吳 行,成婷婷
(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安710089)
水上飛機(jī)著水時(shí),在最低可能速度、正確俯仰姿態(tài)且沒有側(cè)滑的條件下觸水,并在進(jìn)近、著陸和轉(zhuǎn)化到滑行的過程中完全控制飛機(jī)。水上飛機(jī)觸水的姿態(tài)通常與斷階滑行的姿態(tài)很接近,機(jī)頭可能會(huì)稍微高一些。如果機(jī)頭過高或過低,浮筒和支柱上會(huì)受到過多的不必要的由水阻力產(chǎn)生的應(yīng)力,并可能造成機(jī)頭下俯,使浮筒艏入水,導(dǎo)致不安全事故的發(fā)生,所以對(duì)水上飛機(jī)著水性能和著水方法的研究就顯得十分必要。本文通過對(duì)水上飛機(jī)著水過程中主要水動(dòng)力的研究建立水動(dòng)力模型,利用Matlab 仿真的方法對(duì)水上飛機(jī)著水的影響因素進(jìn)行了分析。
水上飛機(jī)水面運(yùn)動(dòng)過程中,受力情況十分復(fù)雜。對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化可以得出,水上飛機(jī)在水面運(yùn)動(dòng)過程中主要受重力、發(fā)動(dòng)機(jī)拉力、氣動(dòng)力和水動(dòng)力影響,其中水動(dòng)力包括水動(dòng)推力、水動(dòng)阻力和浮力,水面滑行時(shí)飛機(jī)受力如圖1 所示。
圖1 水面滑行時(shí)飛機(jī)受力示意圖
但水上飛機(jī)在著水時(shí),對(duì)其產(chǎn)生最大影響的卻是在接水瞬間水面對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的水動(dòng)沖擊力。水動(dòng)沖擊力指兩棲飛機(jī)在水面降落時(shí),由于機(jī)體迅速而不穩(wěn)定地浸入水中,水與機(jī)體撞擊所產(chǎn)生的力。影響水動(dòng)沖擊力的因素包括飛機(jī)質(zhì)量及其分布、船底形狀、飛機(jī)龍骨與水面接觸所夾的縱傾角、運(yùn)動(dòng)速度等。
計(jì)算時(shí),采用船舶運(yùn)動(dòng)中常用的切片理論思想,將飛機(jī)機(jī)身總沖擊力看成無數(shù)楔形體入水沖擊力的總和,通過一系列適當(dāng)假設(shè)簡(jiǎn)化計(jì)算,得到適用于著水仿真模型的水動(dòng)沖擊載荷計(jì)算公式。飛機(jī)著水時(shí)受到水動(dòng)力沖擊最嚴(yán)重的狀態(tài)為“對(duì)稱斷階著水情況”,因此在建模時(shí),將飛機(jī)著水載荷的計(jì)算歸結(jié)為飛機(jī)對(duì)稱斷階著水載荷的計(jì)算,并進(jìn)行仿真。機(jī)身著水時(shí)受力分析如圖2 所示。
圖2 著水受力示意圖
利用切片理論,將機(jī)體沿龍骨切成微段ds,把每一個(gè)微段看成二元楔形體在水中運(yùn)動(dòng),整個(gè)飛機(jī)機(jī)身的水動(dòng)沖擊力為微段所受沖擊力之和:
根據(jù)動(dòng)量定理,將dFn改寫為代入式(1)中得到:
其中φ(λ′)為三元流動(dòng)的修正參數(shù),通過經(jīng)驗(yàn)公式[1]可得:
式(2)中,λ′為考慮了水面上升影響的龍骨浸濕長(zhǎng)寬比。根據(jù)WAGNER 的研究[2],λ′可由不考慮水面上升影響的龍骨浸濕長(zhǎng)寬比表示:
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到λ的計(jì)算方法[2]:
舭部浸濕后的附連水質(zhì)量mw的表達(dá)式為[3]:
綜合以上研究結(jié)果,可知水動(dòng)沖擊力的計(jì)算表達(dá)式為:
某次著水過程中水動(dòng)沖擊力和垂向速度變化如圖3所示。
圖3 著水過程中水動(dòng)沖擊力和垂向速度變化
飛機(jī)著水的基本過程:飛行員判斷著陸區(qū)安全,并選擇水方向。使用襟翼、油門和升降舵來控制飛機(jī)保持下滑道,并以推薦的進(jìn)近空速建立穩(wěn)定的進(jìn)近。隨著飛機(jī)接近水面,平滑地抬升機(jī)頭準(zhǔn)備觸水。確定飛機(jī)在水面上之后關(guān)閉油門,并保持觸水姿態(tài),直到飛機(jī)離開斷階滑行。一旦飛機(jī)為慢速滑行姿態(tài),使用向上全偏升降舵保持機(jī)頭盡可能高,以減小噴濺。
從上面著水的過程可以看出,合適的觸水姿態(tài)和接水速度是影響水上飛機(jī)著水性能的幾個(gè)重要因素,利用建立的仿真模型來仿真觀察接水姿態(tài)角、接水速度和下沉率對(duì)水上飛機(jī)著水過程的影響。在CCAR-25 部中25.125 條著陸條款對(duì)水上飛機(jī)完全停止的要求為3 kn(1.54 m/s)[4],但實(shí)際上如果水上飛機(jī)沒有反槳功能很難達(dá)到CCAR-25 部中25.125 條的完全停止?fàn)顟B(tài),而且根據(jù)仿真結(jié)果飛機(jī)從5.14 m/s 減至1.54 m/s 所需時(shí)間是從接水到減至5.14 m/s 所需時(shí)間的幾倍,所以在本文中取5.14 m/s(10 節(jié))為完全停止。
保持其他參數(shù)不變,設(shè)置變量接水姿態(tài)角為:0°、3°、5°、7°、9°,仿真結(jié)果如圖4 所示。
圖4 接水姿態(tài)角對(duì)著水過程的影響
水上飛機(jī)全停的速度要求為3 kn,但是在飛機(jī)著水接近停止的階段,由于水阻力十分小,所以要達(dá)到3 kn 的全停速度需要較長(zhǎng)時(shí)間,所以本文中以10 節(jié)(5 m/s)作為停止的參考速度。從圖4 可以看出,隨著著水縱傾角的增大,著水時(shí)間和距離先增大再減小。這是因?yàn)樵谒巷w機(jī)著水過程中,存在一個(gè)最佳觸水姿態(tài)角,機(jī)頭過高或者過低都會(huì)受到過多不必要的水阻力,并且可能導(dǎo)致機(jī)頭下俯。而且當(dāng)飛機(jī)觸水姿態(tài)角太大時(shí),飛機(jī)會(huì)有一個(gè)很大的低頭動(dòng)作,會(huì)產(chǎn)生很大的俯仰速率,同時(shí)導(dǎo)致吃水深度驟增。
結(jié)合上面的分析可以得出,水上飛機(jī)著水時(shí)存在一個(gè)最佳的觸水姿態(tài)角,過大或者過小都會(huì)產(chǎn)生較大的過載,而且過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很大的低頭動(dòng)作,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)頭入水。
保持其他參數(shù)不變,設(shè)置下沉率為:0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s,仿真結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出,水上飛機(jī)的著水時(shí)間和著水距離隨下沉率的增減而減小,這是因?yàn)殡S著下降率的增加,水平方向的加速度增大。隨著下沉率的增大,俯仰角變化基本不變,但俯仰角變化率和吃水深度均增大,吃水深度增大會(huì)導(dǎo)致水阻力增大。而且隨著下沉率的增大,水動(dòng)沖擊力增大,垂直方向的過載增大。
圖5 下降率對(duì)著水過程的影響
結(jié)合上述的分析可知,水上飛機(jī)在著水時(shí)應(yīng)該以較低的速度著水,但速度過低會(huì)導(dǎo)致下沉率過大,接水瞬間垂直方向過載過大,且要以合適的著水俯仰姿態(tài)接水,根據(jù)仿真結(jié)果,推薦的著水俯仰角為5°左右。
本文結(jié)合水動(dòng)沖擊力的相關(guān)理論,利用Matlab 方法對(duì)水上飛機(jī)著水過程進(jìn)行了仿真分析,并對(duì)接水姿態(tài)和下降率對(duì)著水性能的影響進(jìn)行了分析和討論,為中國(guó)民用水上飛機(jī)的試飛工作提供一定的參考和技術(shù)支持。