水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法

技术领域

本发明涉及但不限于飞行器水面……技术领域，尤指一种水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法。

背景技术

水面飞行器在水面运动过程中的运动稳定性，是考核水面飞行器性能的重要指标。

针对水面飞行器在静水面运动过程中的运动稳定性，常规的判定方法是：开展模型试验，验证飞机在恒定速度运动过程中的纵倾角是否变化平稳，当飞行器纵倾角出现大于2°的波动幅值时，则认为该状态是不稳定的，当飞行器纵倾角波动幅值小于或等于2°时，则认为该状态是稳定的。通过调整试验模型的纵向操纵面改变滑行纵倾角，直到试验模型出现不稳定运动，则可确定该速度下飞行器的上、下稳定边界。在不同试验速度下重复上述步骤，可得到飞行器完整的稳定边界范围。

但是当水面飞行器在波浪水面上起飞、降落时，由于波浪水面的干扰，飞行器的纵倾角总是处在一定幅值和周期的波动过程中，波动幅值和周期的大小随波高、波长、速度、飞机构型等诸多因素的影响。现有的水面飞行器在静水面中的纵向运动稳定分析方式和判定准则不再适用，而现有公开资料未对水面飞行器在波浪水面起降过程中的纵向运动稳定性判定方法和判定准则进行描述。

发明内容

本发明的目的：本发明实施例提供了一种水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，以解决现有水面飞行器在静水面中的纵向运动稳定分析方式和判定准则，难以应用于水面飞行器在波浪水面的纵向运动稳定性判定中的问题。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，包括：

步骤1，确定用于开展水面飞行器缩比模型水池规则波拖曳试验的模型试验参数；

步骤2，基于步骤1中所确认出的模型试验参数，开展水面飞行器缩比模型水池规则波拖曳试验，并在模型试验过程中采集纵倾角时历数据，且拍摄模型试验过程中缩比模型的运动状态；

步骤3，对步骤2中通过模型试验采集得到的纵倾角时历数据进行滤波处理；

步骤4，选取滤波后匀速段内的纵倾角时历数据，以时间为橫坐标、试验缩比模型的纵倾角为纵坐标绘制纵倾角响应曲线，并分析纵倾角响应曲线的形态、纵倾角波动幅值和波动周期；

步骤5，利用步骤4中的纵倾角波动幅值和波动周期计算纵倾角波动角速率；

步骤6，根据缩比模型运动状态对运动稳定性进行判定；

步骤7，根据不同的试验状态，结合纵倾角波动幅值、波动周期、波动角速率、运动稳定性判定结果，编制试验缩比模型的运动稳定性统计表；

步骤8，基于步骤7中得到的运动稳定性统计表，绘制出双参数运动稳定性判定准则图，采用双参数运动稳定性判定准则图得到的纵倾角波动幅值准则和纵倾角波动角速率准则用于体现水面飞行器在波浪水面起降过程中的运动稳定区域。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤1中开展模型试验之前，要求确定的模型试验参数及其确认方法包括：

步骤11，模型试验波高h的确定方法为：

其中，H为实机起飞和降落对应海浪的有义波高，λ为缩比模型的缩比值，即实机与缩比模型的尺寸比例；

步骤12，模型试验波长的确定方法为：在最小波长与最大波长之间近似等间距选择不少于4个波长；其中，最小波长小于试验模型船体长度的1倍，最大波长要大于试验模型船体长度的4倍；

步骤13，模型试验速度确定方法为：在0和试验模型的离水起飞速度之间，近似等间距选择不少于5个试验速度。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤2中模型试验过程包括：

在拖曳水池中，使试验缩比模型按选定的各试验速度分别在上述选择的波高、波长的规则波中匀速运动，采集试验缩比模型在匀速运动过程中纵倾角的时历数据，并利用高清摄像机对试验缩比模型的运动状态进行录像。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，

所述高清摄像机安装在拖车上试验缩比模型的正侧面，高清摄像机的位置与试验缩比模型的重心处在同一前后、垂向位置。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，

所述步骤3中滤波处理的滤波频率为试验缩比模型遭遇频率的9.5倍。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤4中分析响应曲线的方式，包括：

对于处于非常规则的状态、较为规则的状态或不规则的状态的纵倾角响应曲线，采用不同的分析策略得出纵倾角波动幅值和波动周期

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤5计算纵倾角波动角速率的方式为：纵倾角波动幅值α的2倍除以纵倾角波动周期T，公式表达为：

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤6中对运动稳定性进行判定的方式为：

根据录像分析试验缩比模型运动状态，形成以下判定准则：

对于试验缩比模型始终在水中运动的状态判定运动稳定；

对于试验缩比模型短暂跳离水面，并且在跳离水面过程中试验缩比模型纵轴线保持基本稳定的状态判定位运动稳定；

对于试验缩比模型跳离水面且有跳波现象，或在跳跃过程中试验缩比模型纵轴线有较大波动的状态判定为运动不稳定。

可选地，如上所述的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法中，所述步骤8包括：

步骤81，以纵倾角波动幅值为横坐标、纵倾角波动角速率为纵坐标绘制散点图；

步骤82，确定出所有不稳定运动的状态点对应的最小波动幅值和最小角速率，通过该点分别绘制平行于横、纵坐标轴的两条直线，这两条直线对应的纵倾角波动幅值和波动角速率分别为纵倾角波动幅值准则和纵倾角波动角速率准则；

其中，上述两条直线与横、纵坐标轴形成包络区域为稳定区域，稳定区域以外的为不稳定区域。

本发明的有益效果：本发明实施例提供了一种水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，具体为基于“双参数判定准则”对水面飞行器在波浪水面起飞、降落过程中的纵向运动稳定性的分析，由于不同构型的水面飞行器在不同波高的海浪中起飞和降落，“双参数判定准则”(双参数包括：纵倾角波动幅值和纵倾角波动速率)的数值通常不一样，本发明实施例提供以纵倾角波动幅值、纵倾角波动速率为输入变量的“双参数判定准则”；判定过程中，首先基于确定的试验参数开展模型试验，采集纵倾角时历数据，并拍摄记录模型试验过程中缩比模型的运动状态，采用滤波后的纵倾角时历数据绘制响应曲线，并分析倾角响应曲线的形态，得到纵倾角波动幅值、波动周期和波动角速率，结合通过拍摄判定出的运动稳定性编制运动稳定性统计表，最终绘制出能够体现出水面飞行器在波浪水面起降过程中运动稳定区域的双参数运动稳定性判定准则图。采用本发明实施例提供的技术方案可以较为准确的获得水面飞行器在一定波高海浪上运动时的纵向运动稳定性判定准则。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为飞行器在水面滑行的纵倾角及稳定边界示意图；

图2为本发明实施例提供的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法的流程图；

图3为本发明实施例中纵倾角响应曲线为非常规则状态的示意图；

图4为本发明实施例中纵倾角响应曲线为较为规则状态的示意图；

图5为本发明实施例中纵倾角响应曲线为不规则状态的示意图；

图6为采用本发明实施例提供的判定准则判定出的典型运动稳定状态的示意图；

图7为采用本发明实施例提供的判定准则判定出的典型运动不稳定状态的示意图；

图8为采用本发明实施例提供的纵向运动稳定性判定方法形成的双参数纵向运动稳定性判定准则的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

上述背景技术中已经说明，水面飞行器在水面运动过程中的运动稳定性，是考核水面飞行器性能的重要指标。目前针对水面飞行器在静水面运动过程中的运动稳定性，已经具有非常成熟的判定方式和判定准则，通常是基于飞行的纵倾角的波动幅值进行判定的。然而，由于波浪水面的干扰，飞行器的纵倾角总是处在一定幅值和周期的波动过程中，波动幅值和周期的大小随波高、波长、速度、飞机构型等诸多因素的影响。

水面飞行器在波浪水面起降过程中，水面属于软性支撑，同时由于飞行器受到的气动力、水动力随速度变化而变化，飞行器的纵向俯仰姿态(纵倾角)也随时在变化，当纵倾角过大或者过小时，飞行器会出现纵向不稳定运动，从而危及飞行器的运动安全。即水面飞行器纵向运动存在上下、稳定边界，只有当飞行器的姿态处在上、下稳定边界之内时才能保持运动稳定，此范围就是水面飞行器的纵倾角稳定范围，上边界以上和下边界以下分别为上不稳定区和下不稳定区，如图1所示，为飞行器在水面滑行的纵倾角及稳定边界示意图。因此，当水面飞行器在水面起飞、降落过程中，飞行员要根据飞行器的状态对飞行器的纵向操纵面进行调整，确保飞行器纵倾角始终处在稳定范围之内。

针对上述问题，本发明实施例提供一种水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，具体提出水面飞行器在波浪水面上起飞、降落的纵向运动稳定性的双参数判定准则和判定方法，采用本发明实施例提供方法和准则，可对水面飞行器在波浪水面运动过程中的运动稳定性进行判定。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

经本发明研究人员的研究分析，水面飞行器在波浪水面起飞、降落过程中的纵向运动稳定性主要受到纵倾角波动幅值的大小、纵倾角波动速率的影响。纵倾角波动幅值太大和波动太快均会影响飞行器纵向运动稳定性，因此，本发明实施例提出了以纵倾角波动幅值、纵倾角波动速率为输入变量的“双参数判定准则”。

不同构型的水面飞行器在不同波高的海浪中起飞和降落，“双参数判定准则”的数值可能不一样，但都可以利用本发明提供的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法进行稳定性的确定。

图2为本发明实施例提供的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法的流程图。如图2所示，本发明实施例提供的波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，通过如下步骤执行：

步骤一，开展水面飞行器缩比模型水池规则波拖曳试验之前，需要先确认出用于开展水池规则波拖曳试验先要确定出用于模型试验的各项试验参数，具体包括如下参数：

(1)模型试验波高(记为h)的确定方法为：实机起飞和降落对应海浪的有义波高(记为H)的1.32倍除以缩比模型的缩比(即实机与缩比模型的尺寸比例，记为λ)，再除以2，通过如下公式(1)计算h：

(2)模型试验波长的确定方法为：最小波长比试验模型船体长度的1倍要小，最大波长要比试验模型船体长度的4倍要大，在最小波长和最大波长之间近似等间距选择不少于4个波长。

(3)模型试验速度确定方法为：在0和试验模型的离水起飞速度之间，近似等间距选择不少于5个试验速度。

步骤二，在确认了上述用于水面飞行器缩比模型水池规则波拖曳试验的各模型试验参数之后，开展模型试验，执行水面飞行器缩比模型水池规则波拖曳试验的试验过程和方式如下说明：

在拖曳水池中，使试验缩比模型按选定的各试验速度分别在上述选择的波高、波长的规则波中匀速运动，采集试验缩比模型在匀速运动过程中纵倾角时历数据，并利用高清摄像机(该高清摄像机安装在拖车上试验缩比模型的正侧面，高清摄像机的位置基本与试验缩比模型的重心处在同一前后、垂向位置)对试验缩比模型的运动状态进行录像。

步骤三，完成模型试验后，对采集得到的纵倾角时历数据进行滤波处理，滤波频率为试验缩比模型遭遇频率的9.5倍。

步骤四，滤波后，选取匀速段内的纵倾角时历数据，以时间为橫坐标、试验缩比模型的纵倾角为纵坐标绘制纵倾角响应曲线，分析曲线的形态、波动幅值和周期，分析方式如下：

(1)对于纵倾角响应曲线非常规则的状态，读取纵倾角极大值的平均值和极小值的平均值，二者的差值为纵倾角波动幅值(记为α)，选取一定数量响应周期的总时间，计算得到纵倾角波动周期(记为T)。如图3所示，为本发明实施例中纵倾角响应曲线为非常规则状态的示意图。

(2)对于纵倾角响应曲线较为规则的状态，选择选择波动范围大的响应周期分别计算纵倾角波动极大值平均值和极小值平均值，二者的差值为纵倾角波动幅值，利用试验波长、试验速度计算得到模型的理论遭遇周期作为纵倾角波动周期。如图4所示，为本发明实施例中纵倾角响应曲线为较为规则状态的示意图。

(3)对于纵倾角响应曲线不规则的状态，选择2～3个波动范围大的响应周期分别计算纵倾角波动极大值平均值和极小值平均值，二者的差值为纵倾角波动幅值，利用试验波长、试验速度，结合试验录像判定模型的跳波的个数，计算得到模型的实际遭遇周期作为纵倾角波动周期。如图5所示，为本发明实施例中纵倾角响应曲线为不规则状态的示意图。

步骤5，根据上述分析结果，利用纵倾角波动幅值和波动周期计算纵倾角波动角速率(记为

步骤6，根据缩比模型运动状态对运动稳定性进行判定，判定方式如下：根据录像分析试验缩比模型运动状态，对于试验缩比模型始终在水中运动的状态判定运动稳定。对于试验缩比模型短暂跳离水面，并且在跳离水面过程中试验缩比模型纵轴线保持基本稳定的状态判定位运动稳定。对于试验缩比模型跳离水面且有跳波现象(即直接跳跃过波浪的现象)，或在跳跃过程中试验缩比模型纵轴线有较大波动的状态判定为运动不稳定。

如图6所示，为采用本发明实施例提供的判定准则判定出的典型运动稳定状态的示意图。图6中的a图为飞机处于俯仰角极小值状态，b图为飞机抬头过程，c图为飞机俯仰角达到峰值状态，d图为飞机俯仰角回落过程。

如图7所示，为采用本发明实施例提供的判定准则判定出的典型运动不稳定状态的示意图。图7中的a图为飞机与波浪砰击，b图为飞机抬头，c图为飞机跳离水面，d图为飞机短暂空中飞行，e图为飞机回落水面，f图为飞机前体着水。

步骤7，编制运动稳定性统计表，编制统计表的方式如下：根据不同的试验状态，结合前述分析的纵倾角波动幅值、波动周期、波动角速率、运动稳定性判定结果，编制试验缩比模型的运动稳定性统计表，如下表1所示。

表1运动稳定性统计表

步骤8，绘制双参数运动稳定性判定准则图；

该步骤中的绘图方式如下说明：根据上述运动稳定性统计表，以纵倾角波动幅值为横坐标、纵倾角波动角速率为纵坐标绘制散点图，其中不稳定运动的状态点用区别于其他且醒目的颜色标识。明确所有不稳定运动的状态点对应的最小波动幅值和最小角速率，通过该点分别绘制平行于横、纵坐标轴的两条直线，这两条直线对应的纵倾角波动幅值和波动角速率分别为纵倾角波动幅值准则和纵倾角波动角速率准则，这两条直线与横、纵坐标轴形成的包络区域为稳定区域，稳定区域以外的为不稳定区域。如图8所示，为采用本发明实施例提供的纵向运动稳定性判定方法形成的双参数纵向运动稳定性判定准则的示意图，图8具体示意为AG600飞机在2米海浪上运动稳定性判定准则，其中纵倾角波动幅值准则为9.8°、纵倾角波动角速率准则为9°/s。

本发明实施例提供的水面飞行器在波浪水面起降的纵向运动稳定性判定方法，具体为基于“双参数判定准则”对水面飞行器在波浪水面起飞、降落过程中的纵向运动稳定性的分析，由于不同构型的水面飞行器在不同波高的海浪中起飞和降落，“双参数判定准则”(双参数包括：纵倾角波动幅值和纵倾角波动速率)的数值通常不一样，本发明实施例提供以纵倾角波动幅值、纵倾角波动速率为输入变量的“双参数判定准则”；判定过程中，首先基于确定的试验参数开展模型试验，采集纵倾角时历数据，并拍摄记录模型试验过程中缩比模型的运动状态，采用滤波后的纵倾角时历数据绘制响应曲线，并分析倾角响应曲线的形态，得到纵倾角波动幅值、波动周期和波动角速率，结合通过拍摄判定出的运动稳定性编制运动稳定性统计表，最终绘制出能够体现出水面飞行器在波浪水面起降过程中运动稳定区域的双参数运动稳定性判定准则图。采用本发明实施例提供的技术方案可以较为准确的获得水面飞行器在一定波高海浪上运动时的纵向运动稳定性判定准则。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。