载机拦阻着舰动力学特性及安全控制方法研究

发布时间：2020-10-28 15:06

　　 舰载机拦阻着舰具有多参数、高耦合、精度要求高等特征,其完成的优劣直接影响航母战斗群的整体作战效能。现有的着舰动力学研究方法,因忽略多种非线性扰动因素及多体耦合特性,造成最终搭建的数学模型与实际物理过程之间存在偏差;而针对舰载机着舰安全的研究,则因强振荡气动特性的缺失及控制理论性能的制约,导致按照线性控制理论所得的输出信号难以达到理想的控制效果;同时,由于缺乏对着舰安全飞行状态空间的研究,导致驾驶员难以依据着舰参数直观判定当前状态是否安全。基于以上原因,现阶段的拦阻着舰研究很难进一步提高仿真精度和着舰安全性。针对舰载机拦阻着舰研究中存在的主要问题,本文对全量非线性着舰动力学建模方法、线性及非线性控制方法、着舰参数适配算法、着舰安全集求解及飞行安全边界控制方法等关键技术进行了以下研究:(1)考虑多种非线性扰动因素对拦阻钩反弹特性及拦阻力输出特性的影响,改进了拦阻钩模块及拦阻装置模块的数学模型,并依据拦阻着舰动力学特性,系统地研究了舰载机、航母、起落架与拦阻装置等模块之间耦合特性。随后,结合舰船运动模型及舰尾流模型,提出了一套全量非线性着舰动力学模型的搭建方法。最后,针对不同的着舰参数及外部环境,系统地进行舰载机着舰动态响应的定性分析。仿真结果表明,改进后的全量非线性着舰动力学系统可更好地模拟出各模块作用力(力矩)和空间方位之间的耦合关系,更为全面、精确地体现出不同工况下舰载机的着舰动力学特性。(2)将高阶非线性系统转换成为常系数线性微分方程组,分析了舰载机固有模态特性,并进行常规线性自动着舰控制方法的研究。考虑到载机着舰对控制系统鲁棒性及控制精度的要求,以能量反馈理论为基础,结合自动增稳系统及自动油门补偿系统构造出对受控模型精度要求低且具有较强鲁棒性的自动飞行控制系统。随后,利用改进后的总能量控制理论进行引导控制系统搭建,提出一套基于能量反馈理论/总能量控制理论的自动着舰控制方法,并使用粒子群算法完成着舰参数整定。仿真结果表明,本文设计的自动着舰控制系统在具有较强鲁棒性的基础上,能够完成舰载机进舰速度与高度之间的解耦控制,可以更为理想地抑制不同因素对舰载机姿态及下滑航迹带来的干扰,有效提高舰载机着舰精度。(3)考虑系统的不确定性,以舰载机非线性动力学模型的仿射形式为研究对象,使用线性二次性能指标最优控制算法求解初始控制解析式,结合Galerkin逐步逼近算法进行HJB偏微分方程的迭代求解,并最终计算出非线性着舰最优控制律。以此为基础,完成非线性最优着舰控制系统的搭建,并对比分析不同阶数的基函数完备集对系统控制精度的影响。然后在非线性最优控制系统的基础上引入扰动输入量,通过截取改进后Galerkin算法的有限次迭代结果,得到了非线性鲁棒H?控制系统的次优控制律。仿真结果表明,基于L2增益的非线性次优控制系统具有更为优良的鲁棒性,能够在保证系统稳定的前提下有效降低舰尾流等扰动因素对系统输出的影响。(4)考虑进近舰阶段与拦阻滑跑阶段多项着舰安全准则的约束,通过推导动力学方程得到各准则下的着舰参数适配解析式,并求解出相应的着舰参数适配曲线。随后,以各条曲线限定的适配区域为依据,分析各安全准则对于参数适配研究的必要性,筛选合适的条款提出一套舰载机进舰速度和着舰质量适配关系的分析方法。最终,求解出满足所有着舰安全准则约束的载机着舰状态空间,并选取典型的着舰工况验证所求空间的有效性,分析不同着舰参数对于着舰关键参数适配区域的影响。仿真结果表明,本文提出的分析方法可以有效、快速、直观地进行不同着舰工况中进舰速度与着舰质量之间适配区域的求解。(5)考虑着舰安全准则与载机动力学特性的约束,进行舰载机着舰安全控制包线的研究。通过对不变集与可达域的相关理论进行扩展,引申出了舰载机着舰安全集(最大可控不变集)的概念。以载机本体气动特性及控制效能为基础,结合水平集理论及舰载机着舰参数适配范围求解出满足仿射非线性系统所有约束的最大可控飞行状态空间,并分析了不同着舰工况对于安全集范围的影响。随后,利用最优控制理论及水平集边界理论构建出全状态安全边界保护控制系统,用以确保整个着舰过程所有参数都位于飞行安全集范围内。在此过程中,引入控制舵面的偏转角速度作为状态输入量来模拟舵机真实时滞特性。仿真结果表明,着舰安全集能够有效反映各种约束对载机飞行状态的影响,并且改进后的安全边界保护系统可以有效消除舵机的非连续性振颤现象,减缓舰载机各关键状态在受控过程中的变化幅度,提高系统的工程应用价值。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：E926.392
【部分图文】：

第一章 绪论1.1 研究背景我国拥有长达 18000 公里的海岸线，占国土面积五分之一的大陆架，6500多个岛屿以及 300 万平方千米的海洋经济区。由于复杂的周边海洋安全环境导致我国海洋利益不断受到侵害，因此迫切的需要我国拥有强大的海军力量用以保卫领土、领海及巨大的海洋资源。作为海基航空力量的有效补充，航母及其搭载的舰载机的出现可满足日趋多样化的任务需求，大大增强海军的作战能力。自 1918 年英国将一艘巡洋舰改装成为世界上第一艘航母后，其便成为海战夺取制空权的主要辅助平台。由此开始，海战便由传统平面对抗进化为立体作战，开创了真正意义上的全维海战。在历经了将近百年的发展后，航母已成为各海军强国的战略核心。除了常规自卫武器外，航母的主要战力来自于其搭载的各种型号的舰载飞机以满足多样化的任务需要，其作战效能的优劣是衡量航母作战能力的一个重要指标[1]。

西北工业大学博士学位论文的低可见度环境下的着舰事故率为同等环境下路基飞机着舰的 4 倍[6]。而舰载机进场末端所产生的事故中，40%都是由于动力学问题导致的[7]。总体而言，载机进近舰过程分为平桨进舰方式和喷气式进舰方式[8]。平桨式进舰起源于美海军“兰利”号航母，主要用于早期螺旋桨式舰载机在直线甲板上的载机回收，其完成的好坏直接依赖于着舰信号官的指挥水平，难以满足现代载机的着舰安全需求。因此自 1948 年以来，喷气式进舰方式变逐步成为了舰载机着舰的主要回收方式，相关着舰程序如下图所示：

会对载机起落架、拦阻钩等机构造成较大的冲击。相关研究表明，外界环境扰动对于载机着舰成功率的影响更为严重。由于尾流及舰船运动具有非定常、非线性、高随机性的特点，因此难以对其进行全寸模拟[32]。目前，确定舰尾流及舰船运动特性的方法主要有：计算流体力学法[33-36]、风洞船模试验[37-39]以及工程化的方法[40-42]。但是前两种方法分别具有算代价大及实际测量难度高的缺点，现阶段主要采用工程法对相关因素进行数建模，取得了良好的仿真效果。通过载机航迹角、下沉率以及其他着舰参数的态响应可以体现出其对载机着舰的影响[43-45]。1.2.2 线性自动着舰控制系统自主着舰系统(ACLS)旨在抑制由于大气扰动、甲板运动、低能见度及驾员飞行疲劳所诱发的不利因素，其是集高自动化、高可靠性、高精度于一身的舰辅助系统。如图 1-3 所示，通常情况下自主着舰系统是由舰载设备和机载设两部分组成，舰载设备包括舰载雷达、数据链编码发射器、显示台、甲板运动感器、高速计算机、数据链监控器等部件组成；机载设备包括数据链译码接收机飞控耦合器、机载雷达以及自动飞控系统构成[46]。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;新型拦阻装置控制系统面世[J];航空科学技术;2006年06期

2 柳刚;聂宏;任志勇;贾锦;任国贤;;舰载型拦阻装置拦阻性能分析[J];中国机械工程;2014年09期

3 刘正义;;可柔性截停失控车辆的装置研究[J];福建工程学院学报;2013年03期

4 ;读者胡凯设计的澜沧江-湄公河内河执法船[J];现代舰船;2012年02期

5 邓瑛;闫晓军;张辉;;飞机拦停网强度及拦停系统性能评估的数值方法[J];北京航空航天大学学报;2011年02期

6 王海东;毕玉泉;杨炳恒;黄葵;;MK7-3型拦阻装置滑轮运动特性分析[J];舰船科学技术;2011年02期

7 王海东;杨炳恒;毕玉泉;黄葵;;MK7-3型拦阻装置缓冲系统动力学分析[J];舰船科学技术;2011年03期

8 林蓉薇;;关于“捕鲸叉”导弹在飞机弹射、着陆、挂飞和火炮射击时结构响应的分析[J];外国海军导弹动态;1984年S2期

9 杨茂胜;毕玉泉;陈跃良;杨炳恒;姜文豪;;简析阻拦索装置定长冲跑控制阀[J];海军航空工程学院学报;2012年02期

10 ;[J];;年期

相关博士学位论文 前2条

1 柳子栋;载机拦阻着舰动力学特性及安全控制方法研究[D];西北工业大学;2016年

2 万晨;舰载机拦阻装置刚柔耦合系统建模及动态特性研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 柳刚;飞机着陆拦阻装置的设计方法研究[D];南京航空航天大学;2006年

本文编号：2860252