水陸兩棲飛機水池試驗模型設計加工技術淺析

張文軍　黃淼　張家旭

摘? ?要：我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機的研制取得重要進展，模型水池試驗是驗證、分析飛機水面起飛、著水性能的重要方法。本文結合水陸兩棲飛機水池試驗模型技術特征，分析了試驗模型設計過程中的外形、重量/慣性矩以及基準線/基準面技術要求。提出了模型關鍵部件的定位設計方法，取得了良好效果。結果顯示按該方法設計、加工的模型重量、慣性矩誤差能控制在0.12%和5.7%以內。

關鍵詞：水陸兩棲飛機? 水池試驗模型? 設計技術? 加工技術

中圖分類號：V271.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0079-02

我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機分別于2017年12月24日和2018年10月20日成功實現陸上、水上首飛，型號研制取得重要突破。在該型號的研制過程中，開展縮比模型水池試驗是驗證飛機的水面起飛、著水性能的重要方法，大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機先后開展了單機身模型試驗、滑行穩定性模型試驗、快速性模型試驗、耐波性模型試驗、著水載荷模型試驗，這些試驗全面的驗證了飛機在水面起飛、降落過程中的水動力性能[1-3]，為安全首飛奠定了基礎。試驗模型的精度及技術狀態決定了試驗結果能否真實反映飛機的水動力性能，因此模型的外形尺寸、安裝角度、重量、慣性矩都有相應的精度要求。

1? 水池試驗模型技術特征要求

為保證試驗模型的加工精度，試驗模型一般利用模具加工成復合材料模型。考慮到水陸兩棲飛機的復雜外形，為保證模具的拔模特性，需要將飛機分割成多個部分分別制作模具，特別是對于機身部分，由于船體、機翼都與機身直接連接，其拔模特征較復雜，僅機身部分需要分成3或4部分進行加工。各部分加工完成后組裝時，為保證安裝精度，需要各部件上都需要有基準線或者基準面。

水陸兩棲飛機模型水池試驗以傅汝的數相似原理為準則，試驗模型與實機之間滿足幾何相似、運動相似和動力相似。對于模型的設計與加工，需要重點考慮長度、速度、質量和慣性矩。模型的長度和速度主要受到試驗水池的長度、寬度以及拖曳能力的影響，這也決定了試驗模型的縮比值的大小。此外，試驗模型的質量、慣性矩與實機之間分別成縮比的三次方和五次方的關系，這說明試驗模型的質量、慣性矩急劇減小，在設計和加工試驗模型時，必須對模型的重量分配進行嚴格控制，否則試驗模型很難達到相應的技術狀態要求。

1.1 外形要求

開展水陸兩棲飛機模型水池試驗時，主要是機身下部分的船體與水面接觸，因此船體的外形加工精度要求相對較高，而機翼、尾翼等其他部件的外形進度相對較低。根據大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機試驗模型技術要求，船體的外形進度誤差不大于0.5mm，機翼、尾翼外形精度誤差不大于0.8mm。

1.2 重量/慣性矩要求

試驗模型的重量、慣性矩對模型在靜水和波浪中的運動特征影響較大，一般而言，試驗模型的重量誤差要控制在1%以內、慣性矩誤差要控制在10%以內。

在開展模型設計時，要對模型各部件蒙皮、內部結構件、配重的分配進行設計與控制，并對表面噴漆的重量都要提出控制要求，以保證加工的模型滿足重量和慣性矩要求。

1.3 基準線/基準面要求

在模型的組裝、調試過程中，需要對模型的關鍵點、線的安裝精度，模型的對稱性進行控制和檢查，因此需要在模具及模型上保留關鍵的基準線和基準面。主要包括機身水平基準線、機翼橫向基準線、機身機翼對接定位安裝孔、機身尾翼定位安裝孔等。

2? 水池試驗模型設計加工工藝分析

2.1 模型的設計與加工思路

試驗模型按分塊加工再組裝的方式進行。加工時分為機身、左機翼、右機翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、升降舵、襟翼、浮筒共8個部分。其中，機身、左機翼、右機翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、浮筒各1個模具，襟翼有3個模具。

2.2 模具的設計與加工

大型水陸兩棲飛機的外形非常復雜，特別是船體部分，抑波槽、抑波板等凹、凸部件對試驗模型的設計與加工提出了很高的要求。以機身為例，設計加工時需要考慮機身與機翼、機身與尾翼，以及船體上的抑波槽、抑波板的安裝方式，并根據安裝方式確定陽模的分塊與簡化。圖1所示為大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機水池試驗模型陽模設計，該陽模分為上下兩部分，并設計有機身機翼對接安裝孔、機身尾翼對接安裝孔，并在抑波板處挖槽，以保證模具的拔模特性。

陽模保留定位安裝孔的作用是：陽模上的定位安裝孔，有助于加工陰模時預留出安裝孔位置，這樣在安裝模型內部結構件時可通過陰模上的定位安裝孔對結構件進行定位，以保證內部結構件安裝位置的準確性，否則在合模時很可能因為內部結構件安裝位置不準確使模型外形受到向外擠壓的壓力，出現合不上模的現象。

2.3 模型的設計與加工

在開展模型加工時，不同部件的復合材料鋪層數不同，其中，機身下部分采用3層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層，機身上部分、機翼、浮筒、襟翼采用2層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層，而垂尾、平尾離重心位置較遠，對模型慣性矩的影響較大，采用1層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層。

除通過限制鋪層數量對模型的重量進行控制外，模型內部結構件的安裝也十分關鍵，特別是機身內部結構件關系到重心位置的確定。機身內部結構件的安裝方法是：根據各結構框之間的理論距離，在機身梁上測量出相應的距離，確定各結構框之間的距離。然后對關鍵結構框在模型（一般為斷階位置所在的結構框）內部進行定位，定位方法是利用結構框上的定位安裝孔、機身陰模左、有部分的定位安裝孔，保證三個定位安裝孔在一條直線上，從而實現對內部結構件的前后位置和高度進行定位。

2.4 模型組裝調試及結果

根據該方法設計加工的模型重量、慣性矩調試結果見表1所示。可以看出，整個模型的重量、慣性矩調試結果與理論值吻合較好。大重量技術狀態，對重量的誤差影響較小，對慣性矩的影響較大，即大重量技術狀態的慣性矩誤差比小重量技術狀態的慣性矩誤差要大，但都在慣性矩誤差技術要求之內。

3? 結語

本文結合大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機模型水池試驗，總結形成了針對試驗模型技術特征的模型外形、重量、慣性矩、關鍵部件定位安裝的設計、加工方法。根據該方法完成了大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機水池試驗模型的研制，結果顯示該方法對試驗模型技術特征控制效果良好，根據模型試驗得到的飛機水動力性能與實機試飛性能吻合度高，顯示了該方法在模型精度控制上具有良好的實用性和準確性。

參考文獻

[1] 孫豐，吳彬，廉茲鼎，等.著水姿態對大型水陸兩棲飛機著水性能的影響[J].船舶力學，2019，23（4）：397-404.

[2] 黃淼，褚林塘，李成華，等.大型水陸兩棲飛機抗浪能力研究[J].航空學報，2019，40（1）：121-129.

[3] 孫豐，魏飛，吳彬，等.大型水陸兩棲飛機艙段入水沖擊實驗研究[J].振動與沖擊，2019，38（12）：39-43.

作者簡介：張文軍（1965，8—），男，漢族，湖北荊門人，專科，技師，從要從事水陸兩棲飛機模型加工技術研究。

通訊作者：黃淼（1985，1—），漢族，湖北鶴峰人，碩士，高級工程師，主要從事水陸兩棲飛機水動力性能研究，E-mail： 18120388030@163.com。