1.1 研究背景及意义

航空母舰，简称“航母”，是一种以舰载机为作战武器的大型水面舰艇，可供舰载机起飞和降落。它通常拥有巨大的飞行甲板和舰岛，舰岛大多坐落于右舷。航空母舰发展至今已经成为一个国家军事力量乃至综合国力的象征，素有“海上霸主”之美称。中国首艘国产航母“辽宁号”建成并于2012年下半年服役，标志着中国国防实力的一大提升。

航母之所以能发挥出惊人的威力，主要在于其搭载的舰载机。舰载机作为航母的主要攻击力量，如何保证舰载机的安全起飞与着舰成为了重点的研究课题。

舰载机在航母上起飞本身就是一个十分复杂的过程，涉及到航母运动、飞机运动以及多变的环境等多种因素。航母在海上受到海风、海浪等环境因素的作用，相当于一个六自由度运动的平台，运动状态不仅包括沿三个坐标轴的直线运动：浮沉、纵荡和横荡运动，还包括绕三个坐标轴的旋转运动：俯仰、横滚和偏航运动。海上的气流相较于陆地也比较复杂，由于航母体积庞大，在海上运动的过程中，气流遇到航母以及航母上的设备就会使周围的气流发生较为明显的变化。不但起飞环境多变复杂，飞机自身和弹射器也包含许多不确定因素。

甲板运动、舰首气流、甲板风和地面效应等都会对舰载机起飞产生影响。

通过对航母的耐波性预报，探讨舰面摇晃运动对舰载机起飞限制范围，是舰载机安全起飞与降落研究课题的一个重要子课题，也是本文工作的主要内容。

1.2 国内外相关研究

1.2.1 甲板运动

在研究舰载机的起飞和着舰问题上，通常将由海浪运动引起的舰船运动叫甲板运动。在风、海浪等因素作用下,在海上航行的舰船,会产生六个自由度的运动,即包括沿三个坐标轴的直线运动:纵荡、横荡、沉浮和围绕三坐标轴的旋转运动:横滚、俯仰和偏航,并且各自由度运动之间是耦合作用的。按照运动状态甲板运动可分为纵向运动(纵荡、沉浮、俯仰)和横侧 向运动(横荡、横滚、偏航),纵向运动和横侧向运动之间的耦合影响很小,从工程应用的角度,在研究船舶运动时,通常把这两类运动独立为两组彼此独立的耦合方程组。

舰船的六自由度运动会降低船员的工作效率、造成舰载设备的操作困难、影响舰船的寿命和战斗力等,增加了舰船海上作业的难度和危险系数。因此,研究及预测舰船甲板运动具有深远的意义。特别在舰载机着舰过程中,鉴于复杂多变的着舰环境,进行甲板运动研究对舰载机的安全着舰是至关重要的。

关于船舶运动的研究至今已经有一百多年的历史,但在早期的研究中,只考虑入射波引起的波浪干扰力(佛汝德-克雷洛夫力)对船体的干扰,而忽略船体本身及船体运动对流场的干扰。从20世纪40年代起,很多学者开始研究船舶运动的流体动力学,通过求解速度势的线性边值问题,将船体本身及其自身运动对流场的干扰引入到船舶的运动建模中。20世纪50年代,研究者对波浪及船舶运动的研究工作取得了很多重要成果。1953 年,圣.丹尼斯、皮尔逊将通信理论中处理噪声的理论引入到波浪及船舶运动的研究中,提出了在随机海浪作用下船舶运动的计算方法。1955 年,科文-克劳科夫斯基将空气动力学中的细长体切片理论引入到船舶运动的 研究中。至今,基于切片理论的船舶运动建模计算已经非常成熟,并且在工程实际中得到了很好的应用。近几十年,国内外关于船舶运动的研究主要集中在两个方面,第一，船舶运动六自由度微分方程中波浪扰动力(矩)和水动力(矩)系数的计算；第二，海浪不规则性的建模计算。

1.2.2 势流理论

势流理论主要是通过假定流体无粘，不可压并假定流场无旋，将 NS 方程 组简化为势流控制方程组。由于粘性影响比较复杂，早期的研究主要是以势流 理论为主。势流理论的主要特点是该理论可以采用边界元法求解，即只需对流场的边界上的网格进行划分。在势流理论求解中，还可通过改变边界积分方程 中格林函数的形式进一步将边界简化的只剩物面。因此势流理论的计算方法可 以分为 Rankine 源法和复杂格林函数法。Rankine 源方法格林函数计算简单, 并且适用范围广;复杂格林函数法只需在物面画网格计算，并且自身包括了辐射条件，不用做无穷远边界截断处理。