風對直升機航路規劃的影響分析*

陳貽煥 陳佳琪 鄭 強

(海軍航空工程學院 煙臺 264001)

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風對直升機航路規劃的影響分析*

陳貽煥 陳佳琪 鄭 強

(海軍航空工程學院 煙臺 264001)

針對風對直升機航程的影響,根據飛行氣象學中風對飛行的影響描述以及實際需求,建立了直升機在空中待命狀態時飛往預定點的航跡模型。在此基礎上,仿真分析了風速和風向、航速和航向對直升機飛行時間的影響。仿真結果表明風對直升機航路規劃的影響需要依據模型進行定量分析。為直升機航路的優化,作戰效能的提高提供了決策依據。

航路規劃; 風; 飛行時間; 直升機

Class Number TB391.9

1 引言

直升機航路規劃是指在給定的空間區域內,在滿足最小轉彎半徑的約束條件下,反潛直升機從某個初始位置出發,在最短時間內抵達預定點的最優或可行軌跡[1～2]。所謂預定點,一般是指有一定戰術意義的位置點,如基準點、搜索中心、回合點等。在這些過程中,直升機航路規劃一般不需要利用地形和敵情威脅等信息,而主要考慮風的變化和分布對飛行時間的影響,以便在預定的時間內到達指定區域執行任務。由于風的復雜性,相關的文獻中只是針對風向對航程的影響進行了定性的描述[3～5],并沒有建立風場的仿真模型,特別是沒有考慮風對直升機機動(如轉彎)的影響。風切變模型過于復雜[6～7],對于較大范圍的空域來說,可以忽略風切變的影響。本文在飛行氣象學中風對飛行的影響描述及實際任務的基礎之上,建立風影響下直升機的航跡模型,并分析直升機航速和航向及風速和風向的變化對飛行時間的影響,為直升機的航路規劃提供了定量決策依據。

2 航路建模

風對直升機飛行的影響可用航行速度三角形[8～10]來描述,它準確反映了風對直升機航行影響的基本規律。以x軸為正東方向,y軸為正北方向,建立平面直角坐標系,如圖1所示。

圖1 航行速度三角形

圖1中,V1為直升機的航速(空速),V1_A為空速方向;V2為風速,V2_A為風速方向(去向);V0為地速,V0_A為地速方向;δ0為偏流角,即地速矢量和空速矢量之間的夾角,地速方向逆時針旋轉到空速方向,則為正,反之為負。文中速度單位為km/h,角度單位為rad。

在領航學中,所有角度都是以地理上的正北為基準,順時針轉為正,反之為負,為建模方便,把V1_A、V2_A和V0_A分別轉換成x軸逆時針旋轉到航向和風的去向的角度α0、φ和γ0,具體轉換過程為:

同理把V2_A、V0_A轉換成φ、γ0。

由余弦定理有

(1)

由正弦定理有

(2)

(3)

所在區域重力加速度為g,直升機的最大轉彎坡度為ω,則直升機的最小轉彎半徑為R=V12/(gtanω)。

假設0≤θ≤π/2,其他情況與此類似。

1) 當θ≤γ0<π+θ時,直升機從初始位置A順時針飛往預定點S的航跡如圖2所示。

圖2 順時針航跡圖

模型如下:

當0≤t≤T0時,

(4)

其中(xt,yt)為t時刻直升機的坐標,αt為t時刻的航向,αt=α0-V1t/R,有

(5)

到達B點時,

(6)

(7)

(8)

(9)

聯立式(6)～(9)可解出T0。

當T0

(10)

2) 當π+θ≤γ0<2π或0≤γ0<θ時,直升機從初始位置A逆時針飛往預定點S的航跡如圖3所示。

圖3 逆時針航跡圖

因為航向角最大為2π,所以

(11)

當0≤t≤T0時,

(12)

到達B點時,

(13)

(14)

與αt相同,γB也不能超過2π,有

(15)

聯立式(13)～(15)和(9)可解出T0。

當T0

3 仿真結果分析

3.1 航路模型仿真

仿真條件:飛機的初始位置為A(10,20),航速200km/h,航向分別為0°、100°、200°和300°;預定點的位置為S(20,30);風速50km/h,風向200°。仿真結果如圖4所示。

圖4 航路模型仿真結果

由圖4可以看出:仿真結果驗證了模型的正確性。

3.2 風速、風向對飛行時間的影響

仿真條件:直升機初始位置為A(20,20),航速200km/h,航向20°;預定點的位置為S(30,30);風向從0到360°,風速從0到50km/h。仿真結果如圖5所示。

圖5 風速、風向對飛行時間的影響

圖5表明:風向與風速共同對飛行時間起作用。當風向與目標方位(45°)的夾角小于90°時,風速的增大以及夾角的減小都可以減少飛行時間,且當風向與目標方位相同時,飛行時間最短;當風向與目標方位的夾角大于90°時,風速和夾角的增大都會增加飛行時間;當風向與目標方位相同時,僅考慮風速對飛行時間的影響,時間差也可以達到2.26分鐘。

例如,在5級風(風速約30km/h)、風向90°的條件下,飛行時間約為3.86分鐘,若忽略風的影響,飛行時間約為4.23分鐘,誤差近10%?？梢?風對直升機的航路規劃具有重要的影響。

3.3 航速、航向變化對飛行時間的影響

1) 仿真條件:直升機的初始位置為A(20,20),預定點的位置為S(30,30);風速20km/h,風向為0°;航向從0到360°,航速從100km/h到200km/h。仿真結果如圖6所示。

圖6 航速、航向對飛行時間的影響

圖6表明,航向接近目標方位反方向時,飛行時間逐漸增加;航向接近目標方位同方向時,飛行時間逐漸減少;不管航向如何,隨著航速的增大,飛行時間逐漸減少。

2) 仿真條件:直升機的初始位置為A(20,20),預定點的位置為S(30,30);風速20km/h,航向為20°;風向從0到360°,航速從100km/h到200km/h。仿真結果如圖7所示。

圖7 航速、風向對飛行時間的影響

圖7表明,不管風向如何,隨著航速的增大,飛行時間逐漸減少;風向與目標方位同向時,飛行時間最短;風向與目標方位反向時,飛行時間最長。

3) 仿真條件:直升機的初始位置為A(20,20),預定點的位置為S(30,30);風速20km/h,航速為200km/h;風向從0到360°,航向從0到360°。仿真結果如圖8所示。

圖8表明,風向與航向相同,且接近目標方位反方向時,飛行時間逐漸增加,當航向與風向相同,且與目標方位相反時,飛行時間最長;航向與風向相同,且靠近目標方位相同方向時,飛行時間逐漸減少,當航向與風向相同,且與目標方位相同時,飛行時間最短。

4 結語

實際飛行中,風對直升機飛行時間的影響不能忽略。尤其是當海況較差時,風速有時可達空速的0.2倍,這時風會嚴重影響到對飛行時間的估算,此時需要運用風場模型對飛行時間進行計算,以便更好的實現直升機航路規劃。仿真結果可以很直觀表示出風場模型各個變量對飛行時間的影響,此模型能夠很好地滿足直升機仿真訓練的需求。

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Analysis on Influence of Helicopter Route Planning by Wind

CHEN Yihuan CHEN Jiaqi ZHENG Qiang

(Naval Aeronautical Engineering Academy, Yantai 264001)

Aimed at the influence by wind on the helicopter route, according to the description about influence on flight by wind in the flight meteorology and the concrete demand, the route model of the helicopter in air on-call situation flying towards the scheduled point was established. On the basis of the model, changes of the wind speed and the wind direction, the helicopter speed and the helicopter direction to the influence of the flight time were analyzed in the simulation. The simulation results showed that the influence by wind on the route planning cannot be neglected, and should be quantitatively analyzed. These provide the policy decision basis for optimization of route planning, improvement of combat efficacy of helicopter.

route planning, wind, flight time, helicopter

2016年7月9日,

2016年8月17日

陳貽煥,男,碩士,高級工程師,研究方向:航空反潛。陳佳琪,女,碩士,講師,研究方向:航空反潛。鄭強,男,博士研究生,研究方向:航空反潛。

TB391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.014