地面效應對著艦精度的影響及操控策略

徐彥軍，李冀鑫

(海軍飛行學院教研部，遼寧葫蘆島 125001)

地面效應是飛行器在貼近地面飛行時產生的一種特有的空氣動力現象。對陸基飛機而言，著陸時由于存在一個明顯的平飄階段［1］，所以地面效應的影響十分顯著，目前已引起了飛行員的重視。

然而，在艦載飛機著艦問題中地面效應的影響還沒有得到應有的重視，主要原因是艦載飛機著艦時沒有平飄段［2］，地面效應作用的時間和距離都較短。考慮到艦載飛機對著艦精度的要求很高，有必要詳細研究地面效應對著艦精度的影響。

本文分析了在著艦過程中地面效應的作用距離和時間，提出了一種計算著艦誤差的方法，討論了減小地面效應影響的操控措施。

1 地面效應的產生機理

當飛機貼近地面飛行時，流過飛機表面的氣流由于受到地面的影響，使得飛機的空氣動力狀態發生一定的變化，這種現象稱為地面效應，常常簡稱為“地效”。

地面效應的產生主要有2方面的原因:一方面，機翼下方的氣流由于受到地面的阻擋，流速減慢，導致機翼下表面壓力增大，從而使得飛機的升力增加;另一方面，流過機翼的下洗氣流由于地面的阻擋，其下洗角會減小，這就使得飛機的誘導阻力減小。所以地面效應使得飛機的升力增加，阻力減小，改善了飛機的升阻比。地面效應對飛機流場的影響如圖1所示。圖中L表示升力，Di表示誘導阻力，ε表示機翼后方氣流的下洗角。

另外，機翼后方下洗角ε的減小又會改變水平尾翼周圍的流場［1］，使得作用在飛機上的上仰力矩減小，從而導致飛機產生附加的低頭力矩。

實驗和理論分析表明，對于固定翼飛機而言，地面效應的強弱主要與飛機距離地面的高度有關。一般說來，當飛機距離地面的高度等于其翼展的長度時，地面效應開始起作用。當飛機距離地面的高度等于其翼展長度的一半時，地面效應的作用顯著增強［3］。

圖1 地面效應對飛機流場的影響

圖2是考慮地面效應時某型艦載飛機的極曲線的變化趨勢。通常，地面效應的影響使得升力系數的增加量在 0.05～0.18。

圖2 地面效應對極曲線的影響

2 地面效應對著艦精度的影響

2.1 著艦過程簡介

為保證著艦安全，艦載飛機必須有很高的著艦精度。美國海軍的著艦引導系統規范要求實際的著艦點和理想著艦點之間的誤差應小于7.62 m［2］。

艦載飛機著艦時，為了減小相對速度以及形成有利的甲板風，母艦以一定的速度Vs向前航行。所以，在母艦的后方就形成了復雜的艦尾流擾動［4］。為了保證艦載飛機以精確的飛行航跡穿越艦尾流擾動，母艦上通常裝備光學助降系統。光學助降系統在空中形成一條下滑光路，引導飛機下滑著艦，如圖3所示。

圖3 著艦過程

光學下滑線與水平面之間的夾角σ稱為相對軌跡角。飛機相對于母艦的速度Vds、母艦航行速度Vs以及飛機在慣性空間的速度Vp滿足矢量三角形的合成法則，如圖3左上角的矢量三角形所示。為方便起見，本文規定飛機下滑時的航跡角為正值。經過簡單推導，可以確定飛機下滑的相對軌跡角σ和慣性空間內的下滑角γp滿足式(1)所示關系:

在 σ和 γp均為小角度的情況下，根據近似關系sin( σ －γp)≈σ －γp、sinσ≈σ 可得著艦時的相對軌跡角和下滑角

2.2 著艦時地效影響的距離和時間

艦載飛機在飛躍艦尾時距離艦面的高度可按式(3)計算:

式中xTD為理想著艦點距離艦尾的距離。

為實施艦載飛機攔阻著艦，在著艦甲板上一般設置4根攔阻索。第1根攔阻索距離艦尾的距離約為50 m，向艦艏方向約每隔12 m設置一根。一般來說，理想著艦點設置在第2根與第3根攔阻索之間的區域。艦面光學下滑線與水平面之間的夾角為3°～4°，由上述數據，利用式(3)計算，飛機飛躍艦尾的高度不會超過5 m，而艦載飛機的翼展一般會大于10 m。可見，飛機進入艦面上空以后，地面效應已經產生，應該考慮地面效應對空氣動力特性的影響。

地面效應作用的距離就是理想著艦點和艦尾之間的距離。而地效的作用時間則可以用式(4)計算:

2.3 著艦誤差的簡單計算方法

在進艦著艦過程中，地面效應對飛機的影響主要體現在升力的變化上。盡管阻力也有變化，考慮到飛機巨大的慣性質量和原有的前進速度，阻力變化在這么短的時間里對飛機運動的影響完全可以忽略不計。如果地面效應引起的升力系數增量為ΔCL，根據飛機升力公式［1］，由此導致的升力增量為

式中:ρ為空氣密度;S為機翼參考面積。

在這個升力增量的作用下，飛機在豎直方向做初速度不為零的勻減速運動，其加速度為

式中m為飛機著艦質量。

由于存在地面效應導致的負加速度，飛機飛到理想著艦點處的高度偏差為

因為理想著艦點處存在高度偏差，所以飛機沒有在理想著艦點著艦，而是以實際的下滑角σ'繼續飛行，如圖4所示。實際的相對下滑角為

實際著艦點和理想著艦點之間的距離就是由于地面效應導致的著艦縱向誤差，可以計算為

將式(3)～(8)代入式(9)可得:

可見，地面效應引起的縱向著艦誤差與升力系數的增量、著艦下滑角均有關系。

圖4 地面效應引起的著艦誤差

2.4 計算實例

以某型艦載飛機為例，計算地面效應對著艦精度的影響，經過計算可得f=1.60。在該型艦載飛機著艦迎角下地面效應引起的升力系數增量為0.1左右，代入式(10)可得地面效應導致的縱向誤差為12.95 m。表1列出了升力系數增量取不同值時的著艦誤差。

表1 地面效應導致的著艦誤差

可見，地面效應的影響是一個不容忽視的著艦誤差來源。當地面效應的對升力系數的影響僅為0.07時，著艦誤差已經達到了8.57 m，超過了著艦引導規范規定的平均允許誤差(7.62 m)。

3 減弱著艦地面效應影響的操控策略

從表1所示的計算結果看，地面效應對著艦精度的影響比較顯著。上面計算只是考慮了地面效應引起飛機升力的變化，從而引起飛機法向位移和著艦點的變化。而實際情況是地面效應還會引起飛機俯仰力矩的變化，附加的低頭力矩會使飛機迎角減小、升力減小。地面效應引起的升力和力矩的變化對飛機運動的綜合作用結果是，飛機“上拱”，即飛機一方面低頭、一方面向上運動。由于作用時間為1 s左右，飛機低頭體現得不明顯，而由于直接升力增加引起的向上運動體現得比較明顯，再加上較小著艦軌跡角，從而引起飛機著艦點較大的偏差。

在實際飛行中，駕駛員本身具有較強的適應能力［5］。經過一定次數的攔阻著陸飛行訓練后，駕駛員在進行攔阻著艦時，其操縱中肯定會含有對于地面效應的修正成份，會在著艦前的最后階段主動調整自己的操縱策略，修正地面效應的影響。由于作用時間很短，而飛機又要有一定的俯仰響應延遲，因此，駕駛員的修正行為必須在達到艦面之前就要開始，也就是駕駛員要提前略向前迎桿，這對于駕駛員的心理和控制精度的要求都是極高的。

為了減輕駕駛員操縱困難，也可以合理調整光學助降系統的位置。特別是在著艦引導的最后階段，可以采取將光源適當前移的措施，以應對地效的影響，減小駕駛員最后階段主動修正的行為和難度。另外，著艦信號指揮官應該對地效的影響了如指掌，因為合理的前期指揮也會減小駕駛員最后階段主動修正的行為和難度。

4 結束語

理論分析和計算表明，地面效應對著艦誤差的影響不容忽視。因此，為保證艦載飛機在攔阻區域準確著艦，必須采取相應的操控措施。光學助降系統的設置和飛行人員的熟練操縱相結合的方法將是應對地面響應對著艦影響的有效方法。

［1］ 熊海泉，劉昶，鄭本武.飛機飛行動力學［M］.北京:航空工業出版社，1990.

［2］ 楊一棟.艦載飛機著艦導引與控制［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［3］ 肖業倫，金長江.大氣擾動中的飛行原理［M］.北京:國防工業出版社，1993.

［4］ 陶楊，侯志強，賈忠湖.艦載機進艦過程艦尾流仿真建模［J］.兵工自動化，2010，29(10):9 －12.

［5］ 丁邦昕.飛機駕駛學［M］.北京:藍天出版社，2004.

(責任編輯陳 松)