基于結(jié)構(gòu)能力的水上飛機(jī)適海性研究
2024-02-27 23:06:25周立勝楊榮王艷艷
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2024年6期
周立勝 楊榮 王艷艷
摘? 要：適海性是水上飛機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)能力是影響水上飛機(jī)適海性的關(guān)鍵因素。研究基于結(jié)構(gòu)能力的水上飛機(jī)適海性評(píng)估。闡述水上飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力的重要表征量著水載荷系數(shù)的計(jì)算原理、公式、影響參數(shù)。介紹水上飛機(jī)抗浪高度計(jì)算方法和流程，給出考慮不同參數(shù)影響的特征系數(shù)。以某大型水陸兩棲飛機(jī)工程設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行斷階著水水面反作用載荷系數(shù)計(jì)算和適海性評(píng)估及變參數(shù)分析。提出2種提高適海性的思路。該研究已在型號(hào)研制中應(yīng)用，并可為其他水上飛機(jī)或水陸兩棲飛機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：水上飛機(jī)；著水載荷系數(shù)；結(jié)構(gòu)能力；適海性；抗浪高度
中圖分類(lèi)號(hào)：V271.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0092-04
Abstract： Seaworthiness is an important technical index of seaplane， and structural capability is the key factor affecting seaplane seaworthiness. The seaworthiness evaluation of seaplane based on structural capability is studied. The calculation principle， formula and influence parameters of the water landing load factor， which is an important characteristic of seaplane structural capacity， is introduced. The calculating method and process of wave height that the seaplane must overcome are introduced， and the characteristic coefficients considering the influence of different parameters are given. Taking the engineering design of a large amphibious aircraft as an example， the calculation of the water reaction load factor， the assessment of seaworthiness and the analysis of variable parameters are carried out. Two ways to improve seaworthiness are presented. The study has been applied in aircraft project development， and can provide reference for the design of other seaplanes or amphibious aircraft.
Keywords： seaplane; water landing load factor; structural capability; seaworthiness; wave height
適海性是水上飛機(jī)（含水陸兩棲飛機(jī)）的重要技術(shù)指標(biāo)，是指可進(jìn)行正常海上（水上）起降的海況（水況）要求。一般適海性要求針對(duì)不同使用環(huán)境，提出了風(fēng)速和波高極限值[1]約束。因此，水上飛機(jī)的適海性有時(shí)也被稱(chēng)作“抗浪性”。水上飛機(jī)的適海性與許多因素有關(guān)，包括人員舒適性（如縱搖、橫搖、垂蕩和法向過(guò)載等）、結(jié)構(gòu)安全性（如水載荷、橫滾角、噴濺等）及飛機(jī)使用性能（如起飛距離、起飛時(shí)長(zhǎng)、阻力峰加速度等），對(duì)水上飛機(jī)適海性的合理評(píng)估十分復(fù)雜[2-3]。本文主要從工程應(yīng)用角度出發(fā)，參考?xì)W洲航空安全局（EASA）發(fā)布的水載荷專(zhuān)用條件[4]，結(jié)合某大型水陸兩棲飛機(jī)的著水載荷系數(shù)、著水失速速度、船體外形及設(shè)計(jì)重量等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力的適海性評(píng)估，得到了有意義的結(jié)論，并應(yīng)用于型號(hào)研制中。
1結(jié)構(gòu)能力
水上飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)除滿(mǎn)足陸基飛機(jī)的一般要求外，還應(yīng)能承受民用適航規(guī)章[5]或軍用設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定的所有設(shè)計(jì)工況下的水載荷。為了保證飛機(jī)水上運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性和安全性，水上飛機(jī)相比陸基飛機(jī)一般具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)能力和更大的結(jié)構(gòu)重量比例。
表征水上飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力的主要參數(shù)有著水載荷系數(shù)和船底壓力[4-6]，其中斷階著水載荷系數(shù)（n）是最重要的參數(shù)。水上飛機(jī)正常著水時(shí)通常選擇以盡可能低的速度和正確的俯仰姿態(tài)，使斷階先觸水[7]。斷階一般在飛機(jī)重心附近，斷階觸水對(duì)飛機(jī)著水后俯仰姿態(tài)變化和操縱較為有利。相應(yīng)地，斷階著水時(shí)重心處載荷系數(shù)也是最嚴(yán)重的。
著水載荷系數(shù)通常由水面反作用載荷系數(shù)（即水面反作用力除以水上飛機(jī)重力）nw與值為2/3的氣動(dòng)載荷系數(shù)疊加組成。
nw有如下形式
式中：C1為水上飛機(jī)操縱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，CCAR-25-R4《中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.527條[5]和GJB 67.5A—2008《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范 第5部分：水上飛機(jī)的水載荷》[6]均給出了具體的C1值，且要求此系數(shù)不得小于為獲得斷階載荷系數(shù)最小值2.33所需的值，后者還給出了對(duì)應(yīng)“內(nèi)?！焙汀巴夂！鼻闆r的不同的C1值；VS0為襟翼打開(kāi)在相應(yīng)的著水位置，不考慮滑流影響的水上飛機(jī)失速速度，通常保守地取飛機(jī)前重心配平1 g情況下的無(wú)動(dòng)力計(jì)算值，由下文式（2）可得；β為重心處斜升角，如圖1所示；W為水上飛機(jī)設(shè)計(jì)著水重量。需注意，在將C1值用于nw計(jì)算時(shí)，需特別注意其與VS0和W的量綱的匹配性，在nw的計(jì)算中，VS0取當(dāng)量空速。
式中：CNmax為飛機(jī)最大法向力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；S為機(jī)翼參考面積，m2。
由式（1）—（2）可知，水上飛機(jī)的結(jié)構(gòu)能力主要受水上操縱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取、船體（水上飛機(jī)機(jī)身下部通常設(shè)計(jì)為船體）外形設(shè)計(jì)、飛機(jī)低速氣動(dòng)性能和設(shè)計(jì)重量等參數(shù)影響。
2? 適海性評(píng)估方法
通常地，水上飛機(jī)先根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計(jì)合理的船體外形，確定水載荷及機(jī)體結(jié)構(gòu)能力；然后再進(jìn)行適海性評(píng)估，即確定合適的風(fēng)浪和涌浪高度限制，以保證水上飛機(jī)的水載荷不超過(guò)其結(jié)構(gòu)能力。這常意味著著水載荷和適海性需要開(kāi)展迭代設(shè)計(jì)，經(jīng)綜合權(quán)衡后確定船體外形、結(jié)構(gòu)能力、合理的抗浪高度。
由于水上飛機(jī)能安全起降的涌浪高度為風(fēng)浪高度的一半[4]，故本文主要對(duì)風(fēng)浪高度進(jìn)行評(píng)估。水上飛機(jī)的抗浪高度是由不超過(guò)設(shè)計(jì)載荷的情況所確定的，表達(dá)式如下
式中：H1/3為有義波高，其物理意義就是把測(cè)得的波高按大小依次排列，最大的1/3平均波高值[8]，常認(rèn)為目測(cè)海浪的波高值接近于H1/3，m；L為船底長(zhǎng)度，m；H按下式計(jì)算
式（4）中的VS0應(yīng)使用相對(duì)水的真速，m/s。其物理意義應(yīng)為襟翼打開(kāi)在相應(yīng)的著水位置時(shí)的1 g失速速度疊加風(fēng)速和風(fēng)向影響，以計(jì)及氣象條件對(duì)設(shè)計(jì)水載荷的減緩或加劇作用，從而更合理地考慮適海性與水面大氣環(huán)境和水文條件的關(guān)系。
如果與水面反作用載荷系數(shù)nw相匹配的H值等于或小于0.875，則風(fēng)浪高度可假定為H1/3=0.03L。
3? 適海性計(jì)算
某大型水陸兩棲飛機(jī)主要設(shè)計(jì)用于森林滅火和海上救援，為了降低水載荷、提高適海性，該飛機(jī)采用了高升力著水襟翼構(gòu)型和大長(zhǎng)寬比V形船底機(jī)身設(shè)計(jì)。
與著水載荷系數(shù)計(jì)算和適海性評(píng)估相關(guān)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。
采用表2中的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)前文式（1）—（4），可計(jì)算得：C6=0.733 2；C7=0.013 2；C8=0.816 0<1.0。
以海平面、標(biāo)準(zhǔn)大氣、無(wú)風(fēng)的理想情況作為基本約束，得到某大型水陸兩棲飛機(jī)的斷階著水水面反作用載荷系數(shù)和適海性風(fēng)浪高度，詳見(jiàn)表3。
顯然，設(shè)計(jì)情況H1/3≤1.25 m時(shí)，飛機(jī)適海性滿(mǎn)足要求。但設(shè)計(jì)情況1.25 m
對(duì)于1.25 m
在ISA（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣）基礎(chǔ)上的溫度增量以符號(hào)ΔT表示，單位為℃，正值表示高于ISA基礎(chǔ)溫度、負(fù)值表示低于ISA基礎(chǔ)溫度。風(fēng)速以符號(hào)Vw表示，單位為m/s，正值表示順風(fēng)、負(fù)值表示逆風(fēng)。結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，水面反作用載荷系數(shù)nw=3.589時(shí)，在逆風(fēng)風(fēng)速不小于10 m/s（約20節(jié)）的情況下，ISA基礎(chǔ)溫度在-15～+20 ℃的范圍內(nèi)，某大型水陸兩棲飛機(jī)在海平面上能克服H1/3=2.0 m的風(fēng)浪，而不會(huì)導(dǎo)致水載荷超過(guò)設(shè)計(jì)值，從而保證結(jié)構(gòu)完整性。
抗浪高度H1/3隨風(fēng)速的變化曲線(xiàn)如圖3所示。
4? 提高適海性的思路
為了提高適海性，增加波浪高度，還可按更高的限制載荷系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即提高式（4）中的nw，意味著增大前文所述的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C1。
以極限波高2.0 m為約束，進(jìn)行反算，可知C1要增大32%，使nw增大至4.75，重心處著水限制載荷系數(shù)n將增至5.417。
著水限制載荷系數(shù)的提高，意味著水上飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)承受的水載荷增加，需要更強(qiáng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能力，將付出重量增加的代價(jià)。
提高適海性的另一種思路是，選擇合適的著水方向，在不超過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能力的前提下，提高水上飛機(jī)的適海性。
海面浪高較高時(shí)，通常也對(duì)應(yīng)較大的風(fēng)速。例如，風(fēng)浪高度2.0 m時(shí)，風(fēng)速約8～10 m/s[7]。此時(shí)若采用逆風(fēng)著水，則在計(jì)算H的式（4）中，VS0可計(jì)及風(fēng)速折減。結(jié)果將表3中1.602 m的風(fēng)浪高度提高至約2.0 m，而著水限制載荷系數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能力不改變。
5? 結(jié)束語(yǔ)
著水載荷系數(shù)是水上飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力的重要表征量，受經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取、船底外形設(shè)計(jì)、飛機(jī)低速氣動(dòng)性能和設(shè)計(jì)重量等參數(shù)影響。
基于結(jié)構(gòu)能力，可進(jìn)行水上飛機(jī)適海性評(píng)估，評(píng)估方法中包含了結(jié)構(gòu)能力、船底形狀和尺寸、水面大氣環(huán)境等因素影響。
其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)增大經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來(lái)加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力可提高其適海性，但可能帶來(lái)不利的增重。
在不改變結(jié)構(gòu)能力的前提下，合理選擇著水方向，可適度提高水上飛機(jī)適海性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 褚林塘.水上飛機(jī)水動(dòng)力設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.
[2] 蔣榮，史圣哲，吳彬，等.基于層次分析法的水上飛機(jī)抗浪能力評(píng)估[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，49（S1）：131-135.
[3] 黃淼，褚林塘，李成華，等.大型水陸兩棲飛機(jī)抗浪能力研究[J].航空學(xué)報(bào)，2019，40（1）：121-129.
[4] European Aviation Safety Agency.SC-CVLA-0521-01-i01d2-CRI_C-101-Waterloads[Z].2013.
[5] 中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)：CCAR-25-R4[S].2011.
[6] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范 第5部分：水上飛機(jī)的水載荷：GJB 67.5A—2008[S].2008.
[7] U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administr
ation Flight Standard Service. FAA-H-8083-23，Seaplane， Skiplane， and Float/Ski Equipped Helicopter Operation Handbook[Z]. 2004.
[8] 陶?qǐng)蛏?船舶耐波性[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1985.
