Multi-body dynamic system simulation of carrier-based aircraft ski-jump takeoff

The flight safety is threatened by the special flight conditions and the low speed of carrier-based aircraft ski-jump takeoff. The aircraft carrier motion, aircraft dynamics, landing gears and wind field of sea state are comprehensively considered to dispose this multidiscipline intersection problem. According to the particular naval operating environment of the carrier-based aircraft ski-jump takeoff, the integrated dynamic simulation models of multi-body system are developed, which involves the movement entities of the carrier, the aircraft and the landing gears, and involves takeoff instruction, control system and the deck wind disturbance. Based on Matlab/Simulink environment, the multi-body system simulation is realized. The validity of the model and the rationality of the result are verified by an example simulation of carrier-based aircraft ski-jump takeoff. The simulation model and the software are suitable for the study of the multidiscipline intersection problems which are involved in the performance, flight quality and safety of carrier-based aircraft takeoff, the effects of landing gear loads, parameters of carrier deck, etc.     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

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。     

直升机高海况起降相关装备能力要素分析

直升机舰上起降是 1个舰、机、人、环等多因素耦合的复杂系统问题。重点分析影响直升机高海况舰上起降能力的舰、机相关装备因素,主要包括舰船的摇荡运动特性、起降平台及上层建筑主尺度,快速系留与牵引、摇荡运动预报等直升机舰面保障设备能力,直升机的抗合成甲板风、适应舰船摇荡运动、舰面开/关车等能力,以及风况监测能力等,给出装备因素影响直升机高海况起降的原理、规律、特点,总结部分国外海军相关研究和装备情况,为国内相关研究和装备研制提供借鉴和参考。     

舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷

设置舰艏斜板以减少舰载机起飞滑跑距离、降低甲板风要求,从而实现无弹射系统情况下的短距起飞作业,这已在一些“蓝水”海军强国的航空母舰上得到了多年应用。给定航母起飞甲板长度和斜板曲线构型,飞机能否成功滑跃起飞取决于它的气动特性、最大起飞质量、发动机推力、出口速度和起落架强度。 本文提出了一种舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷的计算方法,也建立了完整的斜板曲线方程（曲线已经过飞机适配性优化）。文中还应用本方法计算了某双座多用途舰载教练机的滑跃起飞地面载荷。     

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。     

Dynamics Model of Carrier-based Aircraft Landing Gears Landed on Dynamic Deck

In order to study the carrier-based aircraft landing laws landed on the carrier, the dynamics model of carrier-based aircraft landing gears landed on dynamic deck is built. In this model, the interactions of the carrier-based aircraft landing attitude and the damping force acting on landing gears are considered, and the influence of dynamic deck is introduced into the model through the deck normal vectors. The wheel-deck coordinate system is put forward to solve the complex simulation problem of force-on-wheel which comes from the dynamic deck. At last, by simulation, it is demonstrated that the model can be applied to landing attitude when the carrier-based aircraft is landing on the dynamic deck, it is also proved that the model is comprehensive and suitable for any abnormal landing situation.     

考虑杆臂效应与挠曲变形的全自动着舰技术

联合精确进近和着陆系统（JPALS）舰载组件旨在为最终进近阶段的舰载机提供自动着舰能力。针对由于舰船杆臂效应与挠曲变形的存在导致舰载机着舰定位精度下降的问题,开发了一种基于卫星引导的全自动着舰非线性化参数误差模型,结合舰船甲板运动及舰载机纵向飞行控制模型,评估舰船结构挠曲和姿态不确定性对着舰落点精度的影响。结果表明,杆臂效应与挠曲变形对着舰落点精度有显著影响,利用建立的误差模型以及飞行控制模型,能够将着舰落点精度有效控制在着舰标准之内。     

某型登陆舰的舰面流场仿真与分析

舰载直升机是登陆舰实现"垂直登陆"的主要武器,研究舰面流场特性对直升机安全性能与操纵性都有重要意义。建立了某型登陆舰的三维模型,以风向角为30°,风速为15m/s的流场为例,通过数值仿真得到了飞行甲板上方的气流分布,经分析机库陡壁效应引起的下冲气流分量在机库后方形成了涡流区,在直升机的起降过程中应避免通过该涡流区,以保障直升机的安全起降、平稳飞行。     

Measuring Aircraft Carrier Flexure in Support of Autonomous Aircraft Landings

This paper quantifies the experimental measurements of aircraft carrier flexure (deformation) at sea in support of the United States Department of Defense sea-based Joint Precision Approach and Landing System (JPALS) that aims to deliver automatic landing capabilities to inbound aircraft aboard aircraft carriers. The methodology for measuring ship flexure using the Global Positioning System (GPS) and inertial sensors is described. Results indicate that flexure on the aircraft carrier used for testing has a standard deviation of approximately 1–2 cm. For the ship tested, the most significant flexure effects are in the port/starboard direction and correlate best with roll or lateral acceleration.     

舰载机着舰进近速度超出预期的影响因素研究

舰载机进近速度过大不仅会缩短机体疲劳寿命,而且会增加事故风险。通过分析得出,造成进近速度超出预期值的原因是飞行员为保证飞机沿固定下滑道下滑而对飞机的状态作出了调整。进一步分析得出,甲板风高于测试值是迫使飞机状态改变的直接因素,并利用统计数据分析验证了该结论的正确性;分析结果表明,甲板风增大的80%转化为进近速度的增加;提出以抬高基准角的方式应对大甲板风带来的进近速度的增加,以保证着舰安全。研究结论可应用于岸基模拟着舰训练中,可提高模拟训练和实际着舰的相似度,增强训练效果。     

舰载机拦阻着舰载荷谱编制技术

舰载机舰面载荷谱是航母服役环境下飞机结构长寿命和耐久性设计的关键。依据舰载机在拦阻着舰过程中的舰面载荷特点，论述了现有编制方法的局限性，结合多体动力学仿真模型探讨了载荷谱编制的方案和流程，建立了拦阻着舰多体动力学运动方程和仿真模型，并进行了仿真计算。通过对舰载机飞行剖面以及拦阻着舰任务剖面特点分析，确定了飞机拦阻着舰任务段载荷谱的主要工况以及比例关系，编制出飞机拦阻着舰过程的重心谱，绘制出载荷谱超越曲线，为舰载机的设计载荷谱编制提供依据，具有较高的工程应用价值。     

舰载机的自由飞行钩住情况

自由飞行钩住（FFE）是指飞机在处于上仰姿态,且所有起落架尚未接触甲板的情况下的拦阻钩钩索。此时,飞机有较大的姿态角和较低的下沉速度。根据起落架和拦阻钩几何布局、飞机重心位置,拦阻力线可能处于飞机重心之下,因此产生显著的低头力矩,造成前起落架首先接触甲板,而主起落架稍后继之,飞机的低头俯仰速率可以导致前起落架以较高的下...     

面向机舰适配的舰载飞机起降特性分析

机舰适配性是舰载飞机总体设计的核心内容之一,通常包括性能适配和保障适配两部分,是舰载飞机总体设计特有的阶段;其内涵是指舰载飞机充分、高效利用航母的特性,使用其设备和装置的固有能力。以舰载飞机的使用环境为切入点,定义了有人驾驶陆基飞机改舰载机设计所需考虑的机舰适配的诸多方面;以滑跃起飞/拦阻着舰型舰载机为实例,突出性能适配,对滑跃起飞和拦阻着舰的过程进行物理分解,探求舰机以及环境参数对其性能的影响,建立了相关性能的计算方法,并结合国外典型航母的数据进行了计算分析,定量评估了甲板风对滑跃起飞和拦阻着舰的作用。同时,从保证着舰安全性的角度给出了建议的着舰方式、标准拦阻程序和安全逃逸的最短甲板长度需求。最后,给出了滑跃起飞/拦阻着舰飞机设计的关注点。     

地面效应对舰载机起飞特性的影响

众所周知,地面效应(以下简称“地效”)对近地飞行时飞机的迎角、升力、阻力和洗流场都有明显影响,而尤以升力效应对起飞特性的影响最为严重。舰载机在飞离甲板瞬间地效升力突然损失,可能导致“下沉”现象,直接影响到飞机的安全。本文的工作包括两个主要方面:1.在总结现有文献的基础上,提出在不同离陆高度时全机气动参数的计算方法。2.研究舰载机在飞离甲板瞬间因突然失去地效而导致起飞特性的变化,特别是下沉问题。算例表明,地效使得甲板起飞和地面起飞特性有明显区别,是舰载机设计中必须考虑的重要问题。     

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。     

有侧风时某验证机着陆品质分析

以刚体系动力学理论为基础,建立飞机、起落架六自由度全量非线性方程,根据有侧风时着陆过程中驾驶员的操纵特点,提出比较符合实际情况的操纵逻辑,以及用3个单轴操纵的驾驶员模型,通过采用分时采集、分时处理飞行状态信息和分时操纵的方式,将它们有机地综合成~个同时做三轴操纵时的驾驶员模型。最后,对所建立的人-机闭环系统模型编制了相应的仿真软件,并对某验证机进行了着陆品质分析,其结果与试飞情况比较吻合。     

舰载飞机逃逸复飞动力学特性研究

采用相关作用力方法，建立了考虑起落架变形运动影响下飞机在运动斜甲板上的着舰滑跑运动方程，综合研究了海浪，风，地效，航母摇荡运动和起落架伸缩运动等因素对飞机着舰脱挂后逃逸复飞特性的影响，为舰载飞机逃逸飞行特性提供了计算方法。     

基于能量法的舰载机拦阻着舰动力学分析及建模仿真

针对舰载机拦阻着舰过程,采用能量法分析了任意着舰姿态和位置下的拦阻力响应,建立了全机六自由度动力学模型,考虑了航母甲板风的影响以及航母纵摇和升沉运动。通过MATLAB／SIMULINK建立数学模型,并以一种偏心非垂直着舰拦阻状态为算例进行了仿真分析。     

民用飞机高原风场进近驾驶行为变化对失控趋势的影响

高原机场运行安全性是颇具中国特色的飞行安全研究领域。在高原机场终端区,飞机的飞行性能下降,如果遭遇大风等不利天气条件,不安全事件的发生概率增加,其中飞行失控(LoC)是重要的潜在威胁类型。为了分析风场飞行的失控机理并研究高原环境中驾驶员生理变化对LoC趋势的影响,对高原机场终端区驾驶员的操纵行为进行参数化表征,模拟了高原环境对于驾驶行为的可能影响,并结合高原特征风场模型,通过数值仿真分析穿越风场飞行时失控风险的变化趋势。仿真结果表明:危险的山谷风和突风是导致LoC的重要诱因,高原环境中驾驶员生理心理的恶化也会增加LoC的危险,不合适的增益、过大的延迟和滞后都会导致飞机的失控。如果能够对驾驶员进行有针对性的训练,降低应对风扰动出现时的操纵增益波动,并保持适当紧张状态以尽量降低操纵延迟,将有利于应对风扰动,并保持完成飞行任务的能力。