不同海況條件下艦載無人機著艦安全分析

張子軍, 張山, 王衍洋,3

(1.中國航空工業集團公司 沈陽飛機設計研究所, 遼寧 沈陽 110035; 2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院, 北京 100083; 3.北京航空航天大學 江西研究院, 江西 南昌 330096)

艦載機是航母戰斗力的主要來源,隨著技術的發展和現代戰爭任務的需要,無人機上艦成為未來海軍發展的必然趨勢。1991年“先鋒”艦載無人機成功用于海灣戰爭中,幫助美海軍掌握戰場主動權,在戰爭中大放異彩[1]。隨著雷達探測技術的發展,隱身性能成為無人機設計中的重要指標,飛翼布局的艦載機隱身性能好、氣動效率高的優點成為當前各國研究的重點和難點[2]。2013年7月10日X-47B艦載無人機于“布什”號航母上成功進行了海上阻攔著艦試驗,雖然后續X-47B無人機的研發被腰斬,但其為美海軍MQ-25黃貂魚艦載無人機的研制以及世界艦載無人機的發展起到了極大的推動和借鑒作用,不難預測,飛翼無人機必將成為艦載無人機的發展趨勢[3]。

相比有人艦載機,無人艦載機在操縱過程中雖然可以不受駕駛員的情緒影響,但同樣需要解決有人艦載機遇到的問題,而且由于缺少了駕駛員的主動操縱,實際著艦時可能面對各種突發的情況[1]。經過多年的研究,飛翼無人機著艦控制技術取得了一些成果[4]。在控制系統設計方面,模型預測控制[5]、非線性動態逆控制[6-7]、自適應控制[8]、最優預見控制[9]、總能量控制[10]、積分滑?？刂芠11]、反演控制[12]等多種控制方法以及強化學習等智能控制算法[13]被用于無人機的著艦控制系統設計中。

目前,各國對飛翼艦載無人機的研究還處在技術驗證階段,研究大多只是針對引導系統進行仿真研究,或對控制系統進行單獨設計,缺少對無人機著艦安全方面系統性的研究[14]。為滿足艦載無人機實際上艦需要,本文針對無人機安全著艦問題研究的需要,建立了機-艦-環境-控制閉環綜合仿真系統,定量研究不同海況下艦載無人機著艦安全變化趨勢,并給出相應著艦建議,為艦載機著艦決策提供參考。

1 機-艦-環境綜合模型

1.1 艦載無人機模型

美國空軍研究實驗室為了實現未來艦載無人加油機的協同開發,研發出了一款飛翼無人艦載機的等效模型“Equivalent Model Ⅱ (EQⅡ)”,該模型融合了ICE、X-45C和X-47B無人機的外形特點,具有飛翼飛機的典型操穩特性,以該等效模型為基礎,進行飛行動力學和運動學建模,該飛機的基本結構數據如表1所示[15-16]。

表1 EQⅡ飛機基本參數Table 1 Basic data of EQ Ⅱ aircraft

飛機的操縱結構如圖1,其共有3組操縱舵面,由外向內分別為:阻力方向舵、外升降副翼、內升降副翼,在縱向著艦的研究中,主要操縱舵面為內升降副翼。

圖1 算例飛機結構Fig.1 Example aircraft structure

按照飛行力學基本原理,以航跡角γ=-3°的定常下滑為基準狀態,建立該艦載無人機的縱向小擾動線化模型,代入飛機參數可得狀態空間矩陣:

1.2 基于Conolly線性理論的甲板運動模型

目前對航母甲板運動建模多采用基于大量海上實驗觀測擬合形成的正弦波法或功率譜法。其可以表征航母在某一特定海況下的甲板運動特性,但是一旦工況改變,運動模型將不再適用。為了討論不同因素(航速、航向、海況)對甲板運動的影響,本文采用Conolly線性理論建立通用甲板運動模型,其對于大型艦船低幅值運動具有較高的精度。

基于Conolly線性理論艦船橫搖運動的傳遞函數[17]:

式中:φ為艦船的橫搖角;ΔJφ為橫搖的附加轉動慣量;D為艦船的排水量;hφ為橫穩心高度;ωφ為艦船橫搖運動固有頻率;ζφ為橫搖阻尼因子。

縱搖運動的傳遞函數:

式中:θ為艦船的縱搖角;ωθ為縱搖固有頻率;ζθ為縱搖阻尼因子;ΔJθ為縱搖的附加轉動慣量;hθ為縱穩心高度。

垂蕩運動的傳遞函數:

式中:z為垂蕩運動位移;ωz為垂蕩固有頻率;ζz為垂蕩阻尼因子;λz為垂蕩運動附加質量;Sw為水線面面積。

以尼米茲級重型航母為例,航母在航速Vship,遭遇角β=45°時,分別于3級海況和5級海況下進行仿真,結果如圖2。

圖2 基于Conolly理論的甲板運動仿真結果Fig.2 Simulation results of deck motion based on Conolly

1.3 艦尾流工程化模型

航母的幾何外形極不規則,造成的艦艉流場也很復雜,很難建立簡單可靠的數學模型。為研究艦艉流對艦載機著艦的影響,對艦艉流的建模有CFD法、數據庫法和工程化方法等。目前實際應用中效果較好、運用較多的是美軍標MIL-STD-1797A中規定的工程化建模方法。

在美軍標MIL-STD-1797A中,艦艉氣流擾動包括4部分[18-19]:自由大氣紊流分量(u1,v1,w1)、穩態擾動分量(u2,v2,w2)、周期性擾動分量(u3,v3,w3)和隨機擾動分量(u4,v4,w4),計算表達式為:

uw=u1+u2+u4

vw=v1+v4

ww=w1+w2+w3+w4

式中:u、v、w別為艦艉流在航母坐標系x、y、z方向上的分量,在研究艦載機縱向著艦時,只需對艦艉流x、z方向上的分量進行建模。

按照美軍標中艦艉流的建模方法,建立艦艉流綜合模型,5級海況下,艦載機進近速度取70 m/s,甲板風速Vwod=10.29 m/s(即20 kn),艦艉流仿真結果如圖3。

圖3 艦艉流綜合仿真結果Fig.3 simulation results of carrier air wake

2 全自動著艦控制系統

無人艦載機不同于有人艦載機,整個著艦過程需要依靠全自動著艦系統(ACLS)自主完成。ACLS中的控制器可分為2類,1)自動飛控系統(AFCS),2)自動著艦的航跡引導系統。艦載無人機的全自動著艦引導控制系統結構如圖4所示。

圖4 ACLS系統結構示意Fig.4 ACLS system structure

2.1 內環增穩器

優秀的內環品質能使控制系統更好地發揮作用,為了使算例飛機達到飛行品質要求,需要設計增穩系統,通過反饋迎角α和俯仰角速率q來改善飛機的短周期模態特性,其結構如圖5所示。

圖5 增穩系統結構Fig.5 Structure of stabilizing controller

采用極點配置法對反饋增益Kα和Kq進行求解,選擇目標阻尼比0.707,短周期頻率3 rad/s,因此需要配置的目標極點為-2.121 0±2.121 6 i,求得對應的反饋增益Kα=-3.711 4,Kq=-1.500 2。

2.2 二階指令濾波

在飛行控制中,由于舵面偏轉的速率和幅值限制,指令信號會出現輸入飽和,在建模過程中需建立二階非線性指令濾波器,對指令信號加以大小、速率和帶寬的限制來生成平滑的指令信號[20]。

二階非線性指令濾波器的結構如圖6所示,其狀態空間方程可表示為:

圖6 二階非線性指令濾波器結構Fig.6 Second order nonlinear instruction filter structure

式中SM(·)和SR(·)分別代表幅值限制和速率限制。

2.3 自動駕駛儀

自動駕駛儀的功能是將飛機控制在指令姿態[21],其結構如圖7所示。其工作原理是通過控制內升降副翼偏角,減小指令信號與反饋的飛機狀態量的偏差,最終實現對飛機姿態的控制。

圖7 自動駕駛儀結構Fig.7 Autopilot structure

采用PID控制器(比例-積分-微分控制器)進行飛機姿態控制,PID控制器的傳遞函數為:

搭建控制器模型,輸入指令姿態角,根據飛機的響應曲線,調整相應的PID參數,使其滿足調節時間小于5 s,超調量不大于5%的時域準則要求。

2.4 進近動力補償系統

艦載著艦時處于低動壓狀態,航跡角與速度的強烈耦合導致飛機處于不可控狀態,因此需加入進近動力補償系統(APCS),改善飛機低動壓狀態下的操縱性能。進近動力補償的方法主要有保持速度V恒定和保持迎角a恒定2種方式,由于保持速度V恒定的動力補償系統存在跟蹤靜差,目前大多采用的是保持迎角a恒定的方法,同時可以證明,保持迎角a恒定的動力補償系統兼具保持速度V恒定的功能[22]。迎角a恒定APCS的結構如圖8所示。

圖8 迎角恒定的APCS結構Fig.8 APCS structure with constant angle of attack

其控制律可表示為:

式中:Tα為補償器時間常數;Kα、Kαi分別為迎角PI控制器的比例系數和積分系數;τ為清洗網絡的時間常數;Kδ、Kn分別為內升降副翼和法向過載的反饋系數。

2.5 引導控制律

著艦過程中,引導控制器需要根據離艦距離L(t)自動計算出當前位置對應的理想高度,并與實際高度比較,生成高度指令信號Hc作為高度控制器的輸入,引導飛機減小與理想下滑軌跡的高度偏差。

在理想狀態下,艦載無人機相對母艦的水平速度為V0cosγ-Vship,則艦載無人機對艦下滑道斜率為tan(V0sinγ-Vship)),因此,在離艦距離L(t)處,對應的理想高度H0為:

H0=L(t)×tan(V0sinγ/(V0cosγ-Vship))

相應的高度指令信號Hc為:

Hc=H0-H+HDMC

式中:H為實際高度;HDMC為甲板運動補償高度。

3 不同海況條件下著艦安全分析

3.1 著艦性能指標

航母甲板運動模型得到的是航母“搖蕩”中心(航母重心)的縱搖角、橫搖角和垂蕩高度,需要根據甲板幾何尺寸轉化為理想著艦點的位置變化。本文以CVN-68號尼米茲級航母為基礎,建立甲板幾何模型,航母甲板的幾何尺寸以及航母重心、理想著艦點和攔阻索的位置關系如圖9所示。

圖9 CVN-68號航母甲板幾何尺寸示意Fig.9 Geometric size of CVN-68 aircraft carrier deck

航母甲板共有4道攔阻索,相鄰攔阻索間距為12 m,理想著艦點位于第2道攔阻索與第3道攔阻索中間。根據美海軍自動著艦系統指導手冊,結合其他相關文獻,艦載機著艦安全條件整理為[23-25]:

1)著艦點縱向偏差:其范圍為理想值-6 m～6 m,允許值-12 m～12 m;

2)最大下沉速度:受艦載機起落架強度限制,觸艦時沖擊載荷不能過大,最大下沉速度限制為4～5 m/s;

3)凈空安全高度:為保障母艦與艦載機的安全,在艦載機飛至母艦艦艉時,要求飛機與甲板之間至少有3～3.66 m的凈空安全高度,且超過6 m時應執行逃逸復飛;

4)下滑航跡偏差:艦載機在沿下滑道進近的過程中會受到艦艉流的擾動,造成艦載機偏離理想下滑軌跡,根據文獻[25]中提出的評價指標,采用“理想值”和“允許值”2級指標,理想值小于2 m,允許值小于4 m;

5)著艦成功率:美海軍自動著艦系統指導手冊中對著艦成功率的要求為:“理想值”應大于80%,“允許值”為65%～85%。

3.2 艦載機著艦過程仿真

基于建立的機-艦環境綜合模型和全自動著艦控制系統,設定海況等級5級,艦船航速10 kn,艦船遭遇角45°,在進艦前12.5 s接入甲板運動補償指令,艦載機進近著艦軌跡如圖10和圖11所示。

圖10 艦載機對理想下滑軌跡跟蹤情況Fig.10 Tracking of target glide trajectory for UAV

圖11 艦載機著艦點位置放大圖Fig.11 Enlarged view of landing point of UAV

甲板運動補償系統在離艦距離約900 m時開始工作,在著艦前艦載機能準確跟蹤著艦點的高度變化,從圖11中可以看出,艦載機下滑航跡始終位于理想邊界內,著艦點位于理想著艦點之前約8 m,在允許范圍內。

由于航母甲板運動和艦艉流擾動的隨機性,即使在相同條件下每次著艦仿真的結果也不盡相同,圖12是相同條件下仿真1 000次的著艦點散布圖,其中成功著艦671次,失敗329次,著艦成功率67.1%。

圖12 仿真1 000次著艦偏差散布Fig.12 Dispersion chart of simulated 1 000 landing errors

3.3 不同海況條件下安全著艦范圍

3.3.1 5級海況下的著艦限制范圍

艦載機在進近著艦時為了縮短著艦距離,一般采用“逆風著艦”的方式。在進行甲板著艦作業時,航母要根據海上風向,適時調整艦船的行駛速度和角度,以滿足甲板風的要求,因此艦船狀態仿真范圍選擇如表2 所示。

表2 仿真船速和遭遇角范圍Table 2 Range of ship speed and angle of encounter

以5級海況為例,取仿真1 000次結果計算著艦成功率,所得結果如圖13所示。

圖13 5級海況下艦載無人機著艦仿真結果Fig.13 Landing simulation results of carrier based UAV under level 5 sea condition

圖中,根據海況風浪對照表,5級海況屬于高浪級別的較高海況,海面伴有6級強風,平均波高2.1～3.0 m。從圖13中著艦安全仿真結果可以看出,在該海況條件下,為最大程度上提高著艦成功率,航母航行速度應大于13 kn,這是因為航母的航速增加,艦載無人機相對母艦的速度越小,更有利于航跡控制,并且在相同海況和遭遇角下,航速越快,艦船的橫搖、縱搖和沉浮運動越弱[17],理想著艦點高度變化幅值更小,著艦精度較高。

但與此同時,如圖14所示,隨著航母行駛速度的提高,艦艉流擾動更加強烈,不利于著艦控制,因此在圖中當速度超過20 kn后,著艦成功率反而開始下降。綜合考慮各因素對著艦安全的影響,5級海況下,最佳著艦的航速限制范圍為13 kn≤Vship≤20 kn。

圖14 不同航速下艦艉流對著艦過程的擾動效果Fig.14 Effect of airwake disturbance on carrier landing at different speeds

3.3.2 不同海況下的著艦限制范圍

分別取1～9級海況,船速和遭遇角仿真范圍參照表2,所得結果如圖15所示。

1級海況時,全航速均滿足“理想值”著艦成功率大于80%的要求。

2級海況時,雖然全航速均滿足“理想值”著艦成功率要求,但相較于 1 級海況,著艦成功率顯著降低,建議著艦作業航速取8 kn≤Vship≤26 kn,能達到85%以上著艦成功率。

3級海況時,在航速Vship≤20 kn時能滿足著艦成功率大于80%的要求,但在航速小于10 kn著艦成功率較低。

隨著海況等級的提高,安全航速范圍逐漸減小,當海況達到6級及以上時全航速均不滿足安全著艦要求,不建議進行著艦作業。

綜上,根據圖15中仿真結果可整理得到不同海況下艦載無人機的安全著艦范圍,如表3所示,需要說明的是受模型限制,本文只研究艦載無人機進近和著艦過程的安全,在實際著艦作業尤其是高海況作業時,需要綜合考慮人員安全、設備工作條件等限制。

表3 不同海況下艦載無人機安全著艦范圍Table 3 Safe landing range of carrier based UAV under different sea conditions

4 結論

1) 采用Conolly線性理論建立的甲板運動模型能夠給出甲板運動與海況的關聯參數,方便進行不同海況條件艦載無人機著艦仿真計算,模型精度較高;

2)在高海況條件下,航母可通過適當加快航速以提高著艦成功率,但高航速會加劇艦艉流擾動,不利于飛機著艦,在著艦時應綜合考慮甲板運動與艦艉流的影響以確定航母運動狀態。本文給出的不同海況下艦載無人機的安全著艦范圍,為無人機著艦決策提供了參考;

3)后續可以開展無人機著艦橫側向控制律設計研究,擴大航母遭遇角的研究范圍。