艦載機著艦下滑道指示一致性分析

杜亞杰，趙建軍，楊利斌

(海軍航空大學， 山東 煙臺 264001)

艦載機在著艦的最后階段，主要靠中線相機為著艦指揮官提供的十字線圖像信息以及光學助降裝置為飛行員提供的光學下滑道指示信息進行著艦[1-3]。只有在兩種設備精確一致地引導和著艦指揮官準確地指揮下，艦載機才能在航母上安全地完成著艦[4-6]。但是，由于航母長時間在海上遂行軍事任務，以及設備老化、零位漂移等因素，系統技術狀態和引導精度將會發生變化[7-8]。為了保證系統的可靠性和精確性，必須加強系統技術狀態控制，適時地對系統中各引導設備進行標校[9-10]。

一般來說，逐個測量單一引導設備的引導精度，只要各自的精度在系統允許的誤差范圍內，就不需要對系統進行標校[11]。但是，也會出現引導不一致的情況。比如，中線相機指示艦載機飛行偏低，而飛行員看到的光學助降裝置所給出的下滑道光束顯示自己飛行偏高，出現引導不一致的現象，給飛行員造成巨大的心理壓力，容易造成著艦安全事故。本文提出一種基于下滑道指示一致性的指標，可作為是否需要對系統進行標校的一個依據。

1 “肉球”偏移與飛機下滑偏移之間的運動學分析

圖1 下滑偏差角與下滑偏移的幾何關系

在進場著艦時，飛行員能看見“肉球”在燈室表面隨飛機對理想下滑道的偏移而平滑地上下運動。當飛機在理想下滑道上時，飛行員看見“肉球”與燈室兩邊的水平基準光條在同一高度。當飛機高于理想下滑道時，飛行員看見“肉球”在水平基準光條的上方。當飛機低于理想下滑道時，飛行員看見“肉球”在水平基準光條的下方[13]。

根據圖1所示的幾何關系，可以推導出飛機相對于理想下滑道的偏移ha和“肉球”相對水平基準光條的偏移d之間的關系。

在圖1中，O點表示虛像位置，虛像的位置低于水平基準光條所在的水平面。F點表示水平基準燈位置，它們之間的水平距離為L。A點表示飛行員眼睛，B點是光基準下滑線與經過飛行員眼睛的垂直水平的交點，C點為過A點的垂直平面和O點所在位置的水平面的交點，D點為過A點的垂直平面和甲板水平面的交點，OC=Rx，CD=Δh，d表示“肉球”偏移量，β0表示飛機理想的下滑角，β表示飛機的實際下滑角，兩個角度之間的差即為下滑偏差角e。

下滑偏差角e和偏移量d之間的關系為：

(1)

由于

(2)

式(2)中下滑基準角β0較小，因此e+β0也是一個較小的角度，故可做近似處理得：

因此可得：

B3={{1,3,4},{1,3,5},{1,4,5},{2,3,4},{2,3,5},{2,4,5},{3,4,5},{1,2,3,4},{1,2,3,5},

(3)

可推導出偏移量ha和d的關系為：

(4)

經過仿真，下滑偏移量ha與“肉球”偏移量d以及艦載機距理想著艦點距離之間的關系如圖2所示。

圖2 下滑偏移量與“肉球”偏移量以及艦載機距理想著艦點距離關系圖

由式(4)可以看出，當Rx較大時，即使是較小的“肉球”偏移量d，也會引起比較大的下滑偏移ha，飛行員應操縱駕駛桿調節飛行高度；但是，隨著Rx不斷減小，較小的下滑偏移ha可能出現較大的“肉球”偏移量d，飛行員也察覺到較大的視差角a，飛行員應謹慎操作，不要采取大幅度校正，應根據著艦指揮官的指示決定是否進行復飛[14]。

2 光學助降裝置誤差影響分析

艦載機如果按照基準下滑道下滑，則尾鉤便可成功勾住阻攔索。但是假如光學助降裝置存在一定偏差時，會造成“肉球”偏離基準位置，而“肉球”的偏移同時也表現在當飛機著艦時，實際著艦點與理想著艦點之間的偏差。

由圖1可知，FF′即為著艦點偏差。根據圖1中的幾何關系得：

假設飛機按照某一給定基準下滑角下滑，則光學助降裝置的誤差對著艦點偏差的影響如圖3所示。

圖3 光學助降裝置誤差對著艦點偏差的影響

通過以上仿真結果可以得出，隨著下滑偏差角的增大，實際著艦點與理想著艦點之間的偏差越來越大。當“肉球”偏高時，實際著艦點在理想著艦點前方；偏低時，實際著艦點在理想著艦點后方。按照著艦引導系統對光學助降裝置單個設備提出的精度指標要求，結合圖3仿真結果，當著艦偏差不滿足系統允許的誤差時，需要對光學助降裝置進行標校。

3 中線相機誤差影響分析

中線相機位于斜甲板跑道中線上，其主要功能是向著艦指揮官提供直觀的艦載機對準下滑道的視頻信息，同時可以得到艦載機的角度信息。

在最后著艦階段，中線相機起著至關重要的作用，它對艦載機是否對準跑道中線以及是否在理想著艦下滑道上直接產生影響，進而最終影響艦載機的安全著艦。中線相機的指示誤差對艦載機下滑道產生的下滑偏移量如圖4所示。

圖4 中線相機指示誤差示意圖

圖4中B為理想下滑道上的空間點，β0是理想下滑角，α是沿理想下滑道上的中線相機的測量角度；S是理想著艦點與中線相機之間的距離，R是空間點B與理想著艦點之間的水平距離；D是過B點的垂面與斜角甲板中線的交點。當中線電視存在測量偏差角δ時，中線電視測量的目標位置會有偏差，即A點是中線相機存在誤差時，在當前距離上的指示點，AB即為相機的指示誤差對艦載機下滑道產生的下滑偏移量。

下面給出中線相機偏差和由此產生的艦載機下滑偏移量之間的關系，有：

Rtanβ0=(R+S)tanα

AB=(R+S)tan(α+δ)-Rtanβ0

經過計算，中線相機的指示偏高時，在不同距離上產生的下滑偏移量如圖5所示。

圖5 距離、中線相機指示誤差與下滑偏差量的關系圖

由圖5可以看出，當艦載機距離理想著艦點較遠時，即使中線相機的指示偏差較小，也會引起比較大的下滑偏移量；隨著艦載機不斷接近理想著艦點，當中線相機指示偏差引起的下滑偏移量不滿足系統允許的誤差時，需要對中線相機進行標校。

4 下滑道指示一致性分析

艦載機著艦最后階段主要依靠飛行員的目視能力，也就是飛行員依靠“肉球”控制飛機按照下滑道指示進行著艦。但是系統中的引導設備可能會因為自身的誤差，導致指示不一致的現象?？赡軙霈F飛行員看到“肉球”偏高，需要向下調整飛行，但是中線相機指示艦載機飛行偏低，著艦指揮官根據中線相機提供的引導信息要求飛行員抬高，出現引導不一致的現象，給飛行員造成巨大的心理壓力，容易造成著艦安全事故。因此，可以將飛行員看到的“肉球”偏移作為光學助降裝置和中線相機兩型設備下滑道指示一致性的指標[15]。

利用本文第3節得到的中線相機的指示誤差引起的艦載機下滑偏移量，結合第1節“肉球”偏移和下滑偏移的關系來推導出對應的“肉球”偏移量，并與光學助降裝置指示誤差引起的“肉球”偏移量作對比，對著艦下滑道指示一致性進行分析。圖6為光學助降裝置和中線相機下滑道指示一致性示意圖。

圖6中B為理想下滑道上的空間點，β0是理想下滑角，α是沿理想下滑道上的中線相機的測量角度；S是理想著艦點與后中線相機之間的距離，R是空間點B與理想著艦點之間的水平距離；D是過B點的垂面與斜角甲板中線的交點。當中線電視存在測量偏差角δ時，中線相機測量的目標位置會有偏差，即A點是中線相機存在誤差時，在當前距離上的指示點，AB即為相機的指示誤差對艦載機下滑道產生的下滑偏移量。O是光學助降裝置中光學下滑道的虛像的位置，L是虛像到理想著艦點的距離，h為虛像下移高度。若飛行員根據中線相機提供的信息對飛機進行操作著艦，d為飛行員看到的肉球偏移量。

圖6 下滑道指示一致性示意圖

當沿著基準下滑道下滑時，存在如下關系：

Rtanβ0=(S+R)tanα

當中線相機存在測量誤差時，根據圖6中的幾何關系得：

(R+L)tan(β0+e)=(S+R)tan(α+δ)+h

由此可以計算出當前飛行員在當前位置上的光學助降裝置的指示偏差，從而得到當前飛行員可以看到的肉球偏移量。

圖7給出了不同的中線相機指示誤差，在不同距離上產生的肉球偏移量。

圖7 中線相機指示誤差與不同距離肉球偏移量的關系圖

中線相機指示誤差和光學助降裝置的引導誤差，可以用艦載機飛行員看到的“肉球”偏差來綜合反映出來。當“肉球”的偏差量對飛行員產生足夠大的心里負擔時，即使這兩型設備的誤差均在系統允許的誤差范圍內，也建議對設備進行標校，以免引發安全事故。

5 結論

很大程度上，艦載機的安全著艦依賴于著艦引導系統中各引導設備精確地指示引導。當引導設備出現偏差時會對艦載機著艦造成影響。本文針對光學助降裝置和中線相機產生引導偏差時，其分別對艦載機的著艦點和下滑偏移量產生的影響進行分析和仿真計算，在各自的誤差允許范圍內，不會影響艦載機安全著艦。本文提出指示一致性的指標，將上述兩型引導設備存在誤差時，飛行員看到的“肉球”偏移量作為分析對象。當飛行員看到的“肉球”偏移量比較大時，容易對飛行員造成巨大的心理壓力，影響操作，引發安全事故。因此，可以將指示一致性作為系統標校的指標。