張 勇 周 益

1 沈陽飛機設(shè)計研究所總體氣動部，遼寧沈陽 110035 2 中國人民解放軍92728部隊，上海 200436

1 引 言

航母戰(zhàn)斗群的核心是用于保障航空聯(lián)隊執(zhí)行全天候作戰(zhàn)任務(wù)的具有寬大甲板的航空母艦。為充分發(fā)揮艦載機的作戰(zhàn)效率，實現(xiàn)航母與戰(zhàn)斗機的最佳適配，需要研究適于艦載機使用的甲板運動準(zhǔn)則，它是航母設(shè)計和飛機設(shè)計的初始輸入，對完成航母戰(zhàn)斗群的使命具有決定作用。

甲板運動準(zhǔn)則的形成是一個漸進的過程，在此過程中，既要考慮已有艦船的使用經(jīng)驗，還要兼顧艦船的典型使用海況。

2 機艦接口定義

機艦接口由艦的運動、甲板周圍的流場及其對飛機著艦的影響來定義［1］。如圖1所示，艦對海浪的響應(yīng)可以分解為圍繞運動中心的6個量，即3個平移量（縱向、橫向和升沉）和3個轉(zhuǎn)動量（橫搖、縱搖和偏航）。艦上任意點的旋轉(zhuǎn)運動分量與重心處的相同，而平移運動的縱向、橫向和升沉分量則與其距重心的距離相關(guān)，是由縱向、橫向、升沉、橫搖、縱搖以及偏航運動復(fù)合而成。

對飛機著艦影響較大的因素是甲板的穩(wěn)定姿態(tài)和甲板風(fēng)。穩(wěn)定的甲板姿態(tài)由艦的配平（艦艏或艦艉的高低）和傾側(cè)（左舷或右舷的高低）定義。甲板風(fēng)定義為相對風(fēng)，是自然風(fēng)與艦速的矢量和［2］，如圖2所示。

艦載機無論是采用滑躍起飛還是彈射起飛，其本質(zhì)都是能量增加的過程，對甲板風(fēng)的要求源于起飛重量的考慮。在滿足起飛重量所需的甲板風(fēng)條件下，飛機逆風(fēng)起飛，以減小對發(fā)動機推力的需求。

3 傳統(tǒng)的甲板運動準(zhǔn)則

上世紀(jì)70年代，美國海軍轉(zhuǎn)變艦艇發(fā)展重心，開始傾向于設(shè)計排水量較小、價格較便宜的航母和航空艦。所遵循的艦艇運動準(zhǔn)則如表1所示，運動限制由最大幅值（或有效值）的1／3抽樣平均值獲得，以保證100%達到性能要求。

4 “中途島”艦橫搖運動及影響分析

1986年，“中途島”號航母加裝了縱向延展船體2／3、由飛行甲板至水線以下很深的護板，如圖3所示。但1986年末，當(dāng)“中途島”號駛出船廠后，很快就發(fā)現(xiàn)其甲板運動經(jīng)常不能令人滿意，存在著意想不到的運動現(xiàn)象，而且甲板過于潮濕。甲板的運動雖然滿足已有的準(zhǔn)則，但有時卻無法滿足飛機甲板轉(zhuǎn)運安全方面的要求。

為改善“中途島”號航母運動的穩(wěn)定性，需要制定新的甲板運動精確準(zhǔn)則，以評估每項改進措施的效益。為此，召開了艦上航空工程師討論會，并對相應(yīng)噸位的航母進行了實際運動的海上測量，以全面評估已有的準(zhǔn)則并提出修改建議。

表1 20世紀(jì)70年代航母子系統(tǒng)準(zhǔn)則總結(jié)Tab.1 Summary of 1970′s subsystem criteria

4.1 航空討論會

航空討論會得到的初步設(shè)計準(zhǔn)則如表2所示。設(shè)計準(zhǔn)則適用于中等海情（海況4，浪高1.2～2.4 m）、限制值用于最大的使用海情（設(shè)計準(zhǔn)則即為艦體的運動最優(yōu)值）。為便于設(shè)計使用，縱搖、橫搖和艦尾的位移均以單次有效幅值給出。

由表2可得出以下結(jié)論：

1）橫搖的幅值和周期對甲板轉(zhuǎn)運的影響最大。一般情況下，在進行彈射及回收作業(yè)時并不特別關(guān)注橫搖運動，除非它已影響到彈射飛機的占位和從著陸區(qū)移除飛機。

2）縱搖周期和幅值會對彈射和回收作業(yè)產(chǎn)生重大影響。進行彈射作業(yè)時，艦體周期必須是可預(yù)測的，能持續(xù)足夠長的時間，以確保在艦首的上仰過程中飛機離開甲板，從而避免過度的軌跡下沉，縱搖幅值受到浪花情況的約束。進行回收作業(yè)時，縱搖幅值會受到菲涅爾透鏡的機械故障限制，縱搖周期會受到著艦信號官（LSO）的反應(yīng)時間和通信／飛行員的反應(yīng)時間限制［3］。

表2 設(shè)計準(zhǔn)則Tab.2 Workshop design criteria

3）甲板風(fēng)會嚴重影響甲板的轉(zhuǎn)運工作。傳統(tǒng)上，甲板風(fēng)也是彈射和回收作業(yè)的限制量，即具有彈射／回收作業(yè)的甲板風(fēng)允許包線，目的是限制航母與迎面海風(fēng)及海況的遭遇航向和速度，降低遭遇次數(shù)，以使艦體的運動最?。?］。在甲板轉(zhuǎn)運時，航母的航向和速度由運輸要求確定，它會對航母和飛機產(chǎn)生風(fēng)載，從而影響飛機的移動。隨著甲板的變濕，限制值會迅速降低。

4）升沉和橫移對回收的影響很獨特。橫移會使偏心嚙合增加，導(dǎo)致對攔阻裝置要進行更多的檢查與維護。升沉?xí)c縱搖及其他運動相復(fù)合，從而導(dǎo)致艦尾上下運動。艦尾移動，不管其是如何取得的，都是LSO的復(fù)飛判別準(zhǔn)則。在極端情況下，艦尾的位移及其速度所產(chǎn)生的著陸載荷會達到起落架的限制載荷。

4.2 海上測量

由于航母的配平、傾側(cè)和動態(tài)橫搖或縱搖，會導(dǎo)致船體傾斜。橫向加速度源于船的橫搖幅值和周期，周期越短，加速度越大。在橫向加速度達到0.1g 時，飛機會產(chǎn)生運動，達到 0.15g 時，運動反而會停止。垂直加速度源于升沉和縱搖運動（幅值和周期）。甲板傾斜與橫向加速度的復(fù)合效應(yīng)會在飛機或艦面裝置上產(chǎn)生橫向力，在極限情況下會導(dǎo)致飛機或艦面裝置的滑動或傾倒。垂向加速度會導(dǎo)致艦面裝置變輕或變重，改變它們對甲板的附著力。

5 更新的甲板運動準(zhǔn)則

甲板運動準(zhǔn)則的最終結(jié)果如表3所示，甲板姿態(tài)準(zhǔn)則如表4所示。對于甲板風(fēng)，飛機轉(zhuǎn)運的限制值為35 kn，每種飛機與航母組合形成的彈射／回收限制由具體的公告板給出。

表3 CV／CVN甲板運動限制準(zhǔn)則Tab.3 CV ／CVN limiting deck motion criteria

表4 CV／CVN姿態(tài)限制準(zhǔn)則Tab.4 CV ／CVN limiting attitude criteria

5.1 甲板運動限制準(zhǔn)則的使用

1）無約束值適用于海況4級、浪高有效值為1.2～2.5 m以下的航母，允許航空活動按常規(guī)進行，無時間限制。

2）對于約束使用值，航空活動雖可進行，但工作負荷會增加。在此情況下，船體的運動成為活動進展的主要因素，這些準(zhǔn)則決定了高海況情況下航母的使用能力。

3）在2個值之間，隨著運動幅值的加劇，航空活動的品質(zhì)逐漸降低。

4）坡道的水平位移、垂直位移和觸艦點的垂直速度是針對飛機回收給出的，橫搖和縱搖限制適用于航空使用（彈射／回收、艦面轉(zhuǎn)運、選定的維護活動和武器操作）。

5）當(dāng)艦體運動的有效值不超過給定值、響應(yīng)周期不小于給定值時，滿足準(zhǔn)則。

6）準(zhǔn)則適于中等使用狀態(tài)的甲板，即甲板潮濕、有油污、具有積鹽且已磨損，但仍防滑。最惡劣的環(huán)境因素（霧、雨、雪、冰等）組合不予考慮，因為其不經(jīng)常出現(xiàn)。

7）不區(qū)分白天和黑夜，準(zhǔn)則均適用。

8）準(zhǔn)則主要考慮了飛行甲板上飛機的使用，同時也考慮了運動對維修、武器加掛、飛機在升降梯及機庫甲板轉(zhuǎn)運的影響。

5.2 甲板運動準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)使用

如果艦艇的橫搖周期低于10 s，飛機連續(xù)移動的前提是保證艦艇的橫搖角小于2°（SSA）。如果橫搖角超過2°，橫搖將成為考慮的重要因素。

實際上，飛機的移動必須在1／4周期內(nèi)完成。因此，20 s的橫搖周期便提供了5 s的移動飛機窗口。如果將4.5 s的窗口作為評估限制值，則橫搖周期至少需要18 s，圖4所示為橫搖限制準(zhǔn)則。如果橫搖周期大于20 s，在克服極大困難的前提下，可以容忍橫搖幅值達到3°。當(dāng)橫搖周期在18 s以內(nèi)時，2°是最大值；在18～20 s，伴隨艦艇運動的工作由船員的經(jīng)驗和能力決定。

著艦信號官能看見由艦艇的橫向、橫搖和航向的復(fù)合作用而導(dǎo)致的坡道水平位移。水平位移小于1.5 m時，不會引起偏心著艦，但當(dāng)水平位移接近4.6 m時，偏心著艦便成為可能，就會有損壞攔阻裝置和其它飛機的風(fēng)險。準(zhǔn)則考慮的是總水平位移［5］。

坡道的垂直位移由艦艇的縱搖、橫搖和升沉復(fù)合而成。在極限情況下，其運動會超過菲涅爾透鏡系統(tǒng)（FLOLS）的穩(wěn)定能力，從而增加飛機撞擊艦尾的風(fēng)險。對于限制值，艦艇的反饋表明，＋3～-4.6 m是可以接受的。考慮到運動幅值在均值兩側(cè)的等值分布，進一步將其限制為有效值±3 m［6］。

縱搖運動會影響到飛機的彈射、回收和轉(zhuǎn)運，圖5所示為縱搖限制準(zhǔn)則。在縱搖限制值為2°時，飛機必須在縱搖周期的上仰部分彈射，在此情況下，縱搖周期為15 s或更大是安全彈射飛機所必須的。當(dāng)艦艇的縱搖周期在10 s以下，降到7 s時，縱搖最大值為1°。對于飛機的回收，2°的限制值也對應(yīng)于FLOLS系統(tǒng)的限制值。在縱搖幅值小于1°時，縱搖周期對飛機的彈射和回收都沒問題。

飛機與甲板之間允許的最大相對垂直速度由飛機的起落架強度決定。進近飛機的下沉率部分使用了允許的速度，強度余量界定了最大可用的甲板速度。垂直速度準(zhǔn)則是單值準(zhǔn)則，因為一旦起落架全部壓縮，就會有損壞的風(fēng)險。

5.3 甲板姿態(tài)限制準(zhǔn)則的使用

0.5°的艦首配平限制值是由飛機彈射艦首的下沉量所決定。飛機回收時，F(xiàn)LOLS穩(wěn)定無約束的配平值只有0.25°。當(dāng)甲板縱向水平配平時，F(xiàn)LOLS具有較低的穩(wěn)定限制值，它限制了透鏡的穩(wěn)定行程，僅能穩(wěn)定下滑道以下的1.25°縱搖。艦首配平消耗了一部分等效的行程，經(jīng)驗表明，當(dāng)配平大于0.25°時，F(xiàn)LOLS 的縱搖穩(wěn)定便開始受到很多限制，縱搖的幅值開始時常超越剩余的透鏡行程，投射出的肉球（飛行員用于保持下滑道）也開始跳躍。艦首配平減小了鉤坡距，增加了逃逸的機率［7-8］。

與0°配平相比，艦尾0.5°的配平限制值可增加10 kn最小回收甲板風(fēng)，以保持可接受的著艦載荷。隨著甲板風(fēng)的增加，擾流也會增加，從而增加了飛行員保持正確著艦姿態(tài)的工作負荷。同樣，增加艦速也可實現(xiàn)甲板風(fēng)的增大，但也會付出相應(yīng)的代價。0.5°的艦尾配平代表了飛行員可接受的最大工作負荷。當(dāng)配平變化在 0°～0.25°之間時，飛行員的工作負荷變化很小，因此，將0.25°作為無約束使用的受限值。

傾側(cè)的限制值是在考慮到回收滑出的過程中由飛機的漂移確定。超過1°的傾側(cè)會導(dǎo)致不尋常的彈射磨損，而當(dāng)傾側(cè)低于0.5°時，回收漂移處于可控的界限內(nèi)。對于飛機的彈射和回收，甲板風(fēng)必須在彈射／回收公告板的限制值之內(nèi)。典型的情況是：對航母的航向和速度加以限制，以達到15～35 kn的甲板風(fēng)，針對最敏感的機型，相對于彈射或斜角甲板的中心線，最大可以有8 kn的側(cè)風(fēng)。對于飛機轉(zhuǎn)運，所有航向都可以承受最大35 kn的甲板風(fēng)。在航母的設(shè)計評估過程中，需同時考慮甲板風(fēng)和甲板的運動。

6 結(jié) 語

準(zhǔn)則的建立反映了目前美國海軍對現(xiàn)代 “大甲板”戰(zhàn)斗群的運用能力?？梢越邮艿脑O(shè)計值是期望的使用能力的函數(shù)，對于這些值，或者說更為重要的，是方法的使用，必須要考慮其使用場景并評估其相關(guān)假定的合理性。

文中給出的值只代表設(shè)計準(zhǔn)則，不能作為使用限制。設(shè)計準(zhǔn)則的本意是給出一個可以擴展的使用包線，利用任何“設(shè)計準(zhǔn)則”建立“使用指南”都必須要全面實踐，同時考慮對使用者的影響。

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