舰载机的轨迹稳定性及其控制研究

刘涛　蒙泽海

摘要：轨迹稳定性是飞机姿态和速度耦合导致的一类问题，轨迹不稳定体现为飞机纵向操纵和实际轨迹变化的不匹配，舰载机进近着舰时多面临此问题。轨迹稳定性的下降与飞机进入第二平飞状态时阻力急剧增大有关。对此设计动力补偿系统（ APCS），控制结果表明APCS可以实现在轨迹不稳定情况下的下滑角控制，对于解决舰载机的轨迹不稳定问题有重要的工程意义。

关键词：舰载机着舰;轨迹稳定性;需用推力曲线;动力补偿系统

中图分类号：V212.1

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.026

飞机的轨迹稳定性，是指驾驶员仅通过俯仰操纵来控制飞机飞行轨迹（高度）时的闭环稳定性情况[1-2]。轨迹稳定性下降甚至失稳多见于飞机低速飞行状态，如着陆进场、舰载机着舰等，表现为飞机的轨迹变化和操纵期望不相符。研究表明，轨迹不稳定时飞机处于阻力曲线“背区”，即第二平飞范围[3-4]，进入违反驾驶员常规操纵习惯的反操纵区，不利于驾驶员精准控制飞机的姿态和速度，威胁飞行安全。

目前对产生轨迹稳定性问题原因的研究丰富且成熟，主要集中于通过控制手段规避轨迹稳定性下降甚至失稳带来的问题，尤其是以小速度着舰、轨迹稳定性问题突出的舰载机。1948年，美国海军最早提出了通过建立动力补偿系统（ Approach Power Compensation System，APCS）实现全自动着舰（Automatic Carrier Landing System，ACLS）的构想，经过多年发展已经形成了成熟的舰载机自动着舰技术，并在F/A-18上得到成功应用[5-8]。但对于航母发展仍处于起步阶段的中国，舰载机进近着舰时的轨迹稳定性和轨迹控制仍需深入研究。

本文以前人研究为基础，首先介绍轨迹稳定性的成因和判据，其次采用迎角恒定的动力补偿系统控制系统（APCS）建立舰载机着舰时的轨迹角控制方案，结果表明，采用APCS控制，可以实现在轨迹不稳定情况下的轨迹角控制。

1 轨迹稳定性概述

早期人们根据平飞需用推力曲线来判断是否具有轨迹稳定性。如图1所示，在第二平飞范围，飞机阻力随速度减小而增大。当驾驶员意图使飞机抬头而进行拉杆动作，同时油门杆不动，在短时间内飞机会抬头减速，轨迹向上;此时阻力因速度减小而增大，又得不到更多的推力来平衡，飞机最终因阻力增大、剩余功率不足而下降。这种拉杆—减速轨迹向下轨迹角减小的运动，就是轨迹不稳定现象。

根据控制理论，轨迹稳定性由高度（或轨迹角）对升降舵传递函数最靠近原点的零点决定。当这一零点在虚轴右侧时，不具有轨迹稳定性。为了便于对轨迹稳定性进行飞行试验验证，往往也用轨迹角对空速的变化率dyldV进行衡量[9]，并作为轨迹稳定性的判据。该参数可根据轨迹角和速度对升降舵的传递函数得到：

这样就建立了轨迹稳定性和极曲线的关系，如图2所示。以最大升阻比为界，分为轨迹稳定和不稳定两个区域。

轨迹稳定性属飞机飞行品质的一部分，对此军、民用飞机有着不同的要求。根据MIL-F-8785C，对于着陆进场飞行阶段，以正常进场下滑所要求的推力状态，要求dyldV在最小使用速度VOmi。处为负值或小于下列值的正值：标准1为0.032°/（ km/h）、标准2为0.080°/（ km/h）、标准1为0.13°/（km/h）。且要求dyldV在VOmin - lO krrr/h速度处，比VOmin处在正值方向应不大于0.027°/（ km/h），如图3所示。简要而言，军机允许轨迹不稳定现象的存在，但不得“过于不稳”，也不得下降过快。

民用飞机适航规章对轨迹稳定性的要求隐含在CCAR-25.173、175条款[1O]中，其以杆力一速度曲线的形式，包含了对轨迹稳定性的规定。具体而言，条款中首先要求杆力一速度曲线必须具有稳定的正斜率，表明不允许轨迹不稳定;其次规定了最小杆力一速度曲线斜率，进一步对轨迹稳定性裕度提出了要求。

2 轨迹稳定性现象分析

本文取F/A-18着舰时的典型状态，线性模型如下，可以通过上述判据判断其是否具有轨迹稳定性：

参数dyldV为正，表明不具备轨迹稳定性。建立仿真模型，并单独激励以升降舵阶跃信号，油门不变，各状态量的时域响应如图4 （a）所示。可见飞机抬头，速度减小，轨迹角先为正后变负，高度先升后降，与预期的操纵期望相反。单独激励以油门阶跃信号的仿真曲线如图4（b）所示，可见在增油门时，速度并没有显著增加，但产生了显著的爬升。对比升降舵和油门的操纵结果，其区别在于，两种情况下轨迹角y对姿态角θ的跟踪能力不同。显然在升降舵操纵时，轨迹角y不能准确跟踪姿态角θ。相较而言，油门操纵对于改變轨迹，更符合期望的操纵效果，这也与常规依靠升降舵改变飞行轨迹的认识相反。

为了分析轨迹稳定性主要受哪些参数主导，对其进行参数灵敏度分析。这里定义轨迹稳定性对应的零点的参数灵敏

3 轨迹不稳定下的轨迹角控制

针对舰载机的轨迹角控制，早期由飞行员手动操纵，为飞行员带来了巨大的驾驶负担，后来发展出基于速度恒定的功率补偿系统，但由于阻尼弱、超调大，其应用受到限制。其后基于迎角恒定的功率补偿系统则被广泛使用，其控制思路是通过油门对轨迹更好的操纵能力，使轨迹角准确跟踪姿态角，从而实现或保持舰载机的下滑姿态。迎角恒定的APCS的控制律结构如图5所示，控制框图该控制系统在油门通道加入迎角、法向过载和俯仰角速度的反馈，意在通过油门保持迎角不变，并改善油门通道的响应特性。

对F/A-18着舰模型设计基于迎角恒定的APCS，经调参后各状态量的时域响应曲线如图6所示。可见轨迹角的调节时间4.7 s，超调量1.2%，这一过程中速度的变化量相对较小，可见APCS的轨迹角控制结果是较为满意的。

4 结束语

本文介绍了轨迹稳定性的概念，分析了轨迹稳定性成因及现象，并就舰载机轨迹稳定性差的问题，利用APCS设计了解决轨迹不稳定问题的控制方案。所得结论如下：①轨迹稳定性主要与飞机的升阻特性有关，并主要受阻力特性主导;阻力随速度减小而增大，会导致轨迹稳定性下降甚至失稳。②APCS控制可以使轨迹角较好地跟随姿态角，并且迎角和速度变化很小，有利于完成艦载机下滑着舰时的轨迹角控制。

参考文献：

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