舰载固定翼飞机滑跳式起飞分析

舰载固定翼飞机滑跳式起飞分析 \S一 第12卷第4期飞行试验1996年l2月 舰载固定翼飞机滑跳式起飞分析一一Y ;d,/qz 海轨磊-2教?.-l刀,// A摘要滑跳式起飞是舰载固定翼飞机实现无弹射短距起飞的有效方法.本文对固定翼飞机 在上翘式跑道上进行的滑跳式起飞过程进行分折.搓出匕翘盘蹦道的匾理强短臣担对柳 性能的要求. 关键词滑醍式起飞上翘式跑道离地速度滑跑距离 1前言 舰载固定翼飞机一般需要有弹射装置才能在航空母舰(下简称航母)上起飞.近十多 年来,英,美等国开始研究高性能飞机依靠自身动力从航母上起飞的问.英国首先提出轻 型航母的设计新概念,这种航母没有飞机起飞用的弹射装置,其飞行甲板前端向上翘,这样 的飞行跑道称为上翘跑道.利用上翘甲板提高飞机起飞时的迎角.从 而增大飞机的升力,同 时,使飞机获得一个向上的动量,增加飞机离开甲板后加速所需的滞空时间.飞机在上翘甲 板上的这种起飞方式,称为请跳式起飞].英国的”鹞式飞机,美国的F-14和F-18战斗机 都在上翘甲板上成功地实澎了短距起飞埘. 本文对固定翼飞机的滑跳式起飞过程进行分析.提出上翘式跑道的设计原理及短距起飞 对飞机性能的要求. 2离地速度与滑跑距离 为方便起见.假定机翼安装角为零. 当飞机沿水平跑道滑跑起飞,飞机在离地瞬间的纵向受力图如图1所示. 图中,.ON.Y.zt为机体坐标系.OX.Y,Z.为 速度坐标系.在OX.y_Z.系中,切向力方程和 法向力方程分别为 os口一X=Idv(1) U’ Tsin~+Y—mg=0(2) 式中.,x,y分别为作用在飞机上的推力,阻 力和升力,为迎角,m为飞机质量,为速度. x和y的表达式分别为 \’lrs t ‘Y3 一 — I X:QC. 固1飞机在起飞离地瞬间的纵向受力图 平跑道 (3) 16飞行试验1996年l2月 y=v:QC,(4) 式中?Q=音}(P为空气密度,为机翼面积),cJ,c,分别为阻力系散和升力 系敛.这样. 切向力方程和法向力方法可写为 Tcos口一一m窑(5) Tsina+OC,v’一mg=0(6) 由式(6)可知,飞机在离地瞬间的速度为 = 厣(7) 这一速度称为离地速度,用表示. 精跑距离是指从飞机开始蒲跑处至离地点之问的距离.用如表示.假 定飞机以固定迎角 a猾跑(因飞机蒲跑过程中a一般不大.这样假设对蒲跑距离的计算影 响不大).则飞机的运 动方程为式(5).由方程可知 出T—c—o s — a 一 OC~d口 由于口=ds/dt 式(8)变为ds=d 对上式积分后得=一焘1n(1一丽QCa,) 由上式可知.越小,T越大,m越小.则所需的滑跑距离越短. 3上翘跑道对离地速度的影响 图2为上翘式跑道从飞机开始滑跑处至跑 道末端的侧视图及飞机离开跑道后的纵向受力 图.水平段和上翘段的长度分别为吕和S..上 翘段和水平段延长线的夹角为.称为上翘段 顿角. 图中,0五为地面坐标系(取Oza轴 与0zl轴重台).y为航迹倾斜角,0为俯仰角. 飞机蒲跳式起飞过程如下:飞自L从A点开 始滑跑,至c点离开跑道.飞机离开跑道后,如 x,y,丁措0轴正向的台力小于mgt即 . . L一 (8) (9) (1O) (11) C 圈2飞机在滑雕式起飞时的受力情况 Tsin@+Ycos7一Xsin7<mg(12) 剐y将会藏小(固有沿OYd轴负向的加速度分量);若0保持不变(即 口=).则a会逐渐增 大.随着速度口和a的增大,y也增大.当然.x也变大)当 丁n口+}’cosy—Xsin~’>mg(13) 第12卷第4期唐大全.艇载固定翼飞机滑跳式起飞分析l7 飞机便能起飞.当 TsinO+Ycos7一Xsln7一mg(14) 此时飞机的速度称为滑跳式起飞的离地速度,仍用表示,即 TsinO’+QCv,2cos;~一QC~b[snY>mg(15) 也就是 L=~/QCmg--TsinOQC, (16) cos7--QC.s—in—Y(16)L—— 下面着重分析?mg的情况. 假定飞机滑跑时n一0.,则飞机在起飞离地前的最大迎角为(此时一0).当速度一定 时.若a<nb(临界迎角),则y与n近似成正比;因此,一般取<.n=时的,称为 飞机在倾角为的上翘式跑道上起飞时的最小离地速度,用表示.若飞机在离开跑道时? 口?VLr=~,则在a?时飞机就能起飞;若a=时,v<vt~.则飞机不能起飞. 显然.对应的.一与飞机以迎角在水平跑道上将跑起飞时的离地速度相等.由式 (7)得 ‰一v -~ Q Tsln—fl (17) 因口<m.有 一(一ao)(18) 式中,C为迎角升力导数.口.为零升迎角.at一般不大.因此slnp~p.这 样,式(17)变为 式中. 为 = 压.雁 一 磊为飞机推重比.为便于分析,假定一..并令A=/考莲.这样,式(19)变 口I—An 0一(2O) 由上式可见,在口一定时.越大,-越小 一 定时,p越大,口-,越小.即增大和 都能减小. 令 ,(一 /古一(21) 则 ,o.J_——々1}—_爿 一( 口一Aof(f1.)(22)图3不同值时的,(卢,)曲线 显然,口,对,(.)的影响与对玑的影响完全相同.图3为不同值时的f(,) 曲 线. 由图可见.对,(,)的影响不大;,(,)的数值主要受的影响. 飞行试验1996年l2月 4滑跳式起飞的滑跑距离 飞机在水平段St滑跑时的运动方程,与飞机以0.迎角在水平跑道上 滑跑时的运动方程完 全相同.夸=QG,由式(5)得 丁一c.一(23) 若飞机到达B点时速度为..由式(11)得 s.—-ln(1一了CQ})(24) (25) 丁一c口一mgsin一dv .(26) 如夸=T--mgsinfl,则有. — co口=m(27) 该式与式(23)在形式上完全相同.参照式(1?,有 d南d(28) 若飞机在上翘段滑跑时速度由.变到,则对式(28)积分可得 璃n? 显然,在上翘段滑跑时,飞机的加速度小于在水平段滑跑时的加速度(因T一<丁).为 了使飞机在离开跑道末端时达到较大速度,在跑道总长度一定的情况下应尽量减小上翘段长 度,一般可取一个机身的长度.为使飞机能安全起飞.取=.这样 =一 ln(1一-y-n)(30) 5上翘式跑道的设计原理及垭距起飞对飞机性能的要求 在设计上翘式跑道时,先要确定水平段的长度,上翘段长度s及其倾角卢.S根据 起飞所需的滑跑距离来确定,而滑跑距离取决于t及飞机的性能,.,叉决定于卢及飞机性 能. 若上翘式跑道上仅起降一种型号的飞机,则首先要确定.F根据式(17)计算出?一, 再根据式(30)求出飞机水平滑跑距离,s应大于计算出的水平滑跑距离,而s:则根据机身 长度适当选取. 若上翘式跑道上需起降多种型号的飞机,在确定卢后,先根据式(17),(30)计算出各 型飞机起飞所需的滑跑距离,再由最长的滑跑距离确定st. N ? 第12卷葺;4期唐大全.舰载固定翼飞机滑跳式起飞分析l9 由式(3O),(2O)可知.当一定时,为了缩短滑跑距离,应增大卢.考虑到临界迎角au 的限制,一般在lO,n.的范围内确定. 简单地说.上翘式跑道的设计步骤为:a.确定上翘段跑道倾角卢;b.根据式(17)及飞 机性能参数计算lnjc.由式(30)计算S,;d.根据机身长度适当选取:. 至于跑道宽度的设计方法.则与传统方式起飞跑道相同. 由式(20)可看出,在和飞机构形确定的情况下.越大.则一越小.而由式(3? 可看到..确定后.r越大,m越小.则滑跑距离越短.因此,为了实现短距起飞.应很 大.大推重比是短距起飞飞机的一大待点.一般应大干0.7.美国F-14战斗机的值为0.7, F—I8战斗机的值高达0.96.而前苏联”第比里斯”级航母上的几种飞机.值均在0.8以上. 6实例与分析 某固定翼飞机的性能参数为:S=26.12m.T=5000kg,m=8150kg.该型飞 机在 水平跑道上起飞时.口=ll.,83.6ra/s.5?一713m. 若采用一16.的上翘式跑道进行滑跳式起飞,则起飞时最大迎角为l6..当一0.时,c| 一o.055;口一16时.(—0.89.c一0.3.由式(17)算出,口1=68.3m/s{由式(30)算 出,S一406m.仅为在水平跑道上起飞滑跑距离的56.9. 着丁增大至7000kg(此时一0.86),则f.一65.4m/s,St=261m.可见,增大 时降低一作用井不很大,但能有效缩短起飞滑跑距离. 如果限定,为250m,现在来计算需要多大推力才能使飞机起飞. 由式(17),(3O)可得 ,, T一g/[(1一C-—)+sin朋(31) 注意.式中c为n一0时的阻力系数.为n—J9时的升力系数.将卢一16..S一250m及其 它参数代八上式.求得T=7249kg.此时的值高达0.89. 大型航母飞行甲板的长度一般在300m以上;中型航母为250~300m.从以上分析可 见,大推重比的固定翼飞机,可以利用本身动力在其有上翘甲板的中大型航母上实现无弹射 起飞. ‘ 7结论 上翘式跑道能有效降低晟小离地速度…缩短起飞滑跑距离.在小于临界迎角范围内, 跑道上翘段倾角卢越大.一越小;当J9一定时,飞机的推重比越大.?越小,起飞滑跑距 离越短.大推重比是固定翼飞机在上翘式跑道上实现短距起飞的关键.大推重比的固定翼飞 机.完全可以利用本身动力在航母的上翘式甲板上实现无弹射起飞. 参考文献 1于瀛.航空母舰的现状和未来.船舶情报研究.第一集.1988:1--19 2孙诗南飞机短距起降技术在航母上应用的探讨.舰船科学技术.1993.(5).24,30 3张明廉飞行控制系统北京航空工业出版社,1994