著艦控制系統(tǒng)性能評估指標(biāo)體系分析

尹海韜+李艷

摘要：著艦控制系統(tǒng)性能評估體系的建立是艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，如何客觀、全面地評估著艦控制系統(tǒng)性能，是系統(tǒng)研制和使用均關(guān)注的問題。文章結(jié)合著艦過程的各個(gè)階段構(gòu)建著艦控制系統(tǒng)的多層次評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，建立不同階段的評估模型，并對關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：著艦；控制系統(tǒng)；評估；指標(biāo)體系

中圖分類號(hào)： TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

引言

近年來艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)得到廣泛研究，出現(xiàn)了許多方法。相應(yīng)地，對著艦控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的評估也得到充分發(fā)展。如何對艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)建立科學(xué)合理的評估體系，成為了迫切需要解決的問題。

國外對艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的評估的研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)僅局限于對作戰(zhàn)飛機(jī)的性能評估[1～4]，或者對民航著陸階段進(jìn)行評估分析[5]。本文從艦載機(jī)著艦過程出發(fā)，結(jié)合著艦過程對各個(gè)階段的關(guān)鍵因素分析，并建立相互獨(dú)立的子評估體系，最后根據(jù)子體系給出多層次評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。

1 指標(biāo)體系建立原則

艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)是具有機(jī)動(dòng)性的復(fù)雜系統(tǒng)，并且著艦過程受風(fēng)干擾、甲板運(yùn)動(dòng)等影響。要對其建立合理的評估體系，應(yīng)從以下兩方面考慮：

1.評估系統(tǒng)模塊化處理 由于著艦控制系統(tǒng)本身是個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，要對其做出合理準(zhǔn)確的綜合評估，首先應(yīng)該對各分系統(tǒng)給出合理評估。所以應(yīng)將總系統(tǒng)根據(jù)其不同的性能要求劃分成若干模塊分別進(jìn)行評估；

2.各模塊下評估指標(biāo)的選擇 評估指標(biāo)的選擇是評估中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，選擇合適的評估指標(biāo)，不但可以對系統(tǒng)做出合理有效的評估，也給系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供指標(biāo)參考。

在評估系統(tǒng)中，根據(jù)指標(biāo)本身功能要求，每一個(gè)指標(biāo)的建立都需要一定的計(jì)算方法。另外，根據(jù)每個(gè)指標(biāo)在評估系統(tǒng)中的地位以及所起的作用，對整體性能的評估給出合理的評估方法。

2 著艦控制系統(tǒng)指標(biāo)的分析

根據(jù)上述原則，以著艦過程不同階段的性能為參考標(biāo)準(zhǔn)劃分評估系統(tǒng)的模塊。主要針對進(jìn)場著艦性能、機(jī)艦耦合作用、邊界保護(hù)性能、著艦點(diǎn)誤差以及著艦成功率五個(gè)方面建立各自的評估指標(biāo)體系。根據(jù)著艦不同階段對控制系統(tǒng)的具體要求，結(jié)合指標(biāo)在控制系統(tǒng)中所起的作用及其權(quán)重的大小，建立上述五個(gè)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)的著艦控制系統(tǒng)多層次評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，并對其關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行定量分析。

2.1 進(jìn)場著艦性能

進(jìn)場著艦性能[6]指標(biāo)體系包括美國海軍聯(lián)適用規(guī)范指南中已有和現(xiàn)有的進(jìn)場著艦相關(guān)指標(biāo)。主要包括下滑躍升機(jī)動(dòng)、最小視場角度、失速速度邊界、飛控極限速度、大油門響應(yīng)、著艦下滑角等6個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)具體說明如下：

a.下滑躍升機(jī)動(dòng)：在機(jī)動(dòng)開始的5s內(nèi)，能夠從初始航跡修正到50ft（15m）高的新航跡的最低速度。

b.最小視場角度：在相對于航母吃水線上方600ft（183m）高度與下滑航跡相交處，從飛行員設(shè)計(jì)眼位看到艦艉吃水線時(shí)的最小視場角度。

c.失速速度邊界：失速邊界的功率標(biāo)準(zhǔn)是：在使著艦構(gòu)型產(chǎn)生1.15倍無動(dòng)力失速速度的推力作用下，平飛時(shí)可獲得1.1倍有動(dòng)力失速速度。

d.飛控極限速度：對于艦載機(jī)進(jìn)場著艦階段而言，飛控極限速度是指基于邊界范圍內(nèi)飛行控制的最小速度。

e.大油門響應(yīng)：在推油門和減速板收回后縱向加速度能在2.5s內(nèi)達(dá)到5ft/s2（1.74m/s2）的最低加速度。

f.著艦下滑角：在光學(xué)助降系統(tǒng)下，艦載機(jī)著艦的下滑軌跡與海平面的夾角。艦載噴氣式飛機(jī)一般均以3.5°～4°的固定下滑角進(jìn)場著艦，最大下滑角受垂直下沉率強(qiáng)加于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷所約束，過大的下滑角將使飛機(jī)起落架及機(jī)體的縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以承受，甚至造成著艦時(shí)起落架折斷。而最小下滑角是受精確操縱及艦尾擾流所約束，可歸納為以下幾方面因素的限制[6，7]：

1.航母靜止的情況下，飛機(jī)著艦時(shí)應(yīng)有3.05m（10ft）的通過尾舷高度， 由于理想著艦點(diǎn)與尾舷之間的水平距離有限，飛機(jī)的下滑角不應(yīng)過小。

2.下滑角越小，對于垂直方向相同的高度偏差的觸艦點(diǎn)，引起的水平距離偏差就越大。另外，受地效作用的影響，在小下滑角時(shí)，觸艦點(diǎn)距離偏差也會(huì)相應(yīng)增大。如果低于所需要的下滑角，飛機(jī)可能被下洗尾流打入艦尾有墜毀的危險(xiǎn)。

3.下滑角偏小時(shí)，駕駛員對下滑面的控制較難。進(jìn)場的最后10s內(nèi)，駕駛員通常采用的控制方法是操縱升降舵和發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對于噴氣式飛機(jī)，建議甲板風(fēng)為25kn時(shí)用3.5°下滑，甲板風(fēng)大于30kn用4°下滑[8，9]。

進(jìn)場著艦性能指標(biāo)如圖1所示：

2.2 機(jī)艦耦合作用

機(jī)艦耦合作用[10]性能指標(biāo)包括：最大縱搖角、最大橫搖角、最大下沉高度、甲板中線夾角等4個(gè)指標(biāo)。

通常航母是以30海里/小時(shí)的速度行駛，加之海況所造成的艦體橫搖、縱搖和升沉等，從而使飛機(jī)的預(yù)期著艦點(diǎn)實(shí)際上是三維空間的活動(dòng)點(diǎn)。美國海軍規(guī)定，艦載機(jī)著艦時(shí)，航母縱搖不得超過2°，橫搖不得超過7°，艦艉下沉不得超過1.5m，否則著艦上鉤將非常困難。同樣，在艦載機(jī)起飛離艦時(shí)艦艏不得下沉，經(jīng)計(jì)算每下沉1°，艦載機(jī)離艦速度必須提高20kn（37km/h），方能保證安全離艦。

機(jī)艦耦合作用指標(biāo)如圖2所示：

2.3 邊界保護(hù)性能

在著艦階段艦載機(jī)許多參數(shù)的邊界限制中[11]，過載及迎角限制最為重要。最大過載和臨界迎角一般與人體的忍耐極限和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷有關(guān)。

根據(jù)設(shè)計(jì)，臨界迎角可以從16°到20°變化。通過增大進(jìn)場著艦迎角，可以有效提高升力系數(shù)，提高著艦性能。但限于雞頭前部視場、飛行品質(zhì)，保證尾部攻擊能力等其他限制條件，實(shí)際迎角一般不會(huì)達(dá)到迎角邊界。F/A-18A的安全著艦迎角約為8°。

過載限制的范圍應(yīng)根據(jù)飛機(jī)用途確定，各國規(guī)范都是根據(jù)本國實(shí)際情況對飛機(jī)進(jìn)行分類，并規(guī)定其過載的大小，如表1所示：

2.4 著艦點(diǎn)誤差

ACLS的主要功能是對著艦下滑航跡進(jìn)行精確控制。衡量艦載機(jī)著艦精度的指標(biāo)是著艦偏差的大小。著艦偏差是指艦載機(jī)的實(shí)際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的位置關(guān)系，包括縱向偏差、橫向偏差以及軌跡跟蹤精度。其中，縱向偏差又包括水平位置偏差和垂直高度偏差，軌跡跟蹤精度是在三維空間上跟蹤軌跡與理想軌跡的偏差，其表達(dá)式為：

（1）

航母甲板上一般布置有4根攔阻索，第1根位于距船尾50m左右處，其余3根按照艦尾至艦首方向每隔約12m設(shè)1根。理想著艦點(diǎn)位于第2根和第3根攔阻索的中心位置。水平位置偏差指實(shí)際著艦點(diǎn)與理想著艦點(diǎn)之間的水平距離；垂直高度偏差指在理想著艦點(diǎn)處艦載機(jī)的實(shí)際下滑軌跡與理想下滑軌跡之間的垂直距離；橫向偏差是指艦載機(jī)在進(jìn)艦過程末端到達(dá)理想著艦點(diǎn)處時(shí)，機(jī)身中軸線偏離攔阻區(qū)的甲板跑道中心線的橫向距離。偏差等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.5 著艦成功率

著艦成功率是飛機(jī)沒有發(fā)生事故且未發(fā)生復(fù)飛和逃逸的概率。據(jù)國外艦載機(jī)飛行訓(xùn)練的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在安全著艦、復(fù)飛、逃逸、撞艦（撞擊母艦艦尾）這幾種現(xiàn)象中，復(fù)飛概率最大，為40%～50%[12]。著艦成功率=1-著艦事故率-著艦逃逸率-著艦復(fù)飛率。

2.6 著艦控制系統(tǒng)性能指標(biāo)體系

根據(jù)以上對各個(gè)指標(biāo)的分析，對著艦控制系統(tǒng)建立評估體系，主要包括進(jìn)場著艦性能、機(jī)艦耦合作用、邊界保護(hù)性能、著艦誤差指標(biāo)和著艦成功率五個(gè)方面。具體的評估體系見圖5所示。

結(jié)論

本文簡要分析了著艦過程的關(guān)鍵指標(biāo)，建立了以著艦過程各階段為基礎(chǔ)的進(jìn)場著艦性能、機(jī)艦耦合作用、邊界保護(hù)性能、著艦誤差指標(biāo)以及著艦成功率各模塊的評估指標(biāo)模型，并構(gòu)建了著艦控制系統(tǒng)的多層次評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。對研究艦載機(jī)著艦控制系統(tǒng)性能評估提供了可靠的理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 龔勝科， 徐浩軍， 周莉， 林敏. 基于區(qū)間AHP法與粗糙集的飛機(jī)空戰(zhàn)效能評估[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 11（5）： 16-20.

[2] 廉浩， 高超. 作戰(zhàn)飛機(jī)方案設(shè)計(jì)評估指標(biāo)體系研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2007， 24（7）： 59-61， 81.

[3] 張金哲， 韓曉明. 基于改進(jìn)AHP法的飛機(jī)超視距作戰(zhàn)能力評估[J]. 火力指揮與控制， 2009， 34（10）： 159-163.

[4] 劉亞斌， 劉更， 劉文彬. 基于AHP-模糊法的飛機(jī)空戰(zhàn)能力指標(biāo)評價(jià)[J]. 航空制造技術(shù)， 2013， 8： 69-70， 78.

[5] 周長春， 胡棟棟. 基于灰色聚類方法的航空公司飛機(jī)進(jìn)近著陸階段安全性評估[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2012， 8（7）： 99-102.

[6] 國外艦載機(jī)技術(shù)發(fā)展[M]. 北京： 航空工業(yè)出版社， 2008：78-91.

[7] 曹炎娜， 李屹東， 董庚壽， 周佳. 艦載飛機(jī)著艦最佳甲板風(fēng)初步分析[J]. 飛行力學(xué)， 1995， 13（2）： 18-24， 32.

[8] 顏振萍. 艦載機(jī)自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)研究[D]. 上海： 復(fù)旦大學(xué)， 2009： 65-71.

[9] 龍飛. 基于艦載飛機(jī)的飛推綜合控制研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2007： 22-32.

[10] 彭兢. 艦載飛機(jī)進(jìn)艦著艦的自動(dòng)引導(dǎo)和控制研究[D]. 北京： 北京航空航天大學(xué)， 2001：2-6.

[11] 酈正能. 飛行器結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社. 2005： 16-33.

[12] 趙振宇， 劉敏杰. 艦載機(jī)復(fù)飛包線計(jì)算程序開發(fā)[J]. 火力與指揮控制， 2010， 35（6）： 125-127.