航空母舰空气尾流的实验研究

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1、航空动力学报doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201704033航空动力学报航空母舰空气尾流的实验研究鲍锋，曾华轮，邹赫，朱睿，刘志荣*（厦门大学航空航天学院，福建厦门361005)摘要：航空母舰的空气尾流对舰载机的起飞、着舰有较大的影响，认清航母尾流对舰载机的干扰原因有助于提高舰载机起降的安全性。实验以“辽宁舰”航母的缩比模型为研究对象，在多功能循环水槽中研究与“辽宁号”航空母舰具有相似几何外形的模型的尾流结构。利用染色液流动显示技术和粒子成像测速技术显示和测量航母的尾流结构随航

2、向角、流速和关键位置的变化。基于模型迎流宽度定义的雷诺数范围为2´104～4´104。研究表明，舰首滑跃甲板存在上洗气流且两侧产生流向涡，该涡结构对舰载机滑跃起飞时的升力产生影响；舰岛和舰尾后方存在着大量脱落涡，会对舰载机着舰时的气动力产生扰动，增加着舰操纵难度。关键词：辽宁舰；航母尾流；染色液流动显示；粒子成像测速技术中图分类号：V211.76文献标志码：A航空动力学报航空母舰的主要任务是以其运载的舰载机编队，来夺取海战区的制空权和制海权。舰载机是航空母舰攻防力量的核心，然而其起飞着舰环境比陆基飞机要恶

3、劣得多，所以其设计和使用控制都面临着巨大的挑战。舰载机飞行难度极大且飞行事故率较高，原因在于其起降过程难度很高。起降难度主要体现在，飞行甲板长度短，仅为陆地跑道的十分之一；而且航母自身处于六自由度动态，飞机较容易发生单轮着陆和侧翻等事故。然而除这些因素之外，航母尾流的影响也是不容小视的。航母尾流的形成原因较为复杂，与船体结构、航速航向和大气状况存在关联。飞机通过尾流区，受到尾流的干扰会增加操作难度，甚至导致无法安全着舰。例如航母在顶风行驶过程中，甲板上方会形成一股先上洗后下洗的形似公鸡尾巴的气流，若飞行员

4、没有对其采取相应的修正措施，则产生的尾流会使飞机在垂直方向上下沉2米左右，导致水平着舰误差约39米[1]。因此，舰载机起降时要考虑到航母尾流的影响。国内目前主要是研究尾流对飞机起降的影响和设计抗尾流干扰的飞机控制系统这两个方面，而研究航母尾流本身的基础研究较少，大多数研究人员采用美国军用规范所提供的航母尾流扰动模型。耿建中等[2]研究尾流对飞行的影响，采用美国军用规范中规定的进舰着舰时的大气扰动模型为尾流模型。而对抗尾流干扰的飞行控制研究，王奇等[3]也是采用美国军方标准的尾流模型。然而，航母尾流在不同的

5、外界条件下有着不同的尾流模型，不能只用单一模型来统一所有的情况，因此对航母尾流结构的研究存在重要意义。对航母尾流流场的研究主要包括三种方法：实舰真实测量，风洞实验和数值仿真模拟。实舰真实测量的优点是具有信服力，可作为校验风洞实验或数值仿真的依据，但是其需要大量人力财力且受气象等偶然因素影响大，难以变化实验参数来探究规律。顾蕴松、明晓[4]在真实航行状态，对舰尾飞行甲板流场进行全尺寸测量，为验证流场的理论计算(CFD)和制定相应的直升机安全风限图和操作规范提供了实验依据。风洞实验可以节省费用，并且能模拟可控

6、多变的测试环境，探究不同参数的影响。任荣生[5]为研究舰船模型后甲板流场特性，用汽车载着舰船模型沿机场跑道直线行驶，同时利用热线探头测量它的三维流场速度和方向，为热线技术在外场测试的发展积累了一定经验。美国的加州蒙特利海军研究院的J.Val.Healey[6]认为NASA埃姆斯中心的舰载机飞行模拟器使用了均匀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匀的尾流的差异，在直升机下降路径的17个点布置三维热线风速仪来测量速度和湍流强度，得到一条降落路径上离散点的尾流速度和湍流度特性。随着计算

7、流体力学的不断发展和计算机性能的提高，数值仿真技术用于探究各种舰船流场的研究中。郜冶等[7]通过数值仿真研究了舰船尾流的气流分布情况，得出不同条件下气流分布的差异性和舰载机滑跃起飞过程对气流分布的影响。陆超、姜治芳等[8]采用美国NASA埃姆斯实验室的塔拉瓦两栖攻击舰1/120比例缩比简化模型进行数值模拟计算，观察不同工况条件下模型舰面流场的变化情况。贲亮亮[9]研究航母甲板风对舰载机降落着舰的影响，以尼米兹号为研究对象，分析不同风度和风向角下舰载机降落着舰轨迹上的流场特性。孙鹏、刘文峰等[10]采用数值

8、模拟对简化的美国黄蜂级两栖攻击舰甲板空气流场进行研究，得出0度角，15度角和-15度角时风向对于流场的影响。目前国内大多参考美国军方标准的尾流模型，以此进行数学建模或数值仿真，研究尾流对飞机的影响。然而航母尾流的基础实验数据欠缺，既不能照搬国外标准，因为航母在不同的外形、姿态和速度条件下会产生不同的尾流；也不能只凭数值仿真，因为真实性难以验证。因此本文以测量航母模型尾流的基础实验数据为主，研究其尾流结构和随外界因素的变化规律，