要复杂的辅助装置；

△ 飞机着陆采用拉平飘落的方式接地，冲击小，姿态稳定，接地后通过刹车或开伞的方式减速，仿真模型相对简单；

△ 机场周围视景显示场景固定，可选用卫片或航拍图片模拟，并且飞机降落不会引起机场周围视景显示内容的改变。

相比之下，舰载机着舰仿真要复杂得多：

△ 航母在大海中航行，受到风浪影响进行六自由度运动，因此必须建立航母本身的运动模型，模拟航母运动和姿态；

△ 舰载机着舰瞬间，起落架受力分析必须考虑航母当前的运动姿态；

△ 航母运动会对航母后方气流产生影响，称之为尾流，飞机从航母后方降落，必然会受到航母尾流的影响；

△ 舰载机在航母上降落，降落区域有限，甲板长度短，必须使用拦阻索和拦阻网辅助着舰，因此还必须建立拦阻索拦阻模型；

△ 对于视景显示系统而言，由于舰载机着舰必须依靠着舰辅助设备，视景系统必须模拟着舰辅助设备如菲涅尔透镜及其逻辑；

△ 增加额外通道模拟指挥官视角，从第三眼位观察飞机降落情况；

△ 建立飞机本身和航母的三维显示模型；

△ 模拟不同等级的海浪和航母航行激起的浪花及尾浪等，特别是海浪和浪花，要模拟得足够真实是非常不容易的，与陆基机场的静态贴图相比要付出更加高昂的代价。

3 仿真建模

舰载机着舰仿真除要建立飞机六自由度运动模型之外，还需要增加以下模型：

△ 航母运动模型；

△ 航母尾流模型；

△ 拦阻索拦阻模型；

△ 菲涅尔光学助降系统逻辑。

3.1 航母运动模型

在建立航母运动模型时，可以把航母视为刚体，建立以航母质心为原点的固连在航母上的坐标系，将航母运动分解为随质心的平动和绕质心的转动，平动称之为“荡”，转动称之为“摇”。其中以纵摇，横摇和垂荡（沉浮运动）对飞机影响最大。

3.1.1 纵摇

纵摇为航母绕质心的纵向转动，使航母抬头的角度为正。舰载机着舰可看做是飞机相对大地坐标系的绝对运动和航母运动的叠加，是舰载机相对航母的运动。纵摇会引起接地瞬间起落架受力的变化。在工程分析中，可以将航母纵摇近似用正弦函数表示其中为纵摇幅值，T为纵摇最短周期，ε为初始相位角。资料记载，对于4万吨级航母，纵摇幅值最大可达到4°，纵摇最短周期T约为4秒[1]。

3.1.2 横摇

横摇为航母绕质心的横向滚动，使航母右滚的角度为正。横摇会引起接地瞬间起落架左右受力不均、飞机方向出现偏差、加剧滚转角振荡、拦阻钩在拦阻索上滑动及单侧起落架先着舰等情况。与纵摇相似，航母横摇可近似用正为横摇幅值，T为横摇最短周期，ε为初始相位角。资料记载，对于4万吨级航母，在中等气象海域，横摇幅值最大可达到12°，横摇最短周期T约为4.5秒[1]。

3.1.3 垂荡（沉浮运动）

垂荡为航母质心的沉浮运动。垂荡会引起舰载机着舰瞬间相对航母的下沉速率变化，从而引起起落架受力的变化，并且过大的沉浮运动不利于飞机员精确地控制接地点，以最理想的姿态着舰并成功钩住拦阻索。与纵摇相似，在工程中可将沉浮运动近似用正弦函数表示：为垂荡幅值，T为垂荡最短周期，ε为初始相位角。资料记载，对于4万吨级航母，垂荡幅值不超过3米，最大法向速度不超过1.5米/秒[1]。

在实际情况中，纵摇、横摇和垂荡是同时存在的，在工程中，可将航母的运动看做是纵摇、横摇和垂荡的叠加。

3.2 航母尾流模型

航母尾流是航母本身和航母运动引起的大气扰动。舰载机从航母后方接近航母并在航母上降落，会受到航母尾流的影响。在舰载机接近航母尾部805米内，飞机开始受到航母尾流的影响，增大了精确保持航迹稳定的难度[2]。

根据航母尾流的物理特性和形成原因，在工程中可将其视为由以下四种扰动叠加的和扰动：

△ 随机自由大气紊流；

△ 航母大气尾流的稳态分量；

△ 航母运动引起的大气周期性扰动；

△ 航母尾流随机扰动。

3.2.1 随机自由大气紊流

随机自由大气紊流与飞机相对位置无关，可用白噪声发生器的输出进行滤波产生的频谱来表示。

3.2.2 航母大气尾流的稳态分量

航母大气尾流的稳态分量与航母甲板上的风速有关，是由航母本身引起的气流速度减小和气流流过航母出现的上洗所形成的，与距航母尾部的距离有关。在距离航母尾部750米附近开始受到上洗气流的影响，到250米附近突然转变为微弱的下洗[3]。

3.2.3 航母运动引起的大气周期性扰动

航母运动会产生对周围大气的扰动，在舰尾形成涡流。该扰动主要由航母纵摇和垂荡引起，与航母纵摇频率、纵摇幅值和风速及飞机与舰尾距离有关，幅值越大，频率越高，扰动越强烈；距离舰尾越近，扰动越强烈。计算和试验表明，设飞机距离舰尾为 ，当时，水平方向扰动分量为零；当 时，垂直方向扰动分量为零[2]。

3.2.4 航母尾流随机扰动

与自由大气紊流相似，航母尾流的随机扰动也可以用白噪声进行滤波产生的频谱来表示。

以上四种扰动叠加构成舰载机降落时使用的大气扰动模型。值得注意的是，对于带反馈的电传飞机而言，大气扰动不仅仅体现在对飞机气动力的影响上，而且还应该体现在大气数据相关传感器上。

3.3 拦阻索拦阻模型

拦阻索是舰载机着舰最重要的辅助装置之一。舰载机要在有限的甲板长度上降落，靠机轮刹车和减速伞减速是无法实现的，必须依靠拦阻挂钩钩住固定在甲板上的拦阻索，通过拦阻索吸收能量，提供额外的拦阻力迫使飞机在百米内减速制动。如果舰载机着舰时未能钩住拦阻索，必须立刻加油门复飞，按照标准着舰程序重新着舰。

舰载飞机接地时的姿态对于拦阻索拦阻力的分布有较大影响。舰载机由于降落条件复杂，接地姿态大，因此对于拦阻索拦阻模型的建立不仅仅要考虑飞机对称、对中拦阻时的对称拦阻力分布，还应该考虑飞机带有偏航、滚转和非对中拦阻时受到的非对称拦阻力的情况，以及拦阻钩与拦阻索的相对滑动而带来的拦阻力的分布变化。

3.4 菲涅尔光学助降系统逻辑

菲涅尔光学助降系统是航母上比较通用的助降设备。其在空中为飞行员提供一个可见光的、与飞行甲板平行、与海平面成一定角度的波面。在真实情况下，飞行员可以通过观察光束之间的位置关系来判断飞机下滑轨迹是否合适。但在仿真系统中，要在计算机中模拟菲涅尔光学助降系统，只能通过模拟飞行员看见光束的实际情况来驱动视景系统中的灯点亮或熄灭，因此必须模拟菲涅尔光学助降系统中飞机位置、姿态与信号灯之间的逻辑关系。

△ 绿灯亮，表示允许飞机进入下滑，可以着舰；

△ 黄灯在基准面上，表示飞机在适宜的下滑道上，可以安全着舰；

△ 黄灯在基准面之上，表示飞机在适宜下滑道之上，需要降低高度；

△ 黄灯在基准面之下，表示飞机在适宜下滑道之下，需要提升高度；

△ 红灯在基准面之下，表示飞机过低，必须紧急拉起复飞，否则撞向舰尾或坠海。

在视景系统中，必须根据上述逻辑，将飞行员实际看到的情况转化成视景系统中的点灯逻辑，根据当前飞机状态和位置等相关参数，点亮模拟菲涅尔光学助降系统信号灯。

4 视景显示系统

在舰载机着舰仿真中，除要增加相应的仿真数学模型之外，也对视景系统提出了更高的要求。与陆基飞机着陆仿真相比，舰载机着舰仿真需增加以下部分内容：

△ 航母三维模型；

△ 拦阻索三维模型；

△ 菲涅尔光学助降系统；

△ 海洋环境和不同等级的海浪；

△ 船运动激起的浪花和拖出的尾迹；

△ 着舰指挥官视角。

4.1 航母三维模型

要在视景系统中显示航母并能驱动航母运动，必须建立独立的航母模型。通常使用C reator三维建模工具建立航母的三维模型，也可以通过如3DSMAX等软件建立航母模型。为保证飞行员训练效果，提高沉浸感，航母模型必须足够真实，关键部分如飞行甲板应尽可能与真实数据一致，同时大量采用纹理贴图、光照、阴影和DOF节点等，以提高沉浸感，达到以假乱真的效果。

4.2 拦阻索三维模型

与航母三维模型不同，拦阻索在飞机钩住后会随着飞机运动而不断变化。传统的拦阻索三维模型经常用两根直线来分别模拟拦阻索的左右部分，显示效果较差，缺乏真实感。较逼真的建模方法是将拦阻索细分成小的单元，多个单元头尾相接组成一套完整的拦阻索模型，可较大幅度提高拦阻索真实感，但同时也带来了模型的复杂度和计算量的增加。

4.3 菲涅尔光学助降系统

菲涅尔光学助降系统模型可采用C reator工具建模，其难点在于灯的可视距离。真实系统发射出方向性极好的光束，在数公里外都能被飞行员看见。而在视景系统中，如果采用为模型贴上不同颜色纹理来模拟不同颜色灯光的模式，可视距离太短，飞行员根本看不见颜色变化。而采用点光源模拟信号灯未尝不是一个好的解决方案，但与此同时，点光源在任意时刻任意距离都可以见的特性与真实情况不符，必须加以判断并进行修正。

菲涅尔光学助降系统模型中信号灯必须能够独立控制，根据真实飞行员看到的光束情况转换成与飞机位置和姿态相关的信号灯点灯逻辑。

4.4 海洋环境和不同等级的海浪

陆基飞机机场附近景象可以通过卫片及航拍图片进行贴图，效果好，真实度高。但海洋环境一直处于不断变化中，海浪起伏和顶部的浪花均需要实时计算生成，计算量大大增加，并且要使模拟的海洋环境足够真实，而不是一眼望去全是一成不变的海浪，其算法也是比较复杂的。VP软件中的海洋模块可以简单模拟海洋效果，但不够真实，要提高逼真度，必须采用更加专业的图形生成系统。

4.5 船运动激起的浪花和拖出的尾迹

要逼真的模拟航母在海洋中的运动，除了建立航母的运动模型和航母的三维可视化模型外，还应该模拟由于航母运动造成的周围海洋环境的变化，如船首和两侧激起的浪花以及船尾螺旋桨造成的喷流。船运动激起的浪花与海浪有相似之处，其图形生成可采用相同的算法，但两者之间也有区别，即海浪可以按照一定的规律周而复始的运动，而船激起的浪花则和航母的运动有关，不同运动状态下激起的浪花应该有不同的范围和效果。

4.6 着舰指挥官视角

舰载机着舰时着舰指挥官起着非常大的作用，其向飞行员发出操纵指令、引导下滑道上的飞机安全着舰。因此在舰载机着舰仿真中，有必要模拟着舰指挥官的视角。着舰指挥官视角应模拟舰岛左后部主飞行控制室或舰后部左舷LSO平台处的视角，能观察飞机下滑姿态、起落架和襟翼以及挂钩状态和拦阻索，引导飞行员以正确的姿态和下滑角安全着舰，当不能安全着舰时即时发出复飞指令。

5 结论

通过开展舰载机着舰仿真研究，在陆基飞机飞行仿真的基础上增加航母运动模型和三维可视化模型，考虑航母运动形成的大气扰动对舰载机着舰的影响，模拟着舰过程中飞机受力的变化，建立逼真的视景场景，开展舰载机着舰地面飞行模拟实验，对工程研究和飞行员训练具有重要的意义。

[1] 王大海.舰面运动对弹射起飞特性的影响.飞行力学[J]，1994

[2] 飞行力学编辑部.军用规范-有人驾驶飞机的飞行品质（MIL-F-8785C）[M]，1982

[3] 彭兢.航空母舰尾流数值仿真研究.北京航空航天大学学报[J]，2000

[4] 胡孟权.舰载飞机着舰拦阻动力学分析.空军工程大学学报[J]，2000

[5] 焦方金. 浅谈舰载战斗机的降落.海空力量[J]，2005

Brife on Carrier-based Aircraft Landing Simulation

Shi Shaochun
(Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi, 330024)

This paper introduces, based on the characteristics of car rier-based aircraf t landing，the car rier-based aircraft landing simulation, from the mathematical simulation model and the visual system simulation, and summarizes the characteristics of carrier-based aircraf t simulation. Compared with land-based aircraf t, the car rier aircraf t landing simulation needs to increase the car rier movement model, logic and three-dimensional visualization model, and have higher requirements with respect to visual display system. Car rying through car rier-based aircraf t simulation research,bui lding car rier aircraf t ground testing environment and conducting ground f l ight simulation test is of an important signi f icance to the engineering research and pi lot training.

Car rier-based aircraf t; Landing; Simulation; Car rier movement model

2010-09-20）

时绍春，男，1984年11月出生，本科，现从事飞行仿真研究和飞行模拟器设计工作。