直升机-舰船动态配合着舰仿真研究

徐广, 胡国才, 王允良

(海军航空工程学院 飞行器工程系, 山东 烟台 264001)



直升机-舰船动态配合着舰仿真研究

徐广, 胡国才, 王允良

(海军航空工程学院 飞行器工程系, 山东 烟台 264001)

摘要:针对直升机-舰船动态配合研究的需求,开发了一种舰载直升机-舰船动态配合耦合模型。该模型以直升机飞行动力学模型为主体,包括了几个子系统模型,同时考虑了子系统间的相互影响与耦合作用。以UH-60A直升机与某型舰船的动态配合为例进行了着舰降落仿真研究。结果表明:流场、舰效和舰船运动等舰载因素加剧了直升机着舰过程中的机体姿态变化,增大了触舰速度,加大了着舰风险。

关键词:舰载直升机; 动态配合; 着舰; 多系统耦合模型

0引言

直升机着舰影响因素众多,国内外许多学者从不同角度出发做了大量研究。由JSHIP项目开发的DIMSS[1-3]是一个实现直升机-舰船动态配合的较为全面的仿真系统,该系统包括实时舰尾流模型、直升机飞行动力学模型、舰船运动模型和辅助嵌入子系统。可用于实时飞行仿真测试和驾驶员操纵训练。在飞控系统和驾驶员操纵方面,大量学者致力于舰载环境下飞控系统的研究,保持直升机在舰尾流飞行中的姿态稳定,达到减缓驾驶员工作负荷的目的[4-6]。在舰尾流模型方面,目前主要采用一种定常流结合随机尾流的形式,发展了一些考虑机-舰环境的流场模型[7-9]。在舰船运动和舰效方面,文献[10]在有限状态舰效模型的基础上,考虑了直升机在未进入、半进入和完全进入舰面甲板时的情况,开发了一种适合不规则、倾斜平面的动态舰面效应模型[11],并成功地应用于FLIGHTLAB飞行仿真软件。

上述研究主要集中于直升机进场和悬停跟进阶段,关于着舰降落的研究并不多。事实上,该阶段直升机的运动受到舰船空气流场、舰面效应等因素的影响,是着舰的关键阶段。直升机的着舰时长、偏离着舰点位移、触舰速度、机体姿态等都是衡量着舰安全的重要指标。综上所述,本文开发了一种舰载直升机-舰船动态配合耦合模型,用于着舰动力学的研究。

1直升机-舰船动态配合耦合模型

1.1模型概述

本文提出的直升机-舰船动态配合耦合模型是一种多系统耦合模型,涵盖了直升机飞行动力学模型、空气动力学模型、飞控系统、飞行环境、舰船运动、舰效作用、驾驶员操纵等各方面因素以及各子系统之间的相互影响,同时,为满足着舰研究的需求加入了触舰系统,如图1所示。

直升机模型采用了一种高阶非线性动力学模型[12]。舰面流场模型采用一种稳定流场结合随机流场的方式[13],在稳定流场方面,采用CFD计算结果作为流场的稳态分量,随机流场则与舰船运动和紊流相关。舰船运动模型主要考虑工程上常用的母舰纵摇、横摇和升沉运动方程;舰面效应与直升机-舰船的运动状态和位置相关,影响直升机气动特性;在触舰系统中,以起落架模型为基础,考虑舰船运动与直升机相对舰船甲板位置,判断直升机触舰的时刻。

1.2子模型的集成

由于操纵控制输入、舰船运动模型等对直升机飞行动力学模型并没有直接影响,这里主要考虑直升机模型与流场模型和舰面效应的集成。与流场模型集成时,主要考虑风速对直升机气动特性的影响,在当地前进比中考虑当地的流场风速矢量,从而计算考虑流场后的叶素气动载荷;与舰面效应模型集成时,主要考虑舰船运动与直升机相对甲板高度的变化对旋翼气动特性的影响,具体表现在旋翼入流的变化。

综上所述,集成了一个适于流场环境研究的飞行动力学模型[14],其非线性运动方程组可表示为:

(1)

式中:u=[θcol,θlat,θlon,θped]T为操纵输入;w为流场风速矢量;x为状态向量:

(2)

2计算方法

针对式(2)给出的直升机运动方程,给定状态量初始值x(0)、外部流场输入w(t)和操纵输入时间历程u(t),其动态响应可以表示为:

(3)

对于表示成标准一阶常微分方程组形式的直升机运动方程组,采用四阶Runge-Kutta法计算直升机在着舰过程中的动态响应,具体流程如图2所示,该模型响应计算的验证详见文献[13]。

图2　舰载直升机着舰降落仿真流程图Fig.2　The flow chart of landing simulation for shipborne helicopter

3计算结果与分析

3.1舰面流场对结果的影响

根据舰载直升机操作流程手册[15]可知:驾驶员在操纵直升机着舰时,需观察甲板运动和海浪周期,然后在飞行甲板接近或达到水平姿态时着舰,避免在飞行甲板上方长时间悬停。下落过程中,驾驶员主要操纵总距杆,并结合实际情况配合周期杆的操纵,保证直升机安全着舰。

母舰的运动选取中等海况条件下的工程模型,母舰纵摇、横摇和升沉运动方程见文献[16]。选取陆基、舰基无紊流和舰基有紊流三种流场条件进行计算对比。其中,陆基流场条件为:定常风15 m/s,迎机头偏右60°方向。舰基流场条件为:甲板合成风15 m/s,迎舰艏偏右舷60°方向,舰面紊流模型垂向强度2 m/s,无紊流时该强度为0 m/s,紊流尺度由飞行高度决定。

根据驾驶员飞行操纵经验,直升机在着舰区甲板上方悬停高度约为5 m,在直升机触舰前将总距杆下放至总距总行程约1/3处。因此,仿真设定具体的操纵输入为:驾驶员在1.0～1.4 s的时间内下放总距杆5.08 cm(2 inch),同时采用压杆联动操纵系统[12]控制周期杆和脚蹬位置,保证直升机偏航方向的稳定。以直升机在飞行甲板着舰点上方悬停作为仿真的初始点,以任意起落架轮触及飞行甲板作为仿真终点。

表1给出了不同流场条件下直升机触舰时刻的状态量。对比舰基和陆基条件的计算结果可知,舰基流场条件下直升机触舰时刻的垂直速度、水平偏移速度以及滚转和俯仰角速度大于陆基流场条件的计算结果,表明舰面流场非线性、不规则性对直升机的触舰速度起到了加剧作用。对比有、无紊流两种条件的计算结果,总体而言,有紊流条件下各个状态量的计算结果要略高于无紊流条件,在滚转角速度方面则相反。事实上,基于紊流的随机特性,直升机对紊流的响应并没有规律,对触舰速度起到的加剧或减缓作用也是随机的。

表1　不同流场条件下直升机触舰时刻状态量

图3给出了不同流场条件下直升机着舰降落过程中的欧拉角速度变化响应曲线。对比舰基、陆基两种流场条件的计算结果,不难发现前者的欧拉角速度变化明显比后者剧烈,这是由舰面流场的非线性、不规则等特点决定的。对比有、无紊流两种条件的计算结果可知,无紊流条件下的欧拉角速度变化曲线较为平滑,而有紊流条件下的计算结果则呈现了不规则性与随机性,尤其在响应的初始阶段,即直升机相对舰面悬停并随舰跟进的1 s内,角速度曲线就呈现了明显的变化趋势,表明了紊流对直升机姿态的影响是不容忽视的。综上所述,舰面流场的非线性、不规则和时空特性是影响直升机着舰安全的重要因素。

图3　不同流场条件下直升机的欧拉角速度Fig.3　Helicopter Euler angular rates under 　different airflow field conditions

3.2舰面效应对计算结果的影响

直升机在着舰过程中,由于舰船存在升沉运动,使得舰面甲板在空间轴系中的位置发生了改变,导致了舰效作用的变化。

选取不考虑舰效、不考虑舰船运动和两者均考虑三种条件进行计算对比。仿真时,流场条件均相同,其余仿真条件以及驾驶员对总距杆的操纵速度均与3.1节相同。表2给出了不同舰效条件下直升机触舰时刻的状态量。

表2　不同舰效条件下直升机触舰时刻状态量

对比有、无舰效两种条件的计算结果可知,舰效作用延缓了直升机着舰下降过程,增加了着舰时间和触舰时刻的水平偏移量,加剧了直升机滚转和俯仰姿态的变化。对比有、无舰船运动两种条件的计算结果,发现考虑舰船运动所需的触舰时间略多于不考虑舰船运动的情况,这是由于触舰时刻约为舰船升沉周期的1/4处,舰船甲板正处于下沉周期。下降过程时间的延长,增加了直升机在触舰时刻的姿态变化量和水平偏移量。

图4给出了不同舰效条件下直升机着舰降落过程中的欧拉角速度变化曲线。由图可知,有、无舰效作用两种条件下的计算结果是大不相同的。在响应的初始阶段,考虑舰效作用的角速度响应曲线呈现出较为明显的变化趋势,这是由于考虑舰效后,旋翼诱导速度与叶素当地前进比和旋翼拉力系数相关,而叶素剖面气流具有时空特性。因此,旋翼的气动特性随之变化,从而影响了直升机的欧拉角速度。在均考虑舰效作用的两种条件下,响应初期两者角速度的变化趋势大体相同,但在响应后期,考虑舰船运动的角速度变化比不考虑舰船运动的结果更为剧烈一些。这是由于舰船的升沉运动改变了旋翼距离舰面甲板的垂直距离,在响应后期,舰船处于下沉周期内,因此,两条曲线呈现出明显的不同。

图4　不同舰效条件下直升机的欧拉角速度Fig.4　Helicopter Euler angular rates under different ship deck ground effect conditions

4结论

(1)建立了一个舰载直升机-舰船动态配合耦合模型,考虑了子系统之间的耦合与相互影响,适用于直升机着舰仿真研究。

(2)舰面流场由于其非线性、不均匀性的特点,在着舰降落过程中对直升机的线速度和角速度起到了加剧作用,增大了触舰时刻直升机的偏移量和姿态改变量,尤其是紊流的时空特性增加了直升机角速度变化的幅度和随机性,对直升机状态的影响不容忽视。

(3)舰效作用延缓了直升机着舰过程,导致流场等未知因素危及着舰安全的可能性增加,同时,着舰时间的延长增加了偏移量与机体姿态变化量。舰船的升沉运动通过影响舰面效应,加剧了直升机的角速度变化幅度。

参考文献：

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(编辑：方春玲)

Research on shipborne helicopter-ship dynamic interface and simulation of landing on the flight deck

XU Guang, HU Guo-cai, WANG Yun-liang

(Department of Airborne Vehicle Engineering, NAEI, Yantai 264001, China)

Abstract:A shipborne helicopter-ship dynamic interface coupled model is developed for the need of research on helicopter-ship dynamic interface. In this model, helicopter flight dynamic model is taken as the main body, including some subsystems, with the consideration of the interrelationships and coupling effects between these subsystems. The simulation of UH-60A helicopter in landing on the deck of a certain ship is calculated and analyzed, which shows that with the consideration of the shipborne factors including airflow field, ship deck ground effect and ship motion, the variety of the body attitude angles are intensified, the velocities and angular rates increase, and landing safety reduced.

Key words:shipborne helicopter; dynamic interface; landing on the flight deck; multiple systems coupled model

中图分类号：V212.4

文献标识码：A

文章编号：1002-0853(2016)02-0020-04

作者简介:徐广(1987-)，男，浙江嵊州人，博士研究生，研究方向为直升机飞行动力学、机-舰动态配合。

基金项目:航空科学基金资助(20145784010)

收稿日期:2015-06-12;

修订日期:2015-10-19; 网络出版时间:2016-01-10 14:14