徐安金 胡勇军
贵州贵飞飞机设计研究院有限公司 飞控载荷部 561000
摘要：本文对某改飞机弹射影响因素进行了分析，引入甲板运动数学模型，建立有航母甲板纵摇影响下的某改飞机弹射起飞过程不同阶段的动力学模型。同时对某改飞机的弹射起飞初始参数进行初步的计算确定。通过对某改飞机的弹射起飞过程进行建模仿真计算，根据弹射起飞下沉量通用限制要求，确定了某改飞机弹射起飞预置平尾偏度和能安全起飞的纵摇范围，并分析了风速和舰速对弹射起飞的影响。
关键词：弹射起飞 纵摇 突伸攻角 下沉量 起飞限制
1 研究的意义
随着我国电磁弹射技术的发展成熟，建造具有弹射功能的航母已成为可能。相信在不久的将来，我国海军必将拥有具有弹射功能的航母。因此，研制一款能适应弹射起飞的舰载教练机成为飞机设计人员的当务之急。
某改飞机作为现有的陆基舰载教练机，已成功实现定点下滑、滑跃起飞等舰载功能的陆基模拟。作为一款成熟的具有一定舰载功能的飞机，对其进行弹射起飞研究，对加速发展能适应弹射起飞的舰载教练机具有重要的意义。
2 弹射起飞影响因素
由于弹射起飞的特殊性，飞机没有抬前轮的过程，从弹射开始到离舰后的一定时间，飞行员均不操纵飞机，只在弹射开始前把平尾进行一定预偏。同时，离舰后地效的消失会导致飞机下沉，而下沉对飞行安全而已，是具有风险性的。因此，最大下沉量是舰载教练机需要重点考核的因素。
为了确保安全，对某改飞机进行弹射研究时，需综合考虑对某改飞机弹射起飞安全有影响的各种因素。
从飞机本体来说，主要因素有：起飞迎角，平尾预偏角，纵向过载，飞机重量和发动机推力；从航母的角度来说，影响因素有舰速和航母的摇摆（即纵摇、横摇和垂荡）；就环境方面而言，影响因素有甲板风、天气和温度。
3 弹射起飞的数学模型
3.1 甲板运动的数学模型
航母在航行过程中，由于受到海浪、海涌及风的作用，舰体将会产生纵摇、横摇、垂荡（上下起伏）和偏航等各种运动。
在中等海况下，当母舰以30kn典型舰速行驶，可按如下模型组合描述舰的运动。
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其中以纵摇、横摇和垂荡对甲板的影响最为显著，尤其是纵摇。由于纵摇和垂荡总是相互耦合，相互影响，因此本文主要研究纵摇对某改飞机弹射起飞的影响。
3.2 飞机动力学模型
某改飞机弹射起飞可分为两个阶段，甲板弹射滑跑阶段和离舰爬升阶段。甲板弹射滑跑阶段又可分为弹射阶段和自由滑跑阶段。根据某舰数据，取弹射段长度为92m，自由滑跑阶段为8m。
（1）弹射阶段方程
假设某改飞机采用前轮弹射，需要在起飞前用弹射器通过拖梭对前起落架发射杆加载，使前起缓冲器接近全压缩状态[2]。因此弹射过程可视起落架系统为刚性。同时假设某改飞机起飞处在包含弹射器纵轴的铅垂平面内，飞机的受力如图1所示。
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飞机的质心运动方程在航迹坐标系中建立，则飞机在铅垂平面内的弹射起飞阶段甲板运动方程组为：
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上述方程组中，为甲板纵摇角，L为甲板滑跑距离，、分别为飞机重心到主起落架和前起落架的距离，、分别为主轮和前轮与地面摩擦力相对飞机重心的力臂。
（2）自由滑跑阶段方程
当飞机被拖至弹射器末端时，拖梭脱离发射杆，飞机进入自由滑跑阶段。此时弹射力消失，缓冲器中存储的能量被释放出来，使起落架突伸[2]，飞机迅速抬头，攻角增加。该阶段飞机受力如图2所示。
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则甲板运动方程组变化为：
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（3）离舰爬升阶段方程
某改飞机从甲板上弹射起飞以后，受力情况就变得简单一些，没有地面支反力的作用，只靠飞机的气动力、重力、发动机推力作用，具体如图3所示。
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离舰后在铅垂平面内，某改飞机遵守飞机纵向三自由度运动方程。
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4 弹射参数的确定
4.1 弹射要求
当前世界各国海军普遍采用的原则[3]如下：
（1） 最大允许下沉量不超3.048m；
（2） 若原则（1）不满足，则应限制航迹最低点与海平面的距离。对于4万吨级航母，该高度不应低于12m，且在最大下沉量处还应保持一定的上升率。
4.2 出口速度的确定
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4.4 突伸攻角的确定
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5 仿真分析
5.1 平尾预置偏度分析
根据飞机动力学模型对某改飞机弹射起飞过程三个阶段进行simulink建模，将已确定弹射参数代入模型，在无纵摇影响无风无舰速的情况下，可得不同预偏角度时某改飞机的下沉量如下图4所示。
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考虑到航空母舰在海上航行均有舰速，且一般逆风而行，因此无风无舰速的情况下，基本满足最大下沉量即可，因此选择某改飞机平尾预置顺气流偏度为即可。
5.2 风速舰速影响分析
由于航空母舰在海上为有利于舰载飞机起降安全，在有舰载飞机起降时一般逆风航行。因此，风速在计算仿真时可按同等舰速进行计算。某改飞机在平尾预置偏度为-10°时，分别按舰速0kn、10kn（5.14m/s）、20kn（10.28m/s）、30kn（15.42m/s）进行弹射仿真，出舰轨迹如下图5所示。
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由此可见，随着风速舰速增加，某改飞机出舰轨迹提升，下沉量减小。
5.3 纵摇影响分析
按本文3.1节给出的纵摇模型，结合三个阶段simulink模型，对某改飞机不同纵摇初始相位下无风无舰速弹射起飞进行仿真，仿真结果如下表1所示。
表1 不同纵摇初始相位下的出舰速度和下沉量
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从表1可以看出，纵摇的影响改变了某改飞机出舰速度的大小和方向。不同纵摇初始相位下，某改飞机出口后的下沉量也就不同，具体出舰轨迹如下图6、图7所示。
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当舰面纵摇初始相位超过一定限度时，由于飞机的下沉量过大，会危及飞行安全，会限制某改飞机的正常弹射起飞[4]。根据4.1节原则，可确定某改飞机安全弹射起飞的纵摇初始相位角范围如下图8所示，具体数值范围为-79°<φ1<79°，即限制范围为156°。
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6 结论
某改飞机弹射起飞应预置平尾顺气流偏度为-10°，平均弹射力约为3.58×105N，出舰速度约为272km/h，现有前起落架的出口突伸攻角≮2°。最大下沉量按不超过3m控制，某改飞机无风无舰速时的安全弹射起飞纵摇初始相位角范围是-79°～79°，限制范围为156°。舰速的增加会增加弹射起飞的安全性。
参考文献
[1] 杨一栋，余俊雅等. 舰载飞机着舰引导与控制, 北京：国防工业出版社, 2007.03.
[2] 沈强，黄再兴. 舰载机前起落架突伸性能优化，计算机辅助工程，2009.09.
[3] 严重中. 舰载飞机下沉量计算及影响因素分析, 飞行力学, 1993.11.
[4] 贾忠湖，高永，韩维. 航母纵摇对舰载机弹射起飞的限制研究, 飞行力学, 2002.06.
作者：徐安金（1983年6月），男，四川隆昌，汉，本科，高级工程师，研究方向：飞行品质，飞控控制律。
二作：胡勇军（1982年3月），男，四川乐山，汉，本科，硕士，高级工程师，研究方向：气动。