基于直接力控制的人工着舰技术综述

舰载机着舰技术是舰载机设计的重要难点和关键技术之一,魔毯技术是目前已知最新的人工着舰控制技术。随着舰载机着舰技术的历程,从一开始舰载机着舰问题的提出,到着舰方式的更新迭代,对于着舰技术的未来发展方向更是有了清晰的规划。从国内外有关于舰载机着舰技术的研究现状出发,对魔毯着舰技术进行了详细分析,从综合直接升力控制、飞行轨迹速率控制、飞行轨迹增量控制,以及改进的平视显示器4个内容展开综述。总结了魔毯技术的思想方法及发展前景,魔毯的技术理念必将是未来人工着舰的发展趋势。     

一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法

传统舰载机采用纵杆控制迎角,油门杆控制下滑的着舰控制方式存在着操纵通道功能耦合,航迹与姿态耦合,着舰精度不高等多种不足。受舰尾流扰动、航母甲板运动等不利因素的影响,飞行员需要进行高频次的下滑修正操纵,身心负担极重。针对这一问题,在对美军魔毯技术（MAGIC CARPET）系统构成与着舰过程分析的基础上,针对三翼面布局飞机提出了一种基于多操纵面控制分配的综合直接力控制（IDLC）人工着舰精确控制方法。仿真分析表明：基于特征结构配置（EA）解耦设计直接力着舰控制方法能够实现飞机纵向运动长周期模态与短周期模态的解耦、油门通道与纵杆通道的解耦,具有抑制舰尾流扰动、稳定飞机下滑状态、减小操纵负担的功能;而基于多操纵面控制分配的设计方案通过鸭翼正偏增升,不但充分发挥了三翼面布局飞机气动舵面增升控制的优势,还减小了平尾配平出舵量,在一定程度上减小了平尾上偏所带来的升力损失。     

舰载机人工进场着舰精确轨迹控制技术

进场着舰精确轨迹控制是舰载机设计的难点和关键技术之一。首先，对舰载机人工进场着舰轨迹及精确轨迹控制的应用需求进行了讨论，指出其必要性和直观的有益效果；随后，讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制的演变过程、发展趋势及涉及的等角下滑航迹率控制技术、进场动力补偿技术、直接力控制技术、DP（Delta flight Path）控制技术等关键技术；最后，讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制对减轻驾驶员操纵负担、降低触舰点分散度、减小触舰载荷等方面的收益。研究工作对舰载机的精确轨迹着舰控制系统设计具有一定的工程指导价值。     

基于直接升力与动态逆的舰尾流抑制方法

在复杂的作战和着舰环境下,舰尾气流扰动是着舰误差的最主要来源之一。如果在着舰下滑阶段利用直接升力控制（DLC）的快速性和解耦性能力,可以极大地减轻飞行员着舰操纵负担并且提高着舰最后阶段对舰尾流的抑制能力。从航迹调节和姿态稳定的解耦角度出发,提出在非线性动态逆（NDI）控制框架下实现基于直接升力的着舰控制律方法,并通过建立含有舰尾流扰动的E-2C全量飞机仿真模型进行验证。结果表明：在非线性动态逆控制中引入直接升力的舰载机着舰控制律,可以实现在着舰下滑阶段姿态稳定的同时,通过直接升力快速解耦调节航迹误差,并且在引入舰尾流干扰的情况下,具有快速修正下滑倾角误差、抑制舰尾流干扰的能力,最终达到显著提高着舰精度的效果。     

动态逆反馈控制框架下直接升力控制的控制分配研究

利用动态逆反馈控制方法设计的飞行控制器,依据动态解耦的特性,可以完成常规操纵的同时,借助辅助舵面,利用控制分配技术实现特定飞行操纵。本文主要研究动态逆反馈控制框架下与直接升力控制相匹配的控制分配技术,提出了两种控制分配结构,分别通过几种常用控制分配算法的仿真分析,结果显示在航迹回路与姿态回路分别设计控制分配结构,与动态逆反馈控制框架下的直接升力控制匹配性更好,舵面响应特性显著改善。同时表明在动态逆反馈控制框架要实现类似利用直接升力操纵航迹,对直接升力面、推力等辅助执行机构的控制分配应在航迹回路直接实现。     

基于直接力的舰载机着舰控制技术研究

首先针对舰载机着舰需求,分析了现有人工着舰控制的特点与难点,提出了直接力控制方式应用在着舰阶段中的可行性。随后,通过对直接力控制原理的分析,初步设计了不同直接力形式的的着舰控制律,并进行了理论验证。最后,通过仿真对比,得出直接力控制方式的优势。基于直接力的舰载机着舰控制技术可以实现迎角和轨迹的解耦,并提升轨迹响应快速性,进而降低飞行员的着舰操纵负担。     

舰载机着舰侧向轨迹增量控制

针对舰载机着舰侧向控制难度较大的问题,借鉴美国海军的“魔毯”(MAGIC CARPET)着舰的先进理念,提出了 1种新的着舰控制方法,即侧向轨迹增量控制。首先,分别从理论上分析了侧向常规控制、侧向轨迹增量控制的控制结构和着舰性能;然后,对 HUD显示符号进行改进;最后,通过实时仿真,比较了这 2种方法的着舰控制效果。结果显示,着舰侧向轨迹增量控制具有 3个优点:1)简易,降低了飞行员的操纵频次和负担;2)直观,着舰侧向操纵更直观,侧向杆量与飞机侧偏修正速率成正比例,而且当横杆回中时飞机能自动跟踪跑道中心线的横向漂移;3)鲁棒,显著提高了对侧风和舰尾流的抑制能力,即使在飞行员不操纵的情况下,飞机也能迅速反应和抑制风干扰。因此,建议在着舰工程中采用侧向轨迹增量控制。     

舰载机油门助力装置评估试飞技术研究

由于舰载机在着舰下滑阶段采用的是反区(backside)操纵技术,这种驾驶操纵需要飞行员小量高频地推拉油门,这就要求油门杆操纵力足够小,以满足飞行员精确控制飞行轨迹的需求。介绍了油门助力装置在舰载机着舰下滑过程中的应用,提出了油门助力装置评估的方法。飞行试验结果表明,所提方法能够对油门助力装置给出客观评估,同时对后续其他操纵系统的评估提供参考。     

舰载飞机着舰精确轨迹控制研究

针对舰载机着舰过程的精确航迹控制要求,利用现有机上的控制设备,采用系统综合设计的方法,给出了两种航迹控制系统———风参考航迹控制系统和惯性参考航迹控制系统,通过仿真分析,给出了系统的性能差异。     

舰载机着舰中侧风和常值甲板风的影响研究

舰载机要安全着舰,需要精确控制全着舰航线轨迹及其稳定性,风是影响舰载机着舰航线的主要因素。论文主要研究了侧风和常值甲板风对舰载机着舰飞行产生的影响,建立了影响舰载机着舰飞行的不同侧风、甲板风的数学模型。根据数学模型计算了不同甲板风和侧风下着舰飞行轨迹参数,从而提出了着舰飞行修正方法。     

中性稳定的舰载飞机着舰模态研究

由于舰载飞机着舰前处于跟踪雷达的盲区，此时导引系统关闭，为了使飞机的姿态及轨迹角在舰尾气流扰动下力求不变，以达到安全着舰的目的，提出了飞机中性稳定的新型着舰模态，其实现途径是利用后缘襟翼对称偏转所产生的直接力，对迎角小扰动变化进行气动解耦，从而构成中性稳定舰载飞机，使飞机动力学的特征模态由振荡型转变为非周期型。仿真结果表明，该模态可有效地抑制气流扰动，提高着舰的安全性。     

舰载机弹射起飞及拦阻着舰动力学问题

 弹射起飞和拦阻着舰是舰载机的特殊动力学问题,弹射起飞过程中的起飞离舰姿态、安全离舰速度及离舰上升航迹;着舰过程中的下滑航迹标定及保持、啮合速度及拦阻滑跑;逃逸复飞能力等是舰载机起落性能的主要评定指标。这些指标与航空母舰的大气扰动、航空母舰的纵倾、横摇和升沉运动的影响密切有关。本文在探讨舰载机起落性能研究方法的基础上,进行了示例仿真研究,其计算结果与能取得的示例飞机的某些结果是一致的。     

大型飞机推力调节应急飞行控制研究

推力调节(Propulsion Controlled Aircraft,以下简称PCA)应急飞行控制作为一种替代的控制策略,能够通过仅调节发动机推力,对常规操纵舵面失效的飞机提供一定的控制能力。首先从动力学角度对推力调节的可行性进行了分析,并在此基础上建立了PCA 总体方案,然后采用内环增稳、外环设计PID 控制器的方法,完成了PCA 纵向航迹倾斜角控制器、横航向滚转角控制器的设计,仿真结果表明利用推力调节实现航迹控制是可行的。最后将所设计的控制器应用于自动着陆系统,飞机能够准确跟踪航迹,满足性能要求。     

舰载机理想着舰点垂直运动的预估与补偿

理想着舰点的垂直运动是影响着舰精度和安全的一个主要因素,因此必须加强舰载机对理想着舰点垂直运动的同步跟踪能力.为此,提出对理想着舰点垂直运动的位置和速度信号进行预估和补偿的方法,将垂直运动的位置和速度信号经过预估和补偿后分别引入到纵向自动着舰引导系统和飞控系统的垂向速度通道中,使得舰载机可以准确跟踪理想着舰点的垂直运动,以减小甲板运动对着舰的影响.针对不同海况条件,对设计的补偿器和预估器进行仿真验证,并与其他方法进行比较.结果表明本文提出的理想着舰点垂直运动预估与补偿方法可有效地补偿由甲板运动引起的着舰误差,显著提高了着舰的安全性和精确性.     

动基座近舰面流场数值模拟

航母尾迹流场对舰载机的着舰有较大影响,所以需要对其流场特点进行研究,分析不同状态下舰载机气动特性的变化。采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟。首先,利用SFS2舰船进行数值计算,验证了舰船流场的数值模拟方法。然后,对比了单独无人机定常与非定常计算结果,表明所建立的嵌套网格适用于无人机流场的模拟。接着,对航母单相流和两相流的流场结果进行了分析,结果显示甲板下方的流动对甲板上方流场没有大的影响。因此,忽略了水的影响只对航母在空气流场中的特性进行研究,结果表明航母尾迹非定常特性明显,静止航母下滑轨迹上的速度均处于周期性波动状态,且波动幅值随着远离航母而逐渐衰减;而在垂荡情况下航母尾迹变得更加紊乱,水平方向速度波动的周期性减弱,但垂向速度的波动幅值进一步增大。对于静止航母,无人机在不同时刻着舰气动特性的变化也存在差异;当航母处于垂荡状态时,无人机的升力和俯仰力矩在短时间内会有更大的波动。