艦島對航母下滑道空氣尾流場特征影響的實驗研究

蘇軾鵬，金良安，苑志江

(海軍大連艦艇學院航海系，大連 116018)

0 引 言

艦載機是航母主要的作戰(zhàn)武器平臺，其飛行活動相對于陸基飛機更加危險，其起降安全受甲板風、空氣尾流場等因素的影響，易發(fā)生偏離航線甚至撞艦等事故。自從航母投入作戰(zhàn)使用以來，艦船空氣尾流場的規(guī)律及其影響一直倍受關(guān)注[1]，與艦船氣泡尾流[2]等其他尾流有同等重要的地位和軍事意義。國外較早開展相關(guān)研究的項目主要包括：美國海軍研究生院(naval postgraduate school)上世紀80年代的風洞實驗研究[3-6]，由美國、英國、加拿大和澳大利亞聯(lián)合參與的技術(shù)合作計劃(the technical cooperative program，TTCP)[7-9]，美國海軍軍官學校(united states naval academy，USNA)2010年展開的“三叉戟”(trident program)計劃[10-15]等；近年來，國內(nèi)多家研究機構(gòu)也開展了許多相關(guān)研究。目前艦船空氣尾流場的主要研究方法是風洞實驗和計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模型方法。

前人通過研究建立理論模型和仿真模型，精確描述了航母空氣尾流場的特征，但模型過于復(fù)雜，難以直接應(yīng)用。而對于作戰(zhàn)與訓練最直接實用的是既能反映航母空氣尾流場規(guī)律特征，又盡量簡化工程模型，最有代表性的是美軍標MIL-F-8785C[16]和MIL-HDBK-1797[17]。其最大特點是從艦載機著艦實際出發(fā)，直接描述艦載機著艦過程中下滑道航線上的氣流變化規(guī)律。國內(nèi)基于該模型進行了許多仿真方面的研究，但是在實驗研究方面還很少關(guān)注該模型以及下滑道氣流場特征，對艦島的影響方面研究也不足，這也是國內(nèi)難以形成可靠的航母空氣尾流軍用標準的重要原因。

鑒于此，本文基于實驗，立足于我國航母的船型，分析研究航母下滑道上空氣尾流特征，分析其與美軍標航母空氣尾流場工程化模型的差異，以及艦島的影響，為艦船設(shè)計、建立航母工程化空氣尾流標準等研究提供積累和參考。

1 美軍標的航母空氣尾流模型

美軍標 MIL-F-8785C和MIL-HDBK-1797的航母空氣尾流場模型相似，航母空氣尾流場產(chǎn)生的總擾動速度由隨機自由大氣紊流(u1，v1，w1)、穩(wěn)態(tài)空氣尾流 (u2，w2)、周期性空氣尾流 (u3，w3)、隨機尾流分量(u4，v4，w4)所產(chǎn)生的各部分相加得出。總的大氣擾動分量ug，vg，wg為：

其中，穩(wěn)態(tài)空氣尾流即“雄雞尾流”模型，是航母空氣尾流場中穩(wěn)定存在的、對艦載機影響最大的一部分，而且其規(guī)律性較強，也是空氣尾流控制、艦載機著艦航跡修正所要考慮的主要因素。“雄雞尾流”描述為u/Vwod及w/Vwod與飛機離艦縱搖中心(COP)距離X的函數(shù)關(guān)系[18]，以分段函數(shù)的形式表示，如圖 1所示（其中：1英尺=0.3048 m，下同)。其中u為水平氣流，相對于艦載機的著艦水平方向順風為正；w為垂直氣流，向下為正；Vwod為甲板風，通常定義平行于航母的著艦跑道，由于艦載機降落的水平方向與著艦跑道一致，故可認為甲板風風向與水平氣流u方向一致。

圖1 u/Vwod及w/Vwod與飛機離COP的距離關(guān)系曲線

“雄雞尾流”模型的函數(shù)表達，較形象的描述下滑道上水平風與垂直風及其與甲板風之間的關(guān)系，加之簡易實用，一直作為航母作戰(zhàn)訓練參考，也可作為航母空氣尾流場的研究依據(jù)。但在相關(guān)文獻中并未明確說明艦島的影響問題。本文基于實驗方法，測量航母下滑道的空氣尾流場中水平風和垂直風，結(jié)合艦島的影響分析，與“雄雞尾流”模型加以對比，研究下滑道尾流的特征。

2 航母下滑道空氣尾流場的測量實驗設(shè)計

2.1 艦載機著艦過程分析

首先需了解艦載機的著艦過程，以通常引用的美國F/A-18艦載飛機下滑進艦過程為例。從圖2中可以看出艦載機的入口點離艦尾0.75海里(1 389 m)，以下滑軌跡角-3.5°下滑，約20 s后著艦，這一段是進艦著艦事故的多發(fā)段[19]。由“雄雞尾流”模型可知，艦載機在接近艦尾時，水平方向受一直增大的順風影響，垂直方向先受上洗氣流影響，然后受到下洗氣流的影響，極易失控而發(fā)生事故。所以從艦載機著艦安全角度出發(fā)，重點需研究下滑道末端作為空氣尾流場測量區(qū)域。實驗中所選的水平測量區(qū)域為艦尾后一個艦長的范圍。

圖2 F/A-18艦載飛機下滑進艦過程示意圖

2.2 航母下滑道空氣尾流場實驗設(shè)計

2.2.1 實驗設(shè)計的思路

目前相關(guān)的實驗研究通常采用風洞作為實驗平臺，將航母船模置于風洞實驗段，由風洞的動力系統(tǒng)產(chǎn)生均勻氣流繞過船模模擬航母在航行中產(chǎn)生的甲板風，然后測量船模尾部的氣流場。風洞實驗研究的主流為航母空氣尾流場的機理，測量三維結(jié)構(gòu)及其變化特征。而實際應(yīng)用中最重要的是航母下滑道的空氣尾流場，這方面的研究并不多。本實驗的設(shè)計思路就是參考艦載機著艦過程以及風洞實驗設(shè)計，測量航母船模下滑道空氣尾流場的水平分量與垂直分量特征，同時為分析艦島的影響，分為有艦島與無艦島兩種工況測量。

2.2.2 實驗方案設(shè)計

實驗方案需滿足相似性準則，由于航母模型縮比過小，不能嚴格滿足相似性準則，但是在滿足幾何相似條件下，流動結(jié)構(gòu)與高雷諾數(shù)時呈現(xiàn)相似性。而且測量的下滑道氣流與甲板風比值才是與美軍標對比研究的關(guān)鍵，風速絕對值大小與實際情況的相似度的影響并不重要。

1）實驗?zāi)Ｐ偷陌仓?/p>

根據(jù)邊界層理論，風洞壁面上由于摩擦作用存在氣流的切變，壁面附近也是氣流穩(wěn)定性和均勻性較差的區(qū)域，而靠近實驗中心高度上氣流是最穩(wěn)定的，在小型簡易風洞的檢測中也發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。故將海面模擬板置于風洞實驗段內(nèi)部氣流穩(wěn)定性、均勻性最好的中心部位，下部用6根長螺柱固定。為模擬船浮于海面的狀態(tài)，將船模去掉水線以下部分置于海面模擬板的中部（如圖3所示），并且在海面模擬板前面加上機翼形附加裝置使氣更加平滑，減少來流脈動。

圖3 航母模型在實驗段內(nèi)的安置

2）測量點的選取

由于下滑道中對艦載機影響最大的是進艦的最后階段，所以選取的區(qū)域為艦尾一個艦長的范圍，而不是美軍標中的整個進艦范圍。同時，根據(jù)實際情況，航母在頂風航行時，甲板風方向不可能如美軍標規(guī)定的那樣嚴格沿下滑著艦跑道，會有一定角度。風洞模擬的甲板風沿風洞主軸方向，為更貼近實際情況，考慮改變航母模型與風洞主軸夾角進行測量，以風洞主軸正對來流方向為0°，順時針為正，分為-15°、0°和 15°3 種航母受風姿態(tài) (見圖 4)。-15°即相當于甲板風從航母艦首左舷15°吹來，0°即航母頂風，15°相當于甲板風從航母艦首右舷15°吹來。

圖4 船模放置水平示意圖

為分析艦島對下滑道空氣尾流場的影響，又將對3種受風情況分為有艦島和無艦島兩種工況。艦載機下滑道與艦尾甲板平面成3°角，沿著艦跑道方向，測量點就選在下滑道這條線上。測量點從航母艦尾向外的下滑道的測量范圍內(nèi)取10個點，每個點的間距相同（見圖5），采用熱線風速儀進行逐點測量。

3）實驗測量儀器與方法

實驗氣流速度檢測所用的熱線風速儀是SMART SENSOR系列AR866型熱線風速儀（如圖6所示），該設(shè)備能測量固定方向的風速，可在氣流場中分別測量不同方向的風。

圖5 下滑道上測量點的選取

圖6 熱線風速儀實物圖

實驗中逐點測量3種甲板風各點的水平風與垂直風，其中水平風與下滑道水平方向保持一致，以順風為正；垂直風為各點的垂直分量，以向下為正。每個點的兩個分量分別測量30組數(shù)據(jù)。

3 測量結(jié)果的訂正與分析

3.1 測量結(jié)果的訂正

經(jīng)過測量得到甲板風以及在有艦島與無艦島兩種情況下，3種航母受風姿態(tài)中下滑道上水平風和垂直風的數(shù)據(jù)。由“雄雞尾流”模型可知，穩(wěn)態(tài)尾流場的水平風和垂直風都是相對于海面的實際風。而實驗中，風洞產(chǎn)生的氣流是模擬航母航行中所產(chǎn)生的甲板風，直接測量風洞中航母模型空氣尾流中的水平風是實際風與甲板風的合成風，垂直風與甲板風垂直，故不受影響。因水平風與下滑著艦跑道方向一致，跑道與航母主軸成7°角，實驗設(shè)定的3種情況表明甲板風與水平風有一定的夾角，故要得到實際水平風，需要做矢量減法去除甲板風的影響，公式如下：

這就是實際的水平風，垂直風無需訂正，直接采用測量值。

3.2 測量結(jié)果的分析

先將各點下滑道水平風與垂直風數(shù)值與甲板風作比值，得到數(shù)值后作曲線分析，同時將美軍標中同區(qū)域的曲線作為標準進行對比分析。逐一比較3種航母受風姿態(tài)下有艦島和無艦島兩種情況的下滑道空氣尾流場的測量值與“雄雞尾流”模型的對比情況。

經(jīng)分析可知，航母模型艦首左舷15°受風與0°受風兩種情況下整體上與“雄雞尾流”模型比較接近，左舷15°受風情況如圖7所示，右舷15°受風偏差較大，如圖8所示（圖7、圖8的橫坐標均為下滑道距艦尾的距離，縱坐標均為下滑道風的分量與甲板風的比值）。無艦島的情況下，整體誤差大于有艦島的情況。說明美軍標中充分考慮到了艦島的影響，證明了下滑道空氣尾流中的水平風、甲板風與下滑著艦跑道平行這一前提條件的存在，文獻[17]中也有相似的說明。同時也證明右舷15°受風情況不利于艦載機著艦，其主要原因為航母艦島位于甲板右側(cè)，航母以右舷時艦島位于空氣尾流區(qū)上游會產(chǎn)生劇烈的干擾作用。艦島的存在是導(dǎo)致下滑道空氣尾流場隨受風角度不同而變化的主要影響因素。

3.3 艦島對下滑道空氣尾流場的影響分析

艦島對航母空氣流場的影響是多方面的，文獻[20]、文獻[21]分別研究了艦島形狀和艦島上細微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)艦島形狀影響較為明顯，而艦島上細微結(jié)構(gòu)如天線等影響不大。這對艦船設(shè)計研究有一定的參考意義。而本文研究的是航母不同風向角中艦島的影響。

3.3.1 不同風向角中的艦島影響

由實驗測量結(jié)果分析，航母模型艦首左舷15°受風與0°受風兩種情況下，下滑道空氣尾流場中的水平風在有無艦島的兩種工況條件下，與“雄雞尾流”模型均比較接近，說明艦島對下滑道上水平風的影響較小；相對比較而言，左舷15°受風情況下影響更小。而垂直風受艦島影響很大，主要表現(xiàn)為無艦島的情況與“雄雞尾流”差別較大，而且垂直風變化劇烈，進一步說明“雄雞尾流”模型所依據(jù)的艦型是考慮艦島影響的，而且艦島對下滑道垂直風的變化起到一定調(diào)節(jié)作用。航母模型艦首右舷15°受風情況下，與“雄雞尾流”模型差別很大，而且表現(xiàn)為有艦島情況的差別要更大一些。

圖7 航母模型左舷15°受風時下滑道空氣尾流測量值與標準值的對比

其原因為甲板風會在艦島后面形成亂流區(qū)，在甲板風不同角度時影響不同。甲板風從左舷15°吹來時，亂流區(qū)向右舷側(cè)流出，與下滑道沒有相交區(qū)域，對下滑道氣流場幾乎沒有影響；當甲板風從艦首0°吹來時，艦島后部亂流區(qū)與下滑道有相交區(qū)域，但是位置較遠，亂流傳到該區(qū)域湍流能量變?nèi)酰杂绊懸膊淮螅患装屣L從右舷15°吹來時，亂流區(qū)與下滑道的相交區(qū)域很大，對下滑道氣流場影響最大。文獻[22]中也有類似方法和結(jié)論。

3.3.2 “艦島空氣尾流場”的界定

可見艦島后部的亂流區(qū)在航母空氣尾流場中是一個影響較大而相對獨立的部分，范圍相對整個航母空氣尾流場較小，但是由圖7、圖8的綜合分析可見其影響明顯而且相對獨立，影響范圍覆蓋整個研究的下滑道區(qū)域，可看作次級尺度的空氣尾流場，定義為“艦島空氣尾流場”。由文獻[20，22]可知，在接近艦尾的1/3艦長區(qū)域，艦島的影響最顯著，使空氣尾流場具有顯著的不對稱結(jié)構(gòu)，從而危及艦載機的著艦安全。這也是艦載機著艦最關(guān)鍵、最具風險的區(qū)域。當然，“艦島空氣尾流場”作為一個新的界定，其特征、精確范圍和影響程度還需要作進一步的深入研究。

4 結(jié)束語

本文在實驗條件下測量航母模型下滑道上的空氣尾流場特征，分為3個角度甲板風情況，同時討論有艦島和無艦島兩種工況條件，通過與美軍標“雄雞尾流”模型的比較，結(jié)果表明：

1）有艦島的工況下整體上與美軍標穩(wěn)態(tài)分量，即“雄雞尾流”模型趨勢一致，證明了測量航母模型下滑道空氣尾流場實驗方法的有效性；

2）航母模型艦首左舷15°受風與0°受風兩種情況下整體上與“雄雞尾流”模型比較接近，右舷15°受風情況下偏差較大，說明航母以右舷15°受風對艦載機著艦是不利的情況，應(yīng)盡量予以避免；

圖8 航母模型右舷15°受風下滑道空氣尾流測量值與標準值的對比

3）艦島對下滑道空氣尾流場的影響不容忽視，尤其是對下滑道垂直風的影響很大，在不同甲板風角度中對下滑道影響不同，其后部亂流區(qū)是航母空氣尾流場中具有獨立性的分量，對艦載機著艦影響很大，故可單獨定義為“艦島空氣尾流場”，是航母空氣尾流場中的一個次級尺度尾流場，與艦尾流一起構(gòu)成了復(fù)雜、多變的空氣尾流場；

4）在實驗測量結(jié)果與美軍標“雄雞尾流”模型對比中發(fā)現(xiàn)“雄雞尾流”模型充分考慮到艦島的影響，而且初始條件甲板風方向定義為與下滑著艦跑道相平行，這在美軍標相應(yīng)的文獻中沒有明確說明[15-16]。

本文的研究可為航母空氣尾流場的實驗研究及確立相應(yīng)的工程化模型提供參考。