著艦控制系統性能評估指標體系分析

尹海韜+李艷

摘要：著艦控制系統性能評估體系的建立是艦載機著艦控制系統技術領域的一個重要部分，如何客觀、全面地評估著艦控制系統性能，是系統研制和使用均關注的問題。文章結合著艦過程的各個階段構建著艦控制系統的多層次評價指標體系結構，建立不同階段的評估模型，并對關鍵指標進行簡要分析。

關鍵詞：著艦；控制系統；評估；指標體系

中圖分類號： TN95文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

引言

近年來艦載機自動著艦系統得到廣泛研究，出現了許多方法。相應地，對著艦控制系統性能優劣的評估也得到充分發展。如何對艦載機自動著艦系統建立科學合理的評估體系，成為了迫切需要解決的問題。

國外對艦載機自動著艦系統的評估的研究較少，相關文獻僅局限于對作戰飛機的性能評估[1～4]，或者對民航著陸階段進行評估分析[5]。本文從艦載機著艦過程出發，結合著艦過程對各個階段的關鍵因素分析，并建立相互獨立的子評估體系，最后根據子體系給出多層次評價指標體系結構。

1 指標體系建立原則

艦載機著艦控制系統是具有機動性的復雜系統，并且著艦過程受風干擾、甲板運動等影響。要對其建立合理的評估體系，應從以下兩方面考慮：

1.評估系統模塊化處理 由于著艦控制系統本身是個復雜的大系統，要對其做出合理準確的綜合評估，首先應該對各分系統給出合理評估。所以應將總系統根據其不同的性能要求劃分成若干模塊分別進行評估；

2.各模塊下評估指標的選擇 評估指標的選擇是評估中最為重要的一個環節，選擇合適的評估指標，不但可以對系統做出合理有效的評估，也給系統的進一步優化提供指標參考。

在評估系統中，根據指標本身功能要求，每一個指標的建立都需要一定的計算方法。另外，根據每個指標在評估系統中的地位以及所起的作用，對整體性能的評估給出合理的評估方法。

2 著艦控制系統指標的分析

根據上述原則，以著艦過程不同階段的性能為參考標準劃分評估系統的模塊。主要針對進場著艦性能、機艦耦合作用、邊界保護性能、著艦點誤差以及著艦成功率五個方面建立各自的評估指標體系。根據著艦不同階段對控制系統的具體要求，結合指標在控制系統中所起的作用及其權重的大小，建立上述五個指標體系為基礎的著艦控制系統多層次評價指標體系結構，并對其關鍵指標進行定量分析。

2.1 進場著艦性能

進場著艦性能[6]指標體系包括美國海軍聯適用規范指南中已有和現有的進場著艦相關指標。主要包括下滑躍升機動、最小視場角度、失速速度邊界、飛控極限速度、大油門響應、著艦下滑角等6個指標，指標具體說明如下：

a.下滑躍升機動：在機動開始的5s內，能夠從初始航跡修正到50ft（15m）高的新航跡的最低速度。

b.最小視場角度：在相對于航母吃水線上方600ft（183m）高度與下滑航跡相交處，從飛行員設計眼位看到艦艉吃水線時的最小視場角度。

c.失速速度邊界：失速邊界的功率標準是：在使著艦構型產生1.15倍無動力失速速度的推力作用下，平飛時可獲得1.1倍有動力失速速度。

d.飛控極限速度：對于艦載機進場著艦階段而言，飛控極限速度是指基于邊界范圍內飛行控制的最小速度。

e.大油門響應：在推油門和減速板收回后縱向加速度能在2.5s內達到5ft/s2（1.74m/s2）的最低加速度。

f.著艦下滑角：在光學助降系統下，艦載機著艦的下滑軌跡與海平面的夾角。艦載噴氣式飛機一般均以3.5°～4°的固定下滑角進場著艦，最大下滑角受垂直下沉率強加于飛機結構上的載荷所約束，過大的下滑角將使飛機起落架及機體的縱向結構強度難以承受，甚至造成著艦時起落架折斷。而最小下滑角是受精確操縱及艦尾擾流所約束，可歸納為以下幾方面因素的限制[6，7]：

1.航母靜止的情況下，飛機著艦時應有3.05m（10ft）的通過尾舷高度， 由于理想著艦點與尾舷之間的水平距離有限，飛機的下滑角不應過小。

2.下滑角越小，對于垂直方向相同的高度偏差的觸艦點，引起的水平距離偏差就越大。另外，受地效作用的影響，在小下滑角時，觸艦點距離偏差也會相應增大。如果低于所需要的下滑角，飛機可能被下洗尾流打入艦尾有墜毀的危險。

3.下滑角偏小時，駕駛員對下滑面的控制較難。進場的最后10s內，駕駛員通常采用的控制方法是操縱升降舵和發動機推力。對于噴氣式飛機，建議甲板風為25kn時用3.5°下滑，甲板風大于30kn用4°下滑[8，9]。

進場著艦性能指標如圖1所示：

2.2 機艦耦合作用

機艦耦合作用[10]性能指標包括：最大縱搖角、最大橫搖角、最大下沉高度、甲板中線夾角等4個指標。

通常航母是以30海里/小時的速度行駛，加之海況所造成的艦體橫搖、縱搖和升沉等，從而使飛機的預期著艦點實際上是三維空間的活動點。美國海軍規定，艦載機著艦時，航母縱搖不得超過2°，橫搖不得超過7°，艦艉下沉不得超過1.5m，否則著艦上鉤將非常困難。同樣，在艦載機起飛離艦時艦艏不得下沉，經計算每下沉1°，艦載機離艦速度必須提高20kn（37km/h），方能保證安全離艦。

機艦耦合作用指標如圖2所示：

2.3 邊界保護性能

在著艦階段艦載機許多參數的邊界限制中[11]，過載及迎角限制最為重要。最大過載和臨界迎角一般與人體的忍耐極限和飛機的結構載荷有關。

根據設計，臨界迎角可以從16°到20°變化。通過增大進場著艦迎角，可以有效提高升力系數，提高著艦性能。但限于雞頭前部視場、飛行品質，保證尾部攻擊能力等其他限制條件，實際迎角一般不會達到迎角邊界。F/A-18A的安全著艦迎角約為8°。

過載限制的范圍應根據飛機用途確定，各國規范都是根據本國實際情況對飛機進行分類，并規定其過載的大小，如表1所示：

2.4 著艦點誤差

ACLS的主要功能是對著艦下滑航跡進行精確控制。衡量艦載機著艦精度的指標是著艦偏差的大小。著艦偏差是指艦載機的實際著艦點與理想著艦點之間的位置關系，包括縱向偏差、橫向偏差以及軌跡跟蹤精度。其中，縱向偏差又包括水平位置偏差和垂直高度偏差，軌跡跟蹤精度是在三維空間上跟蹤軌跡與理想軌跡的偏差，其表達式為：

（1）

航母甲板上一般布置有4根攔阻索，第1根位于距船尾50m左右處，其余3根按照艦尾至艦首方向每隔約12m設1根。理想著艦點位于第2根和第3根攔阻索的中心位置。水平位置偏差指實際著艦點與理想著艦點之間的水平距離；垂直高度偏差指在理想著艦點處艦載機的實際下滑軌跡與理想下滑軌跡之間的垂直距離；橫向偏差是指艦載機在進艦過程末端到達理想著艦點處時，機身中軸線偏離攔阻區的甲板跑道中心線的橫向距離。偏差等級分類標準如表2所示。

2.5 著艦成功率

著艦成功率是飛機沒有發生事故且未發生復飛和逃逸的概率。據國外艦載機飛行訓練的統計數據表明，在安全著艦、復飛、逃逸、撞艦（撞擊母艦艦尾）這幾種現象中，復飛概率最大，為40%～50%[12]。著艦成功率=1-著艦事故率-著艦逃逸率-著艦復飛率。

2.6 著艦控制系統性能指標體系

根據以上對各個指標的分析，對著艦控制系統建立評估體系，主要包括進場著艦性能、機艦耦合作用、邊界保護性能、著艦誤差指標和著艦成功率五個方面。具體的評估體系見圖5所示。

結論

本文簡要分析了著艦過程的關鍵指標，建立了以著艦過程各階段為基礎的進場著艦性能、機艦耦合作用、邊界保護性能、著艦誤差指標以及著艦成功率各模塊的評估指標模型，并構建了著艦控制系統的多層次評價指標體系結構。對研究艦載機著艦控制系統性能評估提供了可靠的理論依據。

參 考 文 獻

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