基于舰载机起降限制的舰船气流场特性评估方法初探

陆 超 姜治芳 王 涛

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

基于舰载机起降限制的舰船气流场特性评估方法初探

陆 超 姜治芳 王 涛

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

对具有搭载舰载机能力的舰船而言，其气流场特性的评估取决于对相应舰载机的起降气流条件限制。通过对美国LHA型舰缩比模型的数值建模，结合两种舰载机起降的气流场限制条件对计算结果进行对比分析。在相同定常来流工况下，分别以±15°风向角对该型舰数值模型的两个起降点进行模拟取值，结合直升机和固定翼短距／垂直起落飞机的起降特性和气流限制条件，尝试提出一种评估舰船气流场特性的直观方法，并得出不同甲板气流区域受上层建筑影响的有关结论。

空气流场特性；风向角；航速；舰载机；起飞/降落

1 引言

对舰船空气流场的研究可以通过实船测量、模型试验和数值模拟方法得出气流场的基本形态和各参数分布，但是要准确地预报其对舰载机起降特性的影响还需要考虑舰载机的详细气动特性，这对于方案初选阶段的气流场模拟工作是较为困难的。本文通过对国外已公布基本性能数据的典型舰载机在起降阶段的基本气流场条件进行简单分析，结合舰船气流场定常数值模拟计算结果，对不同边界条件下舰上的舰载机起降特性进行了简单评估。

2 两型典型舰载机定常条件下起降限制分析

对舰载机起降操作的适用性是评估舰船气流场特性即舰船舰面布置设计质量的一个重要指标。因此，就需要明确舰载机起降时的气动条件限制，对于已知气动特性的飞机可以直接引用有关数据，而对于外军装备则可以通过已知数据进行分析，得到一个大致的限制范围，为评估相应载舰提供较直观的框架。

在定常条件下，本文设定舰载机起降环境不考虑舰船的六自由度运动，飞机起降安全性仅取决于甲板附近的气流运动。根据所模拟的舰船模型［1］，选取了美军目前使用的两型典型舰载机作为分析对象［1-3］，一型为目前广泛装舰使用的的H－60“黑鹰”系列直升机，另一型为 AV－8B“鹞”式短距／垂直起降固定翼飞机。

在考虑直升机气动力时，必须分析由直升机旋翼、尾桨、平尾和机身所产生的气动力和力矩对飞机的影响［4］。在起降阶段，直升机通常是以怠速近似悬停在飞行甲板附近，因此旋翼桨盘面在周向的倾角很小，本文将其近似趋近于零，机身和平尾产生的气动升力很小，因此重点对旋翼和尾桨的气动力进行分析。此时旋翼主要提供垂直轴向上的气动升力，当逆向垂直气流速度不大于旋翼所能提供的下洗气流诱导速度1／4时，直升机可以保持正常起降，超过此速度则会发生涡环效应无法对飞机实现有效控制，本文将此速度称为“涡环临界速度”。一般来讲，旋翼的各速度分量与垂直方向旋翼下洗气流速度关系如下［5］：

Wy＝Vsin（－ αs）＋v＋vβ（1）式中，Wy为旋翼来流速度即旋翼产生的下洗气流速度；Vsin（－αs）为前飞速度分量；v为构造旋转平面的诱导速度；vβ为运动时相对气流的速度。当直升机在相对较低的风速中悬停时，旋翼运动角很小，为了能分析舰载机起降的限制条件，本文近似认为Wy近似于v。而旋翼的最大下洗气流速度可以由直升机的最大爬升率推得。

目前，已知H－60直升机的海平面最大爬升速率为 3.55 m／s［6］，则该机旋翼盘面的诱导速度不会超过该值，若要使该直升机安全起降，起降区域附近的逆向（向上）垂直气流速度不得超过1／4v＝0.837 5 m ／s。

尾桨用于平衡直升机横向的气动合力，通过调节桨距和转速来改变横向拉力的大小，尾桨的控制力与横向来流速度有关。根据有关资料，直升机通常能承受的横向来流速度不大于23 m／s，超过这个速度尾桨将无法提供足够的拉力来稳定直升机航向。因此，本文将H－60直升机所能承受的横向来流速度分量的上限设定为23 m／s。

AV－8B是一种短距／垂直起降的高速固定翼飞机，由于使用矢量推力喷管实现飞行姿态控制，在气流速度远小于音速的常规天气状况下受舰面空气流场变化的影响很小［7，8］，其起降性能限制应少于直升机，由于并没有该机的详细气动资料，本文认为满足直升机起降的气流场条件就可以满足AV－8B的起降条件。

除以上确定数值条件之外，当气流速度值在一定区域内有陡升或陡降时，表明该区域有较明显的压力变化或湍流出现，对舰载机的起降作业同样是不利的。因此，在一定剖面内的气流速度变化是否平缓也是影响对舰船舰面空气流场特性的重要因素。

3 舰船气流场的特性评估

本文根据已有参考文献，选定美军LHA型两栖攻击舰1／120比例缩比数值模型进行CFD数值模拟。在定常条件下，以30 kn来流速度对0°、15°（舰首逆时针为正）、－15°三个风向角条件下，利用ANSYS CFX软件进行了数值模拟计算，并在该模型2号（位于甲板首端）和7号起降点（位于上层建筑后方）的各法向速度分量进行了取值。考虑到空气流场模拟的相似条件，本次数值模拟试验在定常条件下以低速进行，马赫数Ma＝0.045，不存在气动压缩性问题，湍流形态也与实船基本相同。因此，对气流速度结果可直接用于分析，压力的分布形式也与实船相似。以下将以2号和7号起降点为主要研究区域，结合速度等值线和压力等值线形态对3种边界条件下的气流场特性进行评估。

3.1 0°风向角舰船气流场特性

本文首先对0°风向角时舰船的气流场特性进行了模拟定常计算，来流速度30 kn（15.432 m／s），在2号起降点和7号起降点横向划定沿甲板宽度方向上的直线，每条直线取36个取值点，将所取数值输出并绘制散点曲线图（图1）。

由于模型甲板宽度为 0.3 m （横坐标－0.15～0.15 m），由图1观察到在甲板边缘及靠近甲板区域由于垂向气流速度大于涡环临界速度，不利于舰载机起降，在±0.2 m位置附近为垂直气流速度值最大位置，飞机应尽量避开该区域。

图2显示7号起降点区域的垂直气流速度分量虽然均未超过涡环临界速度，但是在上层建筑附近（0～0.12 m）速度分布极不均匀，在－0.12～－0.15 m时出现明显的速度陡降，存在一个较大范围的低压区域，但7号起降点位置及左舷区域适合飞机起降作业。

3.2 15°风向角舰船气流场特性

采用与0°风向角条件时，相同的模拟方法得出15°时垂直速度分量散点图（图3）。

由图3可以看到风向角改变后对该区域气流场的影响是明显的，由于模拟过程是通过改变舰船方向来获得不同风向角，图表中横坐标值发生改变，舰中点变为－0.4 m位置。在中线两侧0.1 m位置均出现较大的速度跃变，且在起降点（－3.12 m）位置和对称区域，垂直速度分量均超过涡旋临界速度，舰载机可起降范围明显减少，起降环境劣于0°风向角。

图4显示在15°风向角时舰载机的起降环境更为恶劣，由于上层建筑的干扰，导致后部区域气流速度变化剧烈，压力变化很大，对H－60直升机的操作极为不利，仅有7号起降点附近较小范围内可以安全起降舰载机。图5显示了15°风向角时飞行甲板附近区域的三维流线图。

图4 30 kn、15°风向角7 号起降点垂直速度分布（直线为0.837 5 m／ s 位置）

从图5可以更直观地观察15°风向角时飞行甲板附近的气流场状态，在2号起降点附近流线开始偏转，在经过上层建筑后流线变化开始逐渐明显，到达7号起降点时较为紊乱，这与图4中出现较大的速度跃变是吻合的。

3.3 －15°风向角舰船气流场特性

以下是本文进行的－15°风向角数值模拟后，所得指定区域的垂直速度分量散点图（图6）。

此时由于舰船反向偏转船中点位于－0.2 m处，可见2号起降点此时气流变化非常明显，已不适于舰载机进行起降作业，但靠近甲板中部区域气流变化平缓仍可使用。图7可以更直观地观察到此时该区域气流场的状况。

当风向角为－15°时7 号着舰点区域的中点位于0.1 m 处， 此时7 号着舰点位置和上层建筑附近区域已均不适于飞机起降，由于中间速度缓和区域空间有限，已不适合AV－8B进行滑跑起飞。

3.4 定常条件下对LHA型舰气流场特性的评估

通过对LHA两种典型舰载机起降限制的分析和3个边界条件下CFD数值模拟计算，已经可以得到30 kn定常来流时该舰在±15°风向角时的气流场数据。但是，仅通过数据的处理和分析并不能对舰船气流场的特性有直观的认识，这是目前舰船气流场研究计算领域长期存在的问题。

本文根据相关资料中舰载机起降性能包络线的概念［9，10］，提出针对取值区域划定舰载机起降扇面的方法，在定常速度条件下，每个取值区域各风向角所适用的起降宽度用等弦长圆弧表达，扇面面积则表示该区域可供起降的适用程度。由此可见扇面面积越大，该区域气流场特性就越适于舰载机起降作业；圆弧所跨弦长越长，所对应风向角就越有利于舰载机起降作业。反之亦然。

根据3.3节中的数据分析，本文绘制了30 kn定常来流时，±15°风向角范围内2号和7号起降点起降扇面的图形，见图9。

通过图9可以较直观地观察到该边界范围内LHA型舰两个典型起降区域的气流场特性，显然2号起降点的适用性好于7号起降点。结合上文叙述，可以认为影响该舰气流场特性的重要因素是甲板面及上层建筑的布置形式，如要对该型舰气流场进行优化，则必须改变舰面布置并进行评估对比。

4 结论

利用现有的舰载机起降限制条件结合计算得到的舰船特定区域气流速度结果和流线分布情况，本文提出舰船起降扇面的评估方法。在具有可供参考的舰载机起将性能数据的前提下，该方法可以为设计初始阶段的方案优选提供依据，在缺乏详细飞机资料或具体型号舰载机时，也可以通过制定一个限制框架来进行不同舰面布置形式下的气流场特性评估，从而指导舰面布置形式的优化工作。从本文对LHA型舰的气流场定常特性评估可以发现，上层建筑附近区域的起降适用范围小于开阔区域，风向角变化对其影响也更明显。

［1］POLSKY S A，A computational study of unsteady ship airwake［C］／／AIAA 2002－1022.

［2］LEE D Y.Simulating and control of a helicopter operating in a ship airwake［D］.A Thesis in Aerospace Engineering，2005.

［3］POLSKY，SUSAN A，BRUNER C W.Time－accurate computational simulations of an LHA ship airwake［C］／／18th AIAA Applied Aerodynamics Conference，AIAA －2000 －4126.

［4］杨一栋.直升机飞行控制［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［5］张雅铭，李宣友.在任意方向水平风作用下悬停时的飞行特性研究［C］／／第14届直升机年会论文，1988.

［6］DAVID B.FINDLAY，GHEE T.Experimentalinvestigation of ship airwake flow control for a US navy flight II－A class destroyer（DDG）［C］／／3rd AIAA Flow Control Conference， AIAA 2006－3501.

［7］KELLER J D，GLEN R，BOSCHITSCH A H，et al.Computational fluid dynamics for flight simulator ship airwake modeling［C］／／The Interservice／Industry Training， Simulation ＆ Education Conference （I／ITSEC），2007.

［8］ARUNAJATESAN S，JEREMY，SINHA N.Towards numerical modeling of coupled VSTOL－ship airwake flowfields ［C］／／42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，AIAA－2004－52.

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［10］ ARUNAJATESAN S，SHIPMAN J，SINHA N.Numerical modeling of coupled STOVL－ship airwake flowfields［C］／／Proceedings of FEDSM＇04， HT－FED2004－56147.

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

陆超（1981 － ） ，男，硕士。研究方向：舰船总体设计与优化。E-mail：oceanst0626＠ sina. com

姜治芳（1963 － ） ，女，研究员。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。