舰载机起降限制区域及主要影响参数
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Tab.1 表 1 CV/CVN 甲板运动限制准则 CV/CVN limiting deck motion criteria
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.11 No.5 Oct. 2016 第 11 卷
引用格式： 晋文超， 李鹏， 李亚军， 等 . 舰载机起降限制区域及主要影响参数 ［J］ . 中国舰船研究， 2016， 11 （5） ： 28-34. JIN Wenchao， LI Peng， LI Yajun， et al. Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2016， 11 （5） ： 28-34.
e
（6） （7）
62 2
62 2
64
46
4
64 4
iω t ( A 66 + I 6 )ξ̈ 6 + B 66 ξ̇ 6 = F 6 e
e
上式中的水动力系数和波浪扰动力 （矩） 可以 分得到。
通过计算每个船体剖面上的受力并沿船长方向积 对式 （2） ～式 （7） 求解， 可以得出船体六自由
度运动的频率响应函数 f j (ω) 。根据频率响应函 不规则波中的运动谱 S j (ω) 和方差值 m 0j 。
文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.005
1 海军装备研究院， 北京 100161
制准则， 利用判断函数， 以极坐标图形式直观反映航母运动参数对舰载机起降作业的限制区域和非限制区域。
Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts
第5期
晋文超等： 舰载机起降限制区域及主要影响参数
29
内许多学者对运动极短期预报和引导控制律分别 展开了研究， 如段文洋等
［3］ ［1-2］
等 基于混沌理论与 RBF 神经网 AR 模 型 、 顾民
［4-5］
质量惯性矩。
基
第 2 组为横荡、 横摇和艏摇的 3 个耦合运动方程： -( A + M )ξ̈ + B ξ̇ + ( A - M ZG )ξ̈ +
1
航母运动预报
航母运动预报采用 STF 切片理论， 假定航母
ξ j1/3 = 2 m 0j
（10）
的横向运动和纵向运动相互独立。 6 个自由度运 动耦合的线性微分方程为
å[( M
6 k=1
jk
iω t + A jk ξ̈ k + B jk ξ̇ k + C jk ξ k = F j e
e
)
]
（0～ 30 kn） 、 全浪向 （0° ～ 360°） 运动预报， 以及部 ITTC 双参数谱
［8］
iω t B 24 ξ̇ 4 + A 26 ξ̈ 6 + B 26 ξ̇ 6 = F 2 e （5） -- ̈ ( A 42 - M ZG )ξ 2 + B 42 ξ̇ 2 + ( A 44 + I 4 )ξ̈ 4 + B 44 ξ̇ 4 + iω t C 44 ξ 4 + ( A 46 - I 46 )ξ̈ 6 + B 46 ξ̇ 6 = F 4 e A ξ̈ + B ξ̇ + ( A - I )ξ̈ + B ξ̇ +
将 M jk ，A jk ，B jk 和 C jk 代入运动方程可以看 出， 对于横向对称的船， 六自由度的运动方程变成 了 2 组方程。
11
周期分别为 8.3， 9.1 和 9.8 s。
预 报 有 义 波 高 H1/3 =4， 5 和 6 m， 对应的平均
æ ö exp ç - 691 4 4÷ T ω è T 01ω ø
1 Naval Academy of Armament， Beijing 100161， China JIN Wenchao1， LI Peng2， LI Yajun2， QIU Liaoyuan2
2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China Abstract：The takeoff and landing capability directly reflects the fighting capability of an aircraft carrier. The motion was predicted theoretically by the STF method, and then a criterion function established plot. Based on the self-characteristics of aircraft the carrier's motion, the influence of each parameter on with CV/CVN limiting deck motion criteria was used to analyze ship motion. The program visually dis⁃ A notional aircraft carrier was designed according to pictures of the American Nimitz-class aircraft carrier. played the restricted region induced by the aircraft carrier's motion and non-restricted region with a polar the takeoff and landing of carrier-based aircraft was analyzed item by item. The study presents the primary parameter restricting takeoff and landing for different wave directions. It also analyzes the sensitivity of mo⁃ tion on takeoff and landing. As such, it shows the optimization orientations clearly for improving the sea⁃ keeping capacity and enlarging the non-restricted region in the design process of aircraft carriers. Key words： aircraft carrier； carrier-based aircraft； seakeeping capacity； restricted region
舰载机起降限制区域及主要影响参数
晋文超 1， 李鹏 2， 李亚军 2， 邱辽原 2
2 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
摘 要 ：舰载机起降作业能力直接反映了航空母舰 （简称 “航母” ） 的作战能力。根据美国 “尼米兹” 级航母的图 片资料进行航母船型的设计， 通过 STF 切片理论对本船的运动参数进行理论预报， 并结合 CV/CVN 甲板运动限 从航母自身运动特性出发， 逐项分析航母运动参数对舰载机起降作业的影响， 明确提出不同浪向下限制舰载机 起降的主要运动参数， 并分析影响舰载机起降运动参数的敏感性。为航母设计过程中改善耐波性、 扩大舰载机 起降作业区域指明优化方向。 关键词 ： 航空母舰； 舰载机； 耐波性； 限制区域 中图分类号 ： U661.3
0
引
言
偏重于着舰引导的过程， 一般采取的方法是通过 对航母运动进行极短期预报， 然后结合合理的引 导控制律， 实现舰载机进舰下滑过程的模拟。国
目前， 国内外对航母舰载机起降作业的研究
收稿日期： 2016 - 01 - 17
基金项目： 国家部委基金资助项目
网络出版时间： 2016-9-21 13:45
（11）
第 1 组为纵荡、 垂荡和纵摇的 3 个耦合运动方程： ( A + M )ξ̈ + B ξ̇ + A ξ̈ + B ξ̇ +
1 11 1 13 3 13 3
e
iω t -( A15 + M ZG )ξ̈ 5 + B15 ξ̇ 5 = F1e （2） ̈ ̇ ̈ ̇ A 31 ξ1 + B 31 ξ1 + ( A 33 + M )ξ 3 + B 33 ξ 3 + C 33 ξ 3 + iω t A 35 ξ̈ 5 + B 35 ξ̇ 5 + C 35 ξ 5 = F 3 e （3） -- ̈ ( A 51 + M ZG )ξ1 + B 51 ξ̇ 1 + A 53 ξ̈ 3 + B 53 ξ̇ 3 + C 53 ξ 3 +
e
( A 55 + I 5)ξ̈ 5 + B 55 ξ̇ 5 + C 55 ξ 5 = F 5 e （4） -式中：M 为航母质量；ZG 为重心垂向坐标，I 为
iω e t
图 1 型线图 Fig.1 Ship's lines
数值预报与模型试验得到航速 18 kn、 艏斜浪
150° 下的垂荡、 纵摇和横摇运动响应幅值算子对 比 （图 2） ， 两者吻合较好， 说明采用 STF 切片理论 预报航母运动具有较高的预报精度。图中， k 为波
22 2 22 2 24 4
e
于神经网络理论、 蔡烽等 基于相空间重构技术， 实现了舰船运动的极短期预报； 朱齐丹等［7］研究 了在舰尾流干扰和航母运动情况下的飞行员操控 特性， 总结了在扰动下的控制规律； 章卫国等 采 用解析形式的模糊控制规则， 对舰载机纵向自动 着舰控制系统进行了设计与仿真； 袁锁中等［9］根 据着舰运动及 H ∞ 控制方法的概念， 对自动着舰导 引系统进行了设计与仿真。然而在舰机适配性研 究中， 同时还需关注与舰载机起降限制因素相关 的研究， 通过分析限制因素对舰载机起降的影响， 可以指导航母航行过程中选取有利于舰载机起降 的航速和航向， 并为航母设计过程中的耐波性优 甲板运动限制准则， 其中不同海况下的作业难度 起降作业［10］。本文将从航母运动角度出发， 分析 单一限制因素在不同有义波高下对舰载机起降作 业的限制区域， 提出不同浪向下的主要限制参数， 为航母开展基于舰载机起降作业的耐波性优化提 出明确的目标。 化指明方向。美国经过多年的积累， 提出了 CV/CVN 不同， 对于极限衡准需通过很大的努力才能完成
母船型设计 （图 1） 。以此船型为对象进行全航速 分工况下的模型试验验证。其中海浪谱采用
根据美国 “尼米兹” 级航母的图片资料进行航
式中：M jk 为质量矩阵；A jk 为附加质量矩阵；B jk
j=1， 2， …， 6
（1）
S ( H1 3 T 01 ω ) =
173H123
4 01 5
ξ k 为运 C jk 为恢复力系数矩阵； 为阻尼系数矩阵； F j 为波浪扰动力。 动位移；
θ 为纵摇角， ϕ 为横摇角。
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 Experiment STF
λ/L Z /ζ a
30
中
国
舰
船
研
究
第 11 卷
运动准则包括无约束使用值和航空使用限制值， 本文分析高海况下的舰载机起降能力， 因此采用 其中的航空使用限制值作为准则， 具体如表 1 所 均周期。
数， 可由式 （8） 和式 （9） 求出船体六自由度运动在
S j (ω) = S ( H1/3 T 01 ω) × | f j (ω) |
¥
2
（8） （9）
m 0j = S j (ω)dω
0
式 中 ：H1/3 为 有 义 波 高 ； T 01 为 特 征 周 期 ；ω 为 波 浪圆频率。 运动方差确定后， 假定运动谱为狭谱， 船体的 第 j 模式运动的单幅有义值
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.11 No.5 Oct. 2016 第 11 卷
引用格式： 晋文超， 李鹏， 李亚军， 等 . 舰载机起降限制区域及主要影响参数 ［J］ . 中国舰船研究， 2016， 11 （5） ： 28-34. JIN Wenchao， LI Peng， LI Yajun， et al. Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2016， 11 （5） ： 28-34.
e
（6） （7）
62 2
62 2
64
46
4
64 4
iω t ( A 66 + I 6 )ξ̈ 6 + B 66 ξ̇ 6 = F 6 e
e
上式中的水动力系数和波浪扰动力 （矩） 可以 分得到。
通过计算每个船体剖面上的受力并沿船长方向积 对式 （2） ～式 （7） 求解， 可以得出船体六自由
度运动的频率响应函数 f j (ω) 。根据频率响应函 不规则波中的运动谱 S j (ω) 和方差值 m 0j 。
文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.005
1 海军装备研究院， 北京 100161
制准则， 利用判断函数， 以极坐标图形式直观反映航母运动参数对舰载机起降作业的限制区域和非限制区域。
Restricted regions and main influence parameters for the takeoff and landing of carrier-based aircrafts
第5期
晋文超等： 舰载机起降限制区域及主要影响参数
29
内许多学者对运动极短期预报和引导控制律分别 展开了研究， 如段文洋等
［3］ ［1-2］
等 基于混沌理论与 RBF 神经网 AR 模 型 、 顾民
［4-5］
质量惯性矩。
基
第 2 组为横荡、 横摇和艏摇的 3 个耦合运动方程： -( A + M )ξ̈ + B ξ̇ + ( A - M ZG )ξ̈ +
1
航母运动预报
航母运动预报采用 STF 切片理论， 假定航母
ξ j1/3 = 2 m 0j
（10）
的横向运动和纵向运动相互独立。 6 个自由度运 动耦合的线性微分方程为
å[( M
6 k=1
jk
iω t + A jk ξ̈ k + B jk ξ̇ k + C jk ξ k = F j e
e
)
]
（0～ 30 kn） 、 全浪向 （0° ～ 360°） 运动预报， 以及部 ITTC 双参数谱
［8］
iω t B 24 ξ̇ 4 + A 26 ξ̈ 6 + B 26 ξ̇ 6 = F 2 e （5） -- ̈ ( A 42 - M ZG )ξ 2 + B 42 ξ̇ 2 + ( A 44 + I 4 )ξ̈ 4 + B 44 ξ̇ 4 + iω t C 44 ξ 4 + ( A 46 - I 46 )ξ̈ 6 + B 46 ξ̇ 6 = F 4 e A ξ̈ + B ξ̇ + ( A - I )ξ̈ + B ξ̇ +
将 M jk ，A jk ，B jk 和 C jk 代入运动方程可以看 出， 对于横向对称的船， 六自由度的运动方程变成 了 2 组方程。
11
周期分别为 8.3， 9.1 和 9.8 s。
预 报 有 义 波 高 H1/3 =4， 5 和 6 m， 对应的平均
æ ö exp ç - 691 4 4÷ T ω è T 01ω ø
1 Naval Academy of Armament， Beijing 100161， China JIN Wenchao1， LI Peng2， LI Yajun2， QIU Liaoyuan2
2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China Abstract：The takeoff and landing capability directly reflects the fighting capability of an aircraft carrier. The motion was predicted theoretically by the STF method, and then a criterion function established plot. Based on the self-characteristics of aircraft the carrier's motion, the influence of each parameter on with CV/CVN limiting deck motion criteria was used to analyze ship motion. The program visually dis⁃ A notional aircraft carrier was designed according to pictures of the American Nimitz-class aircraft carrier. played the restricted region induced by the aircraft carrier's motion and non-restricted region with a polar the takeoff and landing of carrier-based aircraft was analyzed item by item. The study presents the primary parameter restricting takeoff and landing for different wave directions. It also analyzes the sensitivity of mo⁃ tion on takeoff and landing. As such, it shows the optimization orientations clearly for improving the sea⁃ keeping capacity and enlarging the non-restricted region in the design process of aircraft carriers. Key words： aircraft carrier； carrier-based aircraft； seakeeping capacity； restricted region
舰载机起降限制区域及主要影响参数
晋文超 1， 李鹏 2， 李亚军 2， 邱辽原 2
2 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
摘 要 ：舰载机起降作业能力直接反映了航空母舰 （简称 “航母” ） 的作战能力。根据美国 “尼米兹” 级航母的图 片资料进行航母船型的设计， 通过 STF 切片理论对本船的运动参数进行理论预报， 并结合 CV/CVN 甲板运动限 从航母自身运动特性出发， 逐项分析航母运动参数对舰载机起降作业的影响， 明确提出不同浪向下限制舰载机 起降的主要运动参数， 并分析影响舰载机起降运动参数的敏感性。为航母设计过程中改善耐波性、 扩大舰载机 起降作业区域指明优化方向。 关键词 ： 航空母舰； 舰载机； 耐波性； 限制区域 中图分类号 ： U661.3
0
引
言
偏重于着舰引导的过程， 一般采取的方法是通过 对航母运动进行极短期预报， 然后结合合理的引 导控制律， 实现舰载机进舰下滑过程的模拟。国
目前， 国内外对航母舰载机起降作业的研究
收稿日期： 2016 - 01 - 17
基金项目： 国家部委基金资助项目
网络出版时间： 2016-9-21 13:45
（11）
第 1 组为纵荡、 垂荡和纵摇的 3 个耦合运动方程： ( A + M )ξ̈ + B ξ̇ + A ξ̈ + B ξ̇ +
1 11 1 13 3 13 3
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iω t -( A15 + M ZG )ξ̈ 5 + B15 ξ̇ 5 = F1e （2） ̈ ̇ ̈ ̇ A 31 ξ1 + B 31 ξ1 + ( A 33 + M )ξ 3 + B 33 ξ 3 + C 33 ξ 3 + iω t A 35 ξ̈ 5 + B 35 ξ̇ 5 + C 35 ξ 5 = F 3 e （3） -- ̈ ( A 51 + M ZG )ξ1 + B 51 ξ̇ 1 + A 53 ξ̈ 3 + B 53 ξ̇ 3 + C 53 ξ 3 +
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( A 55 + I 5)ξ̈ 5 + B 55 ξ̇ 5 + C 55 ξ 5 = F 5 e （4） -式中：M 为航母质量；ZG 为重心垂向坐标，I 为
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图 1 型线图 Fig.1 Ship's lines
数值预报与模型试验得到航速 18 kn、 艏斜浪
150° 下的垂荡、 纵摇和横摇运动响应幅值算子对 比 （图 2） ， 两者吻合较好， 说明采用 STF 切片理论 预报航母运动具有较高的预报精度。图中， k 为波
22 2 22 2 24 4
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于神经网络理论、 蔡烽等 基于相空间重构技术， 实现了舰船运动的极短期预报； 朱齐丹等［7］研究 了在舰尾流干扰和航母运动情况下的飞行员操控 特性， 总结了在扰动下的控制规律； 章卫国等 采 用解析形式的模糊控制规则， 对舰载机纵向自动 着舰控制系统进行了设计与仿真； 袁锁中等［9］根 据着舰运动及 H ∞ 控制方法的概念， 对自动着舰导 引系统进行了设计与仿真。然而在舰机适配性研 究中， 同时还需关注与舰载机起降限制因素相关 的研究， 通过分析限制因素对舰载机起降的影响， 可以指导航母航行过程中选取有利于舰载机起降 的航速和航向， 并为航母设计过程中的耐波性优 甲板运动限制准则， 其中不同海况下的作业难度 起降作业［10］。本文将从航母运动角度出发， 分析 单一限制因素在不同有义波高下对舰载机起降作 业的限制区域， 提出不同浪向下的主要限制参数， 为航母开展基于舰载机起降作业的耐波性优化提 出明确的目标。 化指明方向。美国经过多年的积累， 提出了 CV/CVN 不同， 对于极限衡准需通过很大的努力才能完成
母船型设计 （图 1） 。以此船型为对象进行全航速 分工况下的模型试验验证。其中海浪谱采用
根据美国 “尼米兹” 级航母的图片资料进行航
式中：M jk 为质量矩阵；A jk 为附加质量矩阵；B jk
j=1， 2， …， 6
（1）
S ( H1 3 T 01 ω ) =
173H123
4 01 5
ξ k 为运 C jk 为恢复力系数矩阵； 为阻尼系数矩阵； F j 为波浪扰动力。 动位移；
θ 为纵摇角， ϕ 为横摇角。
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 Experiment STF
λ/L Z /ζ a
30
中
国
舰
船
研
究
第 11 卷
运动准则包括无约束使用值和航空使用限制值， 本文分析高海况下的舰载机起降能力， 因此采用 其中的航空使用限制值作为准则， 具体如表 1 所 均周期。
数， 可由式 （8） 和式 （9） 求出船体六自由度运动在
S j (ω) = S ( H1/3 T 01 ω) × | f j (ω) |
¥
2
（8） （9）
m 0j = S j (ω)dω
0
式 中 ：H1/3 为 有 义 波 高 ； T 01 为 特 征 周 期 ；ω 为 波 浪圆频率。 运动方差确定后， 假定运动谱为狭谱， 船体的 第 j 模式运动的单幅有义值