艦載機起降對甲板作業人員的影響研究

譚大力，伍 恒

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

艦載機在航母飛行甲板上的起降由不同飛行甲板作業人員相互配合保障完成，然而艦載機發動機大功率狀態運行時，高溫高速噴流產生的強噪聲、高熱輻射和強氣流沖擊會對甲板航空保障作業人員的生理造成不同程度的影響[1]。此外，甲板作業人員長期持續在強噪聲、高熱輻射及強沖擊環境下工作，也會對他們的心理造成影響。盡管目前對甲板作業人員進行了一定的防護，但仍然缺乏對各種損傷源損傷機理的認識，也不能對具體的損傷狀態進行評估，科學的防護措施以及防護標準的制定仍缺乏相應的理論指導。隨著我國航母的大力發展以及艦載機上艦數量、出動次數和起降作業頻次的大幅提升，考慮到未來海戰場環境的復雜性以及全天侯訓練的任務需求，研究艦載機起降對飛行甲板作業人員的生理和心理影響，并制定適當準確的損傷防護措施至關重要。

本文圍繞艦載機起降過程中，發動機高溫高速噴流產生的強噪聲、高熱輻射和強氣流沖擊對甲板航空保障作業人員的生理和心理影響等基礎科學問題，梳理了涉及的研究內容和防護技術，重點分析了美海軍整體研究現狀、已取得的研究成果及發展趨勢，在此基礎上，分析國內外差距以及開展相關研究的重難點和技術途徑，為我國相關研究提供參考。

1 關于艦載機起降對甲板作業人員生理心理影響問題

國外研究表明[2]，艦載機發動機大功率狀態運行時產生的強噪聲、高熱輻射和強沖擊等多種應激疊加會對甲板作業人員的生理和心理造成不同程度的損傷。長期近距離處在這種惡劣環境下工作，將會嚴重影響甲板作業人員的身體健康，如導致人員產生聽力喪失、胸悶、心律失常、高血壓和急性心梗等生理上的不良反應和病癥。此外，人員長期持續處在這種環境下工作，也會影響心理健康，導致情緒不穩、認知能力受損，無法準確感知和決策，甚至喪失行為能力。目前國內艦載機發動機性能技術相比國外仍有較大差距，飛行甲板航空保障人員的防護措施較為簡單，也未進行分區防護。隨著我國航母艦載機上艦數量和起降作業頻次的大幅提升，考慮到未來海戰場環境的復雜性以及全天侯訓練的任務需求，必須對艦載機起降過程中飛行甲板航空保障作業人員進行適當準確的損傷防護以保證他們的生理心理健康，提高執行任務的效率和可靠性，從而解決一線部隊戰斗力生成中的實際問題。

艦載機起降對甲板作業人員生理心理影響的涵義主要是指：艦載機發動機啟動、暖機、最大狀態和加力狀態等典型工況運行時的強噪聲、高熱輻射以及強沖擊環境場的產生機理、分布特點與輻射規律；準確有效的復雜惡劣環境場測量方法及方案；艦載機發動機高溫高速噴流產生的強噪聲、高熱輻射和強沖擊對飛行甲板作業人員（主要包括：起飛助理、引導員、偏流板安全觀察員、止動輪擋檢查員、起飛站操作員、阻攔區值班員、引導員（兼職）、阻攔索安全觀察員以及摘鉤員等）的生理和心理損傷機理。其中，生理方面側重于分析對人體心血管系統及聽力造成的影響；心理方面側重于分析短期瞬時以及長期持續在強噪聲、高熱輻射以及強沖擊環境下工作對人的情緒、心智和工作狀態以及效率等方面造成的影響。

針對艦載機起降對甲板作業人員生理心理影響問題的涵義，采用空氣動力學、聲學、醫學、生物學和心理學等學科的基礎理論和研究方法，涉及以下5 個方面的內容研究：

1）源于艦載機高溫超音噴流的飛行甲板環境場生成機理研究；

2）艦載機群多源耦合飛行甲板環境場分布規律及預測方法研究；

3）飛行甲板強噪聲人員聽力損傷機理及防護方法研究；

4）飛行甲板復雜應激環境下人員心血管系統損傷機理及防護方法研究；

5）飛行甲板復雜應激環境下人員心理損傷機理及干預方法研究。

2 防護技術

目前，艦載機起降對甲板作業人員生理心理損傷的防護技術主要有以下4 個方面：

1）聲源控制技術

聲源控制技術主要是指從損傷源頭去控制噪聲等危害的產生，主要包括2 個方面，一是改進發動機尾噴管結構，可設置成鋸齒噴管、波瓣噴管或偏置噴管等；二是改善艦載機發動機的排氣特性，實現艦載機優化。由于現代民航客機采用了如大涵道比發動機、鋸齒形噴口等各種最新降噪技術，其高噪聲區域明顯小于軍用飛機。

2）傳播途徑控制技術

傳播途徑控制技術主要是指切斷或者減弱損傷源傳播到甲板航空保障作業人員的途徑，主要包括2 個方面，一是新增移動隔聲屏等防護設備；二是對偏流板進行降噪優化設計。比如通過微穿孔板結構能夠起到有效的消聲降噪效果。微穿孔板結構中存在各個微小的吸聲器，能夠對環境中的聲波進行吸收，通過聲波頻率之間的組合產生共振，共振之后氣流進行往返，產生相應的吸聲功能。

3）甲板航空保障作業人員主、被動防護設備

不斷研制效果更好的防護設備，其改進方向主要有2 個方面：一是進一步提高降噪效果，主要體現在吸、隔聲聲學超材料的研發；二是采用更好的人體工學設計，使佩戴更方便，利用形狀捕捉技術和建立耳道的3D 模型數據庫，不斷改進耳塞的舒適性；采用入耳式/外掛式便攜式噪聲監控設備，及時保障人員噪聲環境暴露時間不超標。針對高熱輻射和強氣流沖擊的影響，防護設備的研究方向仍然主要是提高可穿戴服裝材質的隔熱吸熱性以及抗沖擊能力。

4）甲板安全管理制度的動態調整

除了從損傷源、傳播路徑以及防護設備等方面采取措施外，還可在保證艦載機起降作業效率和可靠性的前提下，對甲板航空保障作業人員的戰位進行優化，以避開高損傷區域。此外，還要充分考慮甲板航空保障作業人員的身體狀況、累積工作時間及工作環境等因素，對換班時間和換崗進行動態調整以消除人員疲勞和煩惱等心理影響，并實現甲板安全管理制度和作業流程的標準化。

3 美海軍艦載機起降對甲板作業人員生理心理影響研究

3.1 測試技術

防護設備的研制和使用需要首先了解損傷源的損傷區域和數值范圍，以甲板噪聲為例，需開展甲板噪聲測量，掌握噪聲場分布規律，為分區進行損傷防護提供指導。 根據公開資料顯示， 美海軍在“ 小鷹” 號、“肯尼迪” 號以及 “艾森豪威爾號” 等多艘航母上開展了甲板噪聲測量工作，涉及的機型包括：F-4、A-4、EA-6B、F/A-18C/D、F-14B、S-3B、AV-8B 和F-35C。已基本掌握了甲板噪聲場的分布規律[2]。測量工作分為陸地測量和實船甲板測量2 部分，如圖1 所示。

鑒于噪聲測量不應干擾飛機起降，因此美軍在實船甲板測量中只布置了少量麥克風固定測點（見圖2）以及移動式測點，得到有限位置的噪聲信息。

然后通過陸地測量布置數量較多的麥克風固定測點得到艦載機起飛狀態下噴流噪聲場分布。但由于陸地測量與實船甲板測量環境的不同，使得2 種測量方式得到的數據存在一定的偏差。為此，美海軍通過實驗詳細研究了噴流沖擊在模型偏流板上的中、遠聲場、地面高度對聲場特征的影響以及偏流板對聲場的影響，并試圖把沖擊噴流噪聲研究從實驗室縮比模型擴展到真實全尺寸模型，從而建立甲板環境場預測模型，再利用實船甲板測量數據進行模型驗證[3-5]。

3.2 分布規律

通過建立并驗證甲板環境場預測模型，即可分析得到艦載機起降過程中甲板環境場分布規律[6-8]。在美海軍航空訓練與作業標準化程序文件和各飛機的海軍航空訓練與作業標準化程序中，對艦載機發動機不同狀態運行時產生的轟鳴噪聲強度分布進行標注，特別是針對美噴氣式飛機的噪聲水平，如圖3 所示。美軍高性能噴氣式飛機發動機在軍用推力和加力推力時，通常可產生130～150 dB 的噪聲。

圖 3 飛機近場噪聲水平（在機首與中心線夾角45°，離機15 m 處測量）Fig.3 Near-field noise level of aircraft (the angle between the nose and the center line at 45 degrees, 15 meters away)

美國MIL-HDBK-844A 軍標提供了各艦載機排氣和噪聲危險區的示意圖，并對艦載機起降過程中的危險源和影響范圍進行了說明[9-11]。圖4 為美國E-2C “鷹眼” 預警機噪聲危險警示區域，圖5 和圖6分別為美國航母準備彈射艦載機時，飛行甲板航空保障作業人員所處位置及相應噪聲分布情況。

圖 4 美國E-2C“鷹眼” 預警機噪聲危險警示區域Fig.4 Noise risk warning zone of American E-2C Eagle Eye AWACS

圖 5 航母艦載機起飛前飛行甲板航空保障作業人員所處位置Fig.5 Location of aircraft support operators on flight deck of carrier-based aircraft before take-off

圖 6 航母艦載機起飛前人員不同位置噪聲分布Fig.6 Noise distribution in different positions of carrier-based aircraft personnel before take-off

圖6 中半徑30.5 m 的圓通常是美海軍艦載戰斗攻擊機噪聲危險區，在該區域內噪聲通常達125～150 dB；半徑9.1 m 的圓形區域則為更危險的區域，在該區域中噪聲達約150 dB；12.8 m 為艦載機彈射起飛時，航母飛行甲板上劃定的安全線距離起飛中線的大致距離。

從圖6 可以看出，美國航母準備彈射艦載機時，部分飛行甲板人員所處位置噪聲很大。尤其是2 名后部最終檢查員（橙色三角形）因為工作流程的需要，必須停留在圖示位置較長時間，承受高噪聲時間較長，該位置噪聲達150 dB 左右，若沒有保護措施，人只能在該環境下停留0.31 s，即使在一次彈射中，他們所接受的噪聲也會嚴重超標。

此外，美海軍航空訓練與作業標準化程序文件和各飛機的海軍航空訓練與作業標準化程序中還對各艦載機不同運行狀態尾噴口氣流的速度和溫度進行標注和說明[12-13]，圖7 為E-2C “鷹眼” 預警機發動機在不同狀態運行時尾噴口氣流溫度場和速度場。

3.3 防護措施

結合甲板環境場預測分析及實船甲板測量，即可對不同戰位的甲板航空保障作業人員進行分級損傷防護[14]，視情配戴耳塞以及帶降噪耳罩的頭盔。美國航母飛行甲板作業人員最常用的3 種耳塞以及配戴的2 種頭盔（帶降噪耳罩）分別如圖8 和圖9 所示。耳塞和耳罩的損傷風險指標如圖10 所示。

由于強噪聲環境對人體的損傷很大程度上體現為時間的累積效果，因此甲板作業人員還佩戴了具有暴露時間統計功能的聲監測儀，一方面可實時監控人員經歷的強噪聲時間及過程，另一方面也能在暴露時間達到限值后，及時提醒作業人員撤離現場或者采用更高等級的防護措施。

迄今為止，美海軍推廣使用了多型聽力保護設備，降噪效果不斷提高。如僅佩戴頭盔就可降低21 dB噪聲；僅使用膨脹泡沫耳塞可降低22 dB 噪聲；佩戴雙層聽力保護設備可降低30 dB 噪聲。2009 年2 月，“艾森豪威爾” 號航母上700 多名艦員配備了定制深插耳塞，更加貼合人的耳道，保護效果更好，單獨使用可降低29 dB 噪聲；在同時使用頭盔和這種耳塞的情況下，可降低42 dB 噪聲；美海軍正在研發主動降噪耳塞，可在被動降噪的基礎上，通過產生反相聲波，進一步減小到達人耳的噪聲大小，這種主動降噪耳塞在配合頭盔使用時，可降低47 dB 噪聲。圖11 總結了美海軍噪聲防護設備的現狀及發展趨勢。

圖 9 美國航母飛行甲板人員配戴的2 種頭盔（帶降噪耳罩）Fig.9 Two helmets (with noise reduction earmuffs) for american carrier flight deck personnel

圖 10 耳塞和耳罩的損傷風險指標Fig.10 Damage risk indicators for earplugs and earmuffs

此外，美海軍還制定了人員防護服裝的相關標準，并針對個人防護設備的正確使用及限制對甲板作業人員進行了培訓，醫療部門的代表則主要輔助采購醫療領域專用的個人防護設備。安全軍官負責監督特定工作或環境中個人防護設備的使用，并確保人員正確穿著個人防護設備。在 “基本或定期工業衛生檢查”、《海軍艦艇技術手冊》（NSTM）、《危險材料使用手冊》（HMUG）和《維修需求卡》（MRC）的相關章節中，都有對工作場所的評估和建議，應根據這些評估和建議選擇個人防護設備。不同站位的飛行甲板作業人員所穿著的防護服裝等級不同，主要取決于所承受的壓力沖擊、熱輻射等環境條件，服裝材質、重量、厚度、承壓能力和粘附力等參數均有相應的物理標準。針對高熱輻射和強氣流沖擊，采取的防護措施主要是穿戴隔熱材質的服裝以及抗沖擊防護背心等設備。對于航母甲板作業人員在作業過程中可能受到的周邊環境設備帶來的損傷，同樣在人員防護設備當中進行考慮。

3.4 作業標準

美軍從第一架艦載機上艦開始，到目前美軍最先進的 “福特” 級航母建造，經過近一個世紀的發展，其航空保障技術體系已趨于完備。美海軍制定了航母飛行甲板安全的相關規定，對飛行甲板作業人員的常規防范措施、必須穿戴的防護設備以及甲板作業禁止事項進行了強調說明[15]。圖12 為美海軍標中規定的不同噪聲下甲板作業人員允許暴露的時間。

在航母上，每次飛機彈射起飛時，飛行甲板作業人員暴露于飛機噪聲的時間約20～30 s。一名飛行甲板人員通常最忙碌的一天要完成約60 次彈射起飛和60 次著艦回收。美海軍通過研究和實踐，將85 dB 作為控制標準，并規定人每天在85 dB 噪聲環境中暴露時間不允許超過8 h，噪聲每增加3 dB，允許暴露時間就要減半。

圖 11 美海軍噪聲防護設備的現狀及發展趨勢Fig.11 Current situation and development trend of noise protection equipment in US Navy

圖 12 美海軍標中不同噪聲下允許暴露時間Fig.12 Permissible exposure time under different noise in US Navy standards

在充分了解艦載機起降作業產生的強噪聲、高熱輻射以及強沖擊等危險源性質后，結合艦載機起降過程飛行甲板作業人員的分布，對不同性別、不同年齡和不同工作類型等條件的飛行甲板作業人員的身體防護能力進行了調查統計分析，分類制定了美海軍飛行甲板人員損傷防護作業標準，主要體現在頭部防護、腳部防護、手部防護、安全服裝、人員跌落防護以及人員漂浮裝置等可穿戴的防護設備上。

4 結 語

通過上述分析可知，美海軍非常注重艦載機起降對甲板航空保障作業人員造成的生理和心理損傷研究，其不僅對艦載機起降過程各損傷源和具體的損傷情況進行分析，對各種飛機排氣和噪聲危險區也在相關國軍標中進行示意，還制定了航母飛行甲板安全的相關規定，對飛行甲板作業人員的常規防范措施、必須穿戴的防護設備以及甲板作業禁止事項進行強調說明。此外，美海軍還制定了人員防護服裝的相關標準，不同戰位的飛行甲板作業人員所穿著的防護服裝等級不同，服裝材質、重量、厚度、承壓能力和粘附力等參數均有相應的物理標準，真正實現了分區防護。盡管如此，美海軍仍然致力于從聲源控制、傳播途徑控制以及主被動防護設備等方面試圖研制出更好的防護設備來充分減輕艦載機起降對甲板作業人員的生理心理影響。

我國針對艦載機起降對甲板作業人員生理心理影響研究仍處于摸索起步階段，迫切需要我們引起足夠的重視，也需要我們結合自身裝備實際狀態和研究現狀，從損傷源、損傷機理、損傷限值、防護機理、防護設備及防護標準等方面成體系的對該問題進行研究，明確環境場分布規律，研制出符合我國現狀且高效的防護設備，制定出合理可靠的損傷防護措施、甲板安全管理制度和研究機制，真正實現分區防護，最大程度的減少艦載機起降對甲板航空保障作業人員的生理心理負面影響。

相關研究的重難點主要包括以下3 個方面：

1）艦載機高溫超音噴流產生的強噪聲、高熱輻射以及強沖擊環境場的生成機理研究需進行大量的實驗室實驗及仿真模擬，并結合真實甲板作業環境，建立甲板環境場預測模型，利用測試數據進行驗證，從而得到艦載機群多源耦合飛行甲板環境場分布規律。研究內容工作量大，專業性強，需要考慮的因素也較多；

2）艦載機高溫超音噴流的飛行甲板環境場生成機理、艦載機群多源耦合飛行甲板環境場分布規律以及飛行甲板復雜應激環境下人員生理心理損傷機理研究，涉及空氣動力學、聲學、醫學、生物學和心理學等學科基礎理論和研究方法的交叉融合，具有一定的難度；

3）飛行甲板作業人員生理心理損傷防護機理、安全限值和具體的防護措施研究需結合國產航母飛行甲板航空保障作業人員的防護現狀、人體的可承受能力和工作環境特點，從主、被動防護設備及甲板安全管理制度和作業標準等方面進行綜合考慮。