陸 超 姜治芳 王 濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

基于艦載機起降限制的艦船氣流場特性評估方法初探

陸 超 姜治芳 王 濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

對具有搭載艦載機能力的艦船而言，其氣流場特性的評估取決于對相應(yīng)艦載機的起降氣流條件限制。通過對美國LHA型艦縮比模型的數(shù)值建模，結(jié)合兩種艦載機起降的氣流場限制條件對計算結(jié)果進行對比分析。在相同定常來流工況下，分別以±15°風(fēng)向角對該型艦數(shù)值模型的兩個起降點進行模擬取值，結(jié)合直升機和固定翼短距／垂直起落飛機的起降特性和氣流限制條件，嘗試提出一種評估艦船氣流場特性的直觀方法，并得出不同甲板氣流區(qū)域受上層建筑影響的有關(guān)結(jié)論。

空氣流場特性；風(fēng)向角；航速；艦載機；起飛/降落

1 引言

對艦船空氣流場的研究可以通過實船測量、模型試驗和數(shù)值模擬方法得出氣流場的基本形態(tài)和各參數(shù)分布，但是要準(zhǔn)確地預(yù)報其對艦載機起降特性的影響還需要考慮艦載機的詳細氣動特性，這對于方案初選階段的氣流場模擬工作是較為困難的。本文通過對國外已公布基本性能數(shù)據(jù)的典型艦載機在起降階段的基本氣流場條件進行簡單分析，結(jié)合艦船氣流場定常數(shù)值模擬計算結(jié)果，對不同邊界條件下艦上的艦載機起降特性進行了簡單評估。

2 兩型典型艦載機定常條件下起降限制分析

對艦載機起降操作的適用性是評估艦船氣流場特性即艦船艦面布置設(shè)計質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。因此，就需要明確艦載機起降時的氣動條件限制，對于已知氣動特性的飛機可以直接引用有關(guān)數(shù)據(jù)，而對于外軍裝備則可以通過已知數(shù)據(jù)進行分析，得到一個大致的限制范圍，為評估相應(yīng)載艦提供較直觀的框架。

在定常條件下，本文設(shè)定艦載機起降環(huán)境不考慮艦船的六自由度運動，飛機起降安全性僅取決于甲板附近的氣流運動。根據(jù)所模擬的艦船模型［1］，選取了美軍目前使用的兩型典型艦載機作為分析對象［1-3］，一型為目前廣泛裝艦使用的的H－60“黑鷹”系列直升機，另一型為 AV－8B“鷂”式短距／垂直起降固定翼飛機。

在考慮直升機氣動力時，必須分析由直升機旋翼、尾槳、平尾和機身所產(chǎn)生的氣動力和力矩對飛機的影響［4］。在起降階段，直升機通常是以怠速近似懸停在飛行甲板附近，因此旋翼槳盤面在周向的傾角很小，本文將其近似趨近于零，機身和平尾產(chǎn)生的氣動升力很小，因此重點對旋翼和尾槳的氣動力進行分析。此時旋翼主要提供垂直軸向上的氣動升力，當(dāng)逆向垂直氣流速度不大于旋翼所能提供的下洗氣流誘導(dǎo)速度1／4時，直升機可以保持正常起降，超過此速度則會發(fā)生渦環(huán)效應(yīng)無法對飛機實現(xiàn)有效控制，本文將此速度稱為“渦環(huán)臨界速度”。一般來講，旋翼的各速度分量與垂直方向旋翼下洗氣流速度關(guān)系如下［5］：

Wy＝Vsin（－ αs）＋v＋vβ（1）式中，Wy為旋翼來流速度即旋翼產(chǎn)生的下洗氣流速度；Vsin（－αs）為前飛速度分量；v為構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面的誘導(dǎo)速度；vβ為運動時相對氣流的速度。當(dāng)直升機在相對較低的風(fēng)速中懸停時，旋翼運動角很小，為了能分析艦載機起降的限制條件，本文近似認為Wy近似于v。而旋翼的最大下洗氣流速度可以由直升機的最大爬升率推得。

目前，已知H－60直升機的海平面最大爬升速率為 3.55 m／s［6］，則該機旋翼盤面的誘導(dǎo)速度不會超過該值，若要使該直升機安全起降，起降區(qū)域附近的逆向（向上）垂直氣流速度不得超過1／4v＝0.837 5 m ／s。

尾槳用于平衡直升機橫向的氣動合力，通過調(diào)節(jié)槳距和轉(zhuǎn)速來改變橫向拉力的大小，尾槳的控制力與橫向來流速度有關(guān)。根據(jù)有關(guān)資料，直升機通常能承受的橫向來流速度不大于23 m／s，超過這個速度尾槳將無法提供足夠的拉力來穩(wěn)定直升機航向。因此，本文將H－60直升機所能承受的橫向來流速度分量的上限設(shè)定為23 m／s。

AV－8B是一種短距／垂直起降的高速固定翼飛機，由于使用矢量推力噴管實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制，在氣流速度遠小于音速的常規(guī)天氣狀況下受艦面空氣流場變化的影響很?。?，8］，其起降性能限制應(yīng)少于直升機，由于并沒有該機的詳細氣動資料，本文認為滿足直升機起降的氣流場條件就可以滿足AV－8B的起降條件。

除以上確定數(shù)值條件之外，當(dāng)氣流速度值在一定區(qū)域內(nèi)有陡升或陡降時，表明該區(qū)域有較明顯的壓力變化或湍流出現(xiàn)，對艦載機的起降作業(yè)同樣是不利的。因此，在一定剖面內(nèi)的氣流速度變化是否平緩也是影響對艦船艦面空氣流場特性的重要因素。

3 艦船氣流場的特性評估

本文根據(jù)已有參考文獻，選定美軍LHA型兩棲攻擊艦1／120比例縮比數(shù)值模型進行CFD數(shù)值模擬。在定常條件下，以30 kn來流速度對0°、15°（艦首逆時針為正）、－15°三個風(fēng)向角條件下，利用ANSYS CFX軟件進行了數(shù)值模擬計算，并在該模型2號（位于甲板首端）和7號起降點（位于上層建筑后方）的各法向速度分量進行了取值?？紤]到空氣流場模擬的相似條件，本次數(shù)值模擬試驗在定常條件下以低速進行，馬赫數(shù)Ma＝0.045，不存在氣動壓縮性問題，湍流形態(tài)也與實船基本相同。因此，對氣流速度結(jié)果可直接用于分析，壓力的分布形式也與實船相似。以下將以2號和7號起降點為主要研究區(qū)域，結(jié)合速度等值線和壓力等值線形態(tài)對3種邊界條件下的氣流場特性進行評估。

3.1 0°風(fēng)向角艦船氣流場特性

本文首先對0°風(fēng)向角時艦船的氣流場特性進行了模擬定常計算，來流速度30 kn（15.432 m／s），在2號起降點和7號起降點橫向劃定沿甲板寬度方向上的直線，每條直線取36個取值點，將所取數(shù)值輸出并繪制散點曲線圖（圖1）。

由于模型甲板寬度為 0.3 m （橫坐標(biāo)－0.15～0.15 m），由圖1觀察到在甲板邊緣及靠近甲板區(qū)域由于垂向氣流速度大于渦環(huán)臨界速度，不利于艦載機起降，在±0.2 m位置附近為垂直氣流速度值最大位置，飛機應(yīng)盡量避開該區(qū)域。

圖2顯示7號起降點區(qū)域的垂直氣流速度分量雖然均未超過渦環(huán)臨界速度，但是在上層建筑附近（0～0.12 m）速度分布極不均勻，在－0.12～－0.15 m時出現(xiàn)明顯的速度陡降，存在一個較大范圍的低壓區(qū)域，但7號起降點位置及左舷區(qū)域適合飛機起降作業(yè)。

3.2 15°風(fēng)向角艦船氣流場特性

采用與0°風(fēng)向角條件時，相同的模擬方法得出15°時垂直速度分量散點圖（圖3）。

由圖3可以看到風(fēng)向角改變后對該區(qū)域氣流場的影響是明顯的，由于模擬過程是通過改變艦船方向來獲得不同風(fēng)向角，圖表中橫坐標(biāo)值發(fā)生改變，艦中點變?yōu)椋?.4 m位置。在中線兩側(cè)0.1 m位置均出現(xiàn)較大的速度躍變，且在起降點（－3.12 m）位置和對稱區(qū)域，垂直速度分量均超過渦旋臨界速度，艦載機可起降范圍明顯減少，起降環(huán)境劣于0°風(fēng)向角。

圖4顯示在15°風(fēng)向角時艦載機的起降環(huán)境更為惡劣，由于上層建筑的干擾，導(dǎo)致后部區(qū)域氣流速度變化劇烈，壓力變化很大，對H－60直升機的操作極為不利，僅有7號起降點附近較小范圍內(nèi)可以安全起降艦載機。圖5顯示了15°風(fēng)向角時飛行甲板附近區(qū)域的三維流線圖。

圖4 30 kn、15°風(fēng)向角7 號起降點垂直速度分布（直線為0.837 5 m／ s 位置）

從圖5可以更直觀地觀察15°風(fēng)向角時飛行甲板附近的氣流場狀態(tài)，在2號起降點附近流線開始偏轉(zhuǎn)，在經(jīng)過上層建筑后流線變化開始逐漸明顯，到達7號起降點時較為紊亂，這與圖4中出現(xiàn)較大的速度躍變是吻合的。

3.3 －15°風(fēng)向角艦船氣流場特性

以下是本文進行的－15°風(fēng)向角數(shù)值模擬后，所得指定區(qū)域的垂直速度分量散點圖（圖6）。

此時由于艦船反向偏轉(zhuǎn)船中點位于－0.2 m處，可見2號起降點此時氣流變化非常明顯，已不適于艦載機進行起降作業(yè)，但靠近甲板中部區(qū)域氣流變化平緩仍可使用。圖7可以更直觀地觀察到此時該區(qū)域氣流場的狀況。

當(dāng)風(fēng)向角為－15°時7 號著艦點區(qū)域的中點位于0.1 m 處， 此時7 號著艦點位置和上層建筑附近區(qū)域已均不適于飛機起降，由于中間速度緩和區(qū)域空間有限，已不適合AV－8B進行滑跑起飛。

3.4 定常條件下對LHA型艦氣流場特性的評估

通過對LHA兩種典型艦載機起降限制的分析和3個邊界條件下CFD數(shù)值模擬計算，已經(jīng)可以得到30 kn定常來流時該艦在±15°風(fēng)向角時的氣流場數(shù)據(jù)。但是，僅通過數(shù)據(jù)的處理和分析并不能對艦船氣流場的特性有直觀的認識，這是目前艦船氣流場研究計算領(lǐng)域長期存在的問題。

本文根據(jù)相關(guān)資料中艦載機起降性能包絡(luò)線的概念［9，10］，提出針對取值區(qū)域劃定艦載機起降扇面的方法，在定常速度條件下，每個取值區(qū)域各風(fēng)向角所適用的起降寬度用等弦長圓弧表達，扇面面積則表示該區(qū)域可供起降的適用程度。由此可見扇面面積越大，該區(qū)域氣流場特性就越適于艦載機起降作業(yè)；圓弧所跨弦長越長，所對應(yīng)風(fēng)向角就越有利于艦載機起降作業(yè)。反之亦然。

根據(jù)3.3節(jié)中的數(shù)據(jù)分析，本文繪制了30 kn定常來流時，±15°風(fēng)向角范圍內(nèi)2號和7號起降點起降扇面的圖形，見圖9。

通過圖9可以較直觀地觀察到該邊界范圍內(nèi)LHA型艦兩個典型起降區(qū)域的氣流場特性，顯然2號起降點的適用性好于7號起降點。結(jié)合上文敘述，可以認為影響該艦氣流場特性的重要因素是甲板面及上層建筑的布置形式，如要對該型艦氣流場進行優(yōu)化，則必須改變艦面布置并進行評估對比。

4 結(jié)論

利用現(xiàn)有的艦載機起降限制條件結(jié)合計算得到的艦船特定區(qū)域氣流速度結(jié)果和流線分布情況，本文提出艦船起降扇面的評估方法。在具有可供參考的艦載機起將性能數(shù)據(jù)的前提下，該方法可以為設(shè)計初始階段的方案優(yōu)選提供依據(jù)，在缺乏詳細飛機資料或具體型號艦載機時，也可以通過制定一個限制框架來進行不同艦面布置形式下的氣流場特性評估，從而指導(dǎo)艦面布置形式的優(yōu)化工作。從本文對LHA型艦的氣流場定常特性評估可以發(fā)現(xiàn)，上層建筑附近區(qū)域的起降適用范圍小于開闊區(qū)域，風(fēng)向角變化對其影響也更明顯。

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Simplified Evaluation of Ship Airwake Characteristics for Takeoff/Landing of Shipborne Aircraft

Lu Chao Jiang Zhi-fang Wang Tao
China Ship Development and Design Center， 430064， China

An evaluation of the airwake for aircraft takeoff／landing has its limitation on the conditions of ship.This paper described the adoption of LHA scaled model， takeoff／landing of aircrafts and their limitation of airwake etc.Under the same steady flow condition， by simulating the two takeoff／landing points of the scaled model with ±15°wind angles， and combining their takeoff／landing characteristics and airwake limitations of helicopters and STOVL aircrafts，it carried out a simplified evaluation of ship airwake characteristics.Conclusions show that different deck airwake areas are effected by the superstructure.

airwake characteristics； wind angle； speed； shipborne aircraft； takeoff／landing

U674.771

A

1673－3185（2010）01－39－04

2009 － 11 － 22

陸超（1981 － ） ，男，碩士。研究方向：艦船總體設(shè)計與優(yōu)化。E-mail：oceanst0626＠ sina. com

姜治芳（1963 － ） ，女，研究員。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。