舰船纵摇突变对舰面流场的影响

舰船在海上航行时会受到海浪的影响而产生横摇、纵摇等不同方向上的运动,同时海浪的随机性也会造成舰船摇摆参数发生变化,扰乱舰面流场,增加舰载直升机在甲板上方作业的危险性.为了保障舰载直升机在舰船上的起降和其他甲板作业的安全性,现基于两栖攻击舰的简化模型,通过计算流体力学方法,在纵摇状态下对舰面流场进行数值模拟,将不规则的纵摇运动简化为具有周期性的简谐运动,采用动网格方法来实现舰船的摇摆.首先定性分析了甲板上方涡结构的发展以及舰船纵摇周期和振幅的突变对流场结构带来的影响,其次通过垂向速度的变化对动态舰面流场做了进一步的定量分析.结果表明:当舰船突然开始纵摇或纵摇周期减半后,上层建筑和舰尾附近的位置要滞后于舰首一段时间才能建立起周期性流动,同时纵摇的加速导致了流场的恶化.当纵摇振幅减半后,相当于舰船的"静息期",流场变化平缓,垂向速度变化范围明显减小,有利于舰载直升机的降落.对于不同的纵摇状态,甲板上方各观测点垂向速度的波动都随高度的降低而增强,特别是舰首靠近甲板区域的波动最强.舰载机飞行员在进行甲板作业时应针对纵摇突变带来的影响,及时采取相应措施以保障作业安全.     

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时，甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场，这不仅会影响直升机的安全起降，同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟，分析了不同风速下的人体受力情况，提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真，依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析，总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上，开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算，并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析，总结了甲板面人员作业危险区域。     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的"涡-涡干扰",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

舰面流场下的直升机平衡特性分析

主要分析了舰载直升机在母舰甲板上方悬停时的平衡特性。采用CFD方法计算了母舰甲板上方的气流场,建立了适用于舰载环境的直升机飞行动力学模型,计算了UH-60A直升机在流场悬停位置处的配平值。在此基础上,计算了旋翼入流、载荷、功率以及机体姿态状态量的响应。仿真结果表明,舰面流场的非线性、不均匀等特点对计算值影响较大。通过与无离散模型计算结果的对比,表明了流场对直升机旋翼的垂向载荷影响较大,对机体姿态角速率的影响更为显著,破坏了直升机的平衡,对直升机在舰面流场环境下的飞行控制系统提出了更高的要求。     

舰载直升机-舰船耦合流场数值计算研究综述

舰载直升机舰面起降是海上舰载直升机最危险的作业之一，而舰船表面的复杂气流干扰是造成该问题的主要因素之一。本文从孤立舰船舰面流场主要特征分析出发，分别总结了航空母舰与非航空母舰类舰船的主要流动特征，以及舰载直升机-舰船耦合流场的主要流动特征。在此基础上，根据舰船表面流场计算采用的数值方法分类，从无黏流场到黏性流场计算、从定常数值计算到非定常数值计算，系统介绍了国内外的发展情况与主要研究工作。对舰载直升机-舰船耦合流场数值研究，根据采用的模型与耦合方法分类，从动量盘简化耦合模型到完整直升机模型、从单向耦合到双向耦合，介绍了国外的发展历程及主要相关工作。期望舰面流场以及机-舰耦合流场数值计算主要方法的探讨，能为后期机-舰耦合流场研究及机-舰适配性研究提供参考。     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

舰载直升机着舰动力学分析

直升机的舰上起降是研究机一舰动态配合的主要内容，它是直升机起降安全和充分发挥其潜力的有力保证。为此从直升机舰上起降的特点出发，分析了舰船运动特性，空气尾流场变化规律，对直升机着舰及其着舰后的甲板运动力学进行了研究，最后简要地介绍了“风限图”的情况。     

舰面流场中起动位置对旋翼瞬态气弹响应影响

为研究舰面流场中直升机起动位置对旋翼瞬态气弹响应影响,通过CFD方法模拟得到舰面流场速度分布信息。旋翼动力学建模采用非线性准定常气动模型和中等变形梁假设,结合不同起动位置对动力学方程进行求解。结果表明:直升机起动位置越靠近舰艏和左舷,桨叶负向挥舞越大。在甲板中心1 m范围内,最靠近舰艏和左舷的位置负向最大位移可达159%旋翼半径,中心处负向最大位移仅为85%旋翼半径,源于靠近舰艏和左舷位置垂向气流变化梯度明显高于舰艉和右舷。研究表明舰面流场垂向气流变化梯度对旋翼瞬态气弹响应影响明显,改变直升机起动位置能有效降低旋翼瞬态气弹响应。     

直升机旋翼与舰船复合流场试验方法研究

直升机旋翼诱导流与舰船空气尾流叠加后形成复合流场,对直升机舰上起降时的操纵响应及飞行安全有很大的影响。介绍了复合流场的风洞试验方法,包括试验的基本原则、旋翼及舰船模型的设计方法和参数、模型的安装方案及试验状态,并给出了部分试验结果及其分析。结果表明,旋翼诱导速度改变了舰船尾流分布,打开机库门可减弱旋翼的影响。     

具有甲板运动预估的三旋翼无人机着舰研究

在无人机着舰的最后阶段,舰船的甲板运动严重威胁着无人机的着舰安全,其中沉浮和横摇运动威胁最大.首先介绍了三旋翼无人机的建模方法、控制律以及模拟的甲板运动模型;在此基础上,针对舰船甲板运动对无人机安全着舰的影响,提出了抗舰船横摇/沉浮的着舰控制方案;最后,对控制方案下的着舰性能进行了仿真分析.仿真结果表明,该控制方案可以满足着舰指标要求.     

直升机-舰船动态配合着舰仿真研究

针对直升机-舰船动态配合研究的需求,开发了一种舰载直升机-舰船动态配合耦合模型.该模型以直升机飞行动力学模型为主体,包括了几个子系统模型,同时考虑了子系统间的相互影响与耦合作用.以UH-60A直升机与某型舰船的动态配合为例进行了着舰降落仿真研究.结果表明:流场、舰效和舰船运动等舰载因素加剧了直升机着舰过程中的机体姿态变化,增大了触舰速度,加大了着舰风险.     

风-浪-舰耦合对舰船尾流场及直升机气动的影响

为研究波浪和舰船运动对高海况下舰载直升机起降的影响，建立了一套耦合风-浪-舰和直升机的多相流数值模拟方法。使用动态流体作用模拟舰船运动，采用动量源方法模拟直升机旋翼，对3～6级海况下ONRT舰船摇荡运动时的尾流场非定常气动特性进行了研究，并计算了UH-60A直升机旋翼气动载荷的时间历程。研究表明：6级海况下流场速度分量和旋翼气动载荷的波动达到5级海况的2倍，而3～5级海况之间的差别较小；悬停跟进时直升机不断出没于舰船运动导致的尾流中速度和涡量不同的区域，使得旋翼气动载荷有极强的非定常特性；在6级海况下，旋翼拉力与波浪-舰船耦合运动同周期的波动达到20%,并伴随着穿越尾流剪切层时产生的5～10 Hz的小扰动。     

舰船摇摆对直升机稳定性影响的分析

对直升机在舰上的受力情况进行了分析,建立了舰船和直升机运动方程,确定了直升机的临界横摇角,并分析舰船横摇、纵摇、直升机拉力比、摩擦系数等因素对直升机稳定性的影响,提出了保证直升机在舰上稳定的一些安全措施.     

应用于直升机/舰动态配合的 舰面流场建模仿真关键技术

直升机/舰动态配合是舰载直升机飞行安全的重要课题。首先,对动态配合过程中涉及的因素进行了分析和讨论,得出对旋翼尾流场和舰面流场耦合求解的简化方案;然后,以某舰和直升机为例,对其舰面流场仿真关键技术进行了描述,主要内容包括舰面流场的CFD仿真、针对动态配合对舰尾流进行重构等,并对典型的直升机起降轨迹进行了描述;最后,通过有关直升机/舰动态配合流场计算仿真的途径和方法得出了若干结论,可为该领域研究者提供参考。     

舰船纵横摇运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析

为了研究舰船运动对舰载直升机旋翼瞬态气弹响应的影响,采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形,有限转角处理桨叶绕桨轴和铰的转动及舰船的横摇和纵摇运动,采用Hamilton原理建立了带有舰船运动的舰面旋翼瞬态气弹响应计算模型。通过与国外的试验值和计算值对比验证了本文计算方法的正确性,得到以下结论:(1)舰船的横摇运动对桨尖负向最大位移影响较小;(2)舰船的纵摇运动影响则较显著,随纵摇周期的减小和桨毂离舰船质心纵向距离的增加,桨尖最大负向位移增加显著,纵摇相位影响较为明显;(3)舰船与旋翼的气动和惯性耦合对旋翼瞬态气弹响应的非线性影响非常明显,计算中需计入两者共同的影响。     

EH101直升机—舰的对接试验

本文简要介绍了ＥＨ１０１综合发展飞行试验的情况，按飞行试验计划的顺序阶段提出和他特殊的课题；低速范围内驾驶品质和性能的陆基评定；最终进场阶段有舰附近工作时驾驶品质的评定用于初步鉴定甲板运动限制和风包线的甲板降落和起飞；甲板降落技术的评定；直升机在甲板上的降落，旋翼折叠，加油，武器装载，滑行，系留等的评定。     

基于能量法的舰载机拦阻着舰动力学分析及建模仿真

针对舰载机拦阻着舰过程,采用能量法分析了任意着舰姿态和位置下的拦阻力响应,建立了全机六自由度动力学模型,考虑了航母甲板风的影响以及航母纵摇和升沉运动。通过MATLAB／SIMULINK建立数学模型,并以一种偏心非垂直着舰拦阻状态为算例进行了仿真分析。     

直升机舰上使用限制的确定

分析了影响直升机舰上使用的各种因素，介绍了如何根据直升机的能力、舰船的运动特征和舰船飞行甲板上的风况建立和执行安全且有交物试飞大纲以及进行飞行试验的方法和程序。     

耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。