舰船空气尾流场对直升机着舰的影响研究

舰船空气尾流场是直升机舰上起降时的主要环境条件,对直升机的操稳性能及飞行安全有很大的影响。通过某型舰模风洞试验的PIV结果,介绍了舰船空气尾流场特性,如:等速度场和截面流线图、舰船机库脱体涡等,分析了下冲气流、涡流区及开/关机库大门等对直升机着舰的影响,对保障直升机飞行安全有重要价值。     

直升机载舰空气尾流特性试验方法

舰船空气尾流场对直升机舰上起降安全有很大影响。因此，舰船空气尾流特性研究是机－舰动态配合研究的重要组成部分。笔者介绍了舰船空气尾流场风洞试验、流谱试验和地面模拟试验的方法及部分试验结果，其中的地面模拟试验及热线风速仪在外场条件下的应用是首次进行。     

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.     

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。     

基于舰船运动时间序列预报的直升机着舰时机判断

为解决舰载直升机在海上返航着舰的安全问题,开展了直升机着舰时机判断研究。首先,基于时间序列预报方法,采用AR自回归模型,模型参数估计使用递推最小二乘算法进行在线辨识,对于存在的数据饱和问题引入了遗忘因子加以解决,实现了对舰船运动的短期预报。然后,根据舰船横摇运动的实时预报结果和周期性特点,选取横摇角度及角速度满足安全阈值的时间段,确定直升机安全着舰的时机。研究结果表明：该方法有效提高了直升机着舰的安全性。     

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。     

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CFD方法的舰载直升机舰面气弹响应计算与分析

舰载直升机所处的环境恶劣,易出现旋翼桨尖过度挥舞及机身碰撞等事故,研究直升机舰面气弹响应可预防此类事故的出现。应用 CFD 方法获得舰船流场数据,结合桨叶动力学模型,综合提出旋翼气弹响应计算分析方法,研究不同来流速度、悬停位置与风向角下旋翼的气弹响应。结果表明：本文提出的气弹响应计算分析方法正确可行;舰船来流速度的增加...     

舰船机库大门对直升机起降特性影响研究

根据舰艉起降甲板的空气流场,结合直升机飞行动力学模型,计算了舰船机库门开启和关闭时的直升机舰面起降特性,并分析了舰船机库门开启和关闭对直升机起降特性的影响。计算结果表明,机库门开关状态仅对直升机总距操纵有一定的影响,而对其他操纵量和机身姿态影响甚小。提供的研究方法和所得结论为舰载直升机舰面起降提供了理论依据,有重要的实际意义。     

舰载直升机起飞着舰事故模式影响及危害性分析

文章应用故障模式影响及危害性分析方法研究了影响舰载直升机起飞着舰安全性的各种因素,建立直升机安全影响因素的鱼刺模型,确定直升机在起飞着舰过程中遇到的典型事故模式,在建立安全等级分析准则的基础上对各事故模式实施事故模式影响及危害度分析。建立的舰载直升机起降FMECA工作表,有助于指导直升机研制和使用部门采取合理的事故预防措施来降低直升机舰上起降的风险,最大限度地减少人员装备损失。     

非直通甲板舰船空气流场的结构化建模

舰船空气流场是舰载机起降安全的重要影响因素,其结构化建模是研究舰载机起降安全边界和起降动力学过程的重要支撑。直通甲板舰船的空气流场结构化建模问题已于20世纪80年代解决,并纳入MIL-F-8785C军用规范,得到了广泛应用;而非直通甲板舰船的空气流场结构形式更为复杂,近年来科研人员通过数值模拟、风洞试验或实船测量等方法开展了研究,但其结构化建模问题仍有待解决。本文的研究目的是探索非直通甲板舰船空气流场的结构化建模方法。通过对其流场结构、形成机理进行分析,采用流场特性频域分析和数据拟合方法,解析了流场的稳态、周期和随机分量,成功构建了流场结构化模型,并通过仿真验证了模型的有效性,初步解决了非直通甲板舰船空气流场结构化建模问题,得出了较为实用的结构化模型,有望为舰载直升机起降安全研究提供重要支撑,大幅减少机-舰动态配合试验的工作量,使机-舰组合风限图的制定更加高效,并为机-舰动态配合实时仿真奠定基础。     

斜风来流下纵摇运动对机-舰耦合流场的影响

机-舰耦合流场是一个复杂紊乱的非定常流场,舰船的六自由度摇摆运动会进一步恶化飞行甲板上方的流场环境。为了探究舰船的摇摆运动对飞行甲板上方机-舰耦合流场的影响,基于简化护卫舰SFS2和旋翼的耦合模型,对两种斜风状态下、纵摇运动中的机-舰耦合流场进行了数值模拟,分析了纵摇运动对机-舰耦合流场结构和旋翼拉力的影响,对比了两种斜风状态下的流场差异。研究结果表明：随着舰船的纵摇运动,机库后方形成的不稳定混合涡结构和垂向气流会对旋翼气动力造成明显的影响,旋翼拉力出现了近似周期性的变化,与纵摇运动的周期一致,但各观测点处的速度分量均未出现周期性的变化;旋翼拉力在甲板上浮至水平位置附近时最大,在甲板下沉至水平位置附近时最小,对于左舷和右舷来流,拉力分别降低了约13%和6%,因此飞行员要认识到纵摇运动带来的拉力损失,确保直升机具有足够的操纵量,以便能及时调整总距来保证直升机在该状况下的起降安全性。     

基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究

 发展了非结构重叠网格技术,提出适合于直升机旋翼运动的动态非结构重叠网格算法,该算法使得在采用非结构重叠网格模拟直升机流场时实现程序自动处理网格,不需任何人工干预。流动控制方程采用非定常可压缩Euler方程,空间离散采用Jameson有限体积法,时间推进采用双时间步长法,为加速收敛,在双时间步长内循环迭代中采用预处理技术。为验证本发展的预处理解算器以及动态非结构重叠网格的算法的可信性和有效性,开展一系列的数值实验,模拟了不同速度范围的NACA0012翼型绕流,Caradonna旋翼悬停和前飞流场以及Robin直升机机身-旋翼组合的前飞非定常流场,结果表明采用本文算法得到的结果是可信的,网格处理是自动高效的,可以应用于直升机全机流场模拟,为直升机设计提供可信指导数据。     

高速直升机共轴刚性旋翼悬停气动特性的参数影响研究

共轴刚性旋翼是未来高速直升机的重要发展方向,开展气动特性参数影响研究具有重要的实际指导意义。基于计算流体力学（CFD）技术,本文建立了一个计入配平分析的共轴刚性旋翼气动特性计算方法。在该方法中,采用NavierStokes方程为控制方程,使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散,选取隐式LU-SGS格式进行时间推进,湍流模型则为Spalart-Allmaras(S-A)模型,上下旋翼间的流场信息交换采用运动嵌套网格方法实现;通过Newton-Rhapson迭代方法求解旋翼操纵增量,可实现共轴刚性旋翼的有效配平。然后,应用所建立的方法,开展了共轴刚性旋翼悬停状态下的气动性能计算,着重分析了上下旋翼间距尤其是桨叶气动外形参数对共轴刚性旋翼气动特性的影响。结果表明,负扭转可以提高共轴刚性旋翼悬停效率,但与负扭转分布相比,采用正扭转分布,会降低共轴刚性旋翼悬停效率。     

反流区对复合高速直升机旋翼气动特性的影响

针对复合式直升机高前进比旋翼反流区严重的特点,建立了适合于高前进比旋翼气动特性的分析方法,以H-34旋翼为例计算了该旋翼在高前进比状态下的气动性能,并与已有的风洞试验数据进行对比验证.在此基础上,进一步分析了反流区对高前进比旋翼气动性能以及对桨叶剖面迎角、升力系数和阻力系数的影响.结果表明:反流区越大,对旋翼的气动性能...     

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。     

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...     

舰面效应对直升机操纵的影响

舰面效应对直升机的配平操纵和姿态角有很大的影响。基于三维面元法建立了直升机舰面效应模型,可有效用于分析部分地效和倾斜甲板。最后以某型机舰配合为例,分析了舰面效应对直升机配平操纵和姿态角的影响。     

旋翼布局对共轴刚性旋翼直升机气动特性影响研究

为研究旋翼布局对共轴刚性旋翼直升机气动特性的影响,建立了一种基于计算流体力学(CFD)技术的共轴刚性旋翼直升机全机气动干扰分析方法。通过某模型旋翼进行计算并与试验数据对比,验证了该方法的正确性。然后,针对旋翼间距、旋翼轴前倾角和桨毂中心相对直升机重心位置对共轴旋翼与旋翼/机身的气动特性进行了研究,分析了旋翼布局改变对共轴旋翼及旋翼/机身气动影响。结果表明：3个旋翼布局参数改变对悬停及前飞状态的气动特性均存在一定影响,其中旋翼轴前倾角影响明显;随旋翼轴前倾程度增加,悬停状态下轴向速度峰值与机身上表面相对压力峰值出现前移情况,前飞状态下桨毂中心后侧的轴向速度和机身上表面相对压力数值均有所减小。