舰载直升机起降安全性分析及其评估＊

2014-11-23

舰船电子工程 2014年2期

（海军陆战学院广州 510430）

1 引言

舰载直升机的飞行安全主要是指在着舰和起飞过程中的安全。舰载直升机在狭小、运动的甲板上起飞着舰，受到甲板上方复杂尾流的强烈干扰，难度比在陆地上大得多。直升机起飞和着舰过程是事故发生率最高的阶段，为预防事故的发生，对舰载直升机起飞着舰过程实施分析，研究评估舰载直升机的飞行安全性，具有十分重要的军事意义［1］。影响直升机安全起降的因素包括：与直升机有关的因素、与舰船有关的因素、与环境有关因素、与人员有关因素［2］。

2 影响舰载直升机起降因素分析

2．1 与直升机有关的因素

由于舰载直升机使用环境不同于岸基直升机，因此影响舰载直升机安全起降的因素主要有：

2．1．1 旋翼系统和起落架

由于舰船运动使得飞行甲板总是处于一种不平衡的状态，因此直升机停放在甲板上会有发生滑移、滚动和翻倾等可能性。直升机着舰时，会出现单轮触舰，起落架产生不对称反作用力，直升机受力不平衡，着舰点滑移和具有翻倾的危险。同时要求直升机着舰后要保持动态稳定，从而避免舰面共振。为适应舰船的空间限制，旋翼系统必须能折叠，并限制使用4～5片桨叶，同时应尽量采用无铰旋翼以减少舰面共振的发生。

2．1．2 直升机的重量

直升机的重量也是决定能否安全起降的重要条件，如果直升机超过最大载重，就会导致起飞降落时控制失效。飞行甲板区域的风是舰船航速与自然风合成的相对风。由于受舰船卜层建筑物的影响，在飞行甲板的平面和高度方向上，风的分布是不均匀、不平稳的，可能同时存在涡流、扰动、无风及定常流动区。这将给直升机的操纵带来更多的困难和潜在的危险。为了提高直升机操纵准确性，并且具有适当的灵敏度和良好的机动性，要求直升机有高性能的自动飞行控制系统、较大的剩余功率和旋翼系统的升力裕度、以及良好的操纵特性。同时要求直升机具有较低的重心，以使直升机有良好的稳定性。

2．1．3 发动机性能

发动机是直升机飞行的能力源，直升机旋翼气动力和力矩是直升机运动的主要控制力量。在复杂多变的海上环境中，保持一定的发动机剩余功率和旋翼升力裕度，对直升机的飞行安全是至关重要的。

2．2 与舰船有关的因素

2．2．1 飞行甲板尺寸、强度、摩擦系数

直升机平台为舰载直升机的停放、起飞、着舰、悬停及与飞行活动有关的操作提供必要的净空和面积。为此，对其甲板的尺寸、强度、水密性、泄水能力、摩擦系数、标志和安全支援设施等均有相应的要求。

2．2．2 舰船上的建筑物及其位置

舰船上的建筑物及其位置对直升机起降也有影响。直升机搭载于舰船上，不仅飞行甲板的运动是不规则的，而且舰船的上层建筑物也是非流线型，可以看成陡壁体，在贴近飞行甲板附近的区域往往产生偏流、扰动、涡流等强烈复杂的紊流。这种现象对于总体尺度较小、上层建筑相对较大的非航母型舰船尤为严重。载舰的着舰场前方基本上都有高大的机库，机库上方竖有十几米高的天线。直升机着舰时，若姿态控制不好，或进入着舰角度不当，或下滑高度有误，都有可能使旋翼与机库或天线相撞产生严重的后果。

2．2．3 舰船烟囱的排烟

舰船烟囱的排烟易在直升机飞行甲板上空造成热辐射和扰动的卷流区，从而影响直升机的功率和操纵性能，舰船尾烟对直升机发动机构成危害。

2．2．4 舰船运动

海浪对直升机使用安全的影响主要体现在舰船的运动响应特性上。在海浪的作用下，载舰表现为横摇、纵摇、升沉运动，对直升机着舰影响很大。舰船在每个浪涌上下间有个短暂的平静期，且在第3～4次浪涌时，因舰船摇摆和浪涌周期不同、互相抵消，会出现一个长的平静期，短则5s，长则达37s。飞行员必须及时准确判断舰船的暂时平静期，抓住时机，准确地操纵直升机降落在着舰场的圆圈内。

2．3 与环境有关因素

与环境有关的因素包括风速风向、海浪、大气温度密度。舰艇船体及其上部构造使舰船上方及后方的气流结构变得复杂，涡结构中包括船头涡、边沿涡、陡壁体涡。不同的风向、风速及舰运动对直升机安全起降有明显的影响，舰体周围的涡流和复杂风场对旋翼起停时桨叶飘摆、直升机悬停时的稳定性有较大影响。

2．4 与人员有关因素

与人员有关的因素包括驾驶员技术水平、空勤人员的业务水平和心理素质。直升机舰上起降操纵技术复杂，指挥人员要全面掌握海洋气象情况和舰船特性，有丰富的驾驶经验，应急情况出现后应果断正确指挥。据直升机海上作业重大事故记录统计，有70%人员事故因素与飞行员操纵失误有关，有30%与指挥人员处理不当有关。

3 评估模型

为了利用模糊综合评判法对舰载直升机起降安全性进行评估［3～4］，建立如下的评估模型：模糊综合评判法设置的层次递阶图为三层，目标层为直升机安全起降，第一层为四个影响因素，第二层为各个影响因素的具体内容，详见图1。

图1 舰载直升机起降安全评估指标体系

为评价直升机能否安全起降，首先建立第一层指标集b＝｛b1，b2，b3，b4｝，第二层指标集b1＝｛b11，b12，b13｝，b2＝｛b21，b22，b23，b24｝，b3＝｛b31，b32，b33｝，b4＝｛b41，b42｝，记第一层指标为bi（i＝1，2，2，4），bi所包含的第二层指标为bij（1≤j≤qi，qi为bi所包含的指标个数），各层指标的权重分别为ωi，ωij，满足：

在评估中，首先由最下层基本指标来给出第二层指标bij的评估结果，进而逐层向上综合得到总能力指标的评估结果。此问题可以建立二级模糊综合评判模型来解决。首先确定评语集V＝｛V1，V2，…，Vn｝，评语Vg（1≤g≤n）表示对各指标作出的评价等级，其对应的评价值为p（V）＝｛p（V1），p（V2），…，p（Vn）｝。

3．1 对第二层指标集bij进行评价

设指标bij（1≤j≤qi）关于等级Vg的隶属度为rjg，则对指标bij的单因素评价为Rij＝（rj1，rj2，…，rjn），从而得到第一层指标bi的综合评判矩阵为

3．2 求第一层指标bi 的综合评价向量经模糊变换

得第一层指标bi的综合评价向量，big表示指标bi对评语Vg的隶属度。变换算子“◦”根据实际情况选取不同的类型，本文选取M（◦，＋）型算子，即

3．3 求总能力指标b的综合评价向量

将第一层指标的综合评价向量Bi作为总能力指标b的单因素评价．则被评价方案的综合评判矩阵为

经模糊变换B＝W◦R＝｛b1，b2，…，bn｝，称为被评价对象的综合评价向量，bg表示被评价对象对评语Vg的隶属度。

4）令

得被评价对象的评价等级量化值，即为最后评价结果。

4 实际算例分析

选取海浪等级为3级，风速8m／s，风向为逆风，大气温度34℃，驾驶员技术水平一般，空勤人员业务水平一般，选取×××型驱逐舰，其甲板的尺寸、强度、水密性、泄水能力、摩擦系数、标志和安全支援设施等均符合x型直升机起降的相应要求［5］。

下面建立模糊综合评判模型对舰载直升机安全起降时机进行评估［6～8］。选取的评语集是V＝｛V1（很差），V2（差），V3（一般），V4（较好），V5（好）｝，对应的评价分值分别为P（V）＝｛P（V1），P（V2），P（V3），P（V4），P（V5）｝＝｛0．1，0．3，0．5，0．7，0．9｝。舰载直升机安全起降时机评估第二层指标的权重和在评语集上的隶属度如表1，第一层指标的权重由专家直接给出ω＝（ω1，ω2，ω3，ω4）＝（0．2，0．3，0．2，0．3）［9］。