直升機(jī)高海況起降相關(guān)裝備能力要素分析

賀少華，袁 泉，譚大力，騰 騰

（1.海軍研究院，北京 100161；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

直升機(jī)能夠在艦船上正常起降是其前出執(zhí)行空中任務(wù)的前提。起降能夠適應(yīng)的海況越高，可執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間窗口就越多；反之，如果起降適應(yīng)海況能力偏低，則將直接制約任務(wù)能力發(fā)揮。

直升機(jī)高海況起降作業(yè)需要艦、機(jī)、人、環(huán)動(dòng)態(tài)配合，它是1 個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)問題，影響因素眾多，其中的主要影響因素來自裝備、試驗(yàn)、訓(xùn)練等多個(gè)方面。本文主要對(duì)裝備相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，旨在為國(guó)內(nèi)相關(guān)裝備研制和部隊(duì)訓(xùn)練提供參考。在所有船舶類型中，直升機(jī)在非直通甲板艦船（如常規(guī)驅(qū)護(hù)艦）上起降時(shí)的艦機(jī)動(dòng)態(tài)配合行為最為復(fù)雜[1]，因此，本文主要針對(duì)直升機(jī)與非直通甲板艦船進(jìn)行分析。

1“高海況”的定義及高海況起降需求

海況，是指在海上風(fēng)力作用下，由風(fēng)浪和涌浪引起的海面外貌特征。目前，國(guó)際上通常根據(jù)視野內(nèi)海面狀況、波峰的形狀及其破裂程度和浪花泡沫出現(xiàn)的多少等，將海況分為10級(jí)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。表1 中的浪高（波高）為統(tǒng)計(jì)值（即1/3 有義值，其表示一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的浪高中的前1/3大值的平均值）。

表1 海浪分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]及對(duì)應(yīng)維持風(fēng)速范圍Tab.1 Sea wave classification standard and corresponding range of maintained wind speed

續(xù)表

綜合國(guó)外艦載機(jī)使用情況，將4 級(jí)（含）以上海況等級(jí)（一般不會(huì)超過6級(jí)）稱為“高海況”。

根據(jù)全球海洋環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界各國(guó)海軍主要活動(dòng)集中在北半球海域，出現(xiàn)3 級(jí)及以下海況的概率僅為22%～30%，出現(xiàn)4～6 級(jí)海況的概率則高達(dá)62%～67%[3]，南半球海域海洋環(huán)境更加惡劣[4]。美國(guó)及北約其他國(guó)家、日本海上自衛(wèi)隊(duì)直升機(jī)大多具備5 級(jí)海況起降能力，也見有在6級(jí)海況起降的報(bào)道[5]。

2 高海況起降相關(guān)裝備因素分析

直升機(jī)高海況起降相關(guān)裝備影響因素主要包括艦船平臺(tái)、直升機(jī)、起降保障設(shè)備等裝（設(shè)）備的相關(guān)功（性）能。

2.1 艦船平臺(tái)

2.1.1 艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)特性（耐波性）

1）搖蕩運(yùn)動(dòng)幅值。

艦船在海浪激勵(lì)下，會(huì)出現(xiàn)橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩等六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)，搖蕩運(yùn)動(dòng)幅值越小，對(duì)直升機(jī)起降安全越有利。因此，為提高直升機(jī)的高海況起降能力，對(duì)艦船在高海況時(shí)的搖蕩運(yùn)動(dòng)幅值有上限要求。

以往研究發(fā)現(xiàn)，艦船橫搖、縱搖、橫蕩（橫向運(yùn)動(dòng)加速度）及垂蕩（升沉加速度）對(duì)直升機(jī)起降安全影響相對(duì)較大（艏搖及縱蕩對(duì)于保持航速和航向行駛的驅(qū)護(hù)艦而言，幅值通常比較小，一般不予考慮）。

將橫搖、橫蕩統(tǒng)稱為橫向運(yùn)動(dòng)；縱搖、垂蕩統(tǒng)稱為垂向運(yùn)動(dòng)。從圖1 可以看出：直升機(jī)總距操縱與垂向運(yùn)動(dòng)相關(guān)性大（與垂蕩相關(guān)性尤為大），與橫向運(yùn)動(dòng)相關(guān)性??；在艦船運(yùn)動(dòng)主頻率范圍內(nèi)，飛行員總距、周期變距、尾槳距操縱均與艦船運(yùn)動(dòng)存在相關(guān)性（1.5 rad/s以上頻率段，飛行員操縱主要受艦船氣流場(chǎng)影響）；橫搖與橫蕩相關(guān)性高；縱搖和垂蕩同樣存在相關(guān)性，但相對(duì)較低。用縱搖或垂蕩表示母艦的垂向運(yùn)動(dòng)在一般情況下也是合適的，但對(duì)于護(hù)衛(wèi)艦這一類升沉運(yùn)動(dòng)相對(duì)較大的艦船來說，縱搖和垂蕩的相關(guān)性并不大。

圖1 加拿大“海王”直升機(jī)在“哈利法克斯”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦著艦時(shí)總距、橫/縱向變距和腳蹬操縱與母艦橫搖、縱搖、橫蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性[6]Fig.1 Correlation between the collective,cyclic and pedal control of the Canadian Sea King helicopter and the roll,pitch,sway and heave motion of the Halifax frigate

垂蕩更多與直升機(jī)下降觸艦時(shí)機(jī)輪結(jié)構(gòu)承受的力相關(guān)，而該力由下降速率決定，且飛行員難以直接獲取實(shí)時(shí)垂蕩信息，設(shè)置垂蕩限制值對(duì)飛行員操縱直升機(jī)下降著艦（從懸停點(diǎn)下降觸艦）意義不大，機(jī)輪結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留一定的強(qiáng)度余量，飛行員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷合適的下降觸艦速率更為可行。

基于以上分析，綜合考慮橫搖、縱搖相對(duì)于橫蕩和垂蕩來說，更容易進(jìn)行監(jiān)測(cè)（測(cè)量）。國(guó)外直升機(jī)起降對(duì)母艦搖蕩運(yùn)動(dòng)要求（耐波性要求）通常僅針對(duì)橫搖、縱搖，比如起降風(fēng)限圖中，僅包含母艦橫搖、縱搖限制值。高海況條件下，選取有利航向，驅(qū)護(hù)艦橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)幅值（角度最大值）如果小于給定值，則直升機(jī)通常能夠安全起降。如美SH-60B“海鷹”直升機(jī)具備5 級(jí)海況（浪高約為3.66 m）在“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦上自由起降能力，此時(shí)要求該艦（有利航向）的橫、縱搖運(yùn)動(dòng)幅值分別不超過8°和2°[7]；另一種表述為，如果在該海況條件下，“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦的橫搖、縱搖角度小于上述值（還有合成風(fēng)速、能見度等其他條件要求），則“海鷹”直升機(jī)的安全起降基本是可行的。

2）搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期

由于波浪激勵(lì)的隨機(jī)性以及艦船本身具有的趨穩(wěn)性，在艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程中，總會(huì)存在著幅度相對(duì)較小的時(shí)間窗口，即艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期（或稱“靜息期”“安穩(wěn)期”等）。艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度不一，出現(xiàn)時(shí)機(jī)也無規(guī)律可循，如圖2所示。

圖2 加拿大“哈利法克斯”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦平穩(wěn)期實(shí)測(cè)結(jié)果[6]Fig.2 Measured results of quiescent period of the Canadian Halifax frigate

實(shí)際上，直升機(jī)起降時(shí)，起飛離艦和著艦觸艦動(dòng)作，對(duì)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力是比較弱的。因此，在高海況條件下，直升機(jī)通常需要選擇在艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期內(nèi)完成離艦起飛和著艦觸艦動(dòng)作。另外，高海況條件下，直升機(jī)的艦面旋翼折疊/展開、開/關(guān)車等作業(yè)通常也需在艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期內(nèi)完成。

不同艦船、不同海況，在平穩(wěn)期出現(xiàn)情況均不同。海況越高，出現(xiàn)滿足直升機(jī)起降需求的平穩(wěn)期的概率越低；艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)特性（耐波性）越好，出現(xiàn)滿足直升機(jī)起降需求的平穩(wěn)期的概率越高。國(guó)外采用艦船橫搖、縱搖1/3有義值來衡量艦船耐波性水平，因此，可采用艦船橫搖、縱搖1/3有義值來衡量艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期出現(xiàn)的相對(duì)概率，即相同條件下，艦船橫搖、縱搖1/3有義值越小，則該艦船出現(xiàn)滿足直升機(jī)起降需求的平穩(wěn)期的概率就越高。假設(shè)某直升機(jī)起降對(duì)艦船橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)幅值要求分別為≤α°、≤β°，如果某艦在某級(jí)海況，有利航向航行時(shí)橫搖、縱搖1/3有義值分別為≤α°、≤β°，則可認(rèn)為該艦滿足該直升機(jī)在該級(jí)海況下的起降需求；當(dāng)然，為了進(jìn)一步提高起降的可行概率，也可采用1/1 000值、1/2 000值等來對(duì)艦船耐波性提出要求。

2.1.2 起降平臺(tái)及機(jī)庫、上層建筑主尺度

1）起降平臺(tái)長(zhǎng)度。

僅從滿足直升機(jī)起降角度出發(fā)，驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)主尺度（長(zhǎng)、寬）越大越好，但起降平臺(tái)主尺度還需綜合考慮排水量、其他設(shè)備（艙室）布置、耐波性設(shè)計(jì)等因素。常規(guī)驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)的寬度一般都能滿足直升機(jī)起降需求，但長(zhǎng)度設(shè)計(jì)尚需深入分析。

考慮直升機(jī)起降的驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)長(zhǎng)度典型設(shè)計(jì)思路：一是按照直升機(jī)正向進(jìn)場(chǎng)方式，起降平臺(tái)長(zhǎng)度=全機(jī)長(zhǎng)+最小安全距離+著艦散布量-尾槳半徑；二是按照直升機(jī)斜角進(jìn)場(chǎng)的方式，起降平臺(tái)長(zhǎng)度=（全機(jī)長(zhǎng)-旋翼半徑-尾槳半徑）×斜角角度的余弦+最小安全距離+著艦散布量+旋翼半徑。美“海鷹”系列直升機(jī)和北約NH-90直升機(jī)搭載于多國(guó)多型驅(qū)護(hù)艦上，驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)長(zhǎng)度最小22 m，最大45 m；國(guó)外新研艦艇起降平臺(tái)尺寸普遍在27 m 以上，但也有例外，如美“阿利·伯克”IIA在“阿利·伯克”II的基礎(chǔ)上，保持主尺度不變，增加固定雙機(jī)庫，其起降平臺(tái)長(zhǎng)度由25.5 m減少至23 m，減少尺寸后仍可滿足“海鷹”直升機(jī)起降需求，可能原因：一是采用斜角進(jìn)場(chǎng)方式能減少直升機(jī)對(duì)起降平臺(tái)長(zhǎng)度需求；二是相比其他助降裝置，RAST 助降裝置采用“拉降”方式，能提高直升機(jī)著艦精度，減小著艦散布量。

另外，受艦船氣流場(chǎng)影響，相比布置于艦艉部，布置于艦舯部的起降平臺(tái)長(zhǎng)度通常較小，這是由于驅(qū)護(hù)艦常規(guī)設(shè)計(jì)中，艦艉部起降平臺(tái)與相鄰機(jī)庫、上層建筑的高度落差大，而艦舯部起降平臺(tái)與艏艉兩端上層建筑的高度落差小，后者氣流場(chǎng)品質(zhì)相對(duì)較優(yōu)，起降平臺(tái)長(zhǎng)度可據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）起降平臺(tái)高度。

驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)距離海面高度較小，遇高海況或調(diào)整航行狀態(tài)（如高速大角度調(diào)整航向）時(shí)，易出現(xiàn)起降平臺(tái)上浪現(xiàn)象；艦船在高速航行時(shí)，存在“艉蹲”現(xiàn)象，使得艉部起降平臺(tái)距離海面高度進(jìn)一步減小。起降平臺(tái)距離海面近，濕度、鹽度也相對(duì)較大。較低的起降平臺(tái)對(duì)直升機(jī)艦面駐停、起降及設(shè)備壽命均有不利影響。美國(guó)海軍DDG-51、DDG-79驅(qū)逐艦和FFG-7護(hù)衛(wèi)艦的起降平臺(tái)高度都較低。DDG-51驅(qū)逐艦高速航行時(shí)，“艉蹲”現(xiàn)象相比其他驅(qū)護(hù)艦更為明顯，在15 kn 以上航速，航速每提高1 kn，艉蹲15.24 cm[7]；美海軍1 艘DDG-79 驅(qū)逐艦（舷號(hào)DDG-110）曾在2013 年9月發(fā)生1 起高速航行疊加調(diào)整航行狀態(tài)，導(dǎo)致起降平臺(tái)上浪，進(jìn)而導(dǎo)致駐停在起降平臺(tái)上的直升機(jī)發(fā)生滑移墜海的事故，同級(jí)驅(qū)逐艦在此之前已發(fā)生多起由起降平臺(tái)上浪引發(fā)的不同程度事故[8]。

美海軍《載機(jī)艦船航空訓(xùn)練和作業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)》）中，針對(duì)起降平臺(tái)存在上浪對(duì)艦面裝備、人員的潛在危害，給出了作業(yè)限制條件，以圖3為例：在3～3.6 m浪高條件下，當(dāng)起降平臺(tái)上的直升機(jī)處于開車狀態(tài)時(shí)，DDG-51 驅(qū)逐艦航速及航向不允許落在紅色區(qū)域，否則會(huì)出現(xiàn)起降平臺(tái)上浪導(dǎo)致直升機(jī)毀壞的風(fēng)險(xiǎn)。最危險(xiǎn)航行狀態(tài)點(diǎn)如圖中“X”標(biāo)示處，此時(shí)艦船航速25 kn，航向240°（相對(duì)浪向）。起降平臺(tái)上浪還會(huì)威脅艦面作業(yè)人員安全，為此，該型艦航行狀態(tài)也不能落在圖中黃色區(qū)域。

圖3 不同航向航速時(shí)，美國(guó)DDG-51驅(qū)逐艦起降平臺(tái)上浪潛在危害，此時(shí)浪高3～3.6 m[6]Fig.3 Potential harm of waves on the flight deck of US navy DDG-51 destroyer at different headings and speeds,with wave heights of 3～3.6m

3）機(jī)庫及上層建筑主尺度。

相比陸基起降，直升機(jī)艦上起降環(huán)境的1 個(gè)很大不同點(diǎn)在于其存在著艦船氣流場(chǎng)。艦船氣流場(chǎng)是海上自然風(fēng)受艦船上層建筑、機(jī)庫等的阻擋，在起降平臺(tái)鄰近空域（直升機(jī)起降空域）形成的1 個(gè)非定常流場(chǎng)。區(qū)別于開闊空域內(nèi)速度、方向恒定的自然風(fēng)，艦船空氣流的速度和方向在空域的分布顯得“雜亂無章”，對(duì)直升機(jī)起降的影響十分復(fù)雜且是不利的。機(jī)庫及上層建筑形狀、物理尺寸是決定艦船氣流場(chǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵因素。艦船氣流場(chǎng)的紊亂程度通常隨合成甲板風(fēng)（即海上自然風(fēng)與艦船航速、航向的疊加）[9]的風(fēng)速增加而增加，同時(shí)也隨合成甲板風(fēng)的風(fēng)向變化而變化。

已有研究表明，機(jī)庫高度越低，艦船氣流場(chǎng)對(duì)直升機(jī)起降的不利影響越小，例如：通過實(shí)船測(cè)試發(fā)現(xiàn)，俄“現(xiàn)代”級(jí)驅(qū)逐艦的起降平臺(tái)布置在艦舯，與兩端上層建筑的高度落差較小，相比起降平臺(tái)布置在艦艉的其他型號(hào)驅(qū)護(hù)艦，其起降平臺(tái)氣流場(chǎng)品質(zhì)更優(yōu)；查閱《SH-60B 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)手冊(cè)》，美“海鷹”直升機(jī)在直通甲板艦船上起降時(shí)的抗風(fēng)能力比常規(guī)驅(qū)護(hù)艦（非直通甲板）明顯更強(qiáng)。

與機(jī)庫情況類似，上層建筑主尺度越大，艦船氣流場(chǎng)給直升機(jī)飛行員帶來的操縱負(fù)擔(dān)就越重。以英國(guó)皇家海軍23 型護(hù)衛(wèi)艦和“波浪”級(jí)油料補(bǔ)給船對(duì)比為例：綜合測(cè)試得到的直升機(jī)飛行員操縱動(dòng)作以及事后飛行員反饋，盡管“波浪”級(jí)補(bǔ)給船的起降平臺(tái)面積更大，但直升機(jī)的起降能力邊界卻比23 型護(hù)衛(wèi)艦小。其原因是：艦船氣流場(chǎng)包含不穩(wěn)定的漩渦結(jié)構(gòu)，這些漩渦從上層建筑表面“脫落”，上層建筑主尺度越大，漩渦越大，速度越慢。漩渦大小與直升機(jī)主旋翼尺寸相當(dāng)，在直升機(jī)上產(chǎn)生不穩(wěn)定力矩，當(dāng)飛行員試圖通過控制抵消氣流施加在直升機(jī)上的不穩(wěn)定力矩時(shí)，不穩(wěn)定力矩的頻率將增加飛行員操縱負(fù)擔(dān)，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)飛行員誘發(fā)振蕩。

圖4 英國(guó)皇家海軍23型護(hù)衛(wèi)艦（左上）和“波浪”級(jí)油料補(bǔ)給船（右下）在某風(fēng)況下的空氣流場(chǎng)圖[10]Fig.4 Air flow field diagram of the Royal Navy Type 23 frigate(upper left)and Wave-class oil replenishing ship(lower right)under certain wind conditions

2.2 直升機(jī)

相比在陸上起降，直升機(jī)艦上起降對(duì)其性能（能力）有特殊要求，主要包括抗合成甲板風(fēng)能力、適應(yīng)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)能力、旋翼艦面展開/折疊能力以及艦面開/關(guān)車能力等。

2.2.1 抗合成甲板風(fēng)能力

直升機(jī)的抗合成甲板風(fēng)能力通常用起降時(shí)能夠適應(yīng)的有利風(fēng)向上的最大風(fēng)速表示。陸基直升機(jī)的抗風(fēng)能力通常僅用抗側(cè)風(fēng)能力來描述。相比陸基直升機(jī)，在艦上直升機(jī)起降時(shí)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境更加復(fù)雜。如上文所述，驅(qū)護(hù)艦起降平臺(tái)空域內(nèi)存在不穩(wěn)定氣流場(chǎng)，不同的合成甲板風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)應(yīng)不同的氣流場(chǎng)特征，直升機(jī)抗合成甲板風(fēng)能力本質(zhì)上為抗不穩(wěn)定艦船氣流場(chǎng)能力。國(guó)際上通常用起降風(fēng)限圖來表示直升機(jī)起降時(shí)能夠承受的合成甲板風(fēng)范圍[7]，起降風(fēng)限圖為直升機(jī)起降能夠適應(yīng)的不同風(fēng)向上的最大合成甲板風(fēng)風(fēng)速組成的包絡(luò)，如圖5所示（實(shí)際的起降風(fēng)限圖還包括允許的艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)幅值、起降路徑、起降重量、能見度等要素）。

圖5 起降風(fēng)限圖示意Fig.5 Schematic diagram of envelope of WOD of landing and take-off of naval helicopter

實(shí)際上，直升機(jī)的抗合成甲板風(fēng)能力即起降風(fēng)限圖邊界取決于直升機(jī)自身相關(guān)性能、艦船氣流場(chǎng)環(huán)境（艦船設(shè)計(jì)）、能見度等多種因素，但其中最關(guān)鍵因素仍然是直升機(jī)自身的相關(guān)性能，如總距、周期變距、尾槳距操縱邊界、發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。

2.2.2 適應(yīng)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)能力（自由起降能力）

對(duì)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力指直升機(jī)不使用快速系留設(shè)備時(shí)的自由起降能力，通常用能夠適應(yīng)的艦船最大橫搖、縱搖表示。在《SH-60B 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)手冊(cè)》中，該型機(jī)的翻滾（rollover）特性由3 個(gè)指標(biāo)來定義：一是靜態(tài)翻滾角，指直升機(jī)在靜態(tài)斜坡上駐停時(shí)（長(zhǎng)軸與斜坡方向成90°）允許的最大斜坡角度（28°）；二是臨界翻滾角，指直升機(jī)在靜態(tài)斜坡上起降時(shí)，當(dāng)左前主輪在上坡方向，與坡面接觸并能保持相對(duì)靜止時(shí)，最大允許的斜坡角（12°），此時(shí)，需要100%橫向操縱距方能保持機(jī)輪不會(huì)相對(duì)斜坡滑移；三是動(dòng)態(tài)翻滾，指直升機(jī)起降一側(cè)機(jī)輪觸地時(shí)出現(xiàn)的橫側(cè)翻滾的趨勢(shì)，當(dāng)動(dòng)態(tài)翻滾發(fā)生時(shí)，直升機(jī)繞一側(cè)機(jī)輪（橫向）轉(zhuǎn)動(dòng)，直到傾斜角超過一定角度，主旋翼的拉力將促使直升機(jī)繼續(xù)翻滾，最終導(dǎo)致出現(xiàn)大的事故。動(dòng)態(tài)翻滾是1 個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，難以用斜坡角度或橫向操縱控制量等單一量化指標(biāo)來標(biāo)定臨界值，但這些因素均直接影響動(dòng)態(tài)翻滾的發(fā)生。對(duì)動(dòng)態(tài)翻滾貢獻(xiàn)最大的為直升機(jī)重心繞機(jī)輪與斜坡接觸點(diǎn)的角速度，當(dāng)角速度大小超過橫向周期距能夠施加的反作用時(shí)，直升機(jī)將在不超過2 s 內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)翻滾（這也是RAST、ASIST 等快速系留設(shè)備須要在2 s 內(nèi)快速系留著艦直升機(jī)的原因），這種情況下，動(dòng)態(tài)翻滾力距由直升機(jī)作用在輪—地接觸點(diǎn)引起，機(jī)輪自由度約束將橫向平移（滑移）轉(zhuǎn)化為角運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)翻滾速度可能很大，這取決于直升機(jī)下降和漂移速度及機(jī)輪約束程度等。

圖6 美“海鷹”直升機(jī)動(dòng)態(tài)翻滾原理示意圖[11]Fig.6 Schematic diagram of dynamic rollover principle of the US Seahawk helicopter

直升機(jī)起降時(shí)，母艦同時(shí)在做六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)，疊加艦船氣流場(chǎng)影響，因此，直升機(jī)在艦上起降遠(yuǎn)比在陸上靜態(tài)斜坡復(fù)雜，難以確定避免動(dòng)態(tài)翻滾允許的艦船橫搖、縱搖最大角度。在國(guó)外直升機(jī)的起降技術(shù)指標(biāo)中，也未體現(xiàn)該類指標(biāo)。在實(shí)際艦上起降作業(yè)中，為避免發(fā)生動(dòng)態(tài)翻滾，往往采取比較保守的策略，一般選取橫搖、縱搖的限制范圍分別在4°～5°、1°～2°。

如前文所述，直升機(jī)選擇母艦搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期起降，因此，可以認(rèn)為“平穩(wěn)期”即為橫搖、縱搖分別不高于4°～5°和2°的搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間段。直升機(jī)在平穩(wěn)期起飛前和著艦后，適應(yīng)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)的能力會(huì)有所提升（類似于臨界翻滾角），如美“海鷹”直升機(jī)在“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦上自由起降能力（不使用快速系留裝置，即為適應(yīng)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)能力）為母艦橫搖≤8°、縱搖≤2°，在“佩里”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上自由起降能力為母艦橫搖≤8°、縱搖≤3°[7]。在美海岸警衛(wèi)隊(duì)“傳奇”級(jí)國(guó)家安全艦上的自由起降能力為母艦橫搖≤8°、縱搖≤4°[12]?！昂ｋ唷敝鄙龣C(jī)在上述艦船上的自由起降能力則比“海鷹”明顯要低。另外，晝夜間的自由起降能力也是不同的。

綜上，不同直升機(jī)在相同艦船上有不同的自由起降能力，同型直升機(jī)在不同艦船上、不同環(huán)境中也有不同的自由起降能力，表明直升機(jī)的自由起降能力取決于艦、機(jī)、人、環(huán)等多種因素，但直升機(jī)自身相關(guān)性能是關(guān)鍵。

2.2.3 開/關(guān)車旋翼抗揮舞能力

為便于在母艦有限空間內(nèi)存放、轉(zhuǎn)運(yùn)，直升機(jī)主旋翼、尾梁通常需具備可折疊功能（自動(dòng)或人工）。直升機(jī)旋翼及附屬結(jié)構(gòu)需要克服起降平臺(tái)復(fù)雜氣流環(huán)境，避免展開/折疊、開/關(guān)車時(shí)旋翼過量揮舞引發(fā)事故。在母艦橫搖、縱搖，合成甲板風(fēng)以及氣流場(chǎng)的綜合作用下，直升機(jī)主旋翼槳葉易在開/關(guān)車時(shí)（對(duì)于帶旋翼剎車機(jī)構(gòu)的直升機(jī)，則是在剎車松開后，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)的開始階段）發(fā)生向下的過量揮舞，一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，將容易導(dǎo)致槳葉與機(jī)身、尾槳等部件之間的碰撞，造成不同程度的安全事故。

美海軍H46 縱列式直升機(jī)自1964 年服役以來，在艦面實(shí)施開/關(guān)車的過程中，曾發(fā)生過上百次槳葉與傳動(dòng)軸的碰撞事故，輕則引起傳動(dòng)軸表面的變形或是表面撕裂，重則切斷傳動(dòng)軸，損壞槳葉或是引起槳葉揮舞限動(dòng)裝置的失效[13]。槳葉的過量揮舞通常發(fā)生在開車階段旋翼的最初幾圈旋轉(zhuǎn)過程和關(guān)車階段的最后幾圈旋轉(zhuǎn)過程中，此時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速低，槳葉離心力剛化作用小，細(xì)長(zhǎng)柔軟的旋翼槳葉對(duì)海面突風(fēng)或者紊流等外部氣流作用非常敏感，耦合艦船升沉、縱橫搖運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，槳葉容易產(chǎn)生過度揮舞、大擾度變形，導(dǎo)致槳葉與機(jī)身尾梁或者甲板等結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。

直升機(jī)艦面開/關(guān)車旋翼抗揮舞能力是指直升機(jī)在艦面開/關(guān)車時(shí)，在確保不出現(xiàn)旋翼過量揮舞事故前提下，允許的不同合成甲板風(fēng)風(fēng)向和對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速組成的包絡(luò)。在國(guó)外直升機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)手冊(cè)中，明確了直升機(jī)艦面開/關(guān)車包線，以指導(dǎo)艦面開/關(guān)車作業(yè)，同時(shí)，針對(duì)海上陣風(fēng)等特殊情況，給出補(bǔ)充作業(yè)要求，如海上陣風(fēng)大于10 kn 時(shí)，開/關(guān)車作業(yè)最大允許風(fēng)速降低10 kn[7]。

2.3 起降保障裝備

與直升機(jī)高海況起降直接相關(guān)的航空艦面保障裝（設(shè)）備主要包括艦面保障設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)（測(cè)量）設(shè)備。

2.3.1 艦面保障設(shè)備

1）快速系留與牽引（轉(zhuǎn)運(yùn)）能力。

快速系留設(shè)備主要為直升機(jī)提供在艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期著艦后的快速系留功能，避免平穩(wěn)期結(jié)束后直升機(jī)發(fā)生滑移、翻滾現(xiàn)象；牽引（轉(zhuǎn)運(yùn)）設(shè)備主要提供牽引和轉(zhuǎn)運(yùn)直升機(jī)出入機(jī)庫功能。

目前，驅(qū)護(hù)艦主要采用3 種快速系留與牽引技術(shù)體制，分別為歐系“魚叉-格柵”快速系留和SAMAHE裝置或絞車牽引，俄系助降網(wǎng)防滑和絞車牽引，美系RAST、ASIST和TC-ASIST系統(tǒng)快速系留兼顧牽引。

俄系助降網(wǎng)裝置利用織物網(wǎng)增大直升機(jī)輪胎與甲板間的摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高海況條件下直升機(jī)著艦時(shí)的防滑移功能。直升機(jī)著艦后由絞車進(jìn)行牽引。助降網(wǎng)裝置起不到防止直升機(jī)翻滾的作用，即無快速系留功能，且備便時(shí)間較長(zhǎng)，需要保障人員多，自動(dòng)化程度低，難以適應(yīng)高海況條件。

RAST、ASIST、TC-ASIST系統(tǒng)均具備5級(jí)海況下對(duì)直升機(jī)進(jìn)行快速系留和牽引出入庫功能（母艦橫搖≤15°、縱搖≤4°），其中，①RAST系統(tǒng)通過連接直升機(jī)與艦面小車之間的鋼纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的“拉降”功能，可減小直升機(jī)著艦散布量；直升機(jī)著艦后，艦面小車可在2 s內(nèi)自動(dòng)“夾緊”直升機(jī)機(jī)腹下的“探桿”，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的快速系留功能；小車可沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的牽引出入庫。②ASIST系統(tǒng)無RAST系統(tǒng)的“拉降”功能，但艦面小車可隨動(dòng)跟蹤起降平臺(tái)上方跟進(jìn)懸停的直升機(jī)，優(yōu)勢(shì)在于允許直升機(jī)著艦位置有更大的偏差，減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)；待直升機(jī)著艦后，同樣可在2 s內(nèi)自動(dòng)“抱緊”直升機(jī)機(jī)腹下的“探桿”，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的快速系留；相比RAST 系統(tǒng)需要艦面人員進(jìn)行連接鋼纜作業(yè)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)艦面無人化作業(yè)。③TC-ASIST系統(tǒng)是ASIST系統(tǒng)的1種演化版，采用“嚙合”直升機(jī)主輪軸的快速系留方式，主要為滿足未裝備機(jī)腹“探桿”直升機(jī)的快速系留需求[14]。

RAST、ASIST和TC-ASIST系統(tǒng)兼顧快速系留和牽引直升機(jī)出入機(jī)庫功能，快速系留與牽引適應(yīng)海況通常相等；但對(duì)于“魚叉-格柵”快速系留和SAMAHE裝置或絞車牽引，快速系留適應(yīng)海況與牽引通常不相等，因此，起降作業(yè)適應(yīng)海況取“短板”，通常與牽引海況相同。

2）輔助著艦?zāi)芰Α?/p>

輔助著艦設(shè)備（設(shè)施）主要為直升機(jī)提供理想下滑路徑引導(dǎo)、艦船實(shí)時(shí)橫搖角度及水平基準(zhǔn)、理想著艦點(diǎn)（區(qū)域）位置提示、艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)等信息（功能）。

目前，主要依據(jù)指揮員和飛行員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期識(shí)別、預(yù)判，存在精度、效率低，對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)要求高等不足。國(guó)外已開展基于搖蕩運(yùn)動(dòng)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)浪高測(cè)量2種技術(shù)體制的艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期識(shí)別（預(yù)判）研究[15-16]，旨在通過機(jī)器自動(dòng)識(shí)別、預(yù)判艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期，輔助指揮員和飛行員高效決策起降時(shí)機(jī)。

基于艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)歷史數(shù)據(jù)的起降時(shí)機(jī)輔助決策設(shè)備，在國(guó)外已上艦使用，如英國(guó)AGI 公司研制的著艦時(shí)機(jī)指示器（landing period designator，LPD），它的基本原理是：基于測(cè)量得到的前一時(shí)間段和當(dāng)前的艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出起降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能量系數(shù)（EI），根據(jù)EI大小將當(dāng)前起降平臺(tái)滿足直升機(jī)安全起降的程度分為“安全”“警告”“危險(xiǎn)”3 種狀態(tài)，并以綠色、黃色、紅色3種不同顏色信號(hào)燈向指揮員和飛行員傳達(dá)狀態(tài)信息，在LPD 的輔助下，結(jié)合指揮員和飛行員經(jīng)驗(yàn)，能夠顯著提高起降平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期捕獲概率，從而提高直升機(jī)起降效率和安全性[17]。

圖7 英國(guó)AGI公司研制的LPD設(shè)備[17]Fig.7 LPD equipment developed by AGI,UK

滿足直升機(jī)起降作業(yè)需求的艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)宜在15 s以上，但基于艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)歷史數(shù)據(jù)的平穩(wěn)期預(yù)報(bào)難以滿足該要求。為實(shí)現(xiàn)該預(yù)報(bào)功能，國(guó)外主流采用基于實(shí)時(shí)浪高測(cè)量的平穩(wěn)期預(yù)報(bào)技術(shù)[16]：利用測(cè)浪設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)方來浪方向和距離本艦一定距離的浪高特性，進(jìn)而結(jié)合波浪空間傳播預(yù)報(bào)技術(shù)計(jì)算艦船一段時(shí)間后將遭遇的海面波高，再利用海浪激勵(lì)下的艦船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)?；趯?shí)時(shí)浪高測(cè)量的平穩(wěn)期預(yù)報(bào)系統(tǒng)在國(guó)外尚處于海上試驗(yàn)階段，目前尚未發(fā)現(xiàn)有上艦裝備。

2.3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)（測(cè)量）設(shè)備

如上所述，直升機(jī)起降受能見度、風(fēng)、海浪等環(huán)境因素影響，因此，對(duì)這些環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)（測(cè)量）即環(huán)境監(jiān)測(cè)（測(cè)量）設(shè)備的功（性）能也是需要關(guān)注的影響直升機(jī)高海況起降的裝備因素。在多種環(huán)境因素中，對(duì)風(fēng)的監(jiān)測(cè)（測(cè)量）相對(duì)復(fù)雜。

國(guó)外直升機(jī)起降必須以起降風(fēng)限圖為依據(jù)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)合成甲板風(fēng)、海上自然風(fēng)，據(jù)此判斷風(fēng)況是否落在起降風(fēng)限圖包絡(luò)以內(nèi)。測(cè)風(fēng)設(shè)備安裝在起降平臺(tái)會(huì)干涉直升機(jī)正常起降，同時(shí)也會(huì)受到直升機(jī)旋翼氣流影響，因此，目前，國(guó)外驅(qū)護(hù)艦通常在艦船桅桿頂端左右對(duì)稱處布置風(fēng)速計(jì)來測(cè)量艦船相對(duì)海上自然風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向（合成甲板風(fēng)）。但受艦船上層建筑帶來的氣流影響，布置在桅桿頂端的風(fēng)速計(jì)測(cè)量得到的風(fēng)速、風(fēng)向與實(shí)際存在偏差。為減小氣流干擾導(dǎo)致的偏差：對(duì)于左舷來風(fēng)，一般采信左邊布置風(fēng)速計(jì)測(cè)量結(jié)果；對(duì)于右舷來風(fēng)，一般采信右邊布置風(fēng)速計(jì)測(cè)量結(jié)果。但即便如此，仍然與實(shí)際存在最大約20%的偏差（見圖8）。而根據(jù)要求，風(fēng)速計(jì)記錄的風(fēng)況數(shù)據(jù)與實(shí)際偏差不能超過±10%，否則數(shù)據(jù)不可用。

圖8 湍流強(qiáng)度云圖和速度矢量圖，風(fēng)速40 kn、風(fēng)向左舷90°[18]Fig.8 Turbulence intensity cloud diagram and velocity vector diagram,with a wind speed of 40 kn and wind direction of 90°to the port

圖9 不同風(fēng)向角風(fēng)速計(jì)位置測(cè)得的風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速的偏差[18]Fig.9 Deviation between wind speed measured by anemometer at different wind directions and true wind speed

針對(duì)上述情況，目前有兩類方法：一類是采用矯正算法，對(duì)風(fēng)速計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，如荷蘭海軍采用的Wind Correction Algorithm（WCA）算法[9]；另一類是未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，即采用激光測(cè)風(fēng)這種非介入式測(cè)風(fēng)手段，在解決驅(qū)護(hù)艦上的適裝性、小型化以及經(jīng)濟(jì)性等問題后，這一方法有望在驅(qū)護(hù)艦上得到使用。

2.4 其他裝（設(shè)）備能力需求

飛行員視野（目視引導(dǎo)）是確保起降成功的另一關(guān)鍵因素，飛行員在起降關(guān)鍵階段，需要通過目視來判斷直升機(jī)相對(duì)母艦的位置、距離和姿態(tài)。因此，針對(duì)高海況起降，直升機(jī)座艙也需要有針對(duì)性設(shè)計(jì)，最大限度保證飛行員和機(jī)組人員可以通過目視感知外部起降環(huán)境。

此外，為降低飛行員操控負(fù)擔(dān)，直升機(jī)通常還需具備自動(dòng)低速跟進(jìn)懸停等功能。直升機(jī)著艦前，在起降平臺(tái)著艦點(diǎn)上方低速跟進(jìn)懸停時(shí)，為能在遇到突發(fā)情況時(shí)成功復(fù)飛，從有低效情況轉(zhuǎn)入無低效情況（飛越起降平臺(tái)邊緣），發(fā)動(dòng)機(jī)需要有10%左右的剩余功率[19]。為能在特殊情況下起降作業(yè)，通常還需給飛行人員配備夜視設(shè)備。高海況著艦，艦艇搖蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)較大，特別是縱搖和深沉運(yùn)動(dòng)，直升機(jī)下降時(shí)，起落架受到相對(duì)較大沖擊，起落架強(qiáng)度需要有專門設(shè)計(jì)等。

3 結(jié)論

直升機(jī)高海況起降能力在裝備方面的影響因素中，直升機(jī)自身的相關(guān)功（性）能最為關(guān)鍵，它也是決定艦機(jī)總體能力邊界（能力包絡(luò)大小）的決定性因素。直升機(jī)在高海況下起降，為提高著艦位置精度、起降安全性并減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)，飛控系統(tǒng)是直升機(jī)今后改進(jìn)的主要方向之一，如提高艦船氣流場(chǎng)環(huán)境中的相對(duì)位置控制、姿態(tài)控制、四軸解耦控制等方面能力。

艦船兩大相關(guān)功（性）能中：搖蕩運(yùn)動(dòng)水平在驅(qū)護(hù)艦艦型無大的變化、噸位不斷增加、減搖技術(shù)相對(duì)成熟的背景下，已基本趨于穩(wěn)定；艦船氣流場(chǎng)由于需要兼顧更多其他因素，往往是艦船交付后的“既定事實(shí)”，設(shè)計(jì)階段的艦船氣流場(chǎng)優(yōu)化實(shí)際并無多大空間。針對(duì)直升機(jī)高海況起降需求，艦船今后需要在搖蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)、起降環(huán)境監(jiān)測(cè)、無人化艦面保障作業(yè)、氣流場(chǎng)主/被動(dòng)控制[20-21]、計(jì)算機(jī)輔助人員指揮決策等方面下更多功夫。

直升機(jī)起降是1 個(gè)艦、機(jī)、人、環(huán)等多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng)問題，后續(xù)研究需要對(duì)該系統(tǒng)各因素的耦合機(jī)理有更深的理解。除裝備因素外，試驗(yàn)試飛、人員訓(xùn)練等因素也至關(guān)重要。艦機(jī)一體海上實(shí)裝試驗(yàn)試飛是掌握該復(fù)雜系統(tǒng)能力邊界，發(fā)現(xiàn)艦機(jī)適配設(shè)計(jì)不足和問題的科學(xué)手段，得到的“起降風(fēng)限圖”是部隊(duì)訓(xùn)練的基本依據(jù)。該復(fù)雜系統(tǒng)的能力邊界也取決于參與起降作業(yè)人員，特別是飛行員（試飛員）的技能水平，國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，試驗(yàn)試飛后交付部隊(duì)的“起降風(fēng)限圖”，可以在后續(xù)長(zhǎng)期實(shí)踐過程中，通過不斷挖掘人裝結(jié)合潛能，進(jìn)一步擴(kuò)充其邊界[7]，這也證明了“人”在直升機(jī)高海況起降能力形成中的重要作用。