美国舰载航空甲板运动准则

张 勇 周 益

1 沈阳飞机设计研究所总体气动部，辽宁沈阳 110035 2 中国人民解放军92728部队，上海 200436

1 引 言

航母战斗群的核心是用于保障航空联队执行全天候作战任务的具有宽大甲板的航空母舰。为充分发挥舰载机的作战效率，实现航母与战斗机的最佳适配，需要研究适于舰载机使用的甲板运动准则，它是航母设计和飞机设计的初始输入，对完成航母战斗群的使命具有决定作用。

甲板运动准则的形成是一个渐进的过程，在此过程中，既要考虑已有舰船的使用经验，还要兼顾舰船的典型使用海况。

2 机舰接口定义

机舰接口由舰的运动、甲板周围的流场及其对飞机着舰的影响来定义［1］。如图1所示，舰对海浪的响应可以分解为围绕运动中心的6个量，即3个平移量（纵向、横向和升沉）和3个转动量（横摇、纵摇和偏航）。舰上任意点的旋转运动分量与重心处的相同，而平移运动的纵向、横向和升沉分量则与其距重心的距离相关，是由纵向、横向、升沉、横摇、纵摇以及偏航运动复合而成。

对飞机着舰影响较大的因素是甲板的稳定姿态和甲板风。稳定的甲板姿态由舰的配平（舰艏或舰艉的高低）和倾侧（左舷或右舷的高低）定义。甲板风定义为相对风，是自然风与舰速的矢量和［2］，如图2所示。

舰载机无论是采用滑跃起飞还是弹射起飞，其本质都是能量增加的过程，对甲板风的要求源于起飞重量的考虑。在满足起飞重量所需的甲板风条件下，飞机逆风起飞，以减小对发动机推力的需求。

3 传统的甲板运动准则

上世纪70年代，美国海军转变舰艇发展重心，开始倾向于设计排水量较小、价格较便宜的航母和航空舰。所遵循的舰艇运动准则如表1所示，运动限制由最大幅值（或有效值）的1／3抽样平均值获得，以保证100%达到性能要求。

4 “中途岛”舰横摇运动及影响分析

1986年，“中途岛”号航母加装了纵向延展船体2／3、由飞行甲板至水线以下很深的护板，如图3所示。但1986年末，当“中途岛”号驶出船厂后，很快就发现其甲板运动经常不能令人满意，存在着意想不到的运动现象，而且甲板过于潮湿。甲板的运动虽然满足已有的准则，但有时却无法满足飞机甲板转运安全方面的要求。

为改善“中途岛”号航母运动的稳定性，需要制定新的甲板运动精确准则，以评估每项改进措施的效益。为此，召开了舰上航空工程师讨论会，并对相应吨位的航母进行了实际运动的海上测量，以全面评估已有的准则并提出修改建议。

表1 20世纪70年代航母子系统准则总结Tab.1 Summary of 1970′s subsystem criteria

4.1 航空讨论会

航空讨论会得到的初步设计准则如表2所示。设计准则适用于中等海情（海况4，浪高1.2～2.4 m）、限制值用于最大的使用海情（设计准则即为舰体的运动最优值）。为便于设计使用，纵摇、横摇和舰尾的位移均以单次有效幅值给出。

由表2可得出以下结论：

1）横摇的幅值和周期对甲板转运的影响最大。一般情况下，在进行弹射及回收作业时并不特别关注横摇运动，除非它已影响到弹射飞机的占位和从着陆区移除飞机。

2）纵摇周期和幅值会对弹射和回收作业产生重大影响。进行弹射作业时，舰体周期必须是可预测的，能持续足够长的时间，以确保在舰首的上仰过程中飞机离开甲板，从而避免过度的轨迹下沉，纵摇幅值受到浪花情况的约束。进行回收作业时，纵摇幅值会受到菲涅尔透镜的机械故障限制，纵摇周期会受到着舰信号官（LSO）的反应时间和通信／飞行员的反应时间限制［3］。

表2 设计准则Tab.2 Workshop design criteria

3）甲板风会严重影响甲板的转运工作。传统上，甲板风也是弹射和回收作业的限制量，即具有弹射／回收作业的甲板风允许包线，目的是限制航母与迎面海风及海况的遭遇航向和速度，降低遭遇次数，以使舰体的运动最小［4］。在甲板转运时，航母的航向和速度由运输要求确定，它会对航母和飞机产生风载，从而影响飞机的移动。随着甲板的变湿，限制值会迅速降低。

4）升沉和横移对回收的影响很独特。横移会使偏心啮合增加，导致对拦阻装置要进行更多的检查与维护。升沉会与纵摇及其他运动相复合，从而导致舰尾上下运动。舰尾移动，不管其是如何取得的，都是LSO的复飞判别准则。在极端情况下，舰尾的位移及其速度所产生的着陆载荷会达到起落架的限制载荷。

4.2 海上测量

由于航母的配平、倾侧和动态横摇或纵摇，会导致船体倾斜。横向加速度源于船的横摇幅值和周期，周期越短，加速度越大。在横向加速度达到0.1g 时，飞机会产生运动，达到 0.15g 时，运动反而会停止。垂直加速度源于升沉和纵摇运动（幅值和周期）。甲板倾斜与横向加速度的复合效应会在飞机或舰面装置上产生横向力，在极限情况下会导致飞机或舰面装置的滑动或倾倒。垂向加速度会导致舰面装置变轻或变重，改变它们对甲板的附着力。

5 更新的甲板运动准则

甲板运动准则的最终结果如表3所示，甲板姿态准则如表4所示。对于甲板风，飞机转运的限制值为35 kn，每种飞机与航母组合形成的弹射／回收限制由具体的公告板给出。

表3 CV／CVN甲板运动限制准则Tab.3 CV ／CVN limiting deck motion criteria

表4 CV／CVN姿态限制准则Tab.4 CV ／CVN limiting attitude criteria

5.1 甲板运动限制准则的使用

1）无约束值适用于海况4级、浪高有效值为1.2～2.5 m以下的航母，允许航空活动按常规进行，无时间限制。

2）对于约束使用值，航空活动虽可进行，但工作负荷会增加。在此情况下，船体的运动成为活动进展的主要因素，这些准则决定了高海况情况下航母的使用能力。

3）在2个值之间，随着运动幅值的加剧，航空活动的品质逐渐降低。

4）坡道的水平位移、垂直位移和触舰点的垂直速度是针对飞机回收给出的，横摇和纵摇限制适用于航空使用（弹射／回收、舰面转运、选定的维护活动和武器操作）。

5）当舰体运动的有效值不超过给定值、响应周期不小于给定值时，满足准则。

6）准则适于中等使用状态的甲板，即甲板潮湿、有油污、具有积盐且已磨损，但仍防滑。最恶劣的环境因素（雾、雨、雪、冰等）组合不予考虑，因为其不经常出现。

7）不区分白天和黑夜，准则均适用。

8）准则主要考虑了飞行甲板上飞机的使用，同时也考虑了运动对维修、武器加挂、飞机在升降梯及机库甲板转运的影响。

5.2 甲板运动准则的数据使用

如果舰艇的横摇周期低于10 s，飞机连续移动的前提是保证舰艇的横摇角小于2°（SSA）。如果横摇角超过2°，横摇将成为考虑的重要因素。

实际上，飞机的移动必须在1／4周期内完成。因此，20 s的横摇周期便提供了5 s的移动飞机窗口。如果将4.5 s的窗口作为评估限制值，则横摇周期至少需要18 s，图4所示为横摇限制准则。如果横摇周期大于20 s，在克服极大困难的前提下，可以容忍横摇幅值达到3°。当横摇周期在18 s以内时，2°是最大值；在18～20 s，伴随舰艇运动的工作由船员的经验和能力决定。

着舰信号官能看见由舰艇的横向、横摇和航向的复合作用而导致的坡道水平位移。水平位移小于1.5 m时，不会引起偏心着舰，但当水平位移接近4.6 m时，偏心着舰便成为可能，就会有损坏拦阻装置和其它飞机的风险。准则考虑的是总水平位移［5］。

坡道的垂直位移由舰艇的纵摇、横摇和升沉复合而成。在极限情况下，其运动会超过菲涅尔透镜系统（FLOLS）的稳定能力，从而增加飞机撞击舰尾的风险。对于限制值，舰艇的反馈表明，＋3～-4.6 m是可以接受的。考虑到运动幅值在均值两侧的等值分布，进一步将其限制为有效值±3 m［6］。

纵摇运动会影响到飞机的弹射、回收和转运，图5所示为纵摇限制准则。在纵摇限制值为2°时，飞机必须在纵摇周期的上仰部分弹射，在此情况下，纵摇周期为15 s或更大是安全弹射飞机所必须的。当舰艇的纵摇周期在10 s以下，降到7 s时，纵摇最大值为1°。对于飞机的回收，2°的限制值也对应于FLOLS系统的限制值。在纵摇幅值小于1°时，纵摇周期对飞机的弹射和回收都没问题。

飞机与甲板之间允许的最大相对垂直速度由飞机的起落架强度决定。进近飞机的下沉率部分使用了允许的速度，强度余量界定了最大可用的甲板速度。垂直速度准则是单值准则，因为一旦起落架全部压缩，就会有损坏的风险。

5.3 甲板姿态限制准则的使用

0.5°的舰首配平限制值是由飞机弹射舰首的下沉量所决定。飞机回收时，FLOLS稳定无约束的配平值只有0.25°。当甲板纵向水平配平时，FLOLS具有较低的稳定限制值，它限制了透镜的稳定行程，仅能稳定下滑道以下的1.25°纵摇。舰首配平消耗了一部分等效的行程，经验表明，当配平大于0.25°时，FLOLS 的纵摇稳定便开始受到很多限制，纵摇的幅值开始时常超越剩余的透镜行程，投射出的肉球（飞行员用于保持下滑道）也开始跳跃。舰首配平减小了钩坡距，增加了逃逸的机率［7-8］。

与0°配平相比，舰尾0.5°的配平限制值可增加10 kn最小回收甲板风，以保持可接受的着舰载荷。随着甲板风的增加，扰流也会增加，从而增加了飞行员保持正确着舰姿态的工作负荷。同样，增加舰速也可实现甲板风的增大，但也会付出相应的代价。0.5°的舰尾配平代表了飞行员可接受的最大工作负荷。当配平变化在 0°～0.25°之间时，飞行员的工作负荷变化很小，因此，将0.25°作为无约束使用的受限值。

倾侧的限制值是在考虑到回收滑出的过程中由飞机的漂移确定。超过1°的倾侧会导致不寻常的弹射磨损，而当倾侧低于0.5°时，回收漂移处于可控的界限内。对于飞机的弹射和回收，甲板风必须在弹射／回收公告板的限制值之内。典型的情况是：对航母的航向和速度加以限制，以达到15～35 kn的甲板风，针对最敏感的机型，相对于弹射或斜角甲板的中心线，最大可以有8 kn的侧风。对于飞机转运，所有航向都可以承受最大35 kn的甲板风。在航母的设计评估过程中，需同时考虑甲板风和甲板的运动。

6 结 语

准则的建立反映了目前美国海军对现代 “大甲板”战斗群的运用能力。可以接受的设计值是期望的使用能力的函数，对于这些值，或者说更为重要的，是方法的使用，必须要考虑其使用场景并评估其相关假定的合理性。

文中给出的值只代表设计准则，不能作为使用限制。设计准则的本意是给出一个可以扩展的使用包线，利用任何“设计准则”建立“使用指南”都必须要全面实践，同时考虑对使用者的影响。

［1］渔翁.舰机适配性对航母设计的影响［J］.现代舰船，2006（10）：33-38.YU W.Influnce of suitability of carrier-aircraft on the Carrier Design［J］.Modern Ships，2006（10）：33-38.

［2］陈传铮.航母舰载机的归航与回收［J］.现代舰船，2006（2）：38-41.CHEN C Z.Recovery and landing of carrier-based aircraft［J］.Modern Ships，2006（2）：38-41.

［3］刘星宇，许东松，王立新.舰载飞机弹射起飞的机舰参数适配性［J］.北京航空航天大学学报，2010，31（1）：102-108.LIU X Y，XU D S，WANG L X.Parameters of carrieraircraft suitability for carrier-based aircraft catapult launch［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，31（1）：102-108.

［4］许东松，刘星宇，王立新.变化风场对舰载飞机着舰安全性影响［J］.北京航空航天大学学报，2010，36（1）：77-81.XU D S，LIU X Y，WANG L X.Influence of changeful wind on landing safety of the carrier-based airplane［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36（1）：77-81.

［5］DURAND T S，TEPER G L.An analysis of terminal flight path control in carrier landing［R］.AD0606040，1964.

［6］NELSON J H，GRIFFIN G M.United states navy pilotcontrolled landing procedure and associated equipment［R］.AGARD-R423，1963.

［7］DURAND T S.Carrier landing analyses［M］.Hawthone，California：System Technology Inc.，1967.

［8］KNOTT R C.The naval aviation guide［S］.Annapolis，Maryland：Naval Institute Press，1985.