航空母艦空氣尾流的實(shí)驗(yàn)研究.doc

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1、doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201704033航空母艦空氣尾流的實(shí)驗(yàn)研究鮑鋒，曾華輪，鄒赫，朱睿，劉志榮*（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門361005)摘要：航空母艦的空氣尾流對艦載機(jī)的起飛、著艦有較大的影響，認(rèn)清航母尾流對艦載機(jī)的干擾原因有助于提高艦載機(jī)起降的安全性。實(shí)驗(yàn)以“遼寧艦”航母的縮比模型為研究對象，在多功能循環(huán)水槽中研究與“遼寧號”航空母艦具有相似幾何外形的模型的尾流結(jié)構(gòu)。利用染色液流動顯示技術(shù)和粒子成像測速技術(shù)顯示和測量航母的尾流結(jié)構(gòu)隨航向角、流速和關(guān)鍵位置的變化?；谀Ｐ陀鲗挾榷x的雷諾數(shù)范圍為2′104～4′104。研究表明，艦首滑躍甲

2、板存在上洗氣流且兩側(cè)產(chǎn)生流向渦，該渦結(jié)構(gòu)對艦載機(jī)滑躍起飛時(shí)的升力產(chǎn)生影響；艦島和艦尾后方存在著大量脫落渦，會對艦載機(jī)著艦時(shí)的氣動力產(chǎn)生擾動，增加著艦操縱難度。關(guān)鍵詞：遼寧艦；航母尾流；染色液流動顯示；粒子成像測速技術(shù)中圖分類號：V211.76文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A航空母艦的主要任務(wù)是以其運(yùn)載的艦載機(jī)編隊(duì)，來奪取海戰(zhàn)區(qū)的制空權(quán)和制海權(quán)。艦載機(jī)是航空母艦攻防力量的核心，然而其起飛著艦環(huán)境比陸基飛機(jī)要惡劣得多，所以其設(shè)計(jì)和使用控制都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。艦載機(jī)飛行難度極大且飛行事故率較高，原因在于其起降過程難度很高。起降難度主要體現(xiàn)在，飛行甲板長度短，僅為陸地跑道的十分之一；而且航母自身處于六自由度動態(tài)

3、，飛機(jī)較容易發(fā)生單輪著陸和側(cè)翻等事故。然而除這些因素之外，航母尾流的影響也是不容小視的。航母尾流的形成原因較為復(fù)雜，與船體結(jié)構(gòu)、航速航向和大氣狀況存在關(guān)聯(lián)。飛機(jī)通過尾流區(qū)，受到尾流的干擾會增加操作難度，甚至導(dǎo)致無法安全著艦。例如航母在頂風(fēng)行駛過程中，甲板上方會形成一股先上洗后下洗的形似公雞尾巴的氣流，若飛行員沒有對其采取相應(yīng)的修正措施，則產(chǎn)生的尾流會使飛機(jī)在垂直方向上下沉2米左右，導(dǎo)致水平著艦誤差約39米[1]。因此，艦載機(jī)起降時(shí)要考慮到航母尾流的影響。國內(nèi)目前主要是研究尾流對飛機(jī)起降的影響和設(shè)計(jì)抗尾流干擾的飛機(jī)控制系統(tǒng)這兩個方面，而研究航母尾流本身的基礎(chǔ)研究較少，大多數(shù)研究人員采用美

4、國軍用規(guī)范所提供的航母尾流擾動模型。耿建中等[2]研究尾流對飛行的影響，采用美國軍用規(guī)范中規(guī)定的進(jìn)艦著艦時(shí)的大氣擾動模型為尾流模型。而對抗尾流干擾的飛行控制研究，王奇等[3]也是采用美國軍方標(biāo)準(zhǔn)的尾流模型。然而，航母尾流在不同的外界條件下有著不同的尾流模型，不能只用單一模型來統(tǒng)一所有的情況，因此對航母尾流結(jié)構(gòu)的研究存在重要意義。對航母尾流流場的研究主要包括三種方法：實(shí)艦真實(shí)測量，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬。實(shí)艦真實(shí)測量的優(yōu)點(diǎn)是具有信服力，可作為校驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或數(shù)值仿真的依據(jù)，但是其需要大量人力財(cái)力且受氣象等偶然因素影響大，難以變化實(shí)驗(yàn)參數(shù)來探究規(guī)律。顧蘊(yùn)松、明曉[4]在真實(shí)航行狀態(tài)，對艦尾飛

5、行甲板流場進(jìn)行全尺寸測量，為驗(yàn)證流場的理論計(jì)算(CFD)和制定相應(yīng)的直升機(jī)安全風(fēng)限圖和操作規(guī)范提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省費(fèi)用，并且能模擬可控多變的測試環(huán)境，探究不同參數(shù)的影響。任榮生[5]為研究艦船模型后甲板流場特性，用汽車載著艦船模型沿機(jī)場跑道直線行駛，同時(shí)利用熱線探頭測量它的三維流場速度和方向，為熱線技術(shù)在外場測試的發(fā)展積累了一定經(jīng)驗(yàn)。美國的加州蒙特利海軍研究院的J.Val.Healey[6]認(rèn)為NASA埃姆斯中心的艦載機(jī)飛行模擬器使用了均勻的速度剖面的尾流模型，存在一定缺陷。研究有湍流度的尾流特性和均勻的尾流的差異，在直升機(jī)下降路徑的17個點(diǎn)布置三維熱線風(fēng)速儀來測量速度和湍

6、流強(qiáng)度，得到一條降落路徑上離散點(diǎn)的尾流速度和湍流度特性。隨著計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高，數(shù)值仿真技術(shù)用于探究各種艦船流場的研究中。郜冶等[7]通過數(shù)值仿真研究了艦船尾流的氣流分布情況，得出不同條件下氣流分布的差異性和艦載機(jī)滑躍起飛過程對氣流分布的影響。陸超、姜治芳等[8]采用美國NASA埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的塔拉瓦兩棲攻擊艦1/120比例縮比簡化模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，觀察不同工況條件下模型艦面流場的變化情況。賁亮亮[9]研究航母甲板風(fēng)對艦載機(jī)降落著艦的影響，以尼米茲號為研究對象，分析不同風(fēng)度和風(fēng)向角下艦載機(jī)降落著艦軌跡上的流場特性。孫鵬、劉文峰等[10]采用數(shù)值模擬對簡化的美國黃

7、蜂級兩棲攻擊艦甲板空氣流場進(jìn)行研究，得出0度角，15度角和-15度角時(shí)風(fēng)向?qū)τ诹鲌龅挠绊憽Ｄ壳皣鴥?nèi)大多參考美國軍方標(biāo)準(zhǔn)的尾流模型，以此進(jìn)行數(shù)學(xué)建?；驍?shù)值仿真，研究尾流對飛機(jī)的影響。然而航母尾流的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)欠缺，既不能照搬國外標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楹侥冈诓煌耐庑巍⒆藨B(tài)和速度條件下會產(chǎn)生不同的尾流；也不能只憑數(shù)值仿真，因?yàn)檎鎸?shí)性難以驗(yàn)證。因此本文以測量航母模型尾流的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，研究其尾流結(jié)構(gòu)和隨外界因素的變化規(guī)律，分析航母尾流對艦載機(jī)的干擾，對艦載機(jī)