民用飛機(jī)后緣襟翼水擊分析

季佳佳

【摘 要】為了滿足民機(jī)濺水后緣襟翼結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)要求，本文通過參考大量國內(nèi)外研究者的文獻(xiàn)，首先闡述了飛濺類型，建立飛濺角計(jì)算模型，通過國外濺水試驗(yàn)，對后緣襟翼的濺水載荷進(jìn)行計(jì)算。得到民機(jī)后緣襟翼濺水計(jì)算方法，在型號上成功得到了應(yīng)用，對初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】后緣襟翼；濺水；分析

【Abstract】In order to meet the requirements of structure safety of trailing edge flap when sprays produced by aircraft tyres running in water or slush，sprays model and load of trailing edge flap are study through theoretical analysis based on research references and tests. The principle and the method of sprays analysis are successfully applied on the aircraft and supply references to structure design in the preliminary design stage.

【Key words】Trailing edge flap； Spray； Analysis

在飛行器設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的安全問題是個(gè)主要的環(huán)節(jié)。而對于飛機(jī)而言，在起飛、降落的過程中飛機(jī)跑道上的積水會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)在起飛和著陸時(shí)的性能和安全性，輪胎所卷起水滴的飛濺會(huì)對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)造成一定的損傷。因而跑道上積水飛濺現(xiàn)象是飛機(jī)潛在的安全問題，其對飛機(jī)下側(cè)結(jié)構(gòu)有極大的損壞，在這些結(jié)構(gòu)中對于起到在起飛、降落過程中增升、增阻的后緣襟翼來說，這種損壞極為嚴(yán)重。

根據(jù)FAR/CCAR 25.1091中相關(guān)規(guī)定，飛機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)避免在起飛、降落和滑行過程中將過量濺水吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，避免發(fā)生不安全情況。為此，通常通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)過程中會(huì)考慮飛機(jī)氣動(dòng)構(gòu)型，因此應(yīng)保證在此過程中飛機(jī)后緣襟翼結(jié)構(gòu)安全[1]。

1 水擊載荷飛濺角計(jì)算模型

飛機(jī)在濕滑跑道起飛和降落時(shí)引起的水滴飛濺是一個(gè)復(fù)雜的過程。飛濺的類型主要有以下三類：（1）“艦首波”（bow wave），是指輪胎旋轉(zhuǎn)將水向前擠壓而形成的飛濺；（2）“側(cè)羽”（side wave），是指輪胎將水向兩側(cè)擠壓而形成的飛濺；（3）“公雞尾”（rooster tail wave），是指由于輪胎旋轉(zhuǎn)而向后拋起的飛濺。以上三種飛濺中，對飛機(jī)后緣襟翼造成影響的只有側(cè)向飛濺（side wave）。影響飛濺的主要因素有：飛機(jī)的速度，輪胎的形狀和尺寸以及水的深度。下面是水擊載荷飛濺角的理論計(jì)算模型。

輪胎的幾何模型：

Z：輪胎所受的垂直方向的力；w：輪胎的寬度；D：輪胎的直徑；δ：輪胎在豎直方向的變形尺寸；bg：輪胎與地面的接觸寬度；h：輪胎與地面的接觸長度；d：跑道上的水深。

2 飛濺角的計(jì)算

本文中所指的飛濺角包括兩類飛濺角。一是側(cè)視圖中的飛濺角：水的飛濺軌跡與水平面的夾角（如圖2）。二是俯視圖中的飛濺角：水的飛濺軌跡與輪胎對稱平面的夾角（如圖6）。

要得到輪胎側(cè)向飛濺的角度，需要計(jì)算以下參量：

2.1 打滑速度Vp

4.2 前起輪胎等參數(shù)值

（1）輪胎的寬度（w）：195.58 mm

（2）輪胎的直徑（D）：609.6 mm

（3）輪胎的膨脹壓（P）：100 psi

（4）輪胎的額定膨脹壓（Pr）：110psi

（5）單個(gè)輪胎在垂直方向上受到的載荷（Z）：2273.5kg

4.3 主起輪胎等參數(shù)值

（1）輪胎的寬度（w）：355.6 mm

（2）輪胎的直徑（D）：1016 mm

（3）輪胎的膨脹壓（P）：140 psi

（4）輪胎的額定膨脹壓（Pr）：166 psi

（5）單個(gè)輪胎在垂直方向上受到的載荷（Z）：9738.2kg

4.4 飛機(jī)參數(shù)

（1）試驗(yàn)水深（d）：33mm、25mm、19mm、12.7mm；

（2）飛機(jī)滑跑速度（V）：70knot、90knot、110knoot、130knot。

4.5 飛濺分布計(jì)算

表3 某型飛機(jī)前起側(cè)向?yàn)R水計(jì)算結(jié)果

取最嚴(yán)重情況，V=130 knot，d=33mm，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 某飛機(jī)主起側(cè)向?yàn)R水計(jì)算結(jié)果

上述計(jì)算結(jié)果：（1）沒有考慮輪胎翻邊；（2）沒有考慮風(fēng)速等環(huán)境影響。

4.6 飛濺載荷計(jì)算

對某飛機(jī)和試驗(yàn)中的飛機(jī)尺寸進(jìn)行類比，來估算后緣襟翼的水擊載荷。

由前面所述的理論知識，可以得到輪胎所引起的水的飛濺的高度ZS和寬度Δys，這樣就可以得到在襟翼下方水的整個(gè)飛濺區(qū)域的面積S為：

（1）在計(jì)算水的飛濺區(qū)域面積時(shí)，假設(shè)飛濺區(qū)域?yàn)榫匦尾⑶宜峭耆錆M整個(gè)矩形，而實(shí)際過程水的飛濺并不是充滿整個(gè)區(qū)域，此時(shí)計(jì)算的面積偏大，導(dǎo)致計(jì)算的壓力偏小。

（2）假設(shè)輪胎卷起的水均勻分布在飛濺區(qū)域中，而實(shí)際過程水的分布并不均勻。此假設(shè)下計(jì)算的速度是平均速度，比實(shí)際有些速度值要小，導(dǎo)致計(jì)算的壓力值偏小。

5 結(jié)論

（1）在最嚴(yán)重的情況下主起造成水的最大的垂向高度為0.81m，而襟翼放下40°距離地平面高度為0.87m，認(rèn)為主起濺水對襟翼無影響。

（2）由計(jì)算結(jié)果可知，飛機(jī)滑行速度接近輪胎的打滑速度時(shí)，此時(shí)飛濺角度、高度和寬度最大，隨著水深增加，飛濺角度、高度和寬度增大。

（3）通過試驗(yàn)對比分析，得到某飛機(jī)在危險(xiǎn)情況下的速度為110節(jié)時(shí)，襟翼所對應(yīng)的壓強(qiáng)為20.19MPa，而對于簡單雙線性鋁板來說，它的屈服應(yīng)力為380MPa，水擊載荷小于該值，因此不會(huì)對襟翼造成損壞。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戚學(xué)峰，曾濤.民用飛機(jī)動(dòng)力裝置濺水試驗(yàn)適航驗(yàn)證方法[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2013，39（3）.

[2]Estimation of spray patterns generated from the sides of tyres running in water or slush. Engineering Sciences Data Unit（ESDU 83042）.1998[Z].

[3]J.H.M. Gooden. CRspray - Impingement drag calculation of aircraft on water-contaminated runways. National Aerospace Laboratory NLR. 2001[Z].

[責(zé)任編輯：湯靜]