航母運動對艦載飛機彈射起飛特性影響研究

姚海林, 趙一飛, 張　宏

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航母運動對艦載飛機彈射起飛特性影響研究

姚海林, 趙一飛, 張宏

1引言

艦載飛機以在海上運動的航空母艦為活動基地,保證其在航空母艦甲板上順利、安全地起飛是設計和使用首要考慮的關鍵問題,但由于海浪作用產生的航母運動對飛機的彈射起飛特性影響很大,甚至影響到起飛安全,因此艦載飛機需要有比陸基飛機更好的起飛性能。為了確保艦載飛機能在有限的航母空間、復雜環(huán)境情況下安全起飛,需要研究航母運動對艦載飛機起飛特性的影響。

2航母運動模型

航母航行時具有縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩六個運動自由度。在通常的航速和遭遇頻率下,首搖、縱蕩和橫蕩運動對飛機彈射起飛特性的影響較小,因此需要著重考慮縱搖(俯仰運動)、垂蕩(升沉運動)兩種運動對飛機彈射起飛安全的影響。

針對航空母艦的海上運動狀態(tài)模擬,有兩種方法較為常用:一是基于實際航母運動數(shù)據(jù)統(tǒng)計,利用平穩(wěn)隨機過程理論建立的頻率譜函數(shù)模型,但得出的頻譜函數(shù)不是解析形式,使用不便;二是將航母運動看作諧波疊加,并航母六自由度運動分解為各個單自由度運動的線性組合,研究航母運動的振幅、頻率和離艦時刻相位角等參數(shù)變化對彈射滑跑起飛的影響。航母運動諧波模型的方程可以描述為[1]:

Yi=Aisin(ωit+φi)

式中,振幅Ai和頻率ωi為各自由度對應的均方值,相位角φi可任意選取。

3彈射起飛運動方程

3.1動力學方程[2]

(1) 質心動力學方程

艦載飛機在航母甲板平臺上彈射起飛,因此在艦船坐標系下,建立飛機的質心運動方程如下:

(1)

(2) 轉動動力學方程

機體坐標系下,建立飛機的轉動運動方程如下。

(2)

3.2運動學方程

為了聯(lián)立求解上述飛機動力學方程組,還需要建立飛機重心位置與其運動速度的關系、飛機運動歐拉角與其角速度之間的關系如下[3]。

(3)

(4)

3.3起落架模型

飛機起落架一般采用油--氣式緩沖支柱,緩沖支柱受壓時其軸向力Fgz可統(tǒng)一表示為:

(5)

式中,Fa為緩沖器的空氣彈簧力;Fh為緩沖器的液壓阻尼力。

4仿真算例和分析

4.1仿真條件預置

利用上述的運動方程對艦載飛機的彈射起飛過程進行仿真計算,仿真條件的預置分為飛機、航母、彈射桿三部分如下[4]:

(1) 艦載飛機參數(shù)

彈射起飛過程中,艦載飛機的升降舵預置一定的偏度,以防止飛機離艦后迎角、俯仰角的發(fā)散;副翼、方向舵偏度置0;起落架模型采用前起受壓模型。

(2) 彈射桿參數(shù)

彈射器彈射力采用美國彈射器參數(shù),彈射沖程是205ft;起落架未壓縮前,彈射桿與航母甲板夾角為30°。

(3) 航母運動參數(shù)

對于航母各自由度運動的幅值和頻率,不同量級航母在不同的海浪條件下式不一樣的,不同的資料反映的數(shù)據(jù)也有差別。算例航母運動參數(shù)福萊斯特級航母(標準排水量59060t),在航速10kn,航向左舷30°,浪高5.18m,中等海況條件下,航母垂蕩運動幅值Acd和縱搖運動幅值Azy分別為0.8563m/s、0.0298rad,周期Tcd、Tzy分別為8.1s、8.1s。航母縱搖中心距離艦首距離為150m。圖1為航母縱搖、橫搖運動引起艦首高度、運動速度隨運動相位不同的變化曲線。

圖1　艦首高度、速度隨運動相位的變化曲線Fig.1　 Bow height and velocity curve follow ship movement phase

4.2航母縱搖對彈射起飛特性影響

離艦時刻縱搖相位的不同,會引起艦首高度、艦首上升速度變化,對艦載飛機離艦后的運動軌跡影響較大,圖2～圖4分別為離艦時刻航母縱搖運動相位不同,飛機高度、爬升速度、迎角隨時間變化的曲線,從仿真計算結果可以看出,由于離艦時刻飛機迎角較小,飛機所受升力遠小于重力,因此離艦后的爬升速度減小,迎角迅速增加。當航母縱搖引起艦首抬升時離艦,雖然此狀態(tài)飛機的迎角較小,但飛機有正的上升速度和較大艦首高度,因此離艦后飛機的高度持續(xù)增加,飛行軌跡遠高于無航母運動時軌跡,在此相位區(qū)間離艦飛行最佳。離艦時刻,縱搖相位區(qū)間為π～3/2π時,此時離艦,航母縱搖運動引起艦首下沉,并造成飛機向下運動,因此飛機離艦后下沉量超過3m(與離艦時刻甲板高度相比),不符合安全彈射起飛標準對離艦后下沉量的要求,因此彈射起飛時,應避免飛機在縱搖運動最不利的相位區(qū)間起飛。離艦時刻,縱搖相位為7/4π時,飛機離艦后先升高,后有一小段軌跡降低,這是因為此相位離艦,艦船縱搖有一向上運動速度,因此離艦后飛機軌跡略微增高;但飛機迎角較小,升力小于重力,飛機上升速度減小并在0.4s速度變?yōu)橄蛳逻\動,因此飛機高度降低。

圖2　縱搖相位不同對飛機高度的影響Fig.2　 Effect of different Pitch phase on the height of aircraft

圖3　縱搖相位不同對爬升速度的影響Fig.3　 Effect of different Pitch phase on the climbing speed of aircraft

4.3航母垂蕩對彈射起飛特性影響

圖5、圖6為離艦時刻,航母垂蕩運動的相位不同,飛機離艦后的高度與爬升速度隨時間的變化曲線。從仿真計算結果可以看出,當離艦時刻垂蕩相位區(qū)間為0～π時,艦首高度低于無航母垂蕩時,在此相位區(qū)間離艦,飛機的軌跡低于無航母垂蕩運動時;反之,當離艦時刻垂蕩相位區(qū)間為π～2π時,則高于無航母垂蕩運動。同時,離艦時刻的垂蕩相位不同時,飛機離艦后軌跡的變化趨勢基本一致,分析認為這是因為垂蕩運動引起的艦首運動速度不大,飛機離艦時刻的飛行參數(shù)相差也不大,因此飛機離艦后的軌跡變化趨勢一致。

圖4　縱搖相位不同對迎角的影響Fig.4　 Effect of different Pitch phase on the angle of attack of aircraft

圖5　垂蕩相位不同對飛機高度影響Fig.5　 Effect of different heave phase on the height of aircraft

4.4縱搖時參數(shù)變化對彈射起飛特性影響

由上述仿真計算可以看出,航母縱搖對彈射起飛的特性影響較大,當航母處于不利相位時離艦引起的下沉量也較大,因此當航母有較大縱搖運動時,為了保證彈射起飛安全,需要調整響應的起飛參數(shù)。

圖6　垂蕩相位不同對爬升速度的影響Fig.6　 Effect of different heave phase on the climbing speed of aircraft

增加彈射器彈射力、減小起飛重量后,飛機飛行高度隨滑跑距離的變化曲線如圖7所示,飛機速度隨時間變化曲線如圖8所示。由圖可知,通過減小起飛重量、增加彈射力,可以增加離艦時刻的速度,從而減小飛機離艦后的最大下沉量。

圖7　起飛參數(shù)變化對飛機高度的影響Fig.7　 The influence of the change of take-off parameters on the height of the aircraft

5結論

通過航母運動對艦載飛機起飛特性的分析可以得出以下結論:

(1) 由于艦首距離航母縱搖中心距離較大,航母縱搖運動相位變化對艦載飛機的彈射起飛影響較大。航母垂蕩運動相位變化對艦載飛機的彈射起飛離艦后的下沉量有一定影響,但對飛機離艦后運動軌跡的變化趨勢影響不大。

圖8　起飛參數(shù)變化對離艦速度的影響Fig.8　 The influence of the change of take-off parameters on off ship speed of the aircraft

(2) 航母縱搖、垂蕩運動較大時,需對縱搖運動進行監(jiān)測,避免艦首處于下降階段時離艦;而選擇在艦首抬升階段離艦,有利于起飛安全。

(3) 在有較大縱搖運動時,可以通過增加彈射器彈射力或減小彈射起飛重量,保證彈射起飛安全。

參考文獻:

[1]飛機設計手冊.第一、四分冊[S].北京:航空工業(yè)出版社.

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

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

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姚海林男(1969-),陜西禮泉人,高級工程師,研究方向為飛機操縱穩(wěn)定性及飛行模擬等。

趙一飛男(1983-),江蘇南京人,高級工程師,研究方向為飛機操縱性與穩(wěn)定性設計。

(中航工業(yè)一飛院,西安710089)

摘要：艦載飛機的彈射起飛安全受運動影響顯著,本文針對艦載飛機的彈射起飛過程,進行了六自由度的仿真建模,通過彈射起飛仿真計算,分析了航母縱搖、垂蕩運動對其彈射起飛特性的影響。結果表明由于艦首距離航母縱搖中心距離較大,航母縱搖運動相位變化對艦載飛機的彈射起飛影響較大,而選擇在艦首抬升階段離艦,有利于起飛安全。

關鍵詞：航母運動; 六自由度; 建模與仿真; 彈射起飛

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

中圖分類號：TP 391

文獻標識碼：A