舰载机综合复飞决策研究

焦鑫, 江驹, 王新华, 甄子洋

(南京航空航天大学 自动化学院, 江苏 南京 210016)

舰载机综合复飞决策研究

焦鑫, 江驹, 王新华, 甄子洋

(南京航空航天大学 自动化学院, 江苏 南京 210016)

舰载机在着舰过程中,由于种种干扰偏离理想下滑轨迹后,飞行员必须及时准确地作出复飞决策并采取相应的动作。针对这一问题,对已有的复飞下边界准则进行了进一步的完善,并推导和确定了复飞上边界准则。然后首次将基于小扰动动力学模型的着舰系统与基于终端预估方程的复飞决策系统相结合,设计了基于改进型复飞边界准则的综合复飞决策系统,得到了相应的综合复飞区及复飞边界,并针对不同着舰情况对综合复飞决策系统进行了仿真验证。结果表明,该系统能够及时判断出舰载机是否进入复飞区,复飞是否安全,从而大大提高了舰载机的着舰效率和着舰安全性。

复飞决策系统; 复飞边界准则; 舰载飞机

引言

海军驾驶员执行的最精确任务之一就是将高性能的飞机安全降落在航空母舰上[1]。但是,舰载机在着舰过程中,由于受到各种干扰影响或出现不可预估的故障,经常会偏离理想的下滑轨迹[2-3]。此时,飞行员及时准确地进行复飞,对保证飞机安全至关重要。据文献报道,目前舰载机每着舰20次,就有一次需要进行复飞,即复飞概率为1/20[4]。所以如何保证复飞决策更加合理有效,从而保证着舰效率和安全性是一个重要的研究课题。文献[5]对复飞整个过程进行了阐述,并分析了复飞的原因;文献[6]提出了一种智能复飞决策系统,在原军用推力操纵的基础上,加入了具有保持迎角恒定的升降舵模糊控制,从而增强了低动压状态下飞机的机动能力,减小了复飞区;文献[7]在建立舰载飞机着舰复飞的非线性飞行动力学模型的基础上,讨论了复飞包线的生成方法,重点研究了复飞操纵动作对复飞包线的影响,对不同的操纵方法进行了计算和比较。从以上文献及研究成果可以看出,对复飞决策系统的研究不仅是必要的,而且是迫切的。

目前国内对舰载机复飞的研究还比较少,不够深入,尤其是对复飞边界准则考虑的因素较少,不够准确,研究成果实用性不强。本文所设计的综合复飞决策系统对复飞边界准则进行了更深层次的研究,建立了更加完善的复飞上下边界准则。同时,针对不同初始条件下的舰载机进行复飞决策,这不仅迈出了从传统理论研究到实际应用的关键一步,而且也可提高着舰的效率和安全性。

1 复飞边界准则

形成复飞边界的临界点应满足事先规定的复飞边界准则。该准则是综合考虑飞机复飞的安全高度、飞行员对复飞指令的反应滞后以及复飞操纵的手段等因素决定的。本文在文献[8]的基础上,对复飞区下边界准则进行了修正和完善,并提出了复飞区上边界准则。

1.1 复飞区下边界准则的完善

综合考虑飞机复飞的安全高度、飞行员对复飞指令的反应滞后以及复飞操纵手段等因素,已有的复飞边界即复飞区下边界的3条准则如下:

(1)飞机飞至舰尾时,尾钩离甲板至少有3 m的高度间隙。

(2)飞行员对复飞信号的允许反应时间为0.7 s。

(3)飞行员采用的复飞操纵手段是在无纵向驾驶杆操纵的前提下,仅使用发动机军用推力控制。

根据复飞下边界准则可得某舰载机着舰速度为60 m/s时复飞轨迹及复飞下边界,如图1所示。

图1中,x为飞机距舰尾的水平距离,h为飞机距舰尾的垂直距离。根据一般航母大小,曲线G和H的最低点已绝对低于海平面,在不采用纵向驾驶杆操纵仅使用发动机军用推力控制的时候,这样的复飞轨迹是不合乎常理的。因此本文在以上3条准则的基础上补充了如下一条准则:

(4)复飞轨迹最低点应高于海平面。

对该准则作进一步说明如下:

飞机进行复飞时,无论如何都要保证飞机的复飞轨迹最低点高于海平面,否则飞机会有坠海的危险。

图1 某舰载机复飞轨迹及复飞边界

复飞区下边界既可通过基于飞机小扰动动力学模型的复飞决策系统确定,也须通过基于终端预估方程的复飞决策系统确定。但是,基于飞机小扰动动力学模型的复飞决策系统是通过将飞机的位置与预先存储在计算机中的复飞区进行比较,需要大量的存储空间,在实际使用时有一定的局限性。因此,本文采用基于终端状态方程的复飞决策系统确定复飞区下边界,根据简化的飞机纵向动力学方程,实现预估飞机到达舰尾的高度,按照复飞边界准则的要求,判断飞机是否需要复飞。

根据基于终端预估方程的复飞决策系统[9]可得某舰载机着舰速度为60 m/s时复飞区下边界及复飞轨迹(见图2)和不同下沉率时的复飞边界(见图3)。

图2 基于终端预估方程的复飞区上边界

图3 不同下沉率时的复飞区下边界

由图2和图3可以得到以下结论:

(1)在不同下沉率情况下得到的复飞区不同,随着下沉率的变大,相应的复飞区也变大,飞机复飞的安全性越差。

(2)基于终端状态预估方程的复飞决策系统程序量较少,仿真时间短,可节约大量的内存空间,缩短决策时间,提高系统实时性,便于工程应用。

(3)基于终端状态预估方程的复飞决策系统仅改变预估方程参数,不改变方程形式,即可实现对任一型号飞机在任一初始状态(位置、初速度、下沉率等)的复飞决策。

(4)基于终端状态预估方程的复飞决策系统只能决定复飞区的下边界,不能确定上边界。

1.2 复飞区上边界准则的建立

当舰载机飞行高度过高,飞机无法安全着舰时,复飞区上边界的建立能够使驾驶员判断飞机是否高于复飞区上边界,一旦飞行高度过高,则舰载机不需进行着舰而直接进行复飞操作,这样既保证了飞行安全,又避免了不必要的损耗。

复飞区上边界的确定主要是根据舰载机着舰下滑过程控制来确定的,根据舰载机着舰下滑过程及着舰要求,制订了如下两条复飞区上边界准则:

(1)飞机着舰点必须在最后一根拦阻索之前。

(2)飞机到达舰尾时的速度不能超过正常着舰速度。

对以上两条准则作进一步说明如下:

(1)航母甲板上布置有4根拦阻索:第1根位于距船尾50 m左右处,其余3根按照舰尾至舰首方向每隔约12 m设1根。理想着舰点位于第2根和第3根拦阻索的中心位置,飞机着舰时,必须挂住任一根拦阻索。

(2)飞机着舰时,其着舰速度需在安全范围内,如果着舰速度超过正常值,则会产生过大的冲量造成飞机撞毁,同时对拦阻索及地面也会造成磨损。

根据复飞上边界准则,通过图4所示的基于飞机小扰动动力学模型的着舰系统,可确定某舰载机的复飞区上边界。

通过图4所示的结构图,可得到舰载机着舰时的下滑轨迹。而复飞区的上边界主要是根据舰载机着舰时的一系列下滑轨迹所确定的,通过复飞上边界准则(1)和(2),对复飞区进行了限制,从而得到某舰载机复飞区上边界。

图4 确定复飞上边界的结构图

2 综合复飞决策系统的构成

综合复飞决策系统根据舰载机的状态判断舰载机和综合复飞区的位置关系,从而进行复飞决策。其中,综合复飞区的上边界利用基于小扰动动力学模型的着舰系统得到;下边界利用基于终端预估方程的复飞决策系统得到。某舰载机着舰速度为60 m/s时综合复飞区及复飞边界如图5所示,综合复飞决策系统的决策流程如图6所示。

图5 综合复飞区及复飞边界

图6 综合复飞决策系统的决策流程图

按照图6所示的程序流程图,当飞机处于图5所示的复飞区中时,系统将提示必须复飞,此时飞行员应立即拉动操纵杆进行复飞,这样飞机既不会因飞行高度过高导致不必要的逃逸,同时也有效地避免了撞舰事故的发生,保证了飞机的安全。

3 综合复飞决策系统的仿真验证

本系统的仿真验证平台是利用Matlab的Simulink模块和命令窗口来完成的,输入飞机状态后,根据图6所示的复飞决策算法流程可判断飞机是否需要复飞。下面选择了典型的4种情况进行仿真验证。

(1)飞行高度过高:当飞机离舰尾水平距离为400 m,高度为60 m时,飞机已经高于复飞上边界。通过该系统得出结论:“飞行高度过高,必须复飞”。

(2)未进入复飞区:当飞机离舰尾水平距离为600 m,高度为50 m,飞机下降率为6 m/s2时,飞机未进入复飞区。通过该系统得出结论:“到达舰尾高度为19.1 m,复飞安全”,同时可得到复飞安全情况下的复飞轨迹,如图7所示。

图7 复飞安全情况下的复飞轨迹

(3)临近复飞区:当飞机离舰尾水平距离为500 m,高度为25 m,飞机下降率为4.5 m/s2时,飞机临近复飞区。通过该系统得出结论:“到达舰尾高度为3.8 m,复飞告警”,同时可得到复飞告警情况下的复飞轨迹,如图8所示。

图8 复飞告警情况下的复飞轨迹

(4)已进入复飞区:当飞机离舰尾水平距离为400 m,高度为30 m,飞机下降率为6.5 m/s2时,飞机已进入复飞区,如不采取相应措施将有撞舰危险。通过该系统得出结论:“到达舰尾高度为-3.7 m,必须复飞”,同时可得到相应的复飞轨迹,如图9所示。

图9 必须复飞情况下的复飞轨迹

以上仿真结果表明,通过该系统可以很好地决策出飞机是否需要复飞以及复飞是否安全。

4 结束语

本文对已有的复飞下边界准则进行了完善,增加了限制条件。建立了复飞上边界准则,将基于飞机小扰动动力学模型的着舰系统与基于终端预估方程的复飞决策系统相结合,设计了基于改进型复飞边界准则的综合复飞决策系统,得到了某舰载机的综合复飞区及复飞边界。仿真验证结果表明,所设计的系统能够及时准确地作出复飞决策,判断出舰载机是否进入复飞区、复飞是否安全等,从而提高了舰载机的着舰效率和着舰的安全性。

[1] 杨一栋.舰载机着舰引导技术译文集[M].北京:国防工业出版社,2003:199-268.

[2] Richards Robert A.Application of multiple artificial intelligence techniques for an aircraft carrier landing decision support tool[C]//IEEE International Conference on Fuzzy Systems.Honolulu,HI,United States,2002:7-11.

[3] Jiao Xin,Jiang Ju,Wang Xinhua,et al.Research on effects of sea states on air wake [C]//The 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Beijing,2011:758-762.

[4] 杨一栋.舰载飞机着舰导引与控制[M].北京:国防工业出版社,2007:155-164.

[5] 刘彦俊.复飞的分析与探讨[J].空中交通管理,2011,(6):15-21.

[6] 王宝宝,龚华军,王新华,等.舰载机智能复飞决策技术研究[J].飞行力学,2010,28(2):42-45.

[7] 沈宏良,龚正.舰载飞机复飞决策与操纵研究[J].飞行力学,2008,26(5):5-9.

[8] Robert B Johnstone.Development of the wave off decision device and its relationship to the carrier approach problem[R].AIAA-68-846,1968.

[9] 余勇,杨一栋,代世俊.舰载飞机复飞决策技术研究与实时可视化仿真[J].飞行力学,2002,20(2):31-34.

(编辑：姚妙慧)

Researchoncomprehensivewave-offdecisionofcarrier-basedaircraft

JIAO Xin, JIANG Ju, WANG Xin-hua, ZHEN Zi-yang

(College of Automation Engineering, NUAA, Nanjing 210016, China)

After carrier-based aircraft deviates from ideal glide path due to several disturbances during landing, the pilot must make wave-off decision in time and take some actions. The perfect wave-off lower boundary criteria are presented in this paper, and upper boundary criteria are also deduced and defined. Combined wave-off decision system based on small perturbation equations with wave-off decision system based on terminal prediction equations, the comprehensive wave-off decision system based on improved wave-off boundary criteria are designed in this paper for the first time, from which the wave-off zone and wave-off boundary can be obtained. Besides, the simulation results of this system for different landing status are presented in this paper. The results indicate that this new system can judge whether it is in wave-off zone and whether it is safe, so that it can ensure the efficiency and safety of aircraft landing more effectively.

wave-off decision system; wave-off boundary criteria; carrier-based aircraft

V271.492

A

1002-0853(2012)05-0405-05

2011-11-21;

2012-04-15

国家自然科学基金资助(71071076)；航空科学基金资助(2010ZA52002)；南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目资助(NP2011012, NP2011049)

焦鑫(1986-)，女，山西运城人，博士研究生，研究方向为先进飞行控制技术。