水上飛機(jī)著水性能分析

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。

1 水上飛機(jī)水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

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

2 著水影響因素分析

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。

2.1 接水姿態(tài)角對(duì)著水過程的影響

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。

2.2 下降率對(duì)著水過程的影響

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。

3 結(jié)束語

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。