面向氣流場(chǎng)的直升機(jī)艦船上層建筑設(shè)計(jì)評(píng)估方法

賀少華， 姚國(guó)英， 譚大力

(中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

美國(guó)海軍直升機(jī)艦船的氣流場(chǎng)研究始于1999年1月，在當(dāng)時(shí)的某型兩棲攻擊艦艦機(jī)適配性試驗(yàn)中，V-22傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)在著艦靠近艉部時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)不知原因的擺振[1]。針對(duì)該問題，美國(guó)海軍開始艦船-旋翼艦載機(jī)動(dòng)態(tài)界面(Dynamic Interface，DI，國(guó)內(nèi)有學(xué)者根據(jù)其物理內(nèi)涵，將其譯為“動(dòng)態(tài)配合”)的持續(xù)研究。動(dòng)態(tài)界面描述艦船-空氣-艦載機(jī)的耦合動(dòng)力學(xué)行為，耦合效應(yīng)出現(xiàn)的根源為艦船氣流場(chǎng)。

艦船氣流場(chǎng)是海上自然風(fēng)在流經(jīng)艦船時(shí)，受船體和上層建筑阻擋，在艉部起降平臺(tái)附近形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)空氣流場(chǎng)，類似卡門渦街現(xiàn)象。為得到相對(duì)理想的艦船氣流場(chǎng)，使艦載直升機(jī)具有更好的起降環(huán)境，艦船上層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮隱身性、功能性問題，而且需要考慮氣流場(chǎng)因素，面向氣流場(chǎng)的艦船上層建筑設(shè)計(jì)評(píng)估成為一個(gè)較有研究?jī)r(jià)值的科學(xué)問題。

艦船氣流場(chǎng)在本質(zhì)上是一種非定常流場(chǎng)，其特征獲取可采用實(shí)船試驗(yàn)[2]、縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)[3]和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)建模仿真[1,4]等方法。實(shí)船試驗(yàn)可得到高質(zhì)量艦船氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)，但受環(huán)境、人力、測(cè)量設(shè)備、飛行員、艦載機(jī)等多因素影響，且需要針對(duì)不同風(fēng)向-風(fēng)速組合，其代價(jià)較高、安全風(fēng)險(xiǎn)大?？s比模型風(fēng)洞試驗(yàn)(一般為1∶100)可針對(duì)不同風(fēng)況得到有價(jià)值的測(cè)量數(shù)據(jù)，但很難對(duì)艦-機(jī)耦合效應(yīng)進(jìn)行模擬，且由于雷諾數(shù)減小，非定常流的脈動(dòng)頻率、流動(dòng)分離、旋渦等特征均發(fā)生變化，與實(shí)船存在差異。雖有研究發(fā)現(xiàn)這些特征的基本形態(tài)與雷諾數(shù)弱相關(guān)[4]，但該發(fā)現(xiàn)并未在理論上得到證明。與其他2種方法相比，CFD建模仿真是一種綜合較優(yōu)方法。

針對(duì)氣流場(chǎng)的艦船上層建筑評(píng)估，在以往研究中，通常不考慮艦載機(jī)在場(chǎng)，采用實(shí)船試驗(yàn)、縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD建模仿真獲取不同風(fēng)況下的艦船氣流場(chǎng)特征，考察渦流區(qū)、湍流強(qiáng)度、下洗氣流區(qū)等關(guān)鍵特征指標(biāo)，僅憑經(jīng)驗(yàn)直接得出“較理想”等定性評(píng)估結(jié)論?？紤]氣流場(chǎng)的艦船上層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程中難以實(shí)現(xiàn)，主要有2個(gè)原因：(1)對(duì)于航空母艦、兩棲攻擊艦等大型直通式甲板艦船，上層建筑設(shè)計(jì)首先須考慮隱身、飛行甲板設(shè)備空間布局、資源保障便利性等因素，氣流場(chǎng)優(yōu)化在其次，且上層建筑局部的“修修補(bǔ)補(bǔ)”并不會(huì)對(duì)氣流場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響，因此，其上層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛能并不大；(2)對(duì)于驅(qū)護(hù)艦等非直通式小甲板艦船，艦載直升機(jī)起降局限在相對(duì)較小的空域內(nèi)，艦-機(jī)耦合效應(yīng)不可忽略，不考慮艦載機(jī)的艦船氣流場(chǎng)(艦船上層建筑設(shè)計(jì))評(píng)估，其準(zhǔn)確性缺乏可信度。

對(duì)此，提出一種針對(duì)氣流場(chǎng)的艦船上層建筑設(shè)計(jì)定量評(píng)估方法。

1 方法描述

1.1 飛行員操控負(fù)荷定量評(píng)估

通過實(shí)船試驗(yàn)、縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD建模仿真獲取艦船氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)，以查詢表的形式存儲(chǔ)起降空域內(nèi)各關(guān)鍵點(diǎn)非定常氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)記錄時(shí)間≥30 s。起降空域?yàn)殚L(zhǎng)方體形(見圖1)，長(zhǎng)方體沿艏艉方向的長(zhǎng)度≥1.5倍為起降平臺(tái)長(zhǎng)度，沿左、右舷方向的長(zhǎng)度≥2倍為起降平臺(tái)寬度(若在左舷進(jìn)場(chǎng)著艦，則寬度為自起降平臺(tái)右邊沿向左舷方向2倍平臺(tái)寬度；若在右舷進(jìn)場(chǎng)著艦，則與左舷情況對(duì)稱)，長(zhǎng)方體高度≥15 m，長(zhǎng)方體內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)分布密度滿足艦載直升機(jī)主旋翼長(zhǎng)度方向不少于10個(gè)點(diǎn)。飛行員在飛行模擬器上進(jìn)行模擬艦上起降飛行時(shí)，在起降空域內(nèi)添加上述艦船非定常氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)。在添加非定常氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)前，艦載直升機(jī)在自由空氣來流(海上自然風(fēng))條件下由飛行員調(diào)整至平衡狀態(tài)、懸停；在添加非定常氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)后，受氣流場(chǎng)影響，此時(shí)艦載直升機(jī)不再處于平衡狀態(tài)，存在不平衡力和力矩。

圖1 艦載直升機(jī)起降空域示例

依次考察艦載直升機(jī)在圖2所示空間點(diǎn)位置受到的不平衡力和力矩：7個(gè)空間點(diǎn)與機(jī)庫上沿同高，3號(hào)點(diǎn)的位置為著艦點(diǎn)的正上方，7號(hào)點(diǎn)的位置為左舷偏左1個(gè)飛行甲板寬度(對(duì)應(yīng)艦載直升機(jī)在左舷進(jìn)場(chǎng)著艦)。艦載直升機(jī)姿態(tài)保持懸停、固定，記錄30 s內(nèi)直升機(jī)重心處的非平衡力和力矩的變化。

圖2 艦載直升機(jī)空中固定點(diǎn)的位置

在得到不平衡力和力矩的時(shí)間歷程后，利用文獻(xiàn)[5]提出的頻域分析方法，用0.2～2.0 Hz的載荷積分平方根(均方根)表示艦載直升機(jī)飛行員的操控負(fù)荷，該分析方法考慮這樣一個(gè)事實(shí)：非定常氣流載荷雖施加在很寬的頻率范圍內(nèi)，但高頻載荷(>2.0 Hz)并不重要，因?yàn)榕炤d直升機(jī)的慣性使其不會(huì)對(duì)高頻載荷具有顯著響應(yīng)；對(duì)于低頻載荷(<0.2 Hz)，飛行員可通過對(duì)艦載直升機(jī)的簡(jiǎn)單操控加以抵消；0.2～2.0 Hz的氣流載荷對(duì)飛行員的操控負(fù)荷(對(duì)直升機(jī)的操控頻率和幅度)影響最大。

1.2 艦載直升機(jī)操控裕度定量評(píng)估

評(píng)價(jià)氣流場(chǎng)對(duì)艦載直升機(jī)起降影響的另一指標(biāo)為艦載直升機(jī)操控裕度，包括總距、周期變距、尾槳距操控裕度等[5]。操控裕度可由第1.1節(jié)中的不平衡力和力矩的時(shí)間平均載荷表示。

1.3 起降空域空氣溫度變化(或變化率)定量評(píng)估

艦船煙囪排煙影響艦員駐艦舒適度、艦船表面溫度(紅外特征)和艦載直升機(jī)起降空域空氣溫度場(chǎng)分布，而排煙飄散受艦船氣流場(chǎng)影響，即艦船上層建筑設(shè)計(jì)(氣流場(chǎng)設(shè)計(jì))需要考慮對(duì)煙囪排煙飄散特性的影響。若艦載直升機(jī)浸沒在排煙中，被加熱的環(huán)境空氣具有較低的密度，主旋翼產(chǎn)生的升力將變?。桓邷睾蜏囟瓤臻g變化會(huì)對(duì)艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率產(chǎn)生不利影響。目前，艦船艦載直升機(jī)起降空域內(nèi)空氣溫度的空間變化率限制尚無標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，但對(duì)于使用工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的海上石油/天然氣平臺(tái)已有相關(guān)要求。

英國(guó)民航局在CAP 437文件《海上直升機(jī)降落區(qū)域：標(biāo)準(zhǔn)指南》[6]中聲明：直升機(jī)起降平臺(tái)空域平均溫升率超過2 ℃/3 s時(shí)，應(yīng)警示直升機(jī)飛行員，飛行員據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)操控調(diào)整；可通過風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD建模仿真得到溫升率預(yù)判結(jié)果。

挪威海洋石油公司在C-004標(biāo)準(zhǔn)[6]中討論平均溫升值，但沒有提到3 s的時(shí)間間隔，該標(biāo)準(zhǔn)建議使用CFD建模仿真方法預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)排氣引起的直升機(jī)起降空域內(nèi)的空氣溫升，并參考如圖3所示的溫度梯度矩陣：根據(jù)溫度/高度數(shù)據(jù)，矩陣發(fā)出“正常操控”、“警告”或“停止操控”提示。在>2 ℃溫升時(shí)，發(fā)出“警告”提示；在>30 ℃溫升時(shí)，禁止直升機(jī)起降。C-004標(biāo)準(zhǔn)與CAP 437文件要求類似，即飛行員在靠近平臺(tái)時(shí)應(yīng)采取措施盡可能避免進(jìn)入動(dòng)力系統(tǒng)排氣中，并適當(dāng)調(diào)整操控，謹(jǐn)慎作業(yè)。

圖3 降落平臺(tái)空域不同溫升對(duì)應(yīng)的直升機(jī)操控要求

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 不平衡力和力矩

分別選擇大、中、小等3種不同主尺寸的艦船。圖4為某型直升機(jī)在圖2所示7個(gè)位置的時(shí)間平均載荷和均方根載荷，顯示量化后的上層建筑主尺寸對(duì)艦載直升機(jī)操縱影響的結(jié)果，對(duì)比不同上層建筑設(shè)計(jì)(不同主尺寸)的差異。

圖4 直升機(jī)在空中典型位置的時(shí)間平均載荷和均方根載荷

對(duì)于時(shí)間平均載荷，艦載直升機(jī)在艦船氣流場(chǎng)影響區(qū)域外，旋翼推力等于直升機(jī)的重量70 kN。在艦載直升機(jī)通過艦船氣流場(chǎng)時(shí)，由于旋翼各點(diǎn)位置的氣流速度在大小和方向上非定常，主旋翼產(chǎn)生的升力變小，飛行員通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率補(bǔ)償升力不足，因此，氣流場(chǎng)施加至艦載直升機(jī)的時(shí)間平均載荷是需要飛行員施加穩(wěn)定操控的一種量值，在操控裕度僅剩10%時(shí)，可認(rèn)為已達(dá)到起降能力邊界。

對(duì)于均方根載荷，飛行員操控負(fù)荷可用艦船氣流場(chǎng)施加的0.2～2.0 Hz的不平衡力和力矩的均方根進(jìn)行衡量(圖4以垂直方向載荷為例)，均方根越大，飛行員必須通過幅度更大的操控動(dòng)作消除艦載直升機(jī)的失穩(wěn)，操控負(fù)荷就越大。

由圖4可看出：上層建筑主尺寸越大，艦船氣流場(chǎng)施加至艦載直升機(jī)的時(shí)間平均載荷和均方根載荷就越大。艦載直升機(jī)在位于甲板左舷邊緣上方(5點(diǎn)位置)時(shí)，受自機(jī)庫垂直邊脫落的非定常剪切流影響，不穩(wěn)定氣流載荷相對(duì)較大；在位于著艦點(diǎn)正上方時(shí)，正好避開不穩(wěn)定氣流的影響，不穩(wěn)定氣流載荷變??；隨著進(jìn)一步移向右舷，不穩(wěn)定氣流載荷逐漸增加。

文獻(xiàn)[7]證明上述實(shí)例研究的正確性。圖5顯示SH-60B海鷹直升機(jī)在英國(guó)皇家海軍23型護(hù)衛(wèi)艦和波浪級(jí)油船上以艉部左舷著艦方式著艦、±90°甲板風(fēng)范圍內(nèi)的空氣流線。采用甲板界面飛行員精力量表(Deck Interface Pilot Effort Scale，DIPES)或貝德福德工作量評(píng)定量表(BedFord Workload Rating Scale，BWRS)衡量著艦難度差異[6]。DIPES根據(jù)飛行員工作量、表現(xiàn)、精度和一致性對(duì)每次著艦進(jìn)行評(píng)分：等級(jí)3或更低表示在該環(huán)境條件下，實(shí)現(xiàn)安全著艦的概率較高；等級(jí)4或等級(jí)5表示安全著艦難以實(shí)現(xiàn)，將該環(huán)境條件劃至風(fēng)限圖外，即禁止艦載直升機(jī)在該環(huán)境條件下起降。圖6的(a)和(c)表示飛行員的DIPES等級(jí)點(diǎn)，圖6的(b)和(d)中的粗實(shí)線表示通過DIPES等級(jí)點(diǎn)繪制的安全邊界(風(fēng)限圖邊界)，虛線表示艦載直升機(jī)可承受的側(cè)風(fēng)極限。

圖5 23型護(hù)衛(wèi)艦和波浪級(jí)油船在某風(fēng)況下的空氣流線

圖6 采用DIPES評(píng)定法繪制的23型護(hù)衛(wèi)艦和波浪級(jí)油船的風(fēng)限圖

結(jié)合飛行員操控活動(dòng)和反饋可發(fā)現(xiàn)：盡管波浪級(jí)油船的飛行甲板面積更大，但其安全飛行風(fēng)限圖比23型護(hù)衛(wèi)艦小得多。其原因在于：艦船氣流場(chǎng)包含不穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)自上層建筑的銳邊脫落，船越大，則主旋渦越大，與艦載直升機(jī)主旋翼尺寸更加接近，在艦載直升機(jī)上產(chǎn)生更大的不穩(wěn)定力和力矩，且不穩(wěn)定載荷頻率更加接近艦載直升機(jī)的振動(dòng)主頻率。在飛行員試圖通過操控抵消氣流施加在艦載直升機(jī)上的不穩(wěn)定載荷以保持懸停時(shí)，不穩(wěn)定載荷頻率可導(dǎo)致出現(xiàn)飛行員誘發(fā)振蕩。

圖7中的數(shù)據(jù)同樣來自文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)向角為偏右舷45°，飛行員需要通過調(diào)整尾槳以保持航向。圖7顯示為在著艦點(diǎn)上方位置保持懸停飛行員腳蹬動(dòng)作的時(shí)間歷程，縱坐標(biāo)表示與配平位置(腳蹬位置)的偏差。在波浪級(jí)油船上出現(xiàn)更多的操控活動(dòng)，表現(xiàn)為施加更激烈的腳蹬動(dòng)作，說明飛行員的操控負(fù)荷更大。

圖7 飛行甲板著艦點(diǎn)上空懸停時(shí)的飛行員操控活動(dòng)差異

2.2 起降空域空氣溫度分布

KAEAERIAE等[6]考慮海洋石油和天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在柴燃聯(lián)合動(dòng)力戰(zhàn)艦上的適用性。圖8顯示某型艦非定常氣流場(chǎng)內(nèi)等溫面的瞬時(shí)圖像，該等溫面考慮艦船煙囪排煙，并顯示正在甲板上空進(jìn)行著艦作業(yè)的艦載直升機(jī)，此時(shí)該艦處于逆風(fēng)狀態(tài)。不穩(wěn)定的艦船空氣流會(huì)導(dǎo)致煙囪排煙熱量在飛行甲板上空產(chǎn)生對(duì)流，最大可引起10 ℃溫升，超過CAP 437提到的2 ℃/3 s的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)圖3矩陣中的“警告”等級(jí)。值得注意的是：由于與高度不穩(wěn)定的甲板空氣流場(chǎng)混合，該艦煙囪排煙溫度下降非常迅速(煙囪出口初始溫度約500 ℃)。由圖8還可發(fā)現(xiàn)：排煙被艦船氣流夾帶至該艦桅桿尾部的回流區(qū)。

圖8 某型艦煙囪排煙的瞬時(shí)等溫面

3 結(jié) 語

艦船上層建筑設(shè)計(jì)在滿足隱身性、功能性等要求的前提下，為使艦載直升機(jī)具有良好的起降環(huán)境，需要考慮氣流場(chǎng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)例表明，上層建筑主尺寸較大的艦船，其艦載直升機(jī)受到的氣流載荷更大，對(duì)應(yīng)的風(fēng)限圖更小。艦船煙囪排煙分布和起降空域溫度分布會(huì)影響艦船的紅外特征，在艦船上層建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展，如為使雷達(dá)反射截面積減小而進(jìn)行的艦船外形幾何設(shè)計(jì)、大型集成桅桿和新型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(煙囪)設(shè)計(jì)等均將影響艦船氣流場(chǎng)，因此需要同步考慮艦船氣流場(chǎng)(上層建筑)設(shè)計(jì)問題。