舰载机起降对甲板作业人员的影响研究

谭大力，伍 恒

(海军研究院，北京 100161)

0 引 言

舰载机在航母飞行甲板上的起降由不同飞行甲板作业人员相互配合保障完成，然而舰载机发动机大功率状态运行时，高温高速喷流产生的强噪声、高热辐射和强气流冲击会对甲板航空保障作业人员的生理造成不同程度的影响[1]。此外，甲板作业人员长期持续在强噪声、高热辐射及强冲击环境下工作，也会对他们的心理造成影响。尽管目前对甲板作业人员进行了一定的防护，但仍然缺乏对各种损伤源损伤机理的认识，也不能对具体的损伤状态进行评估，科学的防护措施以及防护标准的制定仍缺乏相应的理论指导。随着我国航母的大力发展以及舰载机上舰数量、出动次数和起降作业频次的大幅提升，考虑到未来海战场环境的复杂性以及全天侯训练的任务需求，研究舰载机起降对飞行甲板作业人员的生理和心理影响，并制定适当准确的损伤防护措施至关重要。

本文围绕舰载机起降过程中，发动机高温高速喷流产生的强噪声、高热辐射和强气流冲击对甲板航空保障作业人员的生理和心理影响等基础科学问题，梳理了涉及的研究内容和防护技术，重点分析了美海军整体研究现状、已取得的研究成果及发展趋势，在此基础上，分析国内外差距以及开展相关研究的重难点和技术途径，为我国相关研究提供参考。

1 关于舰载机起降对甲板作业人员生理心理影响问题

国外研究表明[2]，舰载机发动机大功率状态运行时产生的强噪声、高热辐射和强冲击等多种应激叠加会对甲板作业人员的生理和心理造成不同程度的损伤。长期近距离处在这种恶劣环境下工作，将会严重影响甲板作业人员的身体健康，如导致人员产生听力丧失、胸闷、心律失常、高血压和急性心梗等生理上的不良反应和病症。此外，人员长期持续处在这种环境下工作，也会影响心理健康，导致情绪不稳、认知能力受损，无法准确感知和决策，甚至丧失行为能力。目前国内舰载机发动机性能技术相比国外仍有较大差距，飞行甲板航空保障人员的防护措施较为简单，也未进行分区防护。随着我国航母舰载机上舰数量和起降作业频次的大幅提升，考虑到未来海战场环境的复杂性以及全天侯训练的任务需求，必须对舰载机起降过程中飞行甲板航空保障作业人员进行适当准确的损伤防护以保证他们的生理心理健康，提高执行任务的效率和可靠性，从而解决一线部队战斗力生成中的实际问题。

舰载机起降对甲板作业人员生理心理影响的涵义主要是指：舰载机发动机启动、暖机、最大状态和加力状态等典型工况运行时的强噪声、高热辐射以及强冲击环境场的产生机理、分布特点与辐射规律；准确有效的复杂恶劣环境场测量方法及方案；舰载机发动机高温高速喷流产生的强噪声、高热辐射和强冲击对飞行甲板作业人员（主要包括：起飞助理、引导员、偏流板安全观察员、止动轮挡检查员、起飞站操作员、阻拦区值班员、引导员（兼职）、阻拦索安全观察员以及摘钩员等）的生理和心理损伤机理。其中，生理方面侧重于分析对人体心血管系统及听力造成的影响；心理方面侧重于分析短期瞬时以及长期持续在强噪声、高热辐射以及强冲击环境下工作对人的情绪、心智和工作状态以及效率等方面造成的影响。

针对舰载机起降对甲板作业人员生理心理影响问题的涵义，采用空气动力学、声学、医学、生物学和心理学等学科的基础理论和研究方法，涉及以下5 个方面的内容研究：

1）源于舰载机高温超音喷流的飞行甲板环境场生成机理研究；

2）舰载机群多源耦合飞行甲板环境场分布规律及预测方法研究；

3）飞行甲板强噪声人员听力损伤机理及防护方法研究；

4）飞行甲板复杂应激环境下人员心血管系统损伤机理及防护方法研究；

5）飞行甲板复杂应激环境下人员心理损伤机理及干预方法研究。

2 防护技术

目前，舰载机起降对甲板作业人员生理心理损伤的防护技术主要有以下4 个方面：

1）声源控制技术

声源控制技术主要是指从损伤源头去控制噪声等危害的产生，主要包括2 个方面，一是改进发动机尾喷管结构，可设置成锯齿喷管、波瓣喷管或偏置喷管等；二是改善舰载机发动机的排气特性，实现舰载机优化。由于现代民航客机采用了如大涵道比发动机、锯齿形喷口等各种最新降噪技术，其高噪声区域明显小于军用飞机。

2）传播途径控制技术

传播途径控制技术主要是指切断或者减弱损伤源传播到甲板航空保障作业人员的途径，主要包括2 个方面，一是新增移动隔声屏等防护设备；二是对偏流板进行降噪优化设计。比如通过微穿孔板结构能够起到有效的消声降噪效果。微穿孔板结构中存在各个微小的吸声器，能够对环境中的声波进行吸收，通过声波频率之间的组合产生共振，共振之后气流进行往返，产生相应的吸声功能。

3）甲板航空保障作业人员主、被动防护设备

不断研制效果更好的防护设备，其改进方向主要有2 个方面：一是进一步提高降噪效果，主要体现在吸、隔声声学超材料的研发；二是采用更好的人体工学设计，使佩戴更方便，利用形状捕捉技术和建立耳道的3D 模型数据库，不断改进耳塞的舒适性；采用入耳式/外挂式便携式噪声监控设备，及时保障人员噪声环境暴露时间不超标。针对高热辐射和强气流冲击的影响，防护设备的研究方向仍然主要是提高可穿戴服装材质的隔热吸热性以及抗冲击能力。

4）甲板安全管理制度的动态调整

除了从损伤源、传播路径以及防护设备等方面采取措施外，还可在保证舰载机起降作业效率和可靠性的前提下，对甲板航空保障作业人员的战位进行优化，以避开高损伤区域。此外，还要充分考虑甲板航空保障作业人员的身体状况、累积工作时间及工作环境等因素，对换班时间和换岗进行动态调整以消除人员疲劳和烦恼等心理影响，并实现甲板安全管理制度和作业流程的标准化。

3 美海军舰载机起降对甲板作业人员生理心理影响研究

3.1 测试技术

防护设备的研制和使用需要首先了解损伤源的损伤区域和数值范围，以甲板噪声为例，需开展甲板噪声测量，掌握噪声场分布规律，为分区进行损伤防护提供指导。 根据公开资料显示， 美海军在“ 小鹰” 号、“肯尼迪” 号以及 “艾森豪威尔号” 等多艘航母上开展了甲板噪声测量工作，涉及的机型包括：F-4、A-4、EA-6B、F/A-18C/D、F-14B、S-3B、AV-8B 和F-35C。已基本掌握了甲板噪声场的分布规律[2]。测量工作分为陆地测量和实船甲板测量2 部分，如图1 所示。

鉴于噪声测量不应干扰飞机起降，因此美军在实船甲板测量中只布置了少量麦克风固定测点（见图2）以及移动式测点，得到有限位置的噪声信息。

然后通过陆地测量布置数量较多的麦克风固定测点得到舰载机起飞状态下喷流噪声场分布。但由于陆地测量与实船甲板测量环境的不同，使得2 种测量方式得到的数据存在一定的偏差。为此，美海军通过实验详细研究了喷流冲击在模型偏流板上的中、远声场、地面高度对声场特征的影响以及偏流板对声场的影响，并试图把冲击喷流噪声研究从实验室缩比模型扩展到真实全尺寸模型，从而建立甲板环境场预测模型，再利用实船甲板测量数据进行模型验证[3-5]。

3.2 分布规律

通过建立并验证甲板环境场预测模型，即可分析得到舰载机起降过程中甲板环境场分布规律[6-8]。在美海军航空训练与作业标准化程序文件和各飞机的海军航空训练与作业标准化程序中，对舰载机发动机不同状态运行时产生的轰鸣噪声强度分布进行标注，特别是针对美喷气式飞机的噪声水平，如图3 所示。美军高性能喷气式飞机发动机在军用推力和加力推力时，通常可产生130～150 dB 的噪声。

图 3 飞机近场噪声水平（在机首与中心线夹角45°，离机15 m 处测量）Fig.3 Near-field noise level of aircraft (the angle between the nose and the center line at 45 degrees, 15 meters away)

美国MIL-HDBK-844A 军标提供了各舰载机排气和噪声危险区的示意图，并对舰载机起降过程中的危险源和影响范围进行了说明[9-11]。图4 为美国E-2C “鹰眼” 预警机噪声危险警示区域，图5 和图6分别为美国航母准备弹射舰载机时，飞行甲板航空保障作业人员所处位置及相应噪声分布情况。

图 4 美国E-2C“鹰眼” 预警机噪声危险警示区域Fig.4 Noise risk warning zone of American E-2C Eagle Eye AWACS

图 5 航母舰载机起飞前飞行甲板航空保障作业人员所处位置Fig.5 Location of aircraft support operators on flight deck of carrier-based aircraft before take-off

图 6 航母舰载机起飞前人员不同位置噪声分布Fig.6 Noise distribution in different positions of carrier-based aircraft personnel before take-off

图6 中半径30.5 m 的圆通常是美海军舰载战斗攻击机噪声危险区，在该区域内噪声通常达125～150 dB；半径9.1 m 的圆形区域则为更危险的区域，在该区域中噪声达约150 dB；12.8 m 为舰载机弹射起飞时，航母飞行甲板上划定的安全线距离起飞中线的大致距离。

从图6 可以看出，美国航母准备弹射舰载机时，部分飞行甲板人员所处位置噪声很大。尤其是2 名后部最终检查员（橙色三角形）因为工作流程的需要，必须停留在图示位置较长时间，承受高噪声时间较长，该位置噪声达150 dB 左右，若没有保护措施，人只能在该环境下停留0.31 s，即使在一次弹射中，他们所接受的噪声也会严重超标。

此外，美海军航空训练与作业标准化程序文件和各飞机的海军航空训练与作业标准化程序中还对各舰载机不同运行状态尾喷口气流的速度和温度进行标注和说明[12-13]，图7 为E-2C “鹰眼” 预警机发动机在不同状态运行时尾喷口气流温度场和速度场。

3.3 防护措施

结合甲板环境场预测分析及实船甲板测量，即可对不同战位的甲板航空保障作业人员进行分级损伤防护[14]，视情配戴耳塞以及带降噪耳罩的头盔。美国航母飞行甲板作业人员最常用的3 种耳塞以及配戴的2 种头盔（带降噪耳罩）分别如图8 和图9 所示。耳塞和耳罩的损伤风险指标如图10 所示。

由于强噪声环境对人体的损伤很大程度上体现为时间的累积效果，因此甲板作业人员还佩戴了具有暴露时间统计功能的声监测仪，一方面可实时监控人员经历的强噪声时间及过程，另一方面也能在暴露时间达到限值后，及时提醒作业人员撤离现场或者采用更高等级的防护措施。

迄今为止，美海军推广使用了多型听力保护设备，降噪效果不断提高。如仅佩戴头盔就可降低21 dB噪声；仅使用膨胀泡沫耳塞可降低22 dB 噪声；佩戴双层听力保护设备可降低30 dB 噪声。2009 年2 月，“艾森豪威尔” 号航母上700 多名舰员配备了定制深插耳塞，更加贴合人的耳道，保护效果更好，单独使用可降低29 dB 噪声；在同时使用头盔和这种耳塞的情况下，可降低42 dB 噪声；美海军正在研发主动降噪耳塞，可在被动降噪的基础上，通过产生反相声波，进一步减小到达人耳的噪声大小，这种主动降噪耳塞在配合头盔使用时，可降低47 dB 噪声。图11 总结了美海军噪声防护设备的现状及发展趋势。

图 9 美国航母飞行甲板人员配戴的2 种头盔（带降噪耳罩）Fig.9 Two helmets (with noise reduction earmuffs) for american carrier flight deck personnel

图 10 耳塞和耳罩的损伤风险指标Fig.10 Damage risk indicators for earplugs and earmuffs

此外，美海军还制定了人员防护服装的相关标准，并针对个人防护设备的正确使用及限制对甲板作业人员进行了培训，医疗部门的代表则主要辅助采购医疗领域专用的个人防护设备。安全军官负责监督特定工作或环境中个人防护设备的使用，并确保人员正确穿着个人防护设备。在 “基本或定期工业卫生检查”、《海军舰艇技术手册》（NSTM）、《危险材料使用手册》（HMUG）和《维修需求卡》（MRC）的相关章节中，都有对工作场所的评估和建议，应根据这些评估和建议选择个人防护设备。不同站位的飞行甲板作业人员所穿着的防护服装等级不同，主要取决于所承受的压力冲击、热辐射等环境条件，服装材质、重量、厚度、承压能力和粘附力等参数均有相应的物理标准。针对高热辐射和强气流冲击，采取的防护措施主要是穿戴隔热材质的服装以及抗冲击防护背心等设备。对于航母甲板作业人员在作业过程中可能受到的周边环境设备带来的损伤，同样在人员防护设备当中进行考虑。

3.4 作业标准

美军从第一架舰载机上舰开始，到目前美军最先进的 “福特” 级航母建造，经过近一个世纪的发展，其航空保障技术体系已趋于完备。美海军制定了航母飞行甲板安全的相关规定，对飞行甲板作业人员的常规防范措施、必须穿戴的防护设备以及甲板作业禁止事项进行了强调说明[15]。图12 为美海军标中规定的不同噪声下甲板作业人员允许暴露的时间。

在航母上，每次飞机弹射起飞时，飞行甲板作业人员暴露于飞机噪声的时间约20～30 s。一名飞行甲板人员通常最忙碌的一天要完成约60 次弹射起飞和60 次着舰回收。美海军通过研究和实践，将85 dB 作为控制标准，并规定人每天在85 dB 噪声环境中暴露时间不允许超过8 h，噪声每增加3 dB，允许暴露时间就要减半。

图 11 美海军噪声防护设备的现状及发展趋势Fig.11 Current situation and development trend of noise protection equipment in US Navy

图 12 美海军标中不同噪声下允许暴露时间Fig.12 Permissible exposure time under different noise in US Navy standards

在充分了解舰载机起降作业产生的强噪声、高热辐射以及强冲击等危险源性质后，结合舰载机起降过程飞行甲板作业人员的分布，对不同性别、不同年龄和不同工作类型等条件的飞行甲板作业人员的身体防护能力进行了调查统计分析，分类制定了美海军飞行甲板人员损伤防护作业标准，主要体现在头部防护、脚部防护、手部防护、安全服装、人员跌落防护以及人员漂浮装置等可穿戴的防护设备上。

4 结 语

通过上述分析可知，美海军非常注重舰载机起降对甲板航空保障作业人员造成的生理和心理损伤研究，其不仅对舰载机起降过程各损伤源和具体的损伤情况进行分析，对各种飞机排气和噪声危险区也在相关国军标中进行示意，还制定了航母飞行甲板安全的相关规定，对飞行甲板作业人员的常规防范措施、必须穿戴的防护设备以及甲板作业禁止事项进行强调说明。此外，美海军还制定了人员防护服装的相关标准，不同战位的飞行甲板作业人员所穿着的防护服装等级不同，服装材质、重量、厚度、承压能力和粘附力等参数均有相应的物理标准，真正实现了分区防护。尽管如此，美海军仍然致力于从声源控制、传播途径控制以及主被动防护设备等方面试图研制出更好的防护设备来充分减轻舰载机起降对甲板作业人员的生理心理影响。

我国针对舰载机起降对甲板作业人员生理心理影响研究仍处于摸索起步阶段，迫切需要我们引起足够的重视，也需要我们结合自身装备实际状态和研究现状，从损伤源、损伤机理、损伤限值、防护机理、防护设备及防护标准等方面成体系的对该问题进行研究，明确环境场分布规律，研制出符合我国现状且高效的防护设备，制定出合理可靠的损伤防护措施、甲板安全管理制度和研究机制，真正实现分区防护，最大程度的减少舰载机起降对甲板航空保障作业人员的生理心理负面影响。

相关研究的重难点主要包括以下3 个方面：

1）舰载机高温超音喷流产生的强噪声、高热辐射以及强冲击环境场的生成机理研究需进行大量的实验室实验及仿真模拟，并结合真实甲板作业环境，建立甲板环境场预测模型，利用测试数据进行验证，从而得到舰载机群多源耦合飞行甲板环境场分布规律。研究内容工作量大，专业性强，需要考虑的因素也较多；

2）舰载机高温超音喷流的飞行甲板环境场生成机理、舰载机群多源耦合飞行甲板环境场分布规律以及飞行甲板复杂应激环境下人员生理心理损伤机理研究，涉及空气动力学、声学、医学、生物学和心理学等学科基础理论和研究方法的交叉融合，具有一定的难度；

3）飞行甲板作业人员生理心理损伤防护机理、安全限值和具体的防护措施研究需结合国产航母飞行甲板航空保障作业人员的防护现状、人体的可承受能力和工作环境特点，从主、被动防护设备及甲板安全管理制度和作业标准等方面进行综合考虑。