航母运动对舰载飞机弹射起飞特性影响研究

姚海林, 赵一飞, 张　宏



航母运动对舰载飞机弹射起飞特性影响研究

姚海林, 赵一飞, 张宏

1引言

舰载飞机以在海上运动的航空母舰为活动基地,保证其在航空母舰甲板上顺利、安全地起飞是设计和使用首要考虑的关键问题,但由于海浪作用产生的航母运动对飞机的弹射起飞特性影响很大,甚至影响到起飞安全,因此舰载飞机需要有比陆基飞机更好的起飞性能。为了确保舰载飞机能在有限的航母空间、复杂环境情况下安全起飞,需要研究航母运动对舰载飞机起飞特性的影响。

2航母运动模型

航母航行时具有纵摇、横摇、首摇、纵荡、横荡和垂荡六个运动自由度。在通常的航速和遭遇频率下,首摇、纵荡和横荡运动对飞机弹射起飞特性的影响较小,因此需要着重考虑纵摇(俯仰运动)、垂荡(升沉运动)两种运动对飞机弹射起飞安全的影响。

针对航空母舰的海上运动状态模拟,有两种方法较为常用:一是基于实际航母运动数据统计,利用平稳随机过程理论建立的频率谱函数模型,但得出的频谱函数不是解析形式,使用不便;二是将航母运动看作谐波叠加,并航母六自由度运动分解为各个单自由度运动的线性组合,研究航母运动的振幅、频率和离舰时刻相位角等参数变化对弹射滑跑起飞的影响。航母运动谐波模型的方程可以描述为[1]:

Yi=Aisin(ωit+φi)

式中,振幅Ai和频率ωi为各自由度对应的均方值,相位角φi可任意选取。

3弹射起飞运动方程

3.1动力学方程[2]

(1) 质心动力学方程

舰载飞机在航母甲板平台上弹射起飞,因此在舰船坐标系下,建立飞机的质心运动方程如下:

(1)

(2) 转动动力学方程

机体坐标系下,建立飞机的转动运动方程如下。

(2)

3.2运动学方程

为了联立求解上述飞机动力学方程组,还需要建立飞机重心位置与其运动速度的关系、飞机运动欧拉角与其角速度之间的关系如下[3]。

(3)

(4)

3.3起落架模型

飞机起落架一般采用油--气式缓冲支柱,缓冲支柱受压时其轴向力Fgz可统一表示为:

(5)

式中,Fa为缓冲器的空气弹簧力;Fh为缓冲器的液压阻尼力。

4仿真算例和分析

4.1仿真条件预置

利用上述的运动方程对舰载飞机的弹射起飞过程进行仿真计算,仿真条件的预置分为飞机、航母、弹射杆三部分如下[4]:

(1) 舰载飞机参数

弹射起飞过程中,舰载飞机的升降舵预置一定的偏度,以防止飞机离舰后迎角、俯仰角的发散;副翼、方向舵偏度置0;起落架模型采用前起受压模型。

(2) 弹射杆参数

弹射器弹射力采用美国弹射器参数,弹射冲程是205ft;起落架未压缩前,弹射杆与航母甲板夹角为30°。

(3) 航母运动参数

对于航母各自由度运动的幅值和频率,不同量级航母在不同的海浪条件下式不一样的,不同的资料反映的数据也有差别。算例航母运动参数福莱斯特级航母(标准排水量59060t),在航速10kn,航向左舷30°,浪高5.18m,中等海况条件下,航母垂荡运动幅值Acd和纵摇运动幅值Azy分别为0.8563m/s、0.0298rad,周期Tcd、Tzy分别为8.1s、8.1s。航母纵摇中心距离舰首距离为150m。图1为航母纵摇、横摇运动引起舰首高度、运动速度随运动相位不同的变化曲线。

图1　舰首高度、速度随运动相位的变化曲线Fig.1　 Bow height and velocity curve follow ship movement phase

4.2航母纵摇对弹射起飞特性影响

离舰时刻纵摇相位的不同,会引起舰首高度、舰首上升速度变化,对舰载飞机离舰后的运动轨迹影响较大,图2～图4分别为离舰时刻航母纵摇运动相位不同,飞机高度、爬升速度、迎角随时间变化的曲线,从仿真计算结果可以看出,由于离舰时刻飞机迎角较小,飞机所受升力远小于重力,因此离舰后的爬升速度减小,迎角迅速增加。当航母纵摇引起舰首抬升时离舰,虽然此状态飞机的迎角较小,但飞机有正的上升速度和较大舰首高度,因此离舰后飞机的高度持续增加,飞行轨迹远高于无航母运动时轨迹,在此相位区间离舰飞行最佳。离舰时刻,纵摇相位区间为π～3/2π时,此时离舰,航母纵摇运动引起舰首下沉,并造成飞机向下运动,因此飞机离舰后下沉量超过3m(与离舰时刻甲板高度相比),不符合安全弹射起飞标准对离舰后下沉量的要求,因此弹射起飞时,应避免飞机在纵摇运动最不利的相位区间起飞。离舰时刻,纵摇相位为7/4π时,飞机离舰后先升高,后有一小段轨迹降低,这是因为此相位离舰,舰船纵摇有一向上运动速度,因此离舰后飞机轨迹略微增高;但飞机迎角较小,升力小于重力,飞机上升速度减小并在0.4s速度变为向下运动,因此飞机高度降低。

图2　纵摇相位不同对飞机高度的影响Fig.2　 Effect of different Pitch phase on the height of aircraft

图3　纵摇相位不同对爬升速度的影响Fig.3　 Effect of different Pitch phase on the climbing speed of aircraft

4.3航母垂荡对弹射起飞特性影响

图5、图6为离舰时刻,航母垂荡运动的相位不同,飞机离舰后的高度与爬升速度随时间的变化曲线。从仿真计算结果可以看出,当离舰时刻垂荡相位区间为0～π时,舰首高度低于无航母垂荡时,在此相位区间离舰,飞机的轨迹低于无航母垂荡运动时;反之,当离舰时刻垂荡相位区间为π～2π时,则高于无航母垂荡运动。同时,离舰时刻的垂荡相位不同时,飞机离舰后轨迹的变化趋势基本一致,分析认为这是因为垂荡运动引起的舰首运动速度不大,飞机离舰时刻的飞行参数相差也不大,因此飞机离舰后的轨迹变化趋势一致。

图4　纵摇相位不同对迎角的影响Fig.4　 Effect of different Pitch phase on the angle of attack of aircraft

图5　垂荡相位不同对飞机高度影响Fig.5　 Effect of different heave phase on the height of aircraft

4.4纵摇时参数变化对弹射起飞特性影响

由上述仿真计算可以看出,航母纵摇对弹射起飞的特性影响较大,当航母处于不利相位时离舰引起的下沉量也较大,因此当航母有较大纵摇运动时,为了保证弹射起飞安全,需要调整响应的起飞参数。

图6　垂荡相位不同对爬升速度的影响Fig.6　 Effect of different heave phase on the climbing speed of aircraft

增加弹射器弹射力、减小起飞重量后,飞机飞行高度随滑跑距离的变化曲线如图7所示,飞机速度随时间变化曲线如图8所示。由图可知,通过减小起飞重量、增加弹射力,可以增加离舰时刻的速度,从而减小飞机离舰后的最大下沉量。

图7　起飞参数变化对飞机高度的影响Fig.7　 The influence of the change of take-off parameters on the height of the aircraft

5结论

通过航母运动对舰载飞机起飞特性的分析可以得出以下结论:

(1) 由于舰首距离航母纵摇中心距离较大,航母纵摇运动相位变化对舰载飞机的弹射起飞影响较大。航母垂荡运动相位变化对舰载飞机的弹射起飞离舰后的下沉量有一定影响,但对飞机离舰后运动轨迹的变化趋势影响不大。

图8　起飞参数变化对离舰速度的影响Fig.8　 The influence of the change of take-off parameters on off ship speed of the aircraft

(2) 航母纵摇、垂荡运动较大时,需对纵摇运动进行监测,避免舰首处于下降阶段时离舰;而选择在舰首抬升阶段离舰,有利于起飞安全。

(3) 在有较大纵摇运动时,可以通过增加弹射器弹射力或减小弹射起飞重量,保证弹射起飞安全。

参考文献:

[1]飞机设计手册.第一、四分册[S].北京:航空工业出版社.

Aircraft Design Manual Vol.1、Vol.4[S].Beijing:Aviation Industry Press.

[2]杨一栋.舰载机着舰引导与控制[M].北京:国防工业出版社,2007.

YANG Yidong.Guidance andControl of Carrier-based Airplane[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007.

[3]王萌辉,赵波.舰载飞机起降动力学研究[J].飞机设计,1997,3(1):21-33.

WANG Menghui,ZHAO Bo.Study of carrier-based airplane launch and landing dynamics[J].Aircraft Design,1997,3(1):21-33.

[4]Lucas C B.Catapult Criteria for a Carrier-Based Airplane AD702814 1968.10.

[5]Pattison J H,Bushway R R.Deck Motion Criteria for Carrier Aircraft Operations Aircraft Ships AD A005770.1991.

姚海林男(1969-),陕西礼泉人,高级工程师,研究方向为飞机操纵稳定性及飞行模拟等。

赵一飞男(1983-),江苏南京人,高级工程师,研究方向为飞机操纵性与稳定性设计。

(中航工业一飞院,西安710089)

摘要：舰载飞机的弹射起飞安全受运动影响显著,本文针对舰载飞机的弹射起飞过程,进行了六自由度的仿真建模,通过弹射起飞仿真计算,分析了航母纵摇、垂荡运动对其弹射起飞特性的影响。结果表明由于舰首距离航母纵摇中心距离较大,航母纵摇运动相位变化对舰载飞机的弹射起飞影响较大,而选择在舰首抬升阶段离舰,有利于起飞安全。

关键词：航母运动; 六自由度; 建模与仿真; 弹射起飞

Catapult Take-off Characteristics of a Carrier-based Airplane Influenced by Ship MotionYAOHailin,ZHAOYifei,ZHANGHong

(AVIC The First AircraftInstitute,Xian 710089,China)

Abstract：Ship motion has great influence on catapult take-off safety of a carrier-based airplane catapult take-off process.This paper establishes the six degree of freedom simulation model of carrier-based aircraft catapult take-off process,according to the result of simulation, analyzes the carrier longitudinal shaking and vertical motion influence on the catapult take-off characteristics.The results show that the longitudinal shaking phase of ship motion change has a great influence on the launching of the carrier-based aircraft.And the choice of the bow is rising away from ship,is conducive to the safety take off.

Key words：ship motion; six dregree of freedom; modeling and simunation; catapult take-off

中图分类号：TP 391

文献标识码：A