基于結構能力的水上飛機適海性研究
2024-02-27 23:06:25周立勝楊榮王艷艷
科技創新與應用 2024年6期
周立勝 楊榮 王艷艷
摘? 要：適海性是水上飛機的重要技術指標，結構能力是影響水上飛機適海性的關鍵因素。研究基于結構能力的水上飛機適海性評估。闡述水上飛機結構能力的重要表征量著水載荷系數的計算原理、公式、影響參數。介紹水上飛機抗浪高度計算方法和流程，給出考慮不同參數影響的特征系數。以某大型水陸兩棲飛機工程設計為例，進行斷階著水水面反作用載荷系數計算和適海性評估及變參數分析。提出2種提高適海性的思路。該研究已在型號研制中應用，并可為其他水上飛機或水陸兩棲飛機的設計提供參考。
關鍵詞：水上飛機；著水載荷系數；結構能力；適海性；抗浪高度
中圖分類號：V271.5? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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（含水陸兩棲飛機）的重要技術指標，是指可進行正常海上（水上）起降的海況（水況）要求。一般適海性要求針對不同使用環境，提出了風速和波高極限值[1]約束。因此，水上飛機的適海性有時也被稱作“抗浪性”。水上飛機的適海性與許多因素有關，包括人員舒適性（如縱搖、橫搖、垂蕩和法向過載等）、結構安全性（如水載荷、橫滾角、噴濺等）及飛機使用性能（如起飛距離、起飛時長、阻力峰加速度等），對水上飛機適海性的合理評估十分復雜[2-3]。本文主要從工程應用角度出發，參考歐洲航空安全局（EASA）發布的水載荷專用條件[4]，結合某大型水陸兩棲飛機的著水載荷系數、著水失速速度、船體外形及設計重量等設計特點，進行基于飛機結構能力的適海性評估，得到了有意義的結論，并應用于型號研制中。
1結構能力
水上飛機的機體結構除滿足陸基飛機的一般要求外，還應能承受民用適航規章[5]或軍用設計規范[6]規定的所有設計工況下的水載荷。為了保證飛機水上運行時的結構完整性和安全性，水上飛機相比陸基飛機一般具有更強的結構能力和更大的結構重量比例。
表征水上飛機結構能力的主要參數有著水載荷系數和船底壓力[4-6]，其中斷階著水載荷系數（n）是最重要的參數。水上飛機正常著水時通常選擇以盡可能低的速度和正確的俯仰姿態，使斷階先觸水[7]。斷階一般在飛機重心附近，斷階觸水對飛機著水后俯仰姿態變化和操縱較為有利。相應地，斷階著水時重心處載荷系數也是最嚴重的。
著水載荷系數通常由水面反作用載荷系數（即水面反作用力除以水上飛機重力）nw與值為2/3的氣動載荷系數疊加組成。
nw有如下形式
式中：C1為水上飛機操縱經驗系數，CCAR-25-R4《中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準》第25.527條[5]和GJB 67.5A—2008《軍用飛機結構強度規范 第5部分：水上飛機的水載荷》[6]均給出了具體的C1值，且要求此系數不得小于為獲得斷階載荷系數最小值2.33所需的值，后者還給出了對應“內?！焙汀巴夂！鼻闆r的不同的C1值；VS0為襟翼打開在相應的著水位置，不考慮滑流影響的水上飛機失速速度，通常保守地取飛機前重心配平1 g情況下的無動力計算值，由下文式（2）可得；β為重心處斜升角，如圖1所示；W為水上飛機設計著水重量。需注意，在將C1值用于nw計算時，需特別注意其與VS0和W的量綱的匹配性，在nw的計算中，VS0取當量空速。
式中：CNmax為飛機最大法向力系數；ρ為空氣密度，kg/m3；S為機翼參考面積，m2。
由式（1）—（2）可知，水上飛機的結構能力主要受水上操縱經驗系數的選取、船體（水上飛機機身下部通常設計為船體）外形設計、飛機低速氣動性能和設計重量等參數影響。
2? 適海性評估方法
通常地，水上飛機先根據其技術指標，選擇合適的經驗系數，設計合理的船體外形，確定水載荷及機體結構能力；然后再進行適海性評估，即確定合適的風浪和涌浪高度限制，以保證水上飛機的水載荷不超過其結構能力。這常意味著著水載荷和適海性需要開展迭代設計，經綜合權衡后確定船體外形、結構能力、合理的抗浪高度。
由于水上飛機能安全起降的涌浪高度為風浪高度的一半[4]，故本文主要對風浪高度進行評估。水上飛機的抗浪高度是由不超過設計載荷的情況所確定的，表達式如下
式中：H1/3為有義波高，其物理意義就是把測得的波高按大小依次排列，最大的1/3平均波高值[8]，常認為目測海浪的波高值接近于H1/3，m；L為船底長度，m；H按下式計算
式（4）中的VS0應使用相對水的真速，m/s。其物理意義應為襟翼打開在相應的著水位置時的1 g失速速度疊加風速和風向影響，以計及氣象條件對設計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境和水文條件的關系。
如果與水面反作用載荷系數nw相匹配的H值等于或小于0.875，則風浪高度可假定為H1/3=0.03L。
3? 適海性計算
某大型水陸兩棲飛機主要設計用于森林滅火和海上救援，為了降低水載荷、提高適海性，該飛機采用了高升力著水襟翼構型和大長寬比V形船底機身設計。
與著水載荷系數計算和適海性評估相關的主要設計參數見表2。
采用表2中的設計參數，根據前文式（1）—（4），可計算得：C6=0.733 2；C7=0.013 2；C8=0.816 0<1.0。
以海平面、標準大氣、無風的理想情況作為基本約束，得到某大型水陸兩棲飛機的斷階著水水面反作用載荷系數和適海性風浪高度，詳見表3。
顯然，設計情況H1/3≤1.25 m時，飛機適海性滿足要求。但設計情況1.25 m
對于1.25 m
在ISA（國際標準大氣）基礎上的溫度增量以符號ΔT表示，單位為℃，正值表示高于ISA基礎溫度、負值表示低于ISA基礎溫度。風速以符號Vw表示，單位為m/s，正值表示順風、負值表示逆風。結果如圖2所示。
由圖2可知，水面反作用載荷系數nw=3.589時，在逆風風速不小于10 m/s（約20節）的情況下，ISA基礎溫度在-15～+20 ℃的范圍內，某大型水陸兩棲飛機在海平面上能克服H1/3=2.0 m的風浪，而不會導致水載荷超過設計值，從而保證結構完整性。
抗浪高度H1/3隨風速的變化曲線如圖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進行設計，即提高式（4）中的nw，意味著增大前文所述的經驗系數C1。
以極限波高2.0 m為約束，進行反算，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n將增至5.417。
著水限制載荷系數的提高，意味著水上飛機結構應承受的水載荷增加，需要更強的設計結構能力，將付出重量增加的代價。
提高適海性的另一種思路是，選擇合適的著水方向，在不超過設計結構能力的前提下，提高水上飛機的適海性。
海面浪高較高時，通常也對應較大的風速。例如，風浪高度2.0 m時，風速約8～10 m/s[7]。此時若采用逆風著水，則在計算H的式（4）中，VS0可計及風速折減。結果將表3中1.602 m的風浪高度提高至約2.0 m，而著水限制載荷系數和設計結構能力不改變。
5? 結束語
著水載荷系數是水上飛機結構能力的重要表征量，受經驗系數選取、船底外形設計、飛機低速氣動性能和設計重量等參數影響。
基于結構能力，可進行水上飛機適海性評估，評估方法中包含了結構能力、船底形狀和尺寸、水面大氣環境等因素影響。
其他參數不變的情況下，通過增大經驗系數來加強飛機結構能力可提高其適海性，但可能帶來不利的增重。
在不改變結構能力的前提下，合理選擇著水方向，可適度提高水上飛機適海性。
參考文獻：
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