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【学士论文】舰载飞机模型研究-2绪论
时间: 2018-12-06 21:41 浏览次数:
舰载飞机模型研究及其着舰环境仿真。该文章为哈工大学士学位论文,在此感谢YCY同学,祝YCY将来工作能一帆风顺,成为机械业内知名设计师----马达生产设备价格怎么样?
舰载飞机模型研究及其着舰环境仿真-2绪论

舰载飞机

 

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1.1 课题背景

航母是以舰载机为主要武器的海上大型军舰,世界上第一艘航母在1918年5月诞生,是将英国海军的巡洋舰改装组成的[1]。同年九月正式并入英国皇家“百眼巨人”。这艘航空母舰的排水量为14459吨,可载20架舰载飞机。它的诞生标志着一个革命性的变化,从制海与制空的结合。早期的航空母舰不是海军的主要军事力量,大多数国家的海军都以“巨舰大炮制胜”的为战略理念,以大吨位战舰的制造为海军发展的主要方向,只使用航空母舰/舰载飞机作为附庸力量。第一次世界大战结束后,由海军大国于1922年签署的《华盛顿海军条约》严格控制了战列舰的建造,但该条约允许合同各方将航空母舰从部分停运的战舰上转换。例如:美国列克星顿级航空母舰,日本的赤城号级航空母舰和加货号航空母舰。航空母舰发展的特点是为航空母舰装备重炮。然而,当时各国海军中的许多旧观念认为重炮战舰是海战的主力军,航空母舰只是舰队的一个附属部队,主要任务是侦察,“皇家方舟”航空母舰建于20世纪30年代,有一个完全封闭的机库、一个完整的岛屿上层建筑、一个强大的飞行甲板和一个液压弹射器。《华盛顿海军条约》于1936年到期,海军发动新一轮军备竞赛,美国约克城级航空母舰、约克城级航空母舰都是这段时期的杰作[2]
第一艘在二战中被广泛使用的航母是一个漂浮的小型航空站,它携带战斗机和轰炸机离开陆地,对敌人的目标进行攻击。这允许航空母舰从空中攻击陆地和海洋目标,特别是那些超出正常范围的目标。从航空母舰上起飞的飞机的作战半径不断改变海战理论,敌对舰队现在必须彼此相距一段距离而不看另一艘船。第二次世界大战爆发后,1941年12月7日,日本海军利用航母控制的舰队在太半洋袭击珍珠港,对美国海军造成严重损害。随后,航母被用于诸如中途岛战役和太半洋珊瑚海的战役中,它向世界展示了航空母舰的威力。从那时起,战舰成为海军舰队的主力军[3]
1914年十一月,美国飞行员E.B. 伊利首次从“伯明翰航母”号巡航线起飞,成为作战力量的源泉和生存的前提。第一次世界大战期间,舰载机主要用于海上侦察、反潜和巡逻。在第二次世界大战中,舰载机的战术和技术性能有了很大的提高,在塔兰托、珍珠港、珊瑚海、中途岛等海战中取到了关键作用,舰载机的使用也改变了传统的海战方式。在1982个马尔维纳斯群岛(福克兰群岛)战役中,英国海军首次为“海鹞”舰载机垂直/短距离着陆飞机和舰载直升机投入战斗[4]


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在第二次世界大战中,喷气发动机技术已经成熟了,活塞螺旋桨飞机的发展更是达到了最高峰。第二次世界大战后,陆基喷气式飞机开始大量生产并投入使用。美国飞机公司的FJ 1“复仇女神”是历史上最早的喷气式战斗机战斗机,它在1948年3月进行了首次试飞,这是美国首架实用喷气式战斗机。GRUMMAN飞机公司研制的F9F豹战斗机于次年5月开始大量投入服役,也意味着喷气式战斗机时代开始了。进入20世纪50年代中期后,一批高性能的掠翼喷气式飞机开始服役,主要是美国的“空中鹰”A-4和“十字军”F-8。今天,法国海军在20世纪60年代初期仍在使用F-8变型,美国的F-4“幽灵”和A-6“入侵者”、英国的N-39“海盗”和法国的“旗帜”也相继服役。20世纪60年代中期以后,美国研制的E-2舰载空中预警机、EA-6A舰载电子战飞机也陆续进入航母舰队服役,随后S-3喷气式舰载反潜机也加入了服役,在美国的航空母舰上首次形成由战斗机、攻击机、预警机、反潜机、电子战飞机、侦察机、加油机、直升机和运输机等组成的组合机群[5]
自1960世纪以来,各国在发展舰载飞机方面走上了两条不同的道路。一条以美国为代表,建造了近100000吨重的航空母舰,延长了飞行甲板长度,提高了弹射器和拦截器的能力专注于开发具有不同能力的常规舰载飞机。英国在另一条道路上的代表,它研制了一种能够在轻型航空母舰上起飞和降落的垂直/短距起飞/降落飞机,以“鹞”和“海鹞”为代表。轻型航母加上垂直/短程起降飞机在20世纪70年代末在美国引起了争议,辩论的结果是重型航母/常规航母的发展仍在进行,因为轻型航母加上垂直/短距起降飞机比常规飞机成本高,而重型运载器和常规运载器组具有较强的集体进攻能力是在牺牲整体进攻能力换来的。



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因此,美国不断提高舰艇编队的作战能力,如加强舰载预警机E-2的预警指挥能力,提高舰载电子干扰能力。为提高舰艇编队的反潜作战能力,研制了一种新型的舰载反潜飞机S-3,而且采用“高-低”组合的歼14S和FA-18轻型舰载战斗机,逐步取代歼-4、F-6“超级旗”和俄罗斯SU-33等。欧洲联盟正在开发和生产SU-27、MIG—29、SU-25,用于飞机和攻击机的舰载作战计划,以及舰载AWACS、油轮、电子干扰机等的开发。后来,船载SU-33、Mi-9K和SU-25K在1989上全部测试,但只有SU-33。目前,仍在服役的舰载机主要有美国的F-14、F/A18、E-2、E-2、EA-6B、FS-3,法国的欧洲战斗机EFAA,以及英国的“海鹞”[6]
二十一世纪初,航空母舰的发展势头仍在上升,世界各国仍在建设或准备发展自己的航空母舰。在21世纪,航母继续保持其海上霸权,以前,我国国防主要是以本土防御战略为主,航空母舰/运载机轻武器系统还没有发展。近年来,中国的国防战略由“海上防御”转变为“经略海洋”,我国的海岸线漫长,海上疆域辽阔,2002,南沙列岛与周边国家的局部冲突和台湾问题尚待解决,需要我们的共同努力。努力拥有一支强大的海军。冷战结束后,中国购买了俄罗斯和乌克兰航空母舰,如瓦良格,基辅,明斯克。这些航空母舰大多被用作休闲设施。目前瓦良格正在进行维修,但目前这些航空母舰并未用于军事目的。2006年3月10日,解放军总装备部科技委副主任王志远宣布,中国将继续建立自己的未完成事业,航空母舰将开展航母战斗组[7]

1.1.1 研究意义

现代航空母舰/舰载飞机是一个国家军事、工业、科技水平与综合国力的象征,今天,航空母舰的一般任务是:
(1)显示力量;
(2)遏止对本国或与本国有关的利益的侵犯,作为和平时期的一种威慑,作为一种机动力量;
(3)战时出海空军,夺取战区空中力量;
可以完成的任务包括:对敌方海岸和海上目标进行空袭,保护舰队,并充当旗舰,指挥编队和飞机执行各种具体任务,如反潜、护航、保护海上交通、对敌人实行海上封锁,攻击敌人舰队,支援两栖作战等。


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可见,航母在当今世界和世界舞台上都起着非常重要的作用[7]
舰载飞机可以在航母上起降,实现空中、地面、水下和地面攻击目标以及预等待、侦察、电子对抗、导弹中继指导、排雷、扫雷、补给等。与此同时,舰载机是海军在海战中捕获和维持空中力量和海上作战的重要力量,是航母战斗力的来源和生存的前提条件。舰载机的起降还存在着许多技术难题,最重要的是舰载机的兼容性设计,舰载飞机兼容性设计主要包括:
(1)舰载飞机的起降性能:舰载飞机起降环境十分复杂,其中包括航空母舰运动、海上天气复杂、湍流扰动都会影响到舰载飞机的安全着舰,航空母舰甲板有限的长度及其宽度限制了舰载飞行区域的面积。各种类型的舰载飞机应具有较低的重心、较强的抗倾到能力、很好的起降性能,尤其是相对较低的航速。
(2)起飞方式:舰载机的起飞方式可分为斜板起飞和弹射起飞两种,不同的国家采用不同的起飞方式。离开以获得足够的推力以使发动机最大化,然后加速并在上升斜坡上滑动,在斜坡末端获得正确的航向角,到达坡道的尽头,然后起飞爬上,这种方式便是斜板滑跳起飞。舰载机起落架与发射器连接,在发动机推力和弹射力的共同作用下在甲板上加速,并且必须在2.3秒内达到要求的起飞速度,然后从甲板飞离,这种方式便是弹射起飞。
(3)着舰方式:由于航空母舰上的甲板长度非常有限,因此载机在着陆时需要依靠放置在甲板上的拦阻索,舰载飞机的腹部也需要安装着舰钩。在很短的距离内减速,直到它停下来。当舰载机偏离了预定的下降轨道,或者没有钩住拦阻线的情况下,则需要在剩余的跑道最大化油门,如果舰载机损坏导致燃料消耗,或者由于其他原因,舰载机不能正常着陆,就必须要在甲板上设置阻拦网,实行紧急着舰。

回顾航母/舰载机系统的发展历史,不难发现舰载飞机的起降技术是非常重要的,而着舰环境是又是影响舰载机安全着舰的关键因素。与陆基飞机相比,舰载飞机更难降落在航空母舰甲板上,因为航空母舰是漂浮的在海面的着舰平台,而且十分长度有限,着陆环境又受到航空母舰的运动和海上大气湍流的影响。在这种干扰的环境下,舰载飞机必须准确地控制航迹,保持正确的航速、姿态和相对于航空母舰的正确位置,瞄准甲板的中心线,在预定着舰点啮合,才能安全实施拦阻着舰,所以着舰的风险很大。舰载飞机降落它不仅影响航母的成活率,而且危及航母的安全。据美国海军统计,上世纪50年代,美国的舰载飞机故发生率高达35/万,远远高于同期陆基飞机的着陆事故率。为了减少舰载飞机的着舰事故率,保证舰载机的飞行安全以及有效地工作,各国都投入大量人力物力来研究舰载机着舰环境[8]

1.1.2 国内外研究现状分析

在实战中,舰载飞机/航空母舰系统比火炮、导弹有很大的优势,因为舰载飞机/航空母舰的灵活性使得它的飞行远比火炮的射程长,而且由于其机体容量大时,导弹可以携带比舰艇更多的导弹,并能同时携带大量攻击武器并飞越目标进行精确攻击,打击的范围和威力也是火炮、导弹远不能及的。第二,航母不仅可以执行攻击任务,还可以执行反潜、侦察、防空以及巡逻警戒等任务,使整个舰队具备立体攻防能力和执行多种任务的能力。由于其机动性特点,飞机可以采用环形攻击战术,这使得攻击更加微妙,更难以防御。特别是在今天,随着各种先进技术的应用,与以前的舰载飞机相比,航母具有更强的攻防能力和更强的作战性能。因此,我国也积极投入发展舰载机技术以及它的海上平台航空母舰[9]
 

1.1.2.1 国内研究状况

国建航母是中国海军的梦想,是一个伟大国家的象征,中国深受苏联航母的影响。苏联解体后,中国先后购买了“基辅”、“明斯克”、“瓦良格”等俄罗斯航空母舰,正式开始发展航空母舰。中国将购买瓦良格号航空母舰作为训练航母,然后根据其维修经验,建造两艘中型运输机,排量为4万吨至6万吨,从而形成三艘航空母舰的系统。在南京国民政府成立之初,他想扩充海军。1926,改良的“镇海”号航空母舰前后货仓甲板上搭载上两架“施来克”FBA-19型水上飞机。这是中国海军历史上第一艘水上飞机的航母。此外,原渤海舰队航母“华甲”号改装为中国第一艘“两栖攻击舰”,搭载14艘小型消防船,1000艘士兵在8艘“希勒克”水上飞机上。在1928之前,这是中国仅有的两架水上飞机母舰。作为中国目前拥有的航母实体,瓦良格号是苏联“库兹诺夫”级航母的第2艘航母,它于1985开始建造。8月10日上午瓦良格离开大连港,开始首次试航[6]
2012年9月25日,其正式更名为辽宁号,并交付予中国人民解放军海军。2013年11月,辽宁舰从青岛开往南海,进行为期47天的海上综合演习。同时中国海军还组织了一艘大型远洋航母战斗群,战斗群由近20艘各类舰艇组成。2同年年8月31日,中国大连船厂被确认建造一艘新航空母舰,其结构类似于“辽宁舰”,属于一艘中型载重船。它也被认为是中国第一艘真正意义上的国内航空母舰。同年年底,大连船厂为航母钢板举行了裁剪仪式。中国第一艘国产航空母舰关闭了所有甲板,中国首个生产的航空母舰完成了最后一个防滑甲板舱吊装作业。至此,国内第一艘航空母舰飞行甲板的建造工作已经完成,标志着国内航空母舰的建设取得了阶段性胜利。2017年4月26日,中国首艘001A型国产航母,在中船重工大连造船厂隆重下水,中国远洋海军建设再下一城。2018年5月13日清晨,001A型航空母舰离开码头,开始海试。5月18日中午12时许,001A型航空母舰完成首次出海试验任务,返抵大连造船厂码头[10]
中国的主要战斗机是J-11的海军版,据说中国已经从乌克兰购买了SU-33的原型,并且还获得了更多的技术来设计自己的海军歼击机J-11BH(之前的J-15),在“施琅”海试之前该舰载飞机还有待发展。船上教练机将使用9.8吨J-9(JL—9),或者更可能的是9.5吨J-15(JL—15)。J-15战斗机是中国研制的第三代战斗机,由沈阳飞机工业集团设计。人们普遍认为这架飞机已成为中国的一艘轮船,该模型适用于中国舰载战斗机,并将部署在由中国设计和建造的改装航母辽宁和航母上。J-15飞机是中国第一代多用途海军战斗机,具有作战半径大、机动性好、弹丸量大的特点。多类型反舰导弹、空空导弹、空对地导弹、精确制导炸弹等精确攻击武器,实现了整个海上空域作战能力。每一种性能都可以与俄罗斯苏-33、美国F -18等世界上活跃的主要舰载战斗机进行比较,因此它被称为“飞鲨”[11]

 

1.1.2.2 国外研究研究现状

20世纪60年代中期以后,随着E-2舰载预警飞机的研制,EA-6A舰载电子战斗机以及后来搭载的S-3喷气式航空母舰反潜飞机也随之服役,成为一架战斗机的综合舰队。战斗机、攻击机、预警机、反潜机、电子战飞机、侦察机、加油机、直升机和运输机等组成的综合机群在美国航空母舰上首次形成的。
2013年10月美国发展了自己的“燕鸥”概念。其中,包括捕获类似于“捕食者”的无人机以及在SR/C的旋翼机的基础上发展的无人驾驶飞行器(UAV)等概念。同年诺格公司为美国海军水面舰艇开发了不同类型的无人机,并成为舰载无人机领域的“领头羊”。其次,诺格公司为“燕鸥”选择了垂直起降模式来应对小型军舰的作战要求,它的机头配备大型对转螺旋桨,在垂直起降时提供升力,水平翻转时提供张力。


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目前各国还在服役的主要舰载飞机包括:目前美国拥有的舰载机主要有F-14“雄猫战斗机”、F/A-18“大黄蜂”战斗机、AH-1W攻击直升机、A-7E“海盗”攻击、S-3B“北欧海盗”反潜机、ES-3A“影子”侦察机、E-2C“鹰眼”预警机、A-9攻击机、F35B战斗机、“扫描鹰”无人机、“燕鸥”无人机等。世界拥有航空母舰/舰载飞机最多的国家,俄罗斯的舰载机型号主要有卡-27LD32直升机、苏-33、苏-25UTG/UBP、苏-30MKI、雅克-38、雅克-141等。法国舰载机型号主要有F8E“十字军战士”战斗机、“超级军旗”攻击机、“军旗IVP”侦察机、“贸易风”固定翼反潜机、“超黄蜂”直升机、阵风M战斗机、E-2C“鹰眼”预警机等[12]
到目前为止,美国仍是世界上唯一拥有超重型航空母舰和联合作战舰队的国家,以现代航空母舰为核心的海军舰队战斗群确保了美国实施的全球战略。

 

1.1.3 论文研究的主要内容

本文的主要工作为:
.舰载飞机的动力学建模和仿真
其中包括舰载飞机运动学模型研究及其动态响应;
.航空母舰海上运动特性
其中主要研究航空母舰运动对着舰的影响及其运动模型;
.航空母舰尾流仿真建模
其中主要研究舰尾流的特点和模型及其建模与仿真;
.分析着舰环境仿真结果,得出结论。

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