艦載直升機(jī)理論風(fēng)限圖飛行模擬獲取方法

賀少華，譚大力，顏世偉

（92942部隊(duì)，北京100161）

1 國(guó)外艦載直升機(jī)風(fēng)限圖研究概況

艦載直升機(jī)驅(qū)護(hù)艦起降區(qū)域狹小，起降作業(yè)須克服艦船的橫搖、縱搖和深沉運(yùn)動(dòng)以及飛行甲板空氣流場(chǎng)的影響。國(guó)外艦船氣流場(chǎng)研究始于20世紀(jì)90年代中期，為檢驗(yàn)海、陸、空直升機(jī)在各種艦船飛行甲板上的起降可行性，美國(guó)海軍于1998年開始了艦載直升機(jī)艦機(jī)融合程序（Joint Shipboard Helicopter Integration Process，JSHIP）研究項(xiàng)目[1]。對(duì)于一給定的艦—機(jī)組合，艦—機(jī)協(xié)同操作能力包絡(luò)（Ship-Helicopter Operating Limits，SHOL），也稱甲板風(fēng)風(fēng)限圖（Wind Over Deck Envelop，WOD Envelop），規(guī)定了該型艦載機(jī)在該型艦船上起降時(shí)允許的最大風(fēng)況、艦船運(yùn)動(dòng)幅值（一般為橫搖、縱搖）。通常，一個(gè)完整的風(fēng)限圖包含艦—機(jī)型號(hào)、著艦路徑、能見度（晝間或夜間）等信息。

在艦機(jī)風(fēng)限圖研究（獲?。┓矫妫商m海軍在艦機(jī)風(fēng)限圖獲取方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，已為多型艦載直升機(jī)和航空艦船的艦機(jī)組合繪制了風(fēng)限圖，艦載直升機(jī)重量從4 040～9 715 kg 不等，艦船排水量從485～17 000 t 不等，最極限的情況是，該國(guó)為一型重量為4 040 kg 艦載直升機(jī)與排水量?jī)H為485 t 的艦船繪制了風(fēng)限圖，該型艦船的飛行甲板尺寸僅為7 m×7.6 m[2]。荷蘭海軍早期獲取風(fēng)限圖的過(guò)程主要為：通過(guò)岸基懸停實(shí)驗(yàn)獲得艦載直升機(jī)在自然風(fēng)條件下的操控和發(fā)動(dòng)機(jī)能力邊界；同時(shí)，通過(guò)縮比模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試得到艦載直升機(jī)艦船起降環(huán)境數(shù)據(jù)（主要包括飛行甲板空氣流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)和艦船運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)）；基于岸基測(cè)試得到的艦載直升機(jī)特性和海上艦船起降環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算分析，得到了理論風(fēng)限圖（Candidate Flight Envelope）?；诶碚擄L(fēng)限圖，開展海上實(shí)裝飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到最終可用于實(shí)際作業(yè)的風(fēng)限圖。美、英等國(guó)海軍獲取風(fēng)限圖的方法在早期與荷蘭海軍基本相同，美國(guó)海軍更多倚重于海上實(shí)裝飛行試驗(yàn)。

上述獲取風(fēng)限圖的方法主要依賴于岸基、海上實(shí)裝試驗(yàn)。隨著建模仿真及計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，建模仿真技術(shù)開始越來(lái)越多地應(yīng)用于風(fēng)限圖相關(guān)研究中，包括艦船空氣流場(chǎng)特征建模仿真、艦船運(yùn)動(dòng)特征建模仿真、飛行員人員特征建模仿真以及艦—環(huán)—機(jī)（人）整體動(dòng)力學(xué)行為建模仿真等[3-6]。

實(shí)際上，艦載直升機(jī)起降是一個(gè)涉及艦、環(huán)、機(jī)（包括飛行員）的多參數(shù)耦合的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)（運(yùn)動(dòng)學(xué)）系統(tǒng)問(wèn)題，且是一個(gè)包含時(shí)間t 的時(shí)變系統(tǒng)。采用數(shù)學(xué)物理方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行建模仿真，面臨兩大難題：一是“方程”難建立；二是求解“方程”也很困難?，F(xiàn)有研究均對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。如，不考慮飛行員因素、不考慮時(shí)間t、將艦—環(huán)—機(jī)“先分后合”進(jìn)行研究（忽略它們之間的耦合）等。艦—環(huán)—機(jī)實(shí)時(shí)、整體建模仿真目前還是一個(gè)世界性難題。

基于以上情況，結(jié)合飛行模擬器技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外提出并實(shí)現(xiàn)了一種折中的辦法，即基于飛行模擬的理論風(fēng)限圖獲取方法，避免了復(fù)雜的飛行員行為建模仿真以及實(shí)裝飛行代價(jià)大、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。美國(guó)海軍JSHIP項(xiàng)目的主要任務(wù)之一就是借助美國(guó)航空航天局Ames 研究中心的垂直運(yùn)動(dòng)模擬器，建立一種基于真實(shí)飛行員模擬飛行試驗(yàn)的理論風(fēng)限圖繪制方法。

2003年，英國(guó)國(guó)防部開始了對(duì)艦機(jī)動(dòng)力學(xué)接口研究（Ship/Air Interface Framework，SAIF）的專項(xiàng)資助，旨在基于Culdrose、Cornwall 等皇家海軍航空站的Merlin 直升機(jī)訓(xùn)練模擬器進(jìn)行風(fēng)限圖預(yù)測(cè)。通過(guò)SAIF專項(xiàng)，建立了一個(gè)基于Merlin模擬器的通用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)能對(duì)不同艦—機(jī)組合的艦載直升機(jī)起降過(guò)程進(jìn)行仿真，包括艦載無(wú)人機(jī)。SAIF項(xiàng)目已經(jīng)開展Merlin直升機(jī)在23型護(hù)衛(wèi)艦和45型驅(qū)逐艦上的風(fēng)限圖仿真試驗(yàn)[7]。

英國(guó)利物浦大學(xué)研制了一套全自由度飛行模擬器HELIFLIGHT-R。HELIFLIGHT-R構(gòu)造了一個(gè)逼真虛擬仿真環(huán)境，已應(yīng)用在為得到理論風(fēng)限圖的模擬飛行試驗(yàn)中。基于HELIFLIGHT-R 的模擬飛行試驗(yàn)?zāi)軌蜃屓藗儗?duì)風(fēng)限圖有更清楚的理解，進(jìn)而為實(shí)際飛行試驗(yàn)提供參考和指導(dǎo)。HELIFLIGHT-R是一臺(tái)全功能飛行模擬器，它有220×70 度仿真視景、六自由度基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、四軸力反饋系統(tǒng)等功能。飛行力學(xué)模型用FLIGHTLAB 和Matlab/Simulink 軟件建立，目前已建立典型固定翼、旋翼和傾轉(zhuǎn)翼艦載機(jī)飛行力學(xué)模型庫(kù)。用Presagis’Creator Pro和VEGA軟件建立外部環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，允許用戶對(duì)能見度、云厚、雨、霧以及海況、排煙和直升機(jī)旋翼下洗氣流對(duì)水面影響等效果進(jìn)行選擇（配置）。視景可通過(guò)球幕顯示，也可通過(guò)投影系統(tǒng)投影在艙頂內(nèi)表面進(jìn)行顯示。運(yùn)動(dòng)、視景，結(jié)合真實(shí)的聲音播放，給飛行員提供了極具沉浸感的虛擬環(huán)境。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和記錄模擬飛行過(guò)程數(shù)據(jù)，支撐開展飛行講評(píng)和數(shù)據(jù)分析，包括艦載機(jī)位置、姿態(tài)、加速度以及飛行員的操控動(dòng)作等，另外，座艙里的攝像設(shè)備記錄飛行過(guò)程視頻和音頻，采用追蹤視角對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行影像記錄[7]。

2 基于飛行模擬獲取理論風(fēng)限圖

艦載直升機(jī)六自由度起降飛行模擬需要：飛行模擬器（如HELIFLIGHT-R）、艦船氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)、母艦運(yùn)動(dòng)模型和環(huán)境模型等。

2.1 艦船氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)的獲取

艦船氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)獲取可采用實(shí)船試驗(yàn)[8]、縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)[9]和CFD 建模仿真[10-11]等方法。實(shí)船試驗(yàn)?zāi)軌虻玫礁哔|(zhì)量數(shù)據(jù)，但是，受環(huán)境條件、人力、測(cè)量設(shè)備、飛行員、艦載機(jī)等多因素影響，且需要針對(duì)不同風(fēng)向、風(fēng)速組合，實(shí)船試驗(yàn)代價(jià)非常高，且存在安全風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)（一般1 ∶100）可以針對(duì)不同風(fēng)況得到有價(jià)值的測(cè)量數(shù)據(jù)，但是，很難對(duì)母艦—旋翼機(jī)耦合效應(yīng)進(jìn)行模擬，且由于雷諾數(shù)減小，非定常流動(dòng)的脈動(dòng)頻率、流動(dòng)分離、漩渦等特征都會(huì)發(fā)生變化，與實(shí)際存在差異。雖然有研究發(fā)現(xiàn)這些特征的基本形態(tài)與雷諾數(shù)弱相關(guān)[12]，但該發(fā)現(xiàn)并未在理論上得到證實(shí)。相比實(shí)船試驗(yàn)和縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)，CFD建模仿真方法是一種綜合較優(yōu)方法，能較好兼顧母艦氣流場(chǎng)和艦—機(jī)耦合仿真。目前，隨著計(jì)算能力的不斷提高，實(shí)時(shí)艦—環(huán)—機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)仿真也將不再難以開展。

早期，利物浦大學(xué)采用定常CFD 計(jì)算方法，將計(jì)算得到的母艦定常氣流速度場(chǎng)施加到直升機(jī)飛行力學(xué)模型中，直升機(jī)起降時(shí)的氣動(dòng)載荷更接近真實(shí)（相比不施加時(shí)）。飛行員們反映，考慮母艦氣流場(chǎng)時(shí)，模擬駕控感受明顯更真實(shí)，但是，由于缺乏對(duì)母艦氣流場(chǎng)不穩(wěn)定特征的考慮，模擬飛行缺少真實(shí)的“顛簸”感。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算水平的不斷提高，非定常氣流場(chǎng)CFD仿真成為了可能，且能夠考慮更加精細(xì)的艦船幾何特征。湍流采用DES 模型（Detached Eddy Simulation）。DES 模型是一種結(jié)合了LES 模型（Large Eddy Simulation）和URANS 模型（Unsteady Reynolds Averaged Navistokes Simulation）的高級(jí)湍流模型，LES 模型計(jì)算資源消耗大，不宜運(yùn)用在艦船近壁區(qū)（為捕捉到近壁區(qū)的小尺度渦，要求該區(qū)域的網(wǎng)格更加細(xì)密），故近壁區(qū)選擇URANS 湍流模型，而將LES 模型用于遠(yuǎn)壁區(qū)氣流（尺寸更大的渦）的模擬。研究表明，DES模型非常適合在包含“陡壁”的物體上。如，艦船的上層建筑，它能夠精確地捕捉到流動(dòng)分離特征。如圖1所示，DES湍流模型能夠更好地捕捉到不穩(wěn)定氣流場(chǎng)特征，而URANS將大部分的不穩(wěn)定特征過(guò)濾掉了。

圖1 飛行甲板上空某點(diǎn)氣流速度時(shí)間歷程Fig.1 Time history of air velocity at a point above the flight deck

艦船氣流場(chǎng)CFD 仿真的合理性已經(jīng)得到縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)和海上實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，這在以往公開文獻(xiàn)中多次提及。如，F(xiàn)orrest&Owen[13]以一個(gè)通用護(hù)衛(wèi)艦簡(jiǎn)化模型為研究對(duì)象，風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)提供，通過(guò)熱線風(fēng)速儀測(cè)量得到；海上實(shí)船數(shù)據(jù)則由英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供，使用超聲流量計(jì)測(cè)量了23型護(hù)衛(wèi)艦飛行甲板氣流場(chǎng)特征。

艦船非定常氣流場(chǎng)可由商業(yè)軟件Ansys Fluent仿真得到，將艦船幾何模型導(dǎo)入Ansys ICEM軟件中，進(jìn)行幾何清理和修補(bǔ)，去除細(xì)小幾何特征，得到適合進(jìn)行網(wǎng)格劃分的較規(guī)則幾何體。鞭狀天線、護(hù)欄及甲板上的其他細(xì)小幾何特征對(duì)流場(chǎng)特征影響很小，如果不對(duì)其進(jìn)行清理，將大幅增加網(wǎng)格劃分的難度和網(wǎng)格規(guī)模，也影響網(wǎng)格質(zhì)量，耗費(fèi)大量計(jì)算資源。通常，可以將直徑小于0.3 m 的幾何對(duì)象清理掉。圖2為23型護(hù)衛(wèi)艦的CFD計(jì)算網(wǎng)格模型。

圖2 23型護(hù)衛(wèi)艦的CFD非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)Fig.2 Unstructured CFD mesh for type 23 frigate

基于DES模型進(jìn)行艦船氣流場(chǎng)CFD仿真，求解時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，即能捕捉到100 Hz 以下的非穩(wěn)態(tài)氣流場(chǎng)特征。仿真得到隨時(shí)間變化的起降空域內(nèi)各點(diǎn)的三向氣流速度（u，v，w，t），以查詢表的形式存儲(chǔ)。圖3為23型護(hù)衛(wèi)艦艦載直升機(jī)的關(guān)注起降空域，艦載直升機(jī)從左舷后方進(jìn)近著艦，需要存儲(chǔ)該空域內(nèi)的氣流場(chǎng)特征數(shù)據(jù)。

圖3 23型護(hù)衛(wèi)艦飛行甲板氣流場(chǎng)關(guān)鍵空域Fig.3 Key space of air-wake of flight desk for type 23 frigate

2.2 對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)的考慮

飛行模擬還需考慮艦船運(yùn)動(dòng)。艦船運(yùn)動(dòng)特征取決于艦船設(shè)計(jì)、海況、航速、裝載等，在進(jìn)行飛行模擬時(shí)，一般選取某型船的某種典型海況下的運(yùn)動(dòng)特征，該運(yùn)動(dòng)特征在飛行員看來(lái)至少感覺(jué)是真實(shí)的。雖可采用相關(guān)建模仿真軟件進(jìn)行仿真，但國(guó)外通常選擇采用實(shí)測(cè)方法記錄艦船運(yùn)動(dòng)，對(duì)于其他未記錄海況和類似船型，采用比例縮放的方法。一般來(lái)說(shuō)，在艦船（飛行甲板）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)幅值處于限定值以內(nèi)時(shí)，就可將這段時(shí)間定義為平穩(wěn)期。艦船平穩(wěn)期雖客觀存在，但持續(xù)時(shí)間是否滿足需要，還需具體分析。如只是將運(yùn)動(dòng)幅值是否超限作為運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)，那么平穩(wěn)期將難以定義，因?yàn)榕灤\(yùn)動(dòng)總是在平穩(wěn)和非平穩(wěn)之間反復(fù)，二者的界限沒(méi)有劃定。文獻(xiàn)[14]給出的艦船運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期的定義為：①艦船運(yùn)動(dòng)不能超限；②非平穩(wěn)期向平穩(wěn)期轉(zhuǎn)變的標(biāo)志為，當(dāng)運(yùn)動(dòng)在這個(gè)峰值（波峰或波谷）超限時(shí)，下一個(gè)峰值必須在限定值的0.8 以內(nèi)。圖4 所示為實(shí)測(cè)得到的某型護(hù)衛(wèi)艦運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程，平穩(wěn)期為矩形框內(nèi)所示，持續(xù)時(shí)間分別為2.6 s、19.0 s、4.8 s 和24.2 s。

圖4 艦船運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期（矩形框內(nèi)的即為運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)期）Fig.4 Quiescent periods for ship motions，the ship is quiescent within the rectangles

2.3 氣流載荷施加

以海鷹直升機(jī)為研究對(duì)象，處于艦船氣流場(chǎng)中的艦載直升機(jī)氣流載荷施加點(diǎn)見圖5。載荷包括不穩(wěn)定氣流產(chǎn)生的力和力矩。CFD 計(jì)算到的氣流三向速度分量（u，v，w）在空間點(diǎn)位置（x，y ，z）隨時(shí)間變化。實(shí)際計(jì)算中，查詢表中（x，y，z）必須轉(zhuǎn)換成圖5中的氣流載荷計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)，包括主旋翼上的點(diǎn)坐標(biāo)。

2.4 試驗(yàn)測(cè)試及著艦難度量化

典型的飛行模擬測(cè)試程序包含了不同風(fēng)況下的進(jìn)近和甲板著落。如，英國(guó)皇家海軍，通常每隔15°和5 kn 一個(gè)風(fēng)況。由經(jīng)驗(yàn)豐富的海軍試飛員進(jìn)行模擬飛行試驗(yàn)，著艦方式為左后方進(jìn)近著艦，包含3 個(gè)階段，如圖6 所示。首先，在左舷保持與艦平行飛行；然后，橫移到飛行甲板著艦點(diǎn)上空、懸停；最后，等待時(shí)機(jī)（母艦運(yùn)動(dòng)平靜期）垂直下降著艦。

圖5 海鷹直升機(jī)模型及氣流載荷施加點(diǎn)示意圖Fig.5 Seahawk helicopter model and location of airload computation points

圖6 英國(guó)皇家海軍艦載直升機(jī)著艦路徑示意圖Fig.6 Final stages of the recovery of a Royal Navy helicopter to a single spot frigate

為向模擬飛行試驗(yàn)飛行員提供逼真的、身臨其境的體驗(yàn)，最基本的要求是飛行員能夠從基座運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)場(chǎng)景中獲得正確和足夠反饋或提示。雖然基座運(yùn)動(dòng)在飛行模擬時(shí)不是必需的，但當(dāng)飛行員在高負(fù)荷下操作，艦載機(jī)處于其可控制范圍邊界時(shí)，前庭運(yùn)動(dòng)提示的重要性已經(jīng)被證實(shí)，特別是在不良視覺(jué)環(huán)境中或視覺(jué)提示較少時(shí)。Wang 等人[15]使用利物浦大學(xué)HELIFLIGHT-R 模擬器進(jìn)行了一系列的著艦和懸停操作，外部場(chǎng)景考慮了白天、黃昏、霧和夜晚等不同環(huán)境（能見度）。基座運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)提示的重要性得到了證實(shí)，兩者之間的相互依存性也得到了證實(shí)。圖7 顯示了飛行員在23型護(hù)衛(wèi)艦著艦點(diǎn)上空保持懸停時(shí)，飛行員的控制活動(dòng)差異，實(shí)線表示考慮前庭運(yùn)動(dòng)時(shí)的控制活動(dòng)；虛線表示不考慮前庭運(yùn)動(dòng)提示時(shí)的控制活動(dòng)?？刂苹顒?dòng)，包括左圖所示的橫向操縱動(dòng)作和右圖所示的腳蹬動(dòng)作。白天，飛行員可使用視覺(jué)提示（目視）保持位置，有無(wú)前庭運(yùn)動(dòng)提示控制活動(dòng)差異不明顯，但隨著視覺(jué)提示的減少（晚上），在沒(méi)有前庭運(yùn)動(dòng)提示的時(shí)候，飛行員的控制動(dòng)作顯示出更大地偏移。

圖7 飛行員控制活動(dòng)Fig.7 Pilot control activity without motion

在受控模擬環(huán)境中進(jìn)行著艦，可以方便地定義和重復(fù)測(cè)試點(diǎn)?？梢杂肈IPES或Bedford法來(lái)量化飛行員著艦操控負(fù)擔(dān)等級(jí)（著艦難度等級(jí)）[17]，并結(jié)合測(cè)試得到的起降過(guò)程飛機(jī)操縱數(shù)據(jù)，如總距、周期變距、尾槳距操縱余量等。另外，較大直升機(jī)的姿態(tài)角會(huì)影響直升機(jī)在不同風(fēng)況下降落甲板的動(dòng)平衡性能，也會(huì)影響飛行員的視野，不利于飛行員進(jìn)行判斷，風(fēng)限圖分析計(jì)算中設(shè)定直升機(jī)著艦時(shí)機(jī)身俯仰角和機(jī)身滾轉(zhuǎn)角不超過(guò)一定范圍。飛行員著艦難度等級(jí)評(píng)定Bedford法將著艦難度設(shè)定為1～10級(jí)：1級(jí)表示難度不大，10 級(jí)表示飛行員不得不放棄任務(wù)。在Bedford 法中，要求飛行員自我衡量他們?cè)趫?zhí)行指定任務(wù)（主要任務(wù)）時(shí)還有多少冗余能力。冗余能力表示飛行員執(zhí)行次要任務(wù)的能力，如保持對(duì)任務(wù)的清醒意識(shí)、監(jiān)控飛機(jī)系統(tǒng)或收聽無(wú)線電通信等。主要任務(wù)帶來(lái)的工作負(fù)擔(dān)越重，用于關(guān)注這些次要任務(wù)的冗余能力就越少。Bedford 法適用于任何任務(wù)，但DIPES 正如其名，專門為艦載機(jī)飛行甲板著艦而設(shè)計(jì)。DIPES 根據(jù)飛行員工作量、表現(xiàn)、精度和一致性對(duì)每次著艦進(jìn)行評(píng)分：3級(jí)或更低表明在該環(huán)境條件下，安全著艦可以在一定精度內(nèi)重復(fù)實(shí)現(xiàn)，即在一定精度內(nèi)，安全著艦是可行的；等級(jí)為4或5則表示相反，將這種環(huán)境條件劃屬風(fēng)限圖之外，即在這些條件下禁止直升機(jī)著艦。除了飛行員給出的具體意見外，還可以為每個(gè)等級(jí)分配一些字母后綴，以說(shuō)明操控負(fù)擔(dān)（工作量）增加的原因。譬如，‘T’表示turbulence，即由湍流增加的負(fù)擔(dān)；‘D’表示deck motion，即由甲板運(yùn)動(dòng)增加的負(fù)擔(dān)。

許多國(guó)家海軍使用DIPES 來(lái)確定理論風(fēng)限圖。Bedford法用于評(píng)估著艦每一個(gè)階段的任務(wù)難度，并可用于量化評(píng)估任意空間位置氣流場(chǎng)造成的任務(wù)難度，進(jìn)而可以用來(lái)評(píng)估艦船上層建筑設(shè)計(jì)對(duì)艦載直升機(jī)著艦的影響。

圖8 來(lái)自Hodge 等人[16]的數(shù)據(jù)，顯示了飛行員在23型護(hù)衛(wèi)艦著艦點(diǎn)上空將飛機(jī)保持在懸停位置時(shí)，使用Bedford 法得出的工作負(fù)荷等級(jí)，風(fēng)向分別為逆風(fēng)0°和來(lái)自右舷艦首45°的風(fēng)。左圖為采用定常CFD仿真數(shù)據(jù)，右圖為采用非定常CFD仿真數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯啾榷ǔ饬鲌?chǎng)，非定常氣流場(chǎng)要求飛行員必須付出更多努力才能更好地完成懸停操作，特別是在45°風(fēng)的時(shí)候。這再次表明了非定常氣流場(chǎng)（相比定常氣流場(chǎng)）對(duì)飛行模擬的重要性。

圖8 采用Bedford法表示的飛行員在定常和非定常氣流場(chǎng)中保持懸停的難度等級(jí)（示意圖）Fig.8 Bedford workload ratings for a station-keeping task in steady and unsteady airwakes

除了真實(shí)飛行試驗(yàn)，其他方法得到的風(fēng)限圖往往偏保守（包絡(luò)相比實(shí)際狹?。?。圖9 顯示了SH-60B 海鷹直升機(jī)在23型護(hù)衛(wèi)艦按照艦艉左舷著艦方式著艦、±90°甲板風(fēng)范圍內(nèi)的風(fēng)限圖，數(shù)據(jù)由Forrest等人[18]提供，實(shí)線表示由DIPES 定義的極限包絡(luò)，虛線表示尾槳機(jī)構(gòu)承受側(cè)風(fēng)極限包絡(luò)。

圖9 SH-60B海鷹直升機(jī)在23型護(hù)衛(wèi)艦的著艦風(fēng)限圖Fig.9 DIPES Ratings and SHOL diagrams for a type 23 Frigate and SH-60B seahawk helicopter

3 總結(jié)

為獲取艦載直升機(jī)實(shí)用風(fēng)限圖，僅依靠實(shí)裝飛行試驗(yàn)或建模仿真都是非常困難的。通過(guò)起降飛行模擬試驗(yàn)獲取理論風(fēng)限圖，結(jié)合少量的海上實(shí)裝飛行驗(yàn)證試驗(yàn)是一種綜合較優(yōu)的方法。本文對(duì)飛行模擬試驗(yàn)在理論風(fēng)限圖繪制中的作用、方法等進(jìn)行了研究綜述。得到的主要結(jié)論為：飛行模擬器中的母艦氣流場(chǎng)數(shù)據(jù)、母艦運(yùn)動(dòng)可由建模仿真或試驗(yàn)測(cè)試得到，且必須考慮母艦氣流場(chǎng)的非定常特性；只有當(dāng)飛行員視景或視覺(jué)反饋受限時(shí)（如能見度降低時(shí)），飛行模擬器基座的六自由度運(yùn)動(dòng)才是必需的；用DIPES 或Bedford方法量化飛行員主觀操縱負(fù)擔(dān)，結(jié)合記錄的客觀操縱數(shù)據(jù)，評(píng)判起降難度；典型的飛行模擬試驗(yàn)程序包含了不同風(fēng)況下的進(jìn)近和甲板著艦，通常每隔15°和5 kn 一個(gè)風(fēng)況；除了真實(shí)飛行試驗(yàn)，其它方法得到的風(fēng)限圖通常偏保守（包絡(luò)相比實(shí)際狹小）。

雖然理論風(fēng)限圖模擬飛行試驗(yàn)的準(zhǔn)確性尚未得到充分驗(yàn)證，目前尚無(wú)法完全替代海上實(shí)船起降飛行試驗(yàn)，但可用于對(duì)風(fēng)限圖的先期摸索，可指導(dǎo)開展海上實(shí)船起降飛行試驗(yàn)，提高海上實(shí)船起降飛行試驗(yàn)的效率和安全性。通過(guò)海上實(shí)船起降飛行試驗(yàn)校驗(yàn)理論風(fēng)限圖，最終得到可用于實(shí)際的風(fēng)限圖。