[發明專利]航行器起降俯仰姿態控制系統

無效

• 申請號: 201210361967.3
• 申請日: 2012-09-21
• 公開（公告）號: CN102830707A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 顧世敏
• 申請（專利權）人: 中國航空無線電電子研究所
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 上海和躍知識產權代理事務所(普通合伙) 31239
• 代理人: 杜林雪

技術領域

本發明屬于自動控制技術領域，尤其涉及一種航行器在起降階段的俯仰姿態控制系統。

背景技術

水上起降的水上飛機以及其他航行器如地效飛行器和水翼船等（以下簡稱為“航行器”），都是利用了流體力學中的伯努利效應，即利用航行器的一部分機體（如機翼、水翼或者浮子）沉浸在流體中的特定剖面，流體經過該剖面時產生上下部位的流速差，這個流速差產生壓差，這個壓差形成支撐航行器離開地面（水面），實現騰空和懸浮的動力。這種由流速差生成的動力的命名取決于流體的媒介形式，如果流體的媒介是空氣，稱之為空氣動力；如果流體的媒介是水，稱之為水動力。

與其他專用于水中或者空氣中航行的飛機或船舶不同，本專利所述的航行器的共同運行特征是：其運行過程具備水面航行與空中航行之間的轉換過程，包括水翼船也是借助產生水動力的水翼，將船身主體抬升到水面之上，以達到減少水阻、快速航行的目的。

與本發明專利相關的運行特征：航行器在水面起飛時，在靜止和低速航行階段，完全由航行器的船體或浮子的浮力支撐航行器漂浮在水面上。航行器速度增加時，船體或浮子上的水動力效應增加，逐步過渡到由浮力和水動力共同支撐航行器；隨著速度的進一步增加，從完全由浮力支撐轉變為主要由水動力以及機翼生成的空氣動力支撐航行器，船體開始減少吃水深度，部分脫離水面。此時，如果保持這個狀態，航行器可以貼水而高速地航行；如果航行器速度繼續增加，航行器獲得足夠升力，完全脫離水面，在空中航行。著水過程與之相反，即航行器從完全由空氣動力支撐逐漸轉變為完全由浮力支撐。

影響航行器起降階段安全運行的關鍵點在于航行器重量為浮力和水動力共同支撐的這個特定階段。因為，水阻變化是速度變化的平方值。在起飛階段，不適當地加大速度導致水阻急劇倍增，航行器被倍增的水阻效應拖入水中，無法騰空，導致起飛失敗。在著水階段，如果接水速度過大，水阻突增，導致航行器栽入水中。

為減少水阻突變的危害，像魚類下腹部一樣，航行器的船體下部通常設計成斷階結構，其原理是，航行器處于浮力和水動力共同支撐的特定階段時，隨著速度的進一步增加，航行器前部抬升，后部下沉，斷階后部突然縮起的船體結構有效減少船體此時入水的面積，由此，減少水阻過大而產生嚴重拖拽的影響。

降落著水時，與之相反，航行器首先用斷階部位觸水，逐步減低速度，過渡到完全由浮力支撐航行器。

相對應地，在這個特定階段實現高速航行、又不至于水阻突增的速度，稱之為斷階速度V_s，它是航行器水上起降成功與否的一個關鍵控制指標。

V_s不僅僅用于航行器起降階段的控制操作，也是航行器水面航行的一個常態操縱指標。在這個時刻，水阻很小，且航速很高，航行器可以借此實現水面上的高速滑行，提升了出入水面起降區域和完成任務的時間效率。

斷階設計和V_s操控技術是世界各國在航行器設計中應用了近百年的工程實踐方法，目前還沒有研發出其他可實用的工程技術方法來有效克服水阻突變的影響。

因為航行器沒有陸地飛機那種用以支撐飛機重量和平衡的起落架裝置，只能依賴流體的浮力效果來保障航行器在水面運行期間的自身平衡。因此，V_s成為一種嚴格的控制操作要求，即需要嚴格地保持航行器處于一個合理的縱向姿態，過高或過低的縱向姿態都會使航行器在起降關鍵時刻失去必須的縱向穩定性。

航行器失去縱向穩定性后，會出現一種縱向振蕩現象，航行器因此進入嚴重的縱向搖擺狀態，無法繼續正常的水面起降進程，即此時航行器猶如海豚般在水面上跳躍，稱之為“海豚跳”。

航行器發生這種縱向搖擺的機理為：當航行器在水面上的航行具有一定速度時，航行器頭部向水面傳遞較大的排水能量；被排擠的水來不及退散，堆積而成波浪。這個水浪對航行器頭部產生反作用力，導致航行器抬頭。航行器頭部越過浪峰后，水的反作用力突然減少，使航行器加速前傾并下跌，即向下擺動。因為這種向下擺動，又造成航行器頭部吃水深度突增。航行器頭部因此再次被水的反作用力抬升，直至再次騰起，即向上擺動。如此往復，導致航行器如海豚般在水面上跳躍。

發生“海豚跳”時，如果航行器縱向姿態過高，當航行器跳起時，造成迎角過高，航行器過早騰空，進入失速狀態，墜回水中；如果航行器縱向姿態過低，航行器跌落時吃水過深，水的反作用力更大，加劇了下一次跳躍的力度，甚至翻覆。

因此，一旦航行器進入“海豚跳”，飛行人員必須采取行動；如果這種現象持續下去，直接影響航空器的結構完好性、飛行人員和乘員的人身安全。