航母弹射器建模与分析.docx
《航母弹射器建模与分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航母弹射器建模与分析.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
航母弹射器建模与分析
NortheasternUniversity
航母弹射器建模与分析
专业：
导航制导与控制
学号：
1
姓名：
2015年11月22日
1舰载机弹射器的应用及控制
1.1舰载机弹射器的构造
弹射器（Aircraftcatapult）是航空母舰上推动舰载机增大起飞速度、缩短滑跑距离的装置，全称舰载机起飞弹射器。
结构上有落重式，飞轮式，火箭助推式，液压式和气压式多种。
弹射器一般由
动力系统、往复车、导向滑轨等构成。
弹射起飞时，驾驶员操纵飞机松开刹车，加大功率，并在弹射器动力系统的强力作用下，使往复车拉着挂在飞机上的拖索，沿导向滑轨做加速运动，经过50〜95米的
滑跑距离，达到升空速度起飞。
当飞机升离甲板时，拖索与往复车和飞机脱钩，落在飞行甲板前端的回收角网兜内。
然后由复位系统将往
复车拖归原位，准备再次弹射。
现代弹射器中已经取消拖索，往复车通过牵引杆，与舰载机前起落架直接相连。
主要构件包括三部分：
（1）弹射器做动系统：
开口活塞筒体、活塞环、引出牵引部分、U型密封条、导气管、模度气动阀门、排气阀、安全阀、测距仪、压力传感器。
（2）弹射器附属系统：
海水淡化设备、贮水池、高压水泵、锅炉、加热装置。
（3）弹射器控制系统和导流板。
1.2舰载机弹射器的控制
弹射起飞是目前航母舰载机广泛采用的一种起飞方式，也是舰载
机飞行过程的重要阶段。
弹射起飞过程分为舰面滑跑和离舰上升两个阶段（如图一所示）。
在舰面滑跑阶段，舰载机不仅受到弹射器弹射能力约束而且受地面效应、飞机构型（如起落架）、舰面运动等
带来的影响。
由于航母的飞行甲板长度较陆基飞机的机场跑道短得多，即使借助弹射器牵引力作用，其离舰速度仍比同一量级的陆基飞机离地速度要小。
由于离舰速度和离舰迎角较小，以及离舰瞬间地效突然消失，舰载机离舰上升的过舰首航迹会经历一段下沉过程。
为避
免离舰上升时机体的过度抖动，以及纵、横向稳定性或操纵性的丧失，应限制迎角超过最大容许迎角。
舰载机离舰后的航迹下沉量不应超过容许的最大下沉量，下沉之后的爬升率应达到一定的量值。
为实现舰载机弹射起飞离舰上升阶段的自动控制飞行，首先应建立足够精确的动力学模型，通过计算得到舰载机的离舰速度、离舰迎角和预置舵偏角；在此基础上设计上升阶段的飞行控制律；最后通过非线性仿真来验证其控制律，实现舰载机离舰上升阶段的自动控制飞行。
F-/諏
水繃
j:
厂厂1n
\
\
郦气机
图一航母弹射及起飞过程
2舰载机弹射器的模型建立
2.1舰载机动力学模型
根据舰载机在弹射起飞过程中的不同受力以及运动状态，将舰载
机弹射过程分为两个阶段：
舰面滑跑阶段和离舰后的上升阶段。
2.1.1舰面滑跑阶段
舰面滑跑阶段由弹射器拖拽滑跑阶段、自由滑跑阶段组成。
弹射
器拖拽滑跑阶段，舰载机在发动机推力和弹射器牵引力的共同作用下向前加速滑跑，此阶段受力分析如图二所示（以我国歼-15为例）。
图二舰载机拖拽滑跑阶段受力分析
在速度坐标系和机体坐标系中建立其纵向运动方程如下:
（1）
m書,=F/:
os（竹+Q+Fccos^r-D-mgsiny-FfmV学£='F^in（a+a）+片&口日广L+mgcosy-FNl~Fm
山臂包+吩忆严厂MZP-Mzfdt
4^^Vsin7
dt
=Vcos7
dt
y=0-a
式中：
Ft为发动机推力；Ff为飞机机轮摩擦力；Fc为弹射器牵引力；舌为弹射角；Fni为前起落架支反力；Fn2为主起落架支反力；Mzt为弹射力对飞机质心的力矩；Mzp为发动机推力对飞机质心的力矩；Mzf为摩擦力对飞机质心的力矩；Fzn1为前起落架支反力对飞机质心的力矩；Fzn2为后起落架支反力对飞机质心的力矩。
弹射器到达弹射冲程末端后，拖拽组件分离，舰载机在发动机推力作用下进入自由滑跑。
此阶段受力分析如图三所示。
Fn22L
图三舰载机自由滑跑阶段受力分析
此阶段的运动方程为：
dt
2.1.2舰载机离舰上升阶段
—FjCos（c^+a）-D-mgsiny-Ff
=-邛in（（r+d）-L+mgcosy-FnCFm
2
lyA^=Mz+M^Mz^Mzp-Mzfdt
舰载机离舰后，起落架支反力消失，舰面摩擦力消失，弹射器牵引力
消失，离舰上升阶段的纵向动力学方程为：
m=F1cos（a+a^-D-mgcosy
二-F7sin（a+o?
-L+mgsiny
2
h雲-Mz+Mzp
dt
（3）
D=^-pV2SC[）
L=1-PV^SCL
=Vcosydt
=Vsiny
a-6-y
2.2弹射器数学模型
由于整个弹射过程很短，可视为绝热过程，根据工程热力学理论有:
pvY=定值
所以：
（5）
p^=Pvy
（Q
其中：
Po为汽缸初始压强；V。
为汽缸初始容积；p为汽缸末状态压强；V为汽缸末状态容积；丫为等熵指数。
v=v（^-7rrs
其中：
r为汽缸半径；s为活塞位移（即舰载机位移），联立（5）~（7）式有：
P=P（>II⑦
v^jrrsI
到如下方程
式中：
Fc为舰载机对活塞的反作用力；Fc为蒸汽推力且Fc=2-：
r2（设弹射器有2个汽缸）。
将式（7）代入式（8）得到弹射器汽缸活塞的运动方程为：
m^-=27rrpo"2-I・F&osO」◎
dt%+tits■
2.3航空母舰运动的数学模型
由风浪引起的舰面纵摇运动的确定性数学模型可由以下正弦级数描述：
仇=久0sinCa）st+卩）（1（D
式中：
忑为纵摇角；-s为纵摇频率；S为纵摇初相位。
对于一艘中型航母，纵摇幅值一般不超过4°,纵摇周期最小值
约为4s，这样，舰面纵摇的运动方程可以表述为：
（ID
伏=4sin［警
2.4起落架数学模型
起落架对机体的作用力通过起落架部分的动力学模型得到。
起落架所受力由空气弹力（匕）、液压阻尼力（Fh）和摩擦力（Ff）三部分所组成：
E=E+耳+Ff
其中，空气弹力的大小与活塞杆的行程有关，液压阻尼力的大小可由
下式计算—12久他*
"2化（A^+A）
式中：
Cd表示油液缩流系数；5表示油液密度；Ah0表示活塞杆内部净截面积（压油面积）；S表示缓冲支柱的压缩速度，支架向下运动为正；Ado表示油孔横截面积；Ad表示油孔横截面积变化量。
3上升段控制律设计
为满足舰载机起飞时对过舰首下沉量的要求（下沉量不得大于
3m），需要在起飞前预置升降舵偏角，并在此基础上对舰载机离舰
上升段控制律进行设计。
控制律设计过程中应保证迎角不能超过最
大允许迎角，迎角的最大限制值为对应于0.9CLmax时的迎角值。
因此利用俯仰角偏差信号控制升降舵偏角，使俯仰角快速趋于指令角度，在限制最大容许迎角的条件下对舰载机离舰上升阶段的控制律设计如下：
&H^co+Kcgq+Kcg（.0-0）+/KcJq（0-6）dt
式中：
计为预置升降舵偏角；Keq为角速率反馈增益；K*为俯仰角偏差比例控制增益；Ke；为俯仰角偏差项积分控制增益。
4建模分析
根据所建的航母弹射器模型与结合航母航行模型，即可确定出舰载机弹射与起飞的控制模型。
应用相应的控制方法，如经典PID、神经元网络、模糊控制、自适应鲁邦控制等，使系统达到稳定与最优，计算出相应的传递函数，仿真舰载机的加速度与速度变化过程。
目录
第一章项目总论错误！
未定义书签
§1.1项目简介错误！
未定义书签
§1.2可行性研究的范围错误！
未定义书签
§1.3编制依据错误！
未定义书签
§2.2国家产业政策错误！
未定义书签
§2.3项目建设的必要性错误！
未定义书签
第三章项目优势错误！
未定义书签
§3.1市场优势错误！
未定义书签
§3.2技术优势错误！
未定义书签
§3.3组织优势错误！
未定义书签
§3.4政策优势：
关中一天水经济区发展规划错误！
未定义书签
§3.5区域投资环境优势错误！
未定义书签
第四章产品介绍与技术介绍错误！
未定义书签
§4.1橡胶密圭寸件产品介绍错误！
未定义书签
§4.2产品标准错误！
未定义书签
§4.3产品特征及材质错误！
未定义书签
§4.4产品方案错误！
未定义书签
§4.5产品技术来源错误！
未定义书签
第五章项目产品发展预测错误！
未定义书签
§5.1产品行业关联环境分析错误！
未定义书签
§5.2行业竞争格局与竞争行为错误！
未定义书签
§5.5竞争结构分析及预测错误！
未定义书签
第六章项目产品规划错误！
未定义书签
§6.1项目产品产能规划方案错误！
未定义书签
§6.2产品工艺规划方案错误！
未定义书签
§6.3项目产品营销规划方案错误！
未定义书签
第七章项目建设规划错误！
未定义书签
§7.1项目建设总规错误！
未定义书签
§7.2项目项目建设环境保护方案错误！
未定义书签
§7.3项目建设节能方案错误！
未定义书签
§7.4项目建设消防方案错误！
未定义书签
§7.5项目建设生产劳动安全方案错误！
未定义书签
第八章项目组织实施情况错误！
未定义书签
§8.1项目组织错误！
未定义书签
§8.2项目劳动定员和人员培训错误！
未定义书签
§8.3项目管理与实施进度安排错误！
未定义书签
§8.4工程招标错误！
未定义书签
第九章项目财务评价分析错误！
未定义书签
§9.3项目总成本费用估算错误！
未定义书签
§9.4销售收入、销售税金及附加和增值税估算错误！
未定义书签
§9.5利润分配估算错误！
未定义书签
§9.6借款偿还计划错误！
未定义书签
§9.7现金流估算错误！
未定义书签
§9.8不确定性分析错误！
未定义书签
§9.9风险分析错误！
未定义书签
第十章项目经济、社会效益评价错误！
未定义书签
§10.1经济效益评价错误！
未定义书签
§10.2社会效益评价错误！
未定义书签
第十一章可行性研究结论与建议错误！
未定义书签
§11.1研究结论错误！
未定义书签
§11.2建议错误！
未定义书签
升级会员 