艦載直升機起降安全性分析及其評估＊

（海軍陸戰(zhàn)學院 廣州 510430）

1 引言

艦載直升機的飛行安全主要是指在著艦和起飛過程中的安全。艦載直升機在狹小、運動的甲板上起飛著艦，受到甲板上方復雜尾流的強烈干擾，難度比在陸地上大得多。直升機起飛和著艦過程是事故發(fā)生率最高的階段，為預防事故的發(fā)生，對艦載直升機起飛著艦過程實施分析，研究評估艦載直升機的飛行安全性，具有十分重要的軍事意義［1］。影響直升機安全起降的因素包括：與直升機有關(guān)的因素、與艦船有關(guān)的因素、與環(huán)境有關(guān)因素、與人員有關(guān)因素［2］。

2 影響艦載直升機起降因素分析

2．1 與直升機有關(guān)的因素

由于艦載直升機使用環(huán)境不同于岸基直升機，因此影響艦載直升機安全起降的因素主要有：

2．1．1 旋翼系統(tǒng)和起落架

由于艦船運動使得飛行甲板總是處于一種不平衡的狀態(tài)，因此直升機停放在甲板上會有發(fā)生滑移、滾動和翻傾等可能性。直升機著艦時，會出現(xiàn)單輪觸艦，起落架產(chǎn)生不對稱反作用力，直升機受力不平衡，著艦點滑移和具有翻傾的危險。同時要求直升機著艦后要保持動態(tài)穩(wěn)定，從而避免艦面共振。為適應艦船的空間限制，旋翼系統(tǒng)必須能折疊，并限制使用4～5片槳葉，同時應盡量采用無鉸旋翼以減少艦面共振的發(fā)生。

2．1．2 直升機的重量

直升機的重量也是決定能否安全起降的重要條件，如果直升機超過最大載重，就會導致起飛降落時控制失效。飛行甲板區(qū)域的風是艦船航速與自然風合成的相對風。由于受艦船卜層建筑物的影響，在飛行甲板的平面和高度方向上，風的分布是不均勻、不平穩(wěn)的，可能同時存在渦流、擾動、無風及定常流動區(qū)。這將給直升機的操縱帶來更多的困難和潛在的危險。為了提高直升機操縱準確性，并且具有適當?shù)撵`敏度和良好的機動性，要求直升機有高性能的自動飛行控制系統(tǒng)、較大的剩余功率和旋翼系統(tǒng)的升力裕度、以及良好的操縱特性。同時要求直升機具有較低的重心，以使直升機有良好的穩(wěn)定性。

2．1．3 發(fā)動機性能

發(fā)動機是直升機飛行的能力源，直升機旋翼氣動力和力矩是直升機運動的主要控制力量。在復雜多變的海上環(huán)境中，保持一定的發(fā)動機剩余功率和旋翼升力裕度，對直升機的飛行安全是至關(guān)重要的。

2．2 與艦船有關(guān)的因素

2．2．1 飛行甲板尺寸、強度、摩擦系數(shù)

直升機平臺為艦載直升機的停放、起飛、著艦、懸停及與飛行活動有關(guān)的操作提供必要的凈空和面積。為此，對其甲板的尺寸、強度、水密性、泄水能力、摩擦系數(shù)、標志和安全支援設施等均有相應的要求。

2．2．2 艦船上的建筑物及其位置

艦船上的建筑物及其位置對直升機起降也有影響。直升機搭載于艦船上，不僅飛行甲板的運動是不規(guī)則的，而且艦船的上層建筑物也是非流線型，可以看成陡壁體，在貼近飛行甲板附近的區(qū)域往往產(chǎn)生偏流、擾動、渦流等強烈復雜的紊流。這種現(xiàn)象對于總體尺度較小、上層建筑相對較大的非航母型艦船尤為嚴重。載艦的著艦場前方基本上都有高大的機庫，機庫上方豎有十幾米高的天線。直升機著艦時，若姿態(tài)控制不好，或進入著艦角度不當，或下滑高度有誤，都有可能使旋翼與機庫或天線相撞產(chǎn)生嚴重的后果。

2．2．3 艦船煙囪的排煙

艦船煙囪的排煙易在直升機飛行甲板上空造成熱輻射和擾動的卷流區(qū)，從而影響直升機的功率和操縱性能，艦船尾煙對直升機發(fā)動機構(gòu)成危害。

2．2．4 艦船運動

海浪對直升機使用安全的影響主要體現(xiàn)在艦船的運動響應特性上。在海浪的作用下，載艦表現(xiàn)為橫搖、縱搖、升沉運動，對直升機著艦影響很大。艦船在每個浪涌上下間有個短暫的平靜期，且在第3～4次浪涌時，因艦船搖擺和浪涌周期不同、互相抵消，會出現(xiàn)一個長的平靜期，短則5s，長則達37s。飛行員必須及時準確判斷艦船的暫時平靜期，抓住時機，準確地操縱直升機降落在著艦場的圓圈內(nèi)。

2．3 與環(huán)境有關(guān)因素

與環(huán)境有關(guān)的因素包括風速風向、海浪、大氣溫度密度。艦艇船體及其上部構(gòu)造使艦船上方及后方的氣流結(jié)構(gòu)變得復雜，渦結(jié)構(gòu)中包括船頭渦、邊沿渦、陡壁體渦。不同的風向、風速及艦運動對直升機安全起降有明顯的影響，艦體周圍的渦流和復雜風場對旋翼起停時槳葉飄擺、直升機懸停時的穩(wěn)定性有較大影響。

2．4 與人員有關(guān)因素

與人員有關(guān)的因素包括駕駛員技術(shù)水平、空勤人員的業(yè)務水平和心理素質(zhì)。直升機艦上起降操縱技術(shù)復雜，指揮人員要全面掌握海洋氣象情況和艦船特性，有豐富的駕駛經(jīng)驗，應急情況出現(xiàn)后應果斷正確指揮。據(jù)直升機海上作業(yè)重大事故記錄統(tǒng)計，有70%人員事故因素與飛行員操縱失誤有關(guān)，有30%與指揮人員處理不當有關(guān)。

3 評估模型

為了利用模糊綜合評判法對艦載直升機起降安全性進行評估［3～4］，建立如下的評估模型：模糊綜合評判法設置的層次遞階圖為三層，目標層為直升機安全起降，第一層為四個影響因素，第二層為各個影響因素的具體內(nèi)容，詳見圖1。

圖1 艦載直升機起降安全評估指標體系

為評價直升機能否安全起降，首先建立第一層指標集b＝｛b1，b2，b3，b4｝，第二層指標集b1＝｛b11，b12，b13｝，b2＝｛b21，b22，b23，b24｝，b3＝｛b31，b32，b33｝，b4＝｛b41，b42｝，記第一層指標為bi（i＝1，2，2，4），bi所包含的第二層指標為bij（1≤j≤qi，qi為bi所包含的指標個數(shù)），各層指標的權(quán)重分別為ωi，ωij，滿足：

在評估中，首先由最下層基本指標來給出第二層指標bij的評估結(jié)果，進而逐層向上綜合得到總能力指標的評估結(jié)果。此問題可以建立二級模糊綜合評判模型來解決。首先確定評語集V＝｛V1，V2，…，Vn｝，評語Vg（1≤g≤n）表示對各指標作出的評價等級，其對應的評價值為p（V）＝｛p（V1），p（V2），…，p（Vn）｝。

3．1 對第二層指標集bij進行評價

設指標bij（1≤j≤qi）關(guān)于等級Vg的隸屬度為rjg，則對指標bij的單因素評價為Rij＝（rj1，rj2，…，rjn），從而得到第一層指標bi的綜合評判矩陣為

3．2 求第一層指標bi 的綜合評價向量經(jīng)模糊變換

得第一層指標bi的綜合評價向量，big表示指標bi對評語Vg的隸屬度。變換算子“?”根據(jù)實際情況選取不同的類型，本文選取M（?，＋）型算子，即

3．3 求總能力指標b的綜合評價向量

將第一層指標的綜合評價向量Bi作為總能力指標b的單因素評價．則被評價方案的綜合評判矩陣為

經(jīng)模糊變換B＝W?R＝｛b1，b2，…，bn｝，稱為被評價對象的綜合評價向量，bg表示被評價對象對評語Vg的隸屬度。

4）令

得被評價對象的評價等級量化值，即為最后評價結(jié)果。

4 實際算例分析

選取海浪等級為3級，風速8m／s，風向為逆風，大氣溫度34℃，駕駛員技術(shù)水平一般，空勤人員業(yè)務水平一般，選取×××型驅(qū)逐艦，其甲板的尺寸、強度、水密性、泄水能力、摩擦系數(shù)、標志和安全支援設施等均符合x型直升機起降的相應要求［5］。

下面建立模糊綜合評判模型對艦載直升機安全起降時機進行評估［6～8］。選取的評語集是V＝｛V1（很差），V2（差），V3（一般），V4（較好），V5（好）｝，對應的評價分值分別為P（V）＝｛P（V1），P（V2），P（V3），P（V4），P（V5）｝＝｛0．1，0．3，0．5，0．7，0．9｝。艦載直升機安全起降時機評估第二層指標的權(quán)重和在評語集上的隸屬度如表1，第一層指標的權(quán)重由專家直接給出ω＝（ω1，ω2，ω3，ω4）＝（0．2，0．3，0．2，0．3）［9］。

表1

對第二層指標進行綜合評價，由表1知b1＝｛b11，b12，b13｝的綜合評判矩陣為

所以b1＝｛b11，b12，b13｝的綜合評價向量B1＝ω1j?R1＝（0．000，0．090，0．340，0．440，0．130）

同理可得：

B2＝ω2j?R2＝（0．000，0．190，0．385，0．290，0．135）

B3＝ω3j?R3＝（0．085，0．160，0．385，0．240，0．125）

B4＝ω4j?R4＝（0．000，0．200，0．500，0．200，0．100）

直升機起降的綜合評判矩陣為：

綜合評價向量為：

5 結(jié)語

利用模糊綜合評判方法建立的艦載直升機起降安全評估模型，采用了定量與定性相結(jié)合的分析方法，克服了量化評估艦載直升機起降安全的難點，具有步驟清晰、計算簡單、易于實現(xiàn)、可操作性較強的優(yōu)點，能夠較好地評估艦載直升機起降安全。

［1］馬強，朱旭程．艦載直升機起飛著艦事故模式影響及危害性分析［J］．海軍航空工程學院學報，2012，27（2）：209-214．

［2］尹應全，朱旭程．艦載直升機起飛著艦安全性淺析［J］．海軍航空技術(shù)，2012，27（1）：56-59．

［3］關(guān)興梅，王衛(wèi)平，龐云峰，等．基于AHP 的艦載直升機起降安全效能評估［J］．氣象水文裝備，2009，20（6）：6-8．

［4］賈忠湖，郭衛(wèi)剛．直升機著艦過程模擬［J］．海軍航空工程學院學報，2001，13（2）：259-262．

［5］周立鑫．風浪中船載直升機起降時機預報新方法［D］．大連：大連艦艇學院，2002．

［6］云俊．運籌學：原理及應用［M］．北京：北京大學出版社，2012：10-37．

［7］李登峰．海軍運籌分析教程［M］．北京：海潮出版社，2004：30-56．

［8］楊綸標，高英儀．模糊數(shù)學原理及應用［M］．廣州：華南理工大學出版社，2001．

［9］王波，鐘峰，王永安．基于模糊綜合評判的導彈維修保障系統(tǒng)評估研究［J］．艦船電子工程，2013，33（3）：97-99．

［10］蔡烽，侯建軍，萬林，等．提高直升機起降海情的頻域時域綜合預報模式［J］．艦船工程，2003，25（2）．