﻿ 舰载机弹射起飞影响因素分析及侧向控制律设计<sup>*</sup>
 文章快速检索 高级检索

1. 海军航空大学青岛校区 控制科学工程系, 青岛 266041;
2. 海军航空大学 教练机模拟训练中心, 葫芦岛 125001

Analysis of factors affecting catapult take-off of carrier aircraft and design of lateral control law
WU Wenhai1, SONG Liting1, ZHANG Yang1, WANG Jie2, GAO Li1
1. Control and Engineering Department, Qingdao Branch, Naval Aviation University, Qingdao 266041, China;
2. Trainer Simulation Training Center, Naval Aviation University, Huludao 125001, China
Received: 2018-08-16; Accepted: 2018-10-15; Published online: 2018-11-09 13:29
Corresponding author. WU Wenhai, E-mail: 441211638@qq.com
Abstract: The various factors affecting the carrier aircraft catapult take-off safety are analyzed in detail. The nonlinear six-degree-of-freedom motion model of the aircraft in climbing phase is established. The effect of the rolling and yaw motion and crosswind on the catapult take-off characteristics is simulated and analyzed, and it is found that the main influences on the rolling and side-slip movement of the carrier aircraft after leaving the ship are the deck rolling motion and crosswind disturbance respectively. The nonlinear dynamic inverse control method is proposed to keep the nonlinear features of the model, make the result more precise, and realize the decoupling control of directional and lateral motion states. The simulation result indicates that the designed lateral control law can ensure that the rolling angle of the aircraft meets the safety criterion of not exceeding 5° within 3 seconds after leaving the ship and that there will be no obvious side-slip phenomenon due to crosswind disturbance, which can guarantee the safe take-off of carrier aircraft.
Keywords: carrier aircraft     catapult take-off     crosswind disturbance     dynamic inverse     flight control

1 数学模型建立

1.1 舰载机的非线性运动模型

 图 1 舰载机离舰上升段受力分析示意图 Fig. 1 Schematic of force analysis of carrier aircraft in climbing phase after leaving ship

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

1.2 航母运动模型

 (5)

 (6)

1.3 侧风模型

 图 2 侧风对于飞机侧滑角的影响示意图 Fig. 2 Schematic of influence of crosswind on side-slip angle of aircraft

2 弹射起飞影响因素分析 2.1 纵向运动影响因素

1) 起飞质量。在弹射力和发动机推力一定的情况下，起飞质量将影响飞机在弹射冲程末端获得的末速度，若质量与弹射力和发动机推力不匹配，将可能会导致离舰后的下沉量增大[11]

2) 发动机推力。舰载机离舰后需要保持一定的剩余推力，以保证飞机能稳定爬升[20]。因此，弹射过程中发动机始终保持加力状态有利于增大弹射末速度，可以提高弹射起飞的性能。

3) 弹射力。弹射力是飞机获得加速度的主要来源，会直接影响舰载机的弹射末速度，应根据舰载机型号和实际载荷选取合适的弹射力大小[11]

4) 甲板风。在舰载机弹射起飞过程中，航母迎风行驶可以提高飞机相对大气的运动速度，相当于增大飞机空速，增加升力，减小飞机离舰后飞行轨迹的下沉量[3]。舰艏气流也可以减小舰载机下沉量，增大离舰后的爬升率，且正向风速越大，对弹射起飞越有利。

5) 前起落架突伸。在弹射器动力冲程内，前起落架受到弹射器的牵引力而产生弹性形变，在冲程结束后，牵引力消失，起落架弹性势能释放而产生突伸作用，给舰载机施加抬头力矩，有助飞机建立起飞迎角[21-22]

6) 平尾预置偏角。由于弹射滑跑过程纵向过载很大，离舰初始飞行员无法操纵飞机，只能通过预置平尾偏角来调节飞机的起飞迎角，因此需根据需求设置合理的平尾预置偏角。

7) 航母纵摇。在甲板的多种运动中，影响纵向运动特性的有纵摇、升沉和垂荡，其中纵摇对下沉量影响较大。正纵摇角和向上的垂向速度会减小下沉量，负纵摇角和向下的垂向速度会增大下沉量[4]

8) 地效作用。舰载机离舰瞬间由于地效作用的消失会导致升力减小并产生低头力矩，是舰载机离舰后出现下沉量的主要诱因之一。增大弹射末速度并在飞机离舰后设计飞行控制系统稳定飞机姿态能够减小离舰后的下沉趋势。

2.2 侧向运动影响因素

1) 航母横摇。航母甲板横摇的运动赋予舰载机离舰瞬间的初始滚转角，如果在离舰后不能及时控制修正，将威胁舰载机的起飞安全。

2) 航母偏摆。航母的偏摆运动改变了舰艏的方向，相应地影响了舰载离舰时的航向，影响飞机的初始侧滑角和离舰后的航向稳定性[23]

3) 甲板风。如果航母的航行方向与海风风向存在一定夹角，则舰载机会受到侧向甲板风的作用，形成初始侧滑角，进而影响滚转角。

4) 弹射道偏角。极少数航母为了提升弹射效率，在斜角飞行甲板上设置了弹射器，在使用斜角甲板弹射起飞时，若飞机离舰后轨迹向靠近航母的方向偏离，会导致与舰艏距离过近，甚至发生碰撞，此时舰载机侧向控制的重要性尤甚[8]

5) 初始定位偏心。若舰载机进入弹射预定位置后，重心在甲板上的投影没有落在弹射器的中心线内，则在弹射的过程中会产生轻微的摆振，最终影响舰载机的弹射末速度。不过一般情况下，影响并不明显，因此不必重点研究[9]

 图 3 滚转力矩影响因素分析 Fig. 3 Analysis of factors affecting rolling moment

 图 4 偏航力矩影响因素分析 Fig. 4 Analysis of factors affecting yaw moment

 影响因素 影响指标 纵向 起飞质量 末速度 发动机推力 末速度 弹射力 末速度 甲板风 末速度 前起落架突伸 起飞迎角 平尾预置偏角 起飞迎角 航母纵摇 下沉量 地效作用 下沉量 侧向 航母横摇 偏航角 航母偏摆 侧滑角 甲板风 侧滑角 弹射道偏角 末速度 初始定位偏心 末速度

3 侧向控制律设计

 图 5 弹射起飞非线性动态逆控制系统结构 Fig. 5 Structure of catapult launch nonlinear dynamic inverse control system
3.1 快状态回路设计

 (7)

 (8)

 (9)

3.2 慢状态回路设计

 (10)

 (11)

 (12)

4 仿真分析

 工况 滚转角/(°) 滚转角速度/((°)·s-1) 偏航角/(°) 偏航角速度/((°)·s-1) 1 0 0 0 0 2 4.3 1.98 0.3 0.13 3 6.0 0.1 0.36 -0.04

 图 6 甲板运动对飞机离舰后运动状态的影响 Fig. 6 Effect of deck motion on motion state of aircraft after leaving ship

 图 7 侧风干扰对飞机离舰后运动状态的影响 Fig. 7 Effect of crosswind interference on motion state of aircraft after leaving ship

 图 8 不同风向的侧风对飞机离舰后运动状态的影响 Fig. 8 Effect of crosswind with different wind directions on motion state of aircraft after leaving ship

 图 9 PID控制方法与非线性动态逆方法效果对比 Fig. 9 Comparison of PID control method and nonlinear dynamic inverse method

 图 10 非线性动态逆控制律作用对飞机离舰后运动状态的影响 Fig. 10 Effect of nonlinear dynamic inverse control law on motion state of aircraft after leaving ship

 图 11 非线性动态逆控制律作用下侧风干扰对飞机离舰后运动状态的影响 Fig. 11 Effect of crosswind interference on motion state of aircraft after leaving ship under nonlinear dynamic inverse control law

5 结论

1) 对舰载机弹射起飞过程中可能影响起飞安全的各种因素进行了详尽分析，建立了舰载机离舰上升段的六自由度非线性运动模型，着重对影响侧向运动特性的主要干扰因素进行仿真，结果表明甲板运动的影响比侧风干扰要更明显。

2) 开展的弹射起飞控制律设计的研究对中国未来的舰载机设计及起飞技术的发展有着重要的技术储备价值，研究成果可以为中国今后航空母舰作战力量的提升和舰载机弹射起飞技术的发展奠定一定的理论基础。

3) 采用了非线性动态逆方法针对侧向运动特性设计快、慢2个状态回路的控制律，并仿真验证了控制系统能在短时间内消除舰载机的滚转姿态，防止飞机出现严重的侧滑，抑制侧风干扰对舰载机上升段的飞行姿态和航向的影响，保障起飞安全。

4) 采用的非线性动态逆方法是最基本的形式，需要指出的是，其需要对象的数学模型较为精确，若模型存在误差，则可以考虑将鲁棒控制或滑模控制的一些理论与动态逆方法相结合, 以获得更好的控制效果，可成为未来的研究方向。

 [1] 王俊彦, 吴文海, 高丽, 等. 舰载机弹射起飞建模与控制[J]. 飞机设计, 2010, 30(2): 10-13. WANG J Y, WU W H, GAO L, et al. Modeling and control of launching and taking-off of shipboard aircraft[J]. Aircraft Design, 2010, 30(2): 10-13. (in Chinese) [2] 王萌辉, 赵波. 舰载飞机起降动力学研究[J]. 飞机设计, 1997(1): 21-33. WANG M H, ZHAO B. Research on dynamics of shipborne aircraft taking off and landing[J]. Aircraft Design, 1997(1): 21-33. (in Chinese) [3] 郭元江, 李会杰, 申功璋, 等. 复杂环境下舰载机弹射起飞环境因素建模分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(7): 877-881. GUO Y J, LI H J, SHEN G Z, et al. Modeling and analysis of the factors of launching and taking off of carrier-based aircraft in complex environment[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 37(7): 877-881. (in Chinese) [4] 贾忠湖, 高永, 韩维. 航母纵摇对舰载机弹射起飞的限制研究[J]. 飞行力学, 2002, 20(2): 19-21. JIA Z H, GAO Y, HAN W. Research on the limitation of aircraft carrier's panning to the launch of shipborne aircraft[J]. Flight Dynamics, 2002, 20(2): 19-21. DOI:10.3969/j.issn.1002-0853.2002.02.005 (in Chinese) [5] 蔡丽青, 江驹, 王新华, 等. 甲板运动对舰载机弹射起飞特性的影响[J]. 飞行力学, 2014, 32(2): 105-109. CAI L Q, JIANG J, WANG X H, et al. Influence of deck motion on ejection characteristics of carrier aircraft[J]. Flight Dynamics, 2014, 32(2): 105-109. (in Chinese) [6] 王大海, 苏彬. 舰面运动对弹射起飞特性的影响[J]. 飞行力学, 1994, 12(1): 57-63. WANG D H, SU B. The influence of ship surface motion on ejection takeoff characteristics[J]. Flight Dynamics, 1994, 12(1): 57-63. (in Chinese) [7] 贺少华, 刘东岳, 谭大力, 等. 载机舰船气流场相关研究综述[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(2): 1-7. HE S H, LIU D Y, TAN D L, et al. A review of research on airflow fields of carrier ships[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(2): 1-7. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2014.02.001 (in Chinese) [8] 林佳铭, 张轶, 乐挺, 等. 非对称因素对舰载机弹射起飞安全的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(2): 363-374. LIN J M, ZHANG Y, LE T, et al. Influence of asymmetry on the safety of launching takeoff of carrier aircraft[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(2): 363-374. (in Chinese) [9] 于浩, 聂宏. 偏中心定位对弹射过程中飞机姿态的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(1): 10-14. YU H, NIE H. The influence of off-center positioning on the attitude of the aircraft during the ejection process[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 37(1): 10-14. DOI:10.3969/j.issn.1005-4561.2011.01.004 (in Chinese) [10] 朱齐丹, 刘恒, 李晓琳. 舰载机偏心情况下弹射起飞研究[J]. 飞行力学, 2016, 34(2): 10-14. ZHU Q D, LIU H, LI X L. Research on catapult takeoff in shipborne engine eccentricity[J]. Flight Dynamics, 2016, 34(2): 10-14. (in Chinese) [11] 刘星宇, 许东松, 王立新. 舰载飞机弹射起飞的机舰参数适配特性[J]. 航空学报, 2010, 31(1): 102-108. LIU X Y, XU D S, WANG L X. Parameter adaptation characteristics of ship-based aircraft for catapult takeoff[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(1): 102-108. (in Chinese) [12] 朱熠.舰载机起飞控制与仿真技术研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2012. ZHU Y.Research on take-off control and simulation technology of carrier aircraft[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10287-1012041557.htm [13] 朱熠, 江驹, 甄子洋, 等. 舰载机弹射起飞上升段控制律研究[J]. 电光与控制, 2012, 19(2): 13-16. ZHU Y, JIANG J, ZHEN Z Y, et al. Research on control law of shipborne aircraft launching and rising section[J]. Electronics Optics & Control, 2012, 19(2): 13-16. DOI:10.3969/j.issn.1671-637X.2012.02.004 (in Chinese) [14] 严重中, 冯家波. 舰载飞机弹射起飞上升段的自动控制飞行[J]. 南京航空航天大学学报, 1995, 27(4): 431-438. YAN Z Z, FENG J B. Automatic control flight of shipborne aircraft ejection and take-up section[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 1995, 27(4): 431-438. (in Chinese) [15] 程世超.舰载机弹射起飞参数优化及自动控制飞行的研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012. CHENG S C.Study on parameters optimization and automatic control flight of aircraft launching and launching[D].Harbin: Harbin Engineering University, 2012(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10217-1012517070.htm [16] Naval Air Systems Command. NATOPS flight manual navy model F/A-18E/F 165533 and up aircraft[M]. Washington, D.C.: Department of the Navy, 2008. [17] 吴文海. 飞行综合控制系统[M]. 北京: 航空工业出版社, 2007. WU W H. Flight integrated control system[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2007. (in Chinese) [18] COLLINSON R P G. Introduction to avionics systems[M]. Berlin: Springer, 2009. [19] LUCAS C B.Catapult criteria for a carrier-based airplane: AD702814[R].Washington, D.C.: Naval Air Systems Command, 1968. [20] 甄子洋, 江驹, 王新华, 等. 舰载机不同弹射系统的弹射过程[J]. 电光与控制, 2012, 19(5): 7-10. ZHEN Z Y, JIANG J, WANG X H, et al. The ejection process of different ejection systems for carrier-based aircraft[J]. Electronics Optics & Control, 2012, 19(5): 7-10. DOI:10.3969/j.issn.1671-637X.2012.05.002 (in Chinese) [21] 胡淑玲, 林国锋. 前起落架突伸对舰载机起飞特性的影响[J]. 飞行力学, 1994(1): 28-34. HU S L, LIN G F. Influence of the outrigger stretching on the takeoff characteristics of carrier aircraft[J]. Flight Dynamics, 1994(1): 28-34. (in Chinese) [22] 郑本武. 前起落架突伸对舰载飞机弹射起飞航迹的影响[J]. 南京航空航天大学学报, 1994, 26(1): 27-33. ZHENG B W. Influence of the outrigger stretching on the cataclytic take-off track of shipborne aircraft[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 1994, 26(1): 27-33. (in Chinese) [23] 朱齐丹. 航母舰载机安全起飞、着舰技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2016: 86-87. ZHU Q D. Safe take-off and landing technology of aircraft carrier aircraft[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2016: 86-87. (in Chinese) [24] 韩英华, 范彦铭. 基于非线性动态逆的无人机自动着陆控制系统[J]. 航空学报, 2008, 29(增刊): 66-72. HAN Y H, FAN Y M. Automatic landing control system for UAV based on nonlinear dynamic inversion[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2008, 29(Sup.): 66-72. (in Chinese)

#### 文章信息

WU Wenhai, SONG Liting, ZHANG Yang, WANG Jie, GAO Li

Analysis of factors affecting catapult take-off of carrier aircraft and design of lateral control law

Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2019, 45(4): 662-671
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0481