美國艦載航空甲板運動準則

張 勇 周 益

1 沈陽飛機設計研究所總體氣動部，遼寧沈陽 110035 2 中國人民解放軍92728部隊，上海 200436

1 引 言

航母戰斗群的核心是用于保障航空聯隊執行全天候作戰任務的具有寬大甲板的航空母艦。為充分發揮艦載機的作戰效率，實現航母與戰斗機的最佳適配，需要研究適于艦載機使用的甲板運動準則，它是航母設計和飛機設計的初始輸入，對完成航母戰斗群的使命具有決定作用。

甲板運動準則的形成是一個漸進的過程，在此過程中，既要考慮已有艦船的使用經驗，還要兼顧艦船的典型使用海況。

2 機艦接口定義

機艦接口由艦的運動、甲板周圍的流場及其對飛機著艦的影響來定義［1］。如圖1所示，艦對海浪的響應可以分解為圍繞運動中心的6個量，即3個平移量（縱向、橫向和升沉）和3個轉動量（橫搖、縱搖和偏航）。艦上任意點的旋轉運動分量與重心處的相同，而平移運動的縱向、橫向和升沉分量則與其距重心的距離相關，是由縱向、橫向、升沉、橫搖、縱搖以及偏航運動復合而成。

對飛機著艦影響較大的因素是甲板的穩定姿態和甲板風。穩定的甲板姿態由艦的配平（艦艏或艦艉的高低）和傾側（左舷或右舷的高低）定義。甲板風定義為相對風，是自然風與艦速的矢量和［2］，如圖2所示。

艦載機無論是采用滑躍起飛還是彈射起飛，其本質都是能量增加的過程，對甲板風的要求源于起飛重量的考慮。在滿足起飛重量所需的甲板風條件下，飛機逆風起飛，以減小對發動機推力的需求。

3 傳統的甲板運動準則

上世紀70年代，美國海軍轉變艦艇發展重心，開始傾向于設計排水量較小、價格較便宜的航母和航空艦。所遵循的艦艇運動準則如表1所示，運動限制由最大幅值（或有效值）的1／3抽樣平均值獲得，以保證100%達到性能要求。

4 “中途島”艦橫搖運動及影響分析

1986年，“中途島”號航母加裝了縱向延展船體2／3、由飛行甲板至水線以下很深的護板，如圖3所示。但1986年末，當“中途島”號駛出船廠后，很快就發現其甲板運動經常不能令人滿意，存在著意想不到的運動現象，而且甲板過于潮濕。甲板的運動雖然滿足已有的準則，但有時卻無法滿足飛機甲板轉運安全方面的要求。

為改善“中途島”號航母運動的穩定性，需要制定新的甲板運動精確準則，以評估每項改進措施的效益。為此，召開了艦上航空工程師討論會，并對相應噸位的航母進行了實際運動的海上測量，以全面評估已有的準則并提出修改建議。

表1 20世紀70年代航母子系統準則總結Tab.1 Summary of 1970′s subsystem criteria

4.1 航空討論會

航空討論會得到的初步設計準則如表2所示。設計準則適用于中等海情（海況4，浪高1.2～2.4 m）、限制值用于最大的使用海情（設計準則即為艦體的運動最優值）。為便于設計使用，縱搖、橫搖和艦尾的位移均以單次有效幅值給出。

由表2可得出以下結論：

1）橫搖的幅值和周期對甲板轉運的影響最大。一般情況下，在進行彈射及回收作業時并不特別關注橫搖運動，除非它已影響到彈射飛機的占位和從著陸區移除飛機。

2）縱搖周期和幅值會對彈射和回收作業產生重大影響。進行彈射作業時，艦體周期必須是可預測的，能持續足夠長的時間，以確保在艦首的上仰過程中飛機離開甲板，從而避免過度的軌跡下沉，縱搖幅值受到浪花情況的約束。進行回收作業時，縱搖幅值會受到菲涅爾透鏡的機械故障限制，縱搖周期會受到著艦信號官（LSO）的反應時間和通信／飛行員的反應時間限制［3］。

表2 設計準則Tab.2 Workshop design criteria

3）甲板風會嚴重影響甲板的轉運工作。傳統上，甲板風也是彈射和回收作業的限制量，即具有彈射／回收作業的甲板風允許包線，目的是限制航母與迎面海風及海況的遭遇航向和速度，降低遭遇次數，以使艦體的運動最?。?］。在甲板轉運時，航母的航向和速度由運輸要求確定，它會對航母和飛機產生風載，從而影響飛機的移動。隨著甲板的變濕，限制值會迅速降低。

4）升沉和橫移對回收的影響很獨特。橫移會使偏心嚙合增加，導致對攔阻裝置要進行更多的檢查與維護。升沉會與縱搖及其他運動相復合，從而導致艦尾上下運動。艦尾移動，不管其是如何取得的，都是LSO的復飛判別準則。在極端情況下，艦尾的位移及其速度所產生的著陸載荷會達到起落架的限制載荷。

4.2 海上測量

由于航母的配平、傾側和動態橫搖或縱搖，會導致船體傾斜。橫向加速度源于船的橫搖幅值和周期，周期越短，加速度越大。在橫向加速度達到0.1g 時，飛機會產生運動，達到 0.15g 時，運動反而會停止。垂直加速度源于升沉和縱搖運動（幅值和周期）。甲板傾斜與橫向加速度的復合效應會在飛機或艦面裝置上產生橫向力，在極限情況下會導致飛機或艦面裝置的滑動或傾倒。垂向加速度會導致艦面裝置變輕或變重，改變它們對甲板的附著力。

5 更新的甲板運動準則

甲板運動準則的最終結果如表3所示，甲板姿態準則如表4所示。對于甲板風，飛機轉運的限制值為35 kn，每種飛機與航母組合形成的彈射／回收限制由具體的公告板給出。

表3 CV／CVN甲板運動限制準則Tab.3 CV ／CVN limiting deck motion criteria

表4 CV／CVN姿態限制準則Tab.4 CV ／CVN limiting attitude criteria

5.1 甲板運動限制準則的使用

1）無約束值適用于海況4級、浪高有效值為1.2～2.5 m以下的航母，允許航空活動按常規進行，無時間限制。

2）對于約束使用值，航空活動雖可進行，但工作負荷會增加。在此情況下，船體的運動成為活動進展的主要因素，這些準則決定了高海況情況下航母的使用能力。

3）在2個值之間，隨著運動幅值的加劇，航空活動的品質逐漸降低。

4）坡道的水平位移、垂直位移和觸艦點的垂直速度是針對飛機回收給出的，橫搖和縱搖限制適用于航空使用（彈射／回收、艦面轉運、選定的維護活動和武器操作）。

5）當艦體運動的有效值不超過給定值、響應周期不小于給定值時，滿足準則。

6）準則適于中等使用狀態的甲板，即甲板潮濕、有油污、具有積鹽且已磨損，但仍防滑。最惡劣的環境因素（霧、雨、雪、冰等）組合不予考慮，因為其不經常出現。

7）不區分白天和黑夜，準則均適用。

8）準則主要考慮了飛行甲板上飛機的使用，同時也考慮了運動對維修、武器加掛、飛機在升降梯及機庫甲板轉運的影響。

5.2 甲板運動準則的數據使用

如果艦艇的橫搖周期低于10 s，飛機連續移動的前提是保證艦艇的橫搖角小于2°（SSA）。如果橫搖角超過2°，橫搖將成為考慮的重要因素。

實際上，飛機的移動必須在1／4周期內完成。因此，20 s的橫搖周期便提供了5 s的移動飛機窗口。如果將4.5 s的窗口作為評估限制值，則橫搖周期至少需要18 s，圖4所示為橫搖限制準則。如果橫搖周期大于20 s，在克服極大困難的前提下，可以容忍橫搖幅值達到3°。當橫搖周期在18 s以內時，2°是最大值；在18～20 s，伴隨艦艇運動的工作由船員的經驗和能力決定。

著艦信號官能看見由艦艇的橫向、橫搖和航向的復合作用而導致的坡道水平位移。水平位移小于1.5 m時，不會引起偏心著艦，但當水平位移接近4.6 m時，偏心著艦便成為可能，就會有損壞攔阻裝置和其它飛機的風險。準則考慮的是總水平位移［5］。

坡道的垂直位移由艦艇的縱搖、橫搖和升沉復合而成。在極限情況下，其運動會超過菲涅爾透鏡系統（FLOLS）的穩定能力，從而增加飛機撞擊艦尾的風險。對于限制值，艦艇的反饋表明，＋3～-4.6 m是可以接受的。考慮到運動幅值在均值兩側的等值分布，進一步將其限制為有效值±3 m［6］。

縱搖運動會影響到飛機的彈射、回收和轉運，圖5所示為縱搖限制準則。在縱搖限制值為2°時，飛機必須在縱搖周期的上仰部分彈射，在此情況下，縱搖周期為15 s或更大是安全彈射飛機所必須的。當艦艇的縱搖周期在10 s以下，降到7 s時，縱搖最大值為1°。對于飛機的回收，2°的限制值也對應于FLOLS系統的限制值。在縱搖幅值小于1°時，縱搖周期對飛機的彈射和回收都沒問題。

飛機與甲板之間允許的最大相對垂直速度由飛機的起落架強度決定。進近飛機的下沉率部分使用了允許的速度，強度余量界定了最大可用的甲板速度。垂直速度準則是單值準則，因為一旦起落架全部壓縮，就會有損壞的風險。

5.3 甲板姿態限制準則的使用

0.5°的艦首配平限制值是由飛機彈射艦首的下沉量所決定。飛機回收時，FLOLS穩定無約束的配平值只有0.25°。當甲板縱向水平配平時，FLOLS具有較低的穩定限制值，它限制了透鏡的穩定行程，僅能穩定下滑道以下的1.25°縱搖。艦首配平消耗了一部分等效的行程，經驗表明，當配平大于0.25°時，FLOLS 的縱搖穩定便開始受到很多限制，縱搖的幅值開始時常超越剩余的透鏡行程，投射出的肉球（飛行員用于保持下滑道）也開始跳躍。艦首配平減小了鉤坡距，增加了逃逸的機率［7-8］。

與0°配平相比，艦尾0.5°的配平限制值可增加10 kn最小回收甲板風，以保持可接受的著艦載荷。隨著甲板風的增加，擾流也會增加，從而增加了飛行員保持正確著艦姿態的工作負荷。同樣，增加艦速也可實現甲板風的增大，但也會付出相應的代價。0.5°的艦尾配平代表了飛行員可接受的最大工作負荷。當配平變化在 0°～0.25°之間時，飛行員的工作負荷變化很小，因此，將0.25°作為無約束使用的受限值。

傾側的限制值是在考慮到回收滑出的過程中由飛機的漂移確定。超過1°的傾側會導致不尋常的彈射磨損，而當傾側低于0.5°時，回收漂移處于可控的界限內。對于飛機的彈射和回收，甲板風必須在彈射／回收公告板的限制值之內。典型的情況是：對航母的航向和速度加以限制，以達到15～35 kn的甲板風，針對最敏感的機型，相對于彈射或斜角甲板的中心線，最大可以有8 kn的側風。對于飛機轉運，所有航向都可以承受最大35 kn的甲板風。在航母的設計評估過程中，需同時考慮甲板風和甲板的運動。

6 結 語

準則的建立反映了目前美國海軍對現代 “大甲板”戰斗群的運用能力?？梢越邮艿脑O計值是期望的使用能力的函數，對于這些值，或者說更為重要的，是方法的使用，必須要考慮其使用場景并評估其相關假定的合理性。

文中給出的值只代表設計準則，不能作為使用限制。設計準則的本意是給出一個可以擴展的使用包線，利用任何“設計準則”建立“使用指南”都必須要全面實踐，同時考慮對使用者的影響。

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