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无人机滑跃起飞性能浅析

《海军航空工程学院学报》2016年第5期

摘要：

针对舰载无人机滑跃起飞性能参数的选择问题，文章采用Matlab/Simulink建立了滑跃起飞模

型，分析了不同推重比、停机角、甲板风速、纬度和环境温度时无人机滑跃起飞性能的变化情况。计算

结果表明：停机角和甲板风速对起飞性能影响大，应着重关注；低纬度地区比中纬度地区需要更大的推

力保证起飞安全。文章结论对后续无人机的滑跃起飞试验有借鉴意义。

关键词：

滑跃起飞；无人机；起飞性能；推力

无人机具有成本低、体积小、作战使用灵活、效费比高、可避免人员伤亡等特点，无人机上舰

后可以遂行远程火力打击，情报、监视与侦察（ISR），电子战，为水面舰艇、潜艇及空中力量提供火

力支援，实施沿海防御等多种使命任务，将改变海军航母的作战模式，为航母编队战斗力带来革命性的

提升，能够有效地提高航母编队的远洋生存和远程打击能力，增强航母编队的威慑作用。无人机滑跃起

飞方式，相对于弹射起飞，具有结构简单、造价低廉、增加安全性等优点[1]。针对滑跃起飞方式，文

献[2-4]提出来2种滑跃的数学模型，分析了不同上翘角、推重比对起飞包线的影响并滑跃甲板的优化

进行了研究；文献[5-8]分析了航母纵摇和垂荡、出口角、起飞质量、起飞迎角、甲板风、滑跑距离等

对滑跃起飞性能和起落架的影响；文献[9]分析了滑跑距离、起飞质量和杆配平量对滑跃起飞性能的影

响，并与试飞数据对比，对模型进行了验证。然而大部分研究都集中于针对舰载机展开的，针对无人机

滑跃起飞的研究很少，无人机相对于舰载机，体积小，重量轻，气动性能也有很大差别，在无人机上舰

已成为未来趋势的情况下，有必要对无人机的滑跃起飞过程进行预先研究，确定相关性能参数。本文利

用Matlab/Simu-link对某型无人机的滑跃起飞过程进行了建模仿真，所得的结论对后续无人机滑跃起

飞试验有借鉴意义。

1滑跃起飞的数学模型

滑跃起飞过程可以分为水平甲板段、滑跃甲板段和离舰飞行段。无人机在起飞甲板上起飞加速

滑跑过程中，要受到甲板运动（横摇、纵摇和垂荡等）、甲板风、海情等诸多因素的影响。这些因素会

影响无人机的离舰速度和姿态，最终会影响无人机在离舰飞行段的航迹。本文作为初步分析，假设航母

做匀速直线运动，暂不考虑航母的甲板运动和无人机起落架变形的影响。

1.1水平甲板段

在航母作匀速直线运动假设下，舰载无人机沿平甲板加速滑跑运动与陆基无人机的加速滑跑运

动类似，在航迹坐标系中的运动方程为：mdvdt=Pcos(α+ϑp)-D-F；（1）0=Psin(α+ϑp)+L+N-mg。

（2）式（1）~（2）中：v为无人机绝对速度；F=μN为甲板摩擦力，μ为摩擦系数；N=N1+N2为甲板

总支反力，N1为主轮支反力，N2为前轮支反力；D为空气阻力；L为升力；α为迎角；ϑp为发动机安

装角；P为发动机推力。

1.2滑跃甲板段

无人机在滑跃甲板上曲线滑跑时，前后轮支反力方向互不平行，前后轮摩擦力也相互不平行，

但考虑到滑跃甲板的曲率一般较小，且前后轮间距与滑跃甲板曲率半径相比也是小量，故采用下面的近

似假设：

1）认为支反力方向平行，并都垂直于无人机轮基线（前、后轮与甲板接触点连线），摩擦力沿

轮基线方向；

2）无人机的相对速度平行于轮基线，即平行于无人机重心垂线与甲板曲线交点的切线方向；

3）无人机的俯仰角ϑ等于过无人机重心铅垂线与甲板交点处的当地上翘角γ与无人机停机角

ϑs之和；

4）不考虑起落架及轮胎的压缩量。上述假设下，无人机在滑跃甲板段的运动方程为：

mdvdt=Pcos(α+ϑp)-D-μNcos(γ-θ)-Nsin(γ-θ)-mgsinθ；（3）mvdθdt=Psin(α+ϑp)+L-

μNsin(γ-θ)-Ncos(γ-θ)-mgcosθ；（4）Izdωzdt=Mz+N2l2-N1l1+Pep-μNl3。（5）式（3）~

（5）中：ωz=dϑdt=dγdt为无人机上仰角速度；Mz为空气动力矩；ep为推力偏心矩离；Iz为无人机

对过重心的横轴的转动惯量；l1和l2分别为无人机重心在轮基线上的投影至主、前轮的距离；l3为重

心高度；θ为航迹角。为求解出运动参数v和θ，应先解出支反力N1和N2。为此引入运动学关系

式：vr=