航母尾流模拟及舰载机着舰控制的初步研究

摘要

舰载机起降技术是现代航空母舰/舰载机系统的关键技术,它涉及到飞行力学、空气动力学、船舶动力学、导航与控制等多门学科。航母诱导尾流会对舰载机正常着舰产生不利影响,因此,提高飞机在尾流干扰下的着舰能力具有重要意义。
　　首先,采用计算流体力学方法对飞机下滑航线上气流速度分布进行模拟,重点讨论了甲板风和航母运动状态对尾流的影响。计算结果表明:甲板风强度越大,飞机受到的尾流干扰越大,但尾流的影响范围基本不受甲板风强度的影响;随着甲板风风向的改变,尾流的影响范围变化明显,尾流的影响范围主要受风向角的影响;航母的纵摇、垂荡运动使得尾流变化具有周期性,越接近舰尾气流的周期性表现越强烈。
　　其次,建立了舰载机在尾流干扰下的着舰动力学模型,并将CFD计算结果通过插值查表的方式输入到尾流扰动项中进行联合仿真,通过仿真得到了舰载机在距着舰点最后800米下滑过程中飞行参数变化规律。计算结果表明:舰载机在着舰过程中依次遭遇到顺风、上洗气流和顺风、下洗气流的干扰,在顺风、上洗气流区,飞机航迹会出现上漂现象,在顺风、下洗气流区,飞机因升力减小而急剧下沉,最终导致飞机实际着舰点偏离理想着舰点。
　　最后,为了解决尾流干扰下舰载机着舰困难的问题,采用了非线性动态逆和PID算法对舰载机自动着舰控制器进行了设计。在控制器设计前,按时标分离原则将整个系统分成快慢不同的3个回路,然后针对不同回路从内到外分别进行控制率设计。仿真结果表明,本文所设计的控制率解耦能力、航迹跟踪能力能够满足要求,且对尾流扰动具有一定的抑制能力,增强控制系统的鲁棒性仍是下一步工作的重点。

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1 绪论

1.1 课题背景介绍

1.2 研究目的及意义

1.3 航母尾流研究现状

1.4 舰载机着舰控制系统研究现状

1.5 本学位论文研究内容

2 航母尾流数值模拟

2.1 引言

2.2 CFD相关理论基础

2.3 甲板风对尾流影响

2.4 航母运动对尾流的影响

2.5 本章小结

3 尾流对飞机着舰性能的影响

3.1 引言

3.2 舰载机着舰过程

3.3 舵机及发动机数学模型

3.4 尾流干扰下飞机运动方程

3.5 算例分析

3.6 本章小结

4 舰载机进场下滑阶段控制率设计

4.1 引言

4.2 飞机运动模型及开环特性

4.3 非线性逆理论

4.4 非线性动态逆控制器设计

4.5 控制系统鲁棒性分析

4.6 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 舰载机气动及几何参数

附录2 尾流对飞机着舰性能影响仿真模块

附录3 着舰控制系统模块