面向氣流場的直升機艦船上層建筑設計評估方法

賀少華， 姚國英， 譚大力

(中國人民解放軍92942部隊，北京 100161)

0 引 言

美國海軍直升機艦船的氣流場研究始于1999年1月，在當時的某型兩棲攻擊艦艦機適配性試驗中，V-22傾轉翼飛機在著艦靠近艉部時經常出現不知原因的擺振[1]。針對該問題，美國海軍開始艦船-旋翼艦載機動態界面(Dynamic Interface，DI，國內有學者根據其物理內涵，將其譯為“動態配合”)的持續研究。動態界面描述艦船-空氣-艦載機的耦合動力學行為，耦合效應出現的根源為艦船氣流場。

艦船氣流場是海上自然風在流經艦船時，受船體和上層建筑阻擋，在艉部起降平臺附近形成的復雜結構空氣流場，類似卡門渦街現象。為得到相對理想的艦船氣流場，使艦載直升機具有更好的起降環境，艦船上層建筑在設計時不僅需要考慮隱身性、功能性問題，而且需要考慮氣流場因素，面向氣流場的艦船上層建筑設計評估成為一個較有研究價值的科學問題。

艦船氣流場在本質上是一種非定常流場，其特征獲取可采用實船試驗[2]、縮比模型風洞試驗[3]和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)建模仿真[1,4]等方法。實船試驗可得到高質量艦船氣流場特征數據，但受環境、人力、測量設備、飛行員、艦載機等多因素影響，且需要針對不同風向-風速組合，其代價較高、安全風險大。縮比模型風洞試驗(一般為1∶100)可針對不同風況得到有價值的測量數據，但很難對艦-機耦合效應進行模擬，且由于雷諾數減小，非定常流的脈動頻率、流動分離、旋渦等特征均發生變化，與實船存在差異。雖有研究發現這些特征的基本形態與雷諾數弱相關[4]，但該發現并未在理論上得到證明。與其他2種方法相比，CFD建模仿真是一種綜合較優方法。

針對氣流場的艦船上層建筑評估，在以往研究中，通常不考慮艦載機在場，采用實船試驗、縮比模型風洞試驗或CFD建模仿真獲取不同風況下的艦船氣流場特征，考察渦流區、湍流強度、下洗氣流區等關鍵特征指標，僅憑經驗直接得出“較理想”等定性評估結論。考慮氣流場的艦船上層建筑優化設計在工程中難以實現，主要有2個原因：(1)對于航空母艦、兩棲攻擊艦等大型直通式甲板艦船，上層建筑設計首先須考慮隱身、飛行甲板設備空間布局、資源保障便利性等因素，氣流場優化在其次，且上層建筑局部的“修修補補”并不會對氣流場產生顯著影響，因此，其上層建筑優化設計的潛能并不大；(2)對于驅護艦等非直通式小甲板艦船，艦載直升機起降局限在相對較小的空域內，艦-機耦合效應不可忽略，不考慮艦載機的艦船氣流場(艦船上層建筑設計)評估，其準確性缺乏可信度。

對此，提出一種針對氣流場的艦船上層建筑設計定量評估方法。

1 方法描述

1.1 飛行員操控負荷定量評估

通過實船試驗、縮比模型風洞試驗或CFD建模仿真獲取艦船氣流場特征數據，以查詢表的形式存儲起降空域內各關鍵點非定常氣流場特征數據，特征數據記錄時間≥30 s。起降空域為長方體形(見圖1)，長方體沿艏艉方向的長度≥1.5倍為起降平臺長度，沿左、右舷方向的長度≥2倍為起降平臺寬度(若在左舷進場著艦，則寬度為自起降平臺右邊沿向左舷方向2倍平臺寬度；若在右舷進場著艦，則與左舷情況對稱)，長方體高度≥15 m，長方體內關鍵點分布密度滿足艦載直升機主旋翼長度方向不少于10個點。飛行員在飛行模擬器上進行模擬艦上起降飛行時，在起降空域內添加上述艦船非定常氣流場特征數據。在添加非定常氣流場特征數據前，艦載直升機在自由空氣來流(海上自然風)條件下由飛行員調整至平衡狀態、懸停；在添加非定常氣流場特征數據后，受氣流場影響，此時艦載直升機不再處于平衡狀態，存在不平衡力和力矩。

圖1 艦載直升機起降空域示例

依次考察艦載直升機在圖2所示空間點位置受到的不平衡力和力矩：7個空間點與機庫上沿同高，3號點的位置為著艦點的正上方，7號點的位置為左舷偏左1個飛行甲板寬度(對應艦載直升機在左舷進場著艦)。艦載直升機姿態保持懸停、固定，記錄30 s內直升機重心處的非平衡力和力矩的變化。

圖2 艦載直升機空中固定點的位置

在得到不平衡力和力矩的時間歷程后，利用文獻[5]提出的頻域分析方法，用0.2～2.0 Hz的載荷積分平方根(均方根)表示艦載直升機飛行員的操控負荷，該分析方法考慮這樣一個事實：非定常氣流載荷雖施加在很寬的頻率范圍內，但高頻載荷(>2.0 Hz)并不重要，因為艦載直升機的慣性使其不會對高頻載荷具有顯著響應；對于低頻載荷(<0.2 Hz)，飛行員可通過對艦載直升機的簡單操控加以抵消；0.2～2.0 Hz的氣流載荷對飛行員的操控負荷(對直升機的操控頻率和幅度)影響最大。

1.2 艦載直升機操控裕度定量評估

評價氣流場對艦載直升機起降影響的另一指標為艦載直升機操控裕度，包括總距、周期變距、尾槳距操控裕度等[5]。操控裕度可由第1.1節中的不平衡力和力矩的時間平均載荷表示。

1.3 起降空域空氣溫度變化(或變化率)定量評估

艦船煙囪排煙影響艦員駐艦舒適度、艦船表面溫度(紅外特征)和艦載直升機起降空域空氣溫度場分布，而排煙飄散受艦船氣流場影響，即艦船上層建筑設計(氣流場設計)需要考慮對煙囪排煙飄散特性的影響。若艦載直升機浸沒在排煙中，被加熱的環境空氣具有較低的密度，主旋翼產生的升力將變小；高溫和溫度空間變化會對艦載直升機發動機功率產生不利影響。目前，艦船艦載直升機起降空域內空氣溫度的空間變化率限制尚無標準依據，但對于使用工業燃氣輪機發電的海上石油/天然氣平臺已有相關要求。

英國民航局在CAP 437文件《海上直升機降落區域：標準指南》[6]中聲明：直升機起降平臺空域平均溫升率超過2 ℃/3 s時，應警示直升機飛行員，飛行員據此進行相應操控調整；可通過風洞試驗或CFD建模仿真得到溫升率預判結果。

挪威海洋石油公司在C-004標準[6]中討論平均溫升值，但沒有提到3 s的時間間隔，該標準建議使用CFD建模仿真方法預測燃氣輪機排氣引起的直升機起降空域內的空氣溫升，并參考如圖3所示的溫度梯度矩陣：根據溫度/高度數據，矩陣發出“正常操控”、“警告”或“停止操控”提示。在>2 ℃溫升時，發出“警告”提示；在>30 ℃溫升時，禁止直升機起降。C-004標準與CAP 437文件要求類似，即飛行員在靠近平臺時應采取措施盡可能避免進入動力系統排氣中，并適當調整操控，謹慎作業。

圖3 降落平臺空域不同溫升對應的直升機操控要求

2 應用實例

2.1 不平衡力和力矩

分別選擇大、中、小等3種不同主尺寸的艦船。圖4為某型直升機在圖2所示7個位置的時間平均載荷和均方根載荷，顯示量化后的上層建筑主尺寸對艦載直升機操縱影響的結果，對比不同上層建筑設計(不同主尺寸)的差異。

圖4 直升機在空中典型位置的時間平均載荷和均方根載荷

對于時間平均載荷，艦載直升機在艦船氣流場影響區域外，旋翼推力等于直升機的重量70 kN。在艦載直升機通過艦船氣流場時，由于旋翼各點位置的氣流速度在大小和方向上非定常，主旋翼產生的升力變小，飛行員通過增加發動機功率補償升力不足，因此，氣流場施加至艦載直升機的時間平均載荷是需要飛行員施加穩定操控的一種量值，在操控裕度僅剩10%時，可認為已達到起降能力邊界。

對于均方根載荷，飛行員操控負荷可用艦船氣流場施加的0.2～2.0 Hz的不平衡力和力矩的均方根進行衡量(圖4以垂直方向載荷為例)，均方根越大，飛行員必須通過幅度更大的操控動作消除艦載直升機的失穩，操控負荷就越大。

由圖4可看出：上層建筑主尺寸越大，艦船氣流場施加至艦載直升機的時間平均載荷和均方根載荷就越大。艦載直升機在位于甲板左舷邊緣上方(5點位置)時，受自機庫垂直邊脫落的非定常剪切流影響，不穩定氣流載荷相對較大；在位于著艦點正上方時，正好避開不穩定氣流的影響，不穩定氣流載荷變小；隨著進一步移向右舷，不穩定氣流載荷逐漸增加。

文獻[7]證明上述實例研究的正確性。圖5顯示SH-60B海鷹直升機在英國皇家海軍23型護衛艦和波浪級油船上以艉部左舷著艦方式著艦、±90°甲板風范圍內的空氣流線。采用甲板界面飛行員精力量表(Deck Interface Pilot Effort Scale，DIPES)或貝德福德工作量評定量表(BedFord Workload Rating Scale，BWRS)衡量著艦難度差異[6]。DIPES根據飛行員工作量、表現、精度和一致性對每次著艦進行評分：等級3或更低表示在該環境條件下，實現安全著艦的概率較高；等級4或等級5表示安全著艦難以實現，將該環境條件劃至風限圖外，即禁止艦載直升機在該環境條件下起降。圖6的(a)和(c)表示飛行員的DIPES等級點，圖6的(b)和(d)中的粗實線表示通過DIPES等級點繪制的安全邊界(風限圖邊界)，虛線表示艦載直升機可承受的側風極限。

圖5 23型護衛艦和波浪級油船在某風況下的空氣流線

圖6 采用DIPES評定法繪制的23型護衛艦和波浪級油船的風限圖

結合飛行員操控活動和反饋可發現：盡管波浪級油船的飛行甲板面積更大，但其安全飛行風限圖比23型護衛艦小得多。其原因在于：艦船氣流場包含不穩定的旋渦結構，這些結構自上層建筑的銳邊脫落，船越大，則主旋渦越大，與艦載直升機主旋翼尺寸更加接近，在艦載直升機上產生更大的不穩定力和力矩，且不穩定載荷頻率更加接近艦載直升機的振動主頻率。在飛行員試圖通過操控抵消氣流施加在艦載直升機上的不穩定載荷以保持懸停時，不穩定載荷頻率可導致出現飛行員誘發振蕩。

圖7中的數據同樣來自文獻[7]的試驗數據，風向角為偏右舷45°，飛行員需要通過調整尾槳以保持航向。圖7顯示為在著艦點上方位置保持懸停飛行員腳蹬動作的時間歷程，縱坐標表示與配平位置(腳蹬位置)的偏差。在波浪級油船上出現更多的操控活動，表現為施加更激烈的腳蹬動作，說明飛行員的操控負荷更大。

圖7 飛行甲板著艦點上空懸停時的飛行員操控活動差異

2.2 起降空域空氣溫度分布

KAEAERIAE等[6]考慮海洋石油和天然氣工業標準在柴燃聯合動力戰艦上的適用性。圖8顯示某型艦非定常氣流場內等溫面的瞬時圖像，該等溫面考慮艦船煙囪排煙，并顯示正在甲板上空進行著艦作業的艦載直升機，此時該艦處于逆風狀態。不穩定的艦船空氣流會導致煙囪排煙熱量在飛行甲板上空產生對流，最大可引起10 ℃溫升，超過CAP 437提到的2 ℃/3 s的標準，對應圖3矩陣中的“警告”等級。值得注意的是：由于與高度不穩定的甲板空氣流場混合，該艦煙囪排煙溫度下降非常迅速(煙囪出口初始溫度約500 ℃)。由圖8還可發現：排煙被艦船氣流夾帶至該艦桅桿尾部的回流區。

圖8 某型艦煙囪排煙的瞬時等溫面

3 結 語

艦船上層建筑設計在滿足隱身性、功能性等要求的前提下，為使艦載直升機具有良好的起降環境，需要考慮氣流場設計。應用實例表明，上層建筑主尺寸較大的艦船，其艦載直升機受到的氣流載荷更大，對應的風限圖更小。艦船煙囪排煙分布和起降空域溫度分布會影響艦船的紅外特征，在艦船上層建筑設計時需要考慮。現代船舶設計的發展，如為使雷達反射截面積減小而進行的艦船外形幾何設計、大型集成桅桿和新型燃氣輪機發動機(煙囪)設計等均將影響艦船氣流場，因此需要同步考慮艦船氣流場(上層建筑)設計問題。