面向气流场的直升机舰船上层建筑设计评估方法

贺少华， 姚国英， 谭大力

(中国人民解放军92942部队，北京 100161)

0 引 言

美国海军直升机舰船的气流场研究始于1999年1月，在当时的某型两栖攻击舰舰机适配性试验中，V-22倾转翼飞机在着舰靠近艉部时经常出现不知原因的摆振[1]。针对该问题，美国海军开始舰船-旋翼舰载机动态界面(Dynamic Interface，DI，国内有学者根据其物理内涵，将其译为“动态配合”)的持续研究。动态界面描述舰船-空气-舰载机的耦合动力学行为，耦合效应出现的根源为舰船气流场。

舰船气流场是海上自然风在流经舰船时，受船体和上层建筑阻挡，在艉部起降平台附近形成的复杂结构空气流场，类似卡门涡街现象。为得到相对理想的舰船气流场，使舰载直升机具有更好的起降环境，舰船上层建筑在设计时不仅需要考虑隐身性、功能性问题，而且需要考虑气流场因素，面向气流场的舰船上层建筑设计评估成为一个较有研究价值的科学问题。

舰船气流场在本质上是一种非定常流场，其特征获取可采用实船试验[2]、缩比模型风洞试验[3]和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)建模仿真[1,4]等方法。实船试验可得到高质量舰船气流场特征数据，但受环境、人力、测量设备、飞行员、舰载机等多因素影响，且需要针对不同风向-风速组合，其代价较高、安全风险大。缩比模型风洞试验(一般为1∶100)可针对不同风况得到有价值的测量数据，但很难对舰-机耦合效应进行模拟，且由于雷诺数减小，非定常流的脉动频率、流动分离、旋涡等特征均发生变化，与实船存在差异。虽有研究发现这些特征的基本形态与雷诺数弱相关[4]，但该发现并未在理论上得到证明。与其他2种方法相比，CFD建模仿真是一种综合较优方法。

针对气流场的舰船上层建筑评估，在以往研究中，通常不考虑舰载机在场，采用实船试验、缩比模型风洞试验或CFD建模仿真获取不同风况下的舰船气流场特征，考察涡流区、湍流强度、下洗气流区等关键特征指标，仅凭经验直接得出“较理想”等定性评估结论。考虑气流场的舰船上层建筑优化设计在工程中难以实现，主要有2个原因：(1)对于航空母舰、两栖攻击舰等大型直通式甲板舰船，上层建筑设计首先须考虑隐身、飞行甲板设备空间布局、资源保障便利性等因素，气流场优化在其次，且上层建筑局部的“修修补补”并不会对气流场产生显著影响，因此，其上层建筑优化设计的潜能并不大；(2)对于驱护舰等非直通式小甲板舰船，舰载直升机起降局限在相对较小的空域内，舰-机耦合效应不可忽略，不考虑舰载机的舰船气流场(舰船上层建筑设计)评估，其准确性缺乏可信度。

对此，提出一种针对气流场的舰船上层建筑设计定量评估方法。

1 方法描述

1.1 飞行员操控负荷定量评估

通过实船试验、缩比模型风洞试验或CFD建模仿真获取舰船气流场特征数据，以查询表的形式存储起降空域内各关键点非定常气流场特征数据，特征数据记录时间≥30 s。起降空域为长方体形(见图1)，长方体沿艏艉方向的长度≥1.5倍为起降平台长度，沿左、右舷方向的长度≥2倍为起降平台宽度(若在左舷进场着舰，则宽度为自起降平台右边沿向左舷方向2倍平台宽度；若在右舷进场着舰，则与左舷情况对称)，长方体高度≥15 m，长方体内关键点分布密度满足舰载直升机主旋翼长度方向不少于10个点。飞行员在飞行模拟器上进行模拟舰上起降飞行时，在起降空域内添加上述舰船非定常气流场特征数据。在添加非定常气流场特征数据前，舰载直升机在自由空气来流(海上自然风)条件下由飞行员调整至平衡状态、悬停；在添加非定常气流场特征数据后，受气流场影响，此时舰载直升机不再处于平衡状态，存在不平衡力和力矩。

图1 舰载直升机起降空域示例

依次考察舰载直升机在图2所示空间点位置受到的不平衡力和力矩：7个空间点与机库上沿同高，3号点的位置为着舰点的正上方，7号点的位置为左舷偏左1个飞行甲板宽度(对应舰载直升机在左舷进场着舰)。舰载直升机姿态保持悬停、固定，记录30 s内直升机重心处的非平衡力和力矩的变化。

图2 舰载直升机空中固定点的位置

在得到不平衡力和力矩的时间历程后，利用文献[5]提出的频域分析方法，用0.2～2.0 Hz的载荷积分平方根(均方根)表示舰载直升机飞行员的操控负荷，该分析方法考虑这样一个事实：非定常气流载荷虽施加在很宽的频率范围内，但高频载荷(>2.0 Hz)并不重要，因为舰载直升机的惯性使其不会对高频载荷具有显著响应；对于低频载荷(<0.2 Hz)，飞行员可通过对舰载直升机的简单操控加以抵消；0.2～2.0 Hz的气流载荷对飞行员的操控负荷(对直升机的操控频率和幅度)影响最大。

1.2 舰载直升机操控裕度定量评估

评价气流场对舰载直升机起降影响的另一指标为舰载直升机操控裕度，包括总距、周期变距、尾桨距操控裕度等[5]。操控裕度可由第1.1节中的不平衡力和力矩的时间平均载荷表示。

1.3 起降空域空气温度变化(或变化率)定量评估

舰船烟囱排烟影响舰员驻舰舒适度、舰船表面温度(红外特征)和舰载直升机起降空域空气温度场分布，而排烟飘散受舰船气流场影响，即舰船上层建筑设计(气流场设计)需要考虑对烟囱排烟飘散特性的影响。若舰载直升机浸没在排烟中，被加热的环境空气具有较低的密度，主旋翼产生的升力将变小；高温和温度空间变化会对舰载直升机发动机功率产生不利影响。目前，舰船舰载直升机起降空域内空气温度的空间变化率限制尚无标准依据，但对于使用工业燃气轮机发电的海上石油/天然气平台已有相关要求。

英国民航局在CAP 437文件《海上直升机降落区域：标准指南》[6]中声明：直升机起降平台空域平均温升率超过2 ℃/3 s时，应警示直升机飞行员，飞行员据此进行相应操控调整；可通过风洞试验或CFD建模仿真得到温升率预判结果。

挪威海洋石油公司在C-004标准[6]中讨论平均温升值，但没有提到3 s的时间间隔，该标准建议使用CFD建模仿真方法预测燃气轮机排气引起的直升机起降空域内的空气温升，并参考如图3所示的温度梯度矩阵：根据温度/高度数据，矩阵发出“正常操控”、“警告”或“停止操控”提示。在>2 ℃温升时，发出“警告”提示；在>30 ℃温升时，禁止直升机起降。C-004标准与CAP 437文件要求类似，即飞行员在靠近平台时应采取措施尽可能避免进入动力系统排气中，并适当调整操控，谨慎作业。

图3 降落平台空域不同温升对应的直升机操控要求

2 应用实例

2.1 不平衡力和力矩

分别选择大、中、小等3种不同主尺寸的舰船。图4为某型直升机在图2所示7个位置的时间平均载荷和均方根载荷，显示量化后的上层建筑主尺寸对舰载直升机操纵影响的结果，对比不同上层建筑设计(不同主尺寸)的差异。

图4 直升机在空中典型位置的时间平均载荷和均方根载荷

对于时间平均载荷，舰载直升机在舰船气流场影响区域外，旋翼推力等于直升机的重量70 kN。在舰载直升机通过舰船气流场时，由于旋翼各点位置的气流速度在大小和方向上非定常，主旋翼产生的升力变小，飞行员通过增加发动机功率补偿升力不足，因此，气流场施加至舰载直升机的时间平均载荷是需要飞行员施加稳定操控的一种量值，在操控裕度仅剩10%时，可认为已达到起降能力边界。

对于均方根载荷，飞行员操控负荷可用舰船气流场施加的0.2～2.0 Hz的不平衡力和力矩的均方根进行衡量(图4以垂直方向载荷为例)，均方根越大，飞行员必须通过幅度更大的操控动作消除舰载直升机的失稳，操控负荷就越大。

由图4可看出：上层建筑主尺寸越大，舰船气流场施加至舰载直升机的时间平均载荷和均方根载荷就越大。舰载直升机在位于甲板左舷边缘上方(5点位置)时，受自机库垂直边脱落的非定常剪切流影响，不稳定气流载荷相对较大；在位于着舰点正上方时，正好避开不稳定气流的影响，不稳定气流载荷变小；随着进一步移向右舷，不稳定气流载荷逐渐增加。

文献[7]证明上述实例研究的正确性。图5显示SH-60B海鹰直升机在英国皇家海军23型护卫舰和波浪级油船上以艉部左舷着舰方式着舰、±90°甲板风范围内的空气流线。采用甲板界面飞行员精力量表(Deck Interface Pilot Effort Scale，DIPES)或贝德福德工作量评定量表(BedFord Workload Rating Scale，BWRS)衡量着舰难度差异[6]。DIPES根据飞行员工作量、表现、精度和一致性对每次着舰进行评分：等级3或更低表示在该环境条件下，实现安全着舰的概率较高；等级4或等级5表示安全着舰难以实现，将该环境条件划至风限图外，即禁止舰载直升机在该环境条件下起降。图6的(a)和(c)表示飞行员的DIPES等级点，图6的(b)和(d)中的粗实线表示通过DIPES等级点绘制的安全边界(风限图边界)，虚线表示舰载直升机可承受的侧风极限。

图5 23型护卫舰和波浪级油船在某风况下的空气流线

图6 采用DIPES评定法绘制的23型护卫舰和波浪级油船的风限图

结合飞行员操控活动和反馈可发现：尽管波浪级油船的飞行甲板面积更大，但其安全飞行风限图比23型护卫舰小得多。其原因在于：舰船气流场包含不稳定的旋涡结构，这些结构自上层建筑的锐边脱落，船越大，则主旋涡越大，与舰载直升机主旋翼尺寸更加接近，在舰载直升机上产生更大的不稳定力和力矩，且不稳定载荷频率更加接近舰载直升机的振动主频率。在飞行员试图通过操控抵消气流施加在舰载直升机上的不稳定载荷以保持悬停时，不稳定载荷频率可导致出现飞行员诱发振荡。

图7中的数据同样来自文献[7]的试验数据，风向角为偏右舷45°，飞行员需要通过调整尾桨以保持航向。图7显示为在着舰点上方位置保持悬停飞行员脚蹬动作的时间历程，纵坐标表示与配平位置(脚蹬位置)的偏差。在波浪级油船上出现更多的操控活动，表现为施加更激烈的脚蹬动作，说明飞行员的操控负荷更大。

图7 飞行甲板着舰点上空悬停时的飞行员操控活动差异

2.2 起降空域空气温度分布

KAEAERIAE等[6]考虑海洋石油和天然气工业标准在柴燃联合动力战舰上的适用性。图8显示某型舰非定常气流场内等温面的瞬时图像，该等温面考虑舰船烟囱排烟，并显示正在甲板上空进行着舰作业的舰载直升机，此时该舰处于逆风状态。不稳定的舰船空气流会导致烟囱排烟热量在飞行甲板上空产生对流，最大可引起10 ℃温升，超过CAP 437提到的2 ℃/3 s的标准，对应图3矩阵中的“警告”等级。值得注意的是：由于与高度不稳定的甲板空气流场混合，该舰烟囱排烟温度下降非常迅速(烟囱出口初始温度约500 ℃)。由图8还可发现：排烟被舰船气流夹带至该舰桅杆尾部的回流区。

图8 某型舰烟囱排烟的瞬时等温面

3 结 语

舰船上层建筑设计在满足隐身性、功能性等要求的前提下，为使舰载直升机具有良好的起降环境，需要考虑气流场设计。应用实例表明，上层建筑主尺寸较大的舰船，其舰载直升机受到的气流载荷更大，对应的风限图更小。舰船烟囱排烟分布和起降空域温度分布会影响舰船的红外特征，在舰船上层建筑设计时需要考虑。现代船舶设计的发展，如为使雷达反射截面积减小而进行的舰船外形几何设计、大型集成桅杆和新型燃气轮机发动机(烟囱)设计等均将影响舰船气流场，因此需要同步考虑舰船气流场(上层建筑)设计问题。