蘇軾鵬，金良安，苑志江

(海軍大連艦艇學(xué)院航海系，大連 116018)

0 引 言

艦載機(jī)是航母主要的作戰(zhàn)武器平臺(tái)，其飛行活動(dòng)相對(duì)于陸基飛機(jī)更加危險(xiǎn)，其起降安全受甲板風(fēng)、空氣尾流場(chǎng)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(lái)，艦船空氣尾流場(chǎng)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(guó)外較早開(kāi)展相關(guān)研究的項(xiàng)目主要包括：美國(guó)海軍研究生院(naval postgraduate school)上世紀(jì)80年代的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[3-6]，由美國(guó)、英國(guó)、加拿大和澳大利亞聯(lián)合參與的技術(shù)合作計(jì)劃(the technical cooperative program，TTCP)[7-9]，美國(guó)海軍軍官學(xué)校(united states naval academy，USNA)2010年展開(kāi)的“三叉戟”(trident program)計(jì)劃[10-15]等；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了許多相關(guān)研究。目前艦船空氣尾流場(chǎng)的主要研究方法是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模型方法。

前人通過(guò)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(chǎng)的特征，但模型過(guò)于復(fù)雜，難以直接應(yīng)用。而對(duì)于作戰(zhàn)與訓(xùn)練最直接實(shí)用的是既能反映航母空氣尾流場(chǎng)規(guī)律特征，又盡量簡(jiǎn)化工程模型，最有代表性的是美軍標(biāo)MIL-F-8785C[16]和MIL-HDBK-1797[17]。其最大特點(diǎn)是從艦載機(jī)著艦實(shí)際出發(fā)，直接描述艦載機(jī)著艦過(guò)程中下滑道航線上的氣流變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)基于該模型進(jìn)行了許多仿真方面的研究，但是在實(shí)驗(yàn)研究方面還很少關(guān)注該模型以及下滑道氣流場(chǎng)特征，對(duì)艦島的影響方面研究也不足，這也是國(guó)內(nèi)難以形成可靠的航母空氣尾流軍用標(biāo)準(zhǔn)的重要原因。

鑒于此，本文基于實(shí)驗(yàn)，立足于我國(guó)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(biāo)航母空氣尾流場(chǎng)工程化模型的差異，以及艦島的影響，為艦船設(shè)計(jì)、建立航母工程化空氣尾流標(biāo)準(zhǔn)等研究提供積累和參考。

1 美軍標(biāo)的航母空氣尾流模型

美軍標(biāo) MIL-F-8785C和MIL-HDBK-1797的航母空氣尾流場(chǎng)模型相似，航母空氣尾流場(chǎng)產(chǎn)生的總擾動(dòng)速度由隨機(jī)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(jī)尾流分量(u4，v4，w4)所產(chǎn)生的各部分相加得出?？偟拇髿鈹_動(dòng)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(chǎng)中穩(wěn)定存在的、對(duì)艦載機(jī)影響最大的一部分，而且其規(guī)律性較強(qiáng)，也是空氣尾流控制、艦載機(jī)著艦航跡修正所要考慮的主要因素?！靶垭u尾流”描述為u/Vwod及w/Vwod與飛機(jī)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(duì)于艦載機(jī)的著艦水平方向順風(fēng)為正；w為垂直氣流，向下為正；Vwod為甲板風(fēng)，通常定義平行于航母的著艦跑道，由于艦載機(jī)降落的水平方向與著艦跑道一致，故可認(rèn)為甲板風(fēng)風(fēng)向與水平氣流u方向一致。

圖1 u/Vwod及w/Vwod與飛機(jī)離COP的距離關(guān)系曲線

“雄雞尾流”模型的函數(shù)表達(dá)，較形象的描述下滑道上水平風(fēng)與垂直風(fēng)及其與甲板風(fēng)之間的關(guān)系，加之簡(jiǎn)易實(shí)用，一直作為航母作戰(zhàn)訓(xùn)練參考，也可作為航母空氣尾流場(chǎng)的研究依據(jù)。但在相關(guān)文獻(xiàn)中并未明確說(shuō)明艦島的影響問(wèn)題。本文基于實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量航母下滑道的空氣尾流場(chǎng)中水平風(fēng)和垂直風(fēng)，結(jié)合艦島的影響分析，與“雄雞尾流”模型加以對(duì)比，研究下滑道尾流的特征。

2 航母下滑道空氣尾流場(chǎng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 艦載機(jī)著艦過(guò)程分析

首先需了解艦載機(jī)的著艦過(guò)程，以通常引用的美國(guó)F/A-18艦載飛機(jī)下滑進(jìn)艦過(guò)程為例。從圖2中可以看出艦載機(jī)的入口點(diǎn)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(jìn)艦著艦事故的多發(fā)段[19]。由“雄雞尾流”模型可知，艦載機(jī)在接近艦尾時(shí)，水平方向受一直增大的順風(fēng)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(jī)著艦安全角度出發(fā)，重點(diǎn)需研究下滑道末端作為空氣尾流場(chǎng)測(cè)量區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中所選的水平測(cè)量區(qū)域?yàn)榕炍埠笠粋€(gè)艦長(zhǎng)的范圍。

圖2 F/A-18艦載飛機(jī)下滑進(jìn)艦過(guò)程示意圖

2.2 航母下滑道空氣尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路

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

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案需滿(mǎn)足相似性準(zhǔn)則，由于航母模型縮比過(guò)小，不能?chē)?yán)格滿(mǎn)足相似性準(zhǔn)則，但是在滿(mǎn)足幾何相似條件下，流動(dòng)結(jié)構(gòu)與高雷諾數(shù)時(shí)呈現(xiàn)相似性。而且測(cè)量的下滑道氣流與甲板風(fēng)比值才是與美軍標(biāo)對(duì)比研究的關(guān)鍵，風(fēng)速絕對(duì)值大小與實(shí)際情況的相似度的影響并不重要。

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌仓?/p>

根據(jù)邊界層理論，風(fēng)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(shí)驗(yàn)中心高度上氣流是最穩(wěn)定的，在小型簡(jiǎn)易風(fēng)洞的檢測(cè)中也發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。故將海面模擬板置于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jī)翼形附加裝置使氣更加平滑，減少來(lái)流脈動(dòng)。

圖3 航母模型在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的安置

2）測(cè)量點(diǎn)的選取

由于下滑道中對(duì)艦載機(jī)影響最大的是進(jìn)艦的最后階段，所以選取的區(qū)域?yàn)榕炍惨粋€(gè)艦長(zhǎng)的范圍，而不是美軍標(biāo)中的整個(gè)進(jìn)艦范圍。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，航母在頂風(fēng)航行時(shí)，甲板風(fēng)方向不可能如美軍標(biāo)規(guī)定的那樣嚴(yán)格沿下滑著艦跑道，會(huì)有一定角度。風(fēng)洞模擬的甲板風(fēng)沿風(fēng)洞主軸方向，為更貼近實(shí)際情況，考慮改變航母模型與風(fēng)洞主軸夾角進(jìn)行測(cè)量，以風(fēng)洞主軸正對(duì)來(lái)流方向?yàn)?°，順時(shí)針為正，分為-15°、0°和 15°3 種航母受風(fēng)姿態(tài) (見(jiàn)圖 4)。-15°即相當(dāng)于甲板風(fēng)從航母艦首左舷15°吹來(lái)，0°即航母頂風(fēng)，15°相當(dāng)于甲板風(fēng)從航母艦首右舷15°吹來(lái)。

圖4 船模放置水平示意圖

為分析艦島對(duì)下滑道空氣尾流場(chǎng)的影響，又將對(duì)3種受風(fēng)情況分為有艦島和無(wú)艦島兩種工況。艦載機(jī)下滑道與艦尾甲板平面成3°角，沿著艦跑道方向，測(cè)量點(diǎn)就選在下滑道這條線上。測(cè)量點(diǎn)從航母艦尾向外的下滑道的測(cè)量范圍內(nèi)取10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的間距相同（見(jiàn)圖5），采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量。

3）實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器與方法

實(shí)驗(yàn)氣流速度檢測(cè)所用的熱線風(fēng)速儀是SMART SENSOR系列AR866型熱線風(fēng)速儀（如圖6所示），該設(shè)備能測(cè)量固定方向的風(fēng)速，可在氣流場(chǎng)中分別測(cè)量不同方向的風(fēng)。

圖5 下滑道上測(cè)量點(diǎn)的選取

圖6 熱線風(fēng)速儀實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中逐點(diǎn)測(cè)量3種甲板風(fēng)各點(diǎn)的水平風(fēng)與垂直風(fēng)，其中水平風(fēng)與下滑道水平方向保持一致，以順風(fēng)為正；垂直風(fēng)為各點(diǎn)的垂直分量，以向下為正。每個(gè)點(diǎn)的兩個(gè)分量分別測(cè)量30組數(shù)據(jù)。

3 測(cè)量結(jié)果的訂正與分析

3.1 測(cè)量結(jié)果的訂正

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

這就是實(shí)際的水平風(fēng)，垂直風(fēng)無(wú)需訂正，直接采用測(cè)量值。

3.2 測(cè)量結(jié)果的分析

先將各點(diǎn)下滑道水平風(fēng)與垂直風(fēng)數(shù)值與甲板風(fēng)作比值，得到數(shù)值后作曲線分析，同時(shí)將美軍標(biāo)中同區(qū)域的曲線作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。逐一比較3種航母受風(fēng)姿態(tài)下有艦島和無(wú)艦島兩種情況的下滑道空氣尾流場(chǎng)的測(cè)量值與“雄雞尾流”模型的對(duì)比情況。

經(jīng)分析可知，航母模型艦首左舷15°受風(fēng)與0°受風(fēng)兩種情況下整體上與“雄雞尾流”模型比較接近，左舷15°受風(fēng)情況如圖7所示，右舷15°受風(fēng)偏差較大，如圖8所示（圖7、圖8的橫坐標(biāo)均為下滑道距艦尾的距離，縱坐標(biāo)均為下滑道風(fēng)的分量與甲板風(fēng)的比值）。無(wú)艦島的情況下，整體誤差大于有艦島的情況。說(shuō)明美軍標(biāo)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(fēng)、甲板風(fēng)與下滑著艦跑道平行這一前提條件的存在，文獻(xiàn)[17]中也有相似的說(shuō)明。同時(shí)也證明右舷15°受風(fēng)情況不利于艦載機(jī)著艦，其主要原因?yàn)楹侥概瀺u位于甲板右側(cè)，航母以右舷時(shí)艦島位于空氣尾流區(qū)上游會(huì)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(chǎng)隨受風(fēng)角度不同而變化的主要影響因素。

3.3 艦島對(duì)下滑道空氣尾流場(chǎng)的影響分析

艦島對(duì)航母空氣流場(chǎng)的影響是多方面的，文獻(xiàn)[20]、文獻(xiàn)[21]分別研究了艦島形狀和艦島上細(xì)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(xì)微結(jié)構(gòu)如天線等影響不大。這對(duì)艦船設(shè)計(jì)研究有一定的參考意義。而本文研究的是航母不同風(fēng)向角中艦島的影響。

3.3.1 不同風(fēng)向角中的艦島影響

由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析，航母模型艦首左舷15°受風(fēng)與0°受風(fēng)兩種情況下，下滑道空氣尾流場(chǎng)中的水平風(fēng)在有無(wú)艦島的兩種工況條件下，與“雄雞尾流”模型均比較接近，說(shuō)明艦島對(duì)下滑道上水平風(fēng)的影響較??；相對(duì)比較而言，左舷15°受風(fēng)情況下影響更小。而垂直風(fēng)受艦島影響很大，主要表現(xiàn)為無(wú)艦島的情況與“雄雞尾流”差別較大，而且垂直風(fēng)變化劇烈，進(jìn)一步說(shuō)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(duì)下滑道垂直風(fēng)的變化起到一定調(diào)節(jié)作用。航母模型艦首右舷15°受風(fēng)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(fēng)時(shí)下滑道空氣尾流測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比

其原因?yàn)榧装屣L(fēng)會(huì)在艦島后面形成亂流區(qū)，在甲板風(fēng)不同角度時(shí)影響不同。甲板風(fēng)從左舷15°吹來(lái)時(shí)，亂流區(qū)向右舷側(cè)流出，與下滑道沒(méi)有相交區(qū)域，對(duì)下滑道氣流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)甲板風(fēng)從艦首0°吹來(lái)時(shí)，艦島后部亂流區(qū)與下滑道有相交區(qū)域，但是位置較遠(yuǎn)，亂流傳到該區(qū)域湍流能量變?nèi)?，所以影響也不大；甲板風(fēng)從右舷15°吹來(lái)時(shí)，亂流區(qū)與下滑道的相交區(qū)域很大，對(duì)下滑道氣流場(chǎng)影響最大。文獻(xiàn)[22]中也有類(lèi)似方法和結(jié)論。

3.3.2 “艦島空氣尾流場(chǎng)”的界定

可見(jiàn)艦島后部的亂流區(qū)在航母空氣尾流場(chǎng)中是一個(gè)影響較大而相對(duì)獨(dú)立的部分，范圍相對(duì)整個(gè)航母空氣尾流場(chǎng)較小，但是由圖7、圖8的綜合分析可見(jiàn)其影響明顯而且相對(duì)獨(dú)立，影響范圍覆蓋整個(gè)研究的下滑道區(qū)域，可看作次級(jí)尺度的空氣尾流場(chǎng)，定義為“艦島空氣尾流場(chǎng)”。由文獻(xiàn)[20，22]可知，在接近艦尾的1/3艦長(zhǎng)區(qū)域，艦島的影響最顯著，使空氣尾流場(chǎng)具有顯著的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，從而危及艦載機(jī)的著艦安全。這也是艦載機(jī)著艦最關(guān)鍵、最具風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。當(dāng)然，“艦島空氣尾流場(chǎng)”作為一個(gè)新的界定，其特征、精確范圍和影響程度還需要作進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量航母模型下滑道上的空氣尾流場(chǎng)特征，分為3個(gè)角度甲板風(fēng)情況，同時(shí)討論有艦島和無(wú)艦島兩種工況條件，通過(guò)與美軍標(biāo)“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(biāo)穩(wěn)態(tài)分量，即“雄雞尾流”模型趨勢(shì)一致，證明了測(cè)量航母模型下滑道空氣尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法的有效性；

2）航母模型艦首左舷15°受風(fēng)與0°受風(fēng)兩種情況下整體上與“雄雞尾流”模型比較接近，右舷15°受風(fēng)情況下偏差較大，說(shuō)明航母以右舷15°受風(fēng)對(duì)艦載機(jī)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(fēng)下滑道空氣尾流測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比

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

4）在實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與美軍標(biāo)“雄雞尾流”模型對(duì)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(fēng)方向定義為與下滑著艦跑道相平行，這在美軍標(biāo)相應(yīng)的文獻(xiàn)中沒(méi)有明確說(shuō)明[15-16]。

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