艦載機的軌跡穩定性及其控制研究

劉濤　蒙澤海

摘要：軌跡穩定性是飛機姿態和速度耦合導致的一類問題，軌跡不穩定體現為飛機縱向操縱和實際軌跡變化的不匹配，艦載機進近著艦時多面臨此問題。軌跡穩定性的下降與飛機進入第二平飛狀態時阻力急劇增大有關。對此設計動力補償系統（ APCS），控制結果表明APCS可以實現在軌跡不穩定情況下的下滑角控制，對于解決艦載機的軌跡不穩定問題有重要的工程意義。

關鍵詞：艦載機著艦;軌跡穩定性;需用推力曲線;動力補償系統

中圖分類號：V212.1

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.026

飛機的軌跡穩定性，是指駕駛員僅通過俯仰操縱來控制飛機飛行軌跡（高度）時的閉環穩定性情況[1-2]。軌跡穩定性下降甚至失穩多見于飛機低速飛行狀態，如著陸進場、艦載機著艦等，表現為飛機的軌跡變化和操縱期望不相符。研究表明，軌跡不穩定時飛機處于阻力曲線“背區”，即第二平飛范圍[3-4]，進入違反駕駛員常規操縱習慣的反操縱區，不利于駕駛員精準控制飛機的姿態和速度，威脅飛行安全。

目前對產生軌跡穩定性問題原因的研究豐富且成熟，主要集中于通過控制手段規避軌跡穩定性下降甚至失穩帶來的問題，尤其是以小速度著艦、軌跡穩定性問題突出的艦載機。1948年，美國海軍最早提出了通過建立動力補償系統（ Approach Power Compensation System，APCS）實現全自動著艦（Automatic Carrier Landing System，ACLS）的構想，經過多年發展已經形成了成熟的艦載機自動著艦技術，并在F/A-18上得到成功應用[5-8]。但對于航母發展仍處于起步階段的中國，艦載機進近著艦時的軌跡穩定性和軌跡控制仍需深入研究。

本文以前人研究為基礎，首先介紹軌跡穩定性的成因和判據，其次采用迎角恒定的動力補償系統控制系統（APCS）建立艦載機著艦時的軌跡角控制方案，結果表明，采用APCS控制，可以實現在軌跡不穩定情況下的軌跡角控制。

1 軌跡穩定性概述

早期人們根據平飛需用推力曲線來判斷是否具有軌跡穩定性。如圖1所示，在第二平飛范圍，飛機阻力隨速度減小而增大。當駕駛員意圖使飛機抬頭而進行拉桿動作，同時油門桿不動，在短時間內飛機會抬頭減速，軌跡向上;此時阻力因速度減小而增大，又得不到更多的推力來平衡，飛機最終因阻力增大、剩余功率不足而下降。這種拉桿—減速軌跡向下軌跡角減小的運動，就是軌跡不穩定現象。

根據控制理論，軌跡穩定性由高度（或軌跡角）對升降舵傳遞函數最靠近原點的零點決定。當這一零點在虛軸右側時，不具有軌跡穩定性。為了便于對軌跡穩定性進行飛行試驗驗證，往往也用軌跡角對空速的變化率dyldV進行衡量[9]，并作為軌跡穩定性的判據。該參數可根據軌跡角和速度對升降舵的傳遞函數得到：

這樣就建立了軌跡穩定性和極曲線的關系，如圖2所示。以最大升阻比為界，分為軌跡穩定和不穩定兩個區域。

軌跡穩定性屬飛機飛行品質的一部分，對此軍、民用飛機有著不同的要求。根據MIL-F-8785C，對于著陸進場飛行階段，以正常進場下滑所要求的推力狀態，要求dyldV在最小使用速度VOmi。處為負值或小于下列值的正值：標準1為0.032°/（ km/h）、標準2為0.080°/（ km/h）、標準1為0.13°/（km/h）。且要求dyldV在VOmin - lO krrr/h速度處，比VOmin處在正值方向應不大于0.027°/（ km/h），如圖3所示。簡要而言，軍機允許軌跡不穩定現象的存在，但不得“過于不穩”，也不得下降過快。

民用飛機適航規章對軌跡穩定性的要求隱含在CCAR-25.173、175條款[1O]中，其以桿力一速度曲線的形式，包含了對軌跡穩定性的規定。具體而言，條款中首先要求桿力一速度曲線必須具有穩定的正斜率，表明不允許軌跡不穩定;其次規定了最小桿力一速度曲線斜率，進一步對軌跡穩定性裕度提出了要求。

2 軌跡穩定性現象分析

本文取F/A-18著艦時的典型狀態，線性模型如下，可以通過上述判據判斷其是否具有軌跡穩定性：

參數dyldV為正，表明不具備軌跡穩定性。建立仿真模型，并單獨激勵以升降舵階躍信號，油門不變，各狀態量的時域響應如圖4 （a）所示。可見飛機抬頭，速度減小，軌跡角先為正后變負，高度先升后降，與預期的操縱期望相反。單獨激勵以油門階躍信號的仿真曲線如圖4（b）所示，可見在增油門時，速度并沒有顯著增加，但產生了顯著的爬升。對比升降舵和油門的操縱結果，其區別在于，兩種情況下軌跡角y對姿態角θ的跟蹤能力不同。顯然在升降舵操縱時，軌跡角y不能準確跟蹤姿態角θ。相較而言，油門操縱對于改變軌跡，更符合期望的操縱效果，這也與常規依靠升降舵改變飛行軌跡的認識相反。

為了分析軌跡穩定性主要受哪些參數主導，對其進行參數靈敏度分析。這里定義軌跡穩定性對應的零點的參數靈敏

3 軌跡不穩定下的軌跡角控制

針對艦載機的軌跡角控制，早期由飛行員手動操縱，為飛行員帶來了巨大的駕駛負擔，后來發展出基于速度恒定的功率補償系統，但由于阻尼弱、超調大，其應用受到限制。其后基于迎角恒定的功率補償系統則被廣泛使用，其控制思路是通過油門對軌跡更好的操縱能力，使軌跡角準確跟蹤姿態角，從而實現或保持艦載機的下滑姿態。迎角恒定的APCS的控制律結構如圖5所示，控制框圖該控制系統在油門通道加入迎角、法向過載和俯仰角速度的反饋，意在通過油門保持迎角不變，并改善油門通道的響應特性。

對F/A-18著艦模型設計基于迎角恒定的APCS，經調參后各狀態量的時域響應曲線如圖6所示。可見軌跡角的調節時間4.7 s，超調量1.2%，這一過程中速度的變化量相對較小，可見APCS的軌跡角控制結果是較為滿意的。

4 結束語

本文介紹了軌跡穩定性的概念，分析了軌跡穩定性成因及現象，并就艦載機軌跡穩定性差的問題，利用APCS設計了解決軌跡不穩定問題的控制方案。所得結論如下：①軌跡穩定性主要與飛機的升阻特性有關，并主要受阻力特性主導;阻力隨速度減小而增大，會導致軌跡穩定性下降甚至失穩。②APCS控制可以使軌跡角較好地跟隨姿態角，并且迎角和速度變化很小，有利于完成艦載機下滑著艦時的軌跡角控制。

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