水上飛機著水性能分析

吳 行，成婷婷

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

水上飛機著水時，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，并在進近、著陸和轉(zhuǎn)化到滑行的過程中完全控制飛機。水上飛機觸水的姿態(tài)通常與斷階滑行的姿態(tài)很接近，機頭可能會稍微高一些。如果機頭過高或過低，浮筒和支柱上會受到過多的不必要的由水阻力產(chǎn)生的應(yīng)力，并可能造成機頭下俯，使浮筒艏入水，導(dǎo)致不安全事故的發(fā)生，所以對水上飛機著水性能和著水方法的研究就顯得十分必要。本文通過對水上飛機著水過程中主要水動力的研究建立水動力模型，利用Matlab 仿真的方法對水上飛機著水的影響因素進行了分析。

1 水上飛機水面運動數(shù)學(xué)模型

水上飛機水面運動過程中，受力情況十分復(fù)雜。對其進行適當(dāng)簡化可以得出，水上飛機在水面運動過程中主要受重力、發(fā)動機拉力、氣動力和水動力影響，其中水動力包括水動推力、水動阻力和浮力，水面滑行時飛機受力如圖1 所示。

圖1 水面滑行時飛機受力示意圖

但水上飛機在著水時，對其產(chǎn)生最大影響的卻是在接水瞬間水面對飛機產(chǎn)生的水動沖擊力。水動沖擊力指兩棲飛機在水面降落時，由于機體迅速而不穩(wěn)定地浸入水中，水與機體撞擊所產(chǎn)生的力。影響水動沖擊力的因素包括飛機質(zhì)量及其分布、船底形狀、飛機龍骨與水面接觸所夾的縱傾角、運動速度等。

計算時，采用船舶運動中常用的切片理論思想，將飛機機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)簡化計算，得到適用于著水仿真模型的水動沖擊載荷計算公式。飛機著水時受到水動力沖擊最嚴(yán)重的狀態(tài)為“對稱斷階著水情況”，因此在建模時，將飛機著水載荷的計算歸結(jié)為飛機對稱斷階著水載荷的計算，并進行仿真。機身著水時受力分析如圖2 所示。

圖2 著水受力示意圖

利用切片理論，將機體沿龍骨切成微段ds，把每一個微段看成二元楔形體在水中運動，整個飛機機身的水動沖擊力為微段所受沖擊力之和：

根據(jù)動量定理，將dFn改寫為代入式（1）中得到：

其中φ（λ′）為三元流動的修正參數(shù)，通過經(jīng)驗公式[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寬比表示：

根據(jù)經(jīng)驗公式得到λ的計算方法[2]：

舭部浸濕后的附連水質(zhì)量mw的表達式為[3]：

綜合以上研究結(jié)果，可知水動沖擊力的計算表達式為：

某次著水過程中水動沖擊力和垂向速度變化如圖3所示。

圖3 著水過程中水動沖擊力和垂向速度變化

2 著水影響因素分析

飛機著水的基本過程：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保持下滑道，并以推薦的進近空速建立穩(wěn)定的進近。隨著飛機接近水面，平滑地抬升機頭準(zhǔn)備觸水。確定飛機在水面上之后關(guān)閉油門，并保持觸水姿態(tài)，直到飛機離開斷階滑行。一旦飛機為慢速滑行姿態(tài)，使用向上全偏升降舵保持機頭盡可能高，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著水性能的幾個重要因素，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水上飛機著水過程的影響。在CCAR-25 部中25.125 條著陸條款對水上飛機完全停止的要求為3 kn（1.54 m/s）[4]，但實際上如果水上飛機沒有反槳功能很難達到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)果飛機從5.14 m/s 減至1.54 m/s 所需時間是從接水到減至5.14 m/s 所需時間的幾倍，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)角對著水過程的影響

水上飛機全停的速度要求為3 kn，但是在飛機著水接近停止的階段，由于水阻力十分小，所以要達到3 kn 的全停速度需要較長時間，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，著水時間和距離先增大再減小。這是因為在水上飛機著水過程中，存在一個最佳觸水姿態(tài)角，機頭過高或者過低都會受到過多不必要的水阻力，并且可能導(dǎo)致機頭下俯。而且當(dāng)飛機觸水姿態(tài)角太大時，飛機會有一個很大的低頭動作，會產(chǎn)生很大的俯仰速率，同時導(dǎo)致吃水深度驟增。

結(jié)合上面的分析可以得出，水上飛機著水時存在一個最佳的觸水姿態(tài)角，過大或者過小都會產(chǎn)生較大的過載，而且過大時會導(dǎo)致一個很大的低頭動作，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致機頭入水。

2.2 下降率對著水過程的影響

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，水上飛機的著水時間和著水距離隨下沉率的增減而減小，這是因為隨著下降率的增加，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，吃水深度增大會導(dǎo)致水阻力增大。而且隨著下沉率的增大，水動沖擊力增大，垂直方向的過載增大。

圖5 下降率對著水過程的影響

結(jié)合上述的分析可知，水上飛機在著水時應(yīng)該以較低的速度著水，但速度過低會導(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)合水動沖擊力的相關(guān)理論，利用Matlab 方法對水上飛機著水過程進行了仿真分析，并對接水姿態(tài)和下降率對著水性能的影響進行了分析和討論，為中國民用水上飛機的試飛工作提供一定的參考和技術(shù)支持。