民用飛機后緣襟翼水擊分析

季佳佳

【摘 要】為了滿足民機濺水后緣襟翼結構安全的設計要求，本文通過參考大量國內外研究者的文獻，首先闡述了飛濺類型，建立飛濺角計算模型，通過國外濺水試驗，對后緣襟翼的濺水載荷進行計算。得到民機后緣襟翼濺水計算方法，在型號上成功得到了應用，對初期結構設計提供了指導。

【關鍵詞】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

在飛行器設計中結構的安全問題是個主要的環節。而對于飛機而言，在起飛、降落的過程中飛機跑道上的積水會嚴重影響飛機在起飛和著陸時的性能和安全性，輪胎所卷起水滴的飛濺會對飛機的結構造成一定的損傷。因而跑道上積水飛濺現象是飛機潛在的安全問題，其對飛機下側結構有極大的損壞，在這些結構中對于起到在起飛、降落過程中增升、增阻的后緣襟翼來說，這種損壞極為嚴重。

根據FAR/CCAR 25.1091中相關規定，飛機設計應避免在起飛、降落和滑行過程中將過量濺水吸入發動機，避免發生不安全情況。為此，通常通過試驗進行驗證。在試驗過程中會考慮飛機氣動構型，因此應保證在此過程中飛機后緣襟翼結構安全[1]。

1 水擊載荷飛濺角計算模型

飛機在濕滑跑道起飛和降落時引起的水滴飛濺是一個復雜的過程。飛濺的類型主要有以下三類：（1）“艦首波”（bow wave），是指輪胎旋轉將水向前擠壓而形成的飛濺；（2）“側羽”（side wave），是指輪胎將水向兩側擠壓而形成的飛濺；（3）“公雞尾”（rooster tail wave），是指由于輪胎旋轉而向后拋起的飛濺。以上三種飛濺中，對飛機后緣襟翼造成影響的只有側向飛濺（side wave）。影響飛濺的主要因素有：飛機的速度，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 飛濺角的計算

本文中所指的飛濺角包括兩類飛濺角。一是側視圖中的飛濺角：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）。

要得到輪胎側向飛濺的角度，需要計算以下參量：

2.1 打滑速度Vp

4.2 前起輪胎等參數值

（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）單個輪胎在垂直方向上受到的載荷（Z）：9738.2kg

4.4 飛機參數

（1）試驗水深（d）：33mm、25mm、19mm、12.7mm；

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

4.5 飛濺分布計算

表3 某型飛機前起側向濺水計算結果

取最嚴重情況，V=130 knot，d=33mm，計算結果見表4。

表4 某飛機主起側向濺水計算結果

上述計算結果：（1）沒有考慮輪胎翻邊；（2）沒有考慮風速等環境影響。

4.6 飛濺載荷計算

對某飛機和試驗中的飛機尺寸進行類比，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飛濺區域的面積S為：

（1）在計算水的飛濺區域面積時，假設飛濺區域為矩形并且水是完全充滿整個矩形，而實際過程水的飛濺并不是充滿整個區域，此時計算的面積偏大，導致計算的壓力偏小。

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

5 結論

（1）在最嚴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，認為主起濺水對襟翼無影響。

（2）由計算結果可知，飛機滑行速度接近輪胎的打滑速度時，此時飛濺角度、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）通過試驗對比分析，得到某飛機在危險情況下的速度為110節時，襟翼所對應的壓強為20.19MPa，而對于簡單雙線性鋁板來說，它的屈服應力為380MPa，水擊載荷小于該值，因此不會對襟翼造成損壞。

【參考文獻】

[1]戚學峰，曾濤.民用飛機動力裝置濺水試驗適航驗證方法[J].航空發動機，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].

[責任編輯：湯靜]