CN105046048A - 一种地效飞行器起飞性能求解方法 - Google Patents

Abstract

一种地效飞行器起飞性能求解方法，起飞性能包括起飞离水速度、离水时间和滑水距离。本方法通过仔细分析全机带动力水池模型试验数据中的水动力阻力和速度、重心以及重量的关系，推力和速度、重心以及重量的关系，纵倾角和速度、重心以及重量的关系，寻找特征点，分段拟合出水动力阻力、推力以及纵倾角的关系式，结合CFD计算结果或者风洞试验结果，求得气动阻力和速度的关系式，再根据地效飞行器运动方程能够快速、有效的解算出地效飞行器不同状态起飞性能。本发明提供了一种适用于地效飞行器起飞性能的计算方法，为地效飞行器的总体性能计算提供良好的条件。

Description

一种地效飞行器起飞性能求解方法

技术领域

本发明涉及一种地效飞行器起飞性能求解方法，用于分析地效飞行器起飞性能，属飞行器总体设计技术领域。

背景技术

地效飞行器是一种能够贴近水/地面高速飞行的运载工具，该类飞行器充分利用“地面效应”原理，可显著降低机翼的诱导阻力，使飞行时的升阻比和升力系数大大提高。在军事和民用上均拥有广阔的应用前景，备受各国瞩目。但正由于其既能在水中航行，也能在地效区飞行(部分地效飞行器可掠水高飞)，使得其运动过程的分析比常规飞行器复杂，从而增加了地效飞行器总体性能的计算分析难度。

目前，地效飞行器的总体性能计算主要是借鉴常规飞机和地效翼船的计算方法，没有一套针对地效飞行器总体性能计算分析方法。而起飞性能作为飞行器总体性能的主要内容，是地效飞行器各设计阶段不可或缺部分。起飞性能主要包括起飞离水速度、离水时间和滑水距离，其计算分析难点是地效飞行器从水中航行到起飞过程中运动姿态的确定。地效飞行器在滑水起飞阶段，其运动姿态时刻变化，造成其水动力阻力变化，使得无法用某个具体的表达式去描述这个过程中水动力阻力。常规水动力阻力的计算方法是假定地效飞行器的水动阻力是速度和吃水截面积的函数，或者利用CFD计算某个状态的水动力阻力，但是前者基于很多理论假设，后者无法模拟带动力增升的情况且计算状态单一，使得计算出来的水动力阻力都不够准确，再加上整个滑水起飞过程是动态的，从而造成起飞性能计算复杂、计算结果不够准确。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地效飞行器起飞性能求解方法，解决了常规地效飞行器起飞性能计算复杂以及计算结果不够准确的缺点，为地效飞行器总体性能分析提供条件。

本发明的技术解决方案是：

一种地效飞行器起飞性能求解方法，包括步骤如下：

(1)对地效飞行器进行全机带动力水池模型试验并获取试验数据；所述试验数据包括试验速度区间的水动力阻力、推力、纵倾角和速度；

(2)将步骤(1)中获得的试验速度区间的水动力阻力、推力和纵倾角换算到实船，得到实船的水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ；所述实船是指真实的地效飞行器；

其中水动力阻力和推力的换算关系式为F_全机＝F_模型λ³，F_全机为实船的水动力阻力或者推力；F_模型为与F_全机相对应的模型的水动力阻力或推力；λ为试验模型的缩放比例因子；

角度的换算关系式为γ_全机＝γ_模型，γ_全机为实船的纵倾角，γ_模型为模型的纵倾角；

速度的换算关系式为V_全机为实船的速度，V_模型为模型的速度；

(3)根据步骤(1)中水池试验中获得的纵倾角γ，结合CFD计算或者风洞试验数据，计算出对应纵倾角下升力系数C_l和阻力系数C_x，根据气动阻力计算公式D_x＝0.5ρV²C_xS计算出对应的气动阻力，其中，ρ为空气密度，S为实船全船参考面积；

(4)根据公式计算出起飞离水速度V_ga，其中G为实船起飞重量；

(5)分三段拟合出步骤(2)中水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ与速度V相关的多项式：

$D_{wat}=\left\{\begin{array}{c}{f}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ f_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ f_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

$T=\left\{\begin{array}{c}{g}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ g_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ g_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

$\mathrm{\γ}=\left\{\begin{array}{c}{h}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ h_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ h_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

其中，Xg为实船重心位置，V₁为实船出现第一水动力阻力峰后的最小水动力阻力对应的速度点，V₂为全机带动力水池模型试验的最大速度换算到实船的速度，V_ga实船起飞离水速度，f₁、f₂和f₃分别是在不同速度区间水动力阻力D_wat关于V、Xg、G的多项式，g₁、g₂和g₃分别是在不同速度区间推力T关于V、Xg、G的多项式，h₁、h₂和h₃分别是在不同速度区间纵倾角γ关于V、Xg、G的多项式；

(6)根据步骤(3)中结果，拟合出实船气动阻力Dx关于速度和纵倾角的多项式为：

$D_x=\left\{\begin{array}{c}{y}_1(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[0,V_1\]\\ y_2(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[V_1,V_2\]\\ y_3(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.$

其中，y₁、y₁和y₁分别是在不同速度区间是气动阻力Dx关于V和γ的多项式；

(7)判断步骤(5)中拟合的各个多项式在分段点处V₁和V₂是否连续，若连续则进入步骤(8)，否则提高拟合次数重新执行步骤(5)；

(8)利用牛顿第二定律可列出起飞滑水过程中的运动方程：

$t=\frac{G}{g}{\∫}_0^{V_{gn}}\frac{dV}{Tcos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})-D_x-D_{wat}}$

将步骤(5)、(6)中的T、D_wat和D_x代入上式分段积分求和即可求得该地效飞行器不同状态的起飞离水时间t，再结合滑水距离L和起飞离水时间t的关系式dL＝Vdt，求出起飞滑水距离L，从而完成所述地效飞行器起飞性能的求解；

其中，φ为发动机安装角，g为重力加速度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明相对于原有技术存在诸多假设进行调整，对起飞离水过程中水动力阻力、气动阻力的获取更准确。

(2)本发明既适用于带动力增升的也适用于不带动力增升的地效飞行器，适用范围更广。

(3)本发明的计算方法简单、直观，能快速、有效的计算出地效飞行器不同起飞状态的起飞性能。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为地效飞行器起飞滑水过程水动力阻力变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

全机带动力水池模型试验是一种获取地效飞行器水动力阻力相对准确的手段，其试验内容一般包括全机带动力模型静水阻力拖曳试验、螺旋桨推力校核试验、全机带动力模型气动阻力校核试验。全机带动力模型静水拖曳试验可测量出不同运动状态(速度、重心和重量变化)时的总阻力、纵倾角等的值，全机带动力模型气动阻力校核试验可测出静水拖曳试验状态中的气动阻力，从而可计算出不同状态下水动力阻力。计算起飞性能时的气动阻力是通过测量纵倾角，寻找对应CFD或者风洞试验的阻力系数求得。二者构成地效飞行器滑水起飞阶段总阻力，通过相似准则换算，即可获得实船的总阻力值。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于全机带动力水池模型试验的地效飞行器起飞性能确定方法。本发明方法通过仔细分析试验数据中的水动力阻力和速度、重心以及重量的关系，推力和速度、重心以及重量的关系，纵倾角和速度、重心以及重量的关系，寻找特征点，分段拟合出水动力阻力、推力以及纵倾角的关系式，再根据地效飞行器运动方程解算出不同状态的起飞性能。由于本方法是建立在全机带动力水池模型试验的基础上，使得计算更具有针对性，不论是带动力增升的还是不带动力增升的地效飞行器都适用。

如图1所示，本发明提出的一种地效飞行器起飞性能求解方法，包括步骤如下：

(1)对地效飞行器进行全机带动力水池模型试验并获取试验数据；所述试验数据包括试验速度区间的水动力阻力、推力、纵倾角和速度；

(2)将步骤(1)中获得的试验速度区间的水动力阻力、推力和纵倾角换算到实船，得到实船的水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ；所述实船是指真实的地效飞行器；

其中水动力阻力和推力的换算关系式为F_全机＝F_模型λ³，F_全机为实船的水动力阻力或者推力；F_模型为与F_全机相对应的模型的水动力阻力或推力；λ为试验模型的缩放比例因子；

角度的换算关系式为γ_全机＝γ_模型，γ_全机为实船的纵倾角，γ_模型为模型的纵倾角；

速度的换算关系式为V_全机为实船的速度，V_模型为模型的速度；

(3)根据步骤(1)中水池试验中获得的纵倾角γ，结合CFD计算或者风洞试验数据，计算出对应纵倾角下升力系数C_l和阻力系数C_x，根据气动阻力计算公式D_x＝0.5ρV²C_xS计算出对应的气动阻力，其中，ρ为空气密度，S为实船全船参考面积；

(4)根据公式计算出起飞离水速度，其中G为全机起飞重量；

(5)分三段拟合出(2)中水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ与速度相关的多项式：

$D_{wat}=\left\{\begin{array}{c}{f}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ f_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ f_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

$T=\left\{\begin{array}{c}{g}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ g_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ g_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\mathrm{\γ}=\left\{\begin{array}{c}{h}_1(V,Xg,G)......V\∈\[0,V_1\]\\ h_2(V,Xg,G)......V\∈\[V_1,V_2\]\\ h_3(V,Xg,G)......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，Xg为重心位置，如图2所示，V₁为出现第一水动力阻力峰后的最小水动力阻力的速度点，V₂为全船带动力水池试验中最大速度换算到实船的速度，V_ga为起飞离水速度，受试验条件和安全因素限制，一般水池试验所能达到的最大速度V₂都会小于起飞离水速度V_ga；从V₂到V_ga之间的水动力阻力按直线下降到零处理,纵倾角按设定的某个起飞角度线性过渡处理，推力按起飞最大推力线性过渡处理；由于从V₂到V_ga一般过渡很快，因此对水动力阻力等进行线性过渡处理是合理可行的；

(6)根据步骤(3)中确定的气动阻力计算公式D_x＝0.5ρV²C_xS，结合速度V、阻力系数C_x的值即可算出D_x，再分三段拟合出实船气动阻力D_x关于速度和纵倾角的多项式为：

$D_x=\left\{\begin{array}{c}{y}_1(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[0,V_1\]\\ y_2(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[V_1,V_2\]\\ y_3(V,\mathrm{\γ})......V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，γ和V与(5)中的定义相同；

(7)判断(5)中拟合的各个多项式在分段点处V₁和V₂是否连续，若连续则进入步骤(8)，否则提高拟合次数进入步骤(5)；

(8)利用牛顿第二定律可列出起飞滑水过程中的运动方程：

$t=\frac{G}{g}{\∫}_0^{V_{ga}}\frac{dV}{Tcos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})-D_x-D_{wat}}---\left(5\right)$

将(5)、(6)中的T、D_wat和D_x代入上式分段积分求和即可求得该地效飞行器不同状态的起飞离水时间t，再结合滑水距离L和起飞离水时间t的关系式dL＝Vdt，可求出起飞滑水距离L。其中，φ为发动机安装角，γ为飞行器纵倾角，G为全机重量，g为重力加速度，T为推力，D_wat为水动力阻力，D_x为气动阻力。

下面以一个具体实例进一步说明本发明的工作过程。某带动力增升地效飞行器重量G＝49000N，参考面积S＝98平方米，发动机安装角φ＝3°，经水池试验后，将某重心位置时试验结果换算到实船，结果如表1所示；

表1

V(m/s)	Dwat(kgf)	T(kgf)	γ(°)
				0.00	0.00	889.6	0
6.36	231.75	860	-0.01
				8.49	389.37	849.6	-0.38
10.61	372.33	840.8	-0.37
				12.73	65.61	832	0.51
14.85	162.74	824	0.3
				16.97	260.00	816	0.26
19.09	320.00	807.2	0.33
				21.21	270.00	798.4	0.29
23.33	180.00	788	0.18
				28.10	0.00	779.2	0.18

风洞试验结果如表2所示；

表2

α(°)	-1	0	1
				Cx	0.052	0.056	0.061
Cl	0.91	1.03	1.15

结合表1中纵倾角的值，可计算出起飞离水运动过程中的阻力系数如表3所示；

表3

V(m/s)	γ(°)	Cx
			0.00	0	0.056
6.36	-0.01	0.056
			8.49	-0.38	0.055
10.61	-0.37	0.055
			12.73	0.51	0.059
14.85	0.3	0.058
			16.97	0.26	0.058
19.09	0.33	0.063
			21.21	0.29	0.063
23.33	0.18	0.062
			28.10	0.18	0.062

根据公式计算出起飞离水速度V_ga＝28.1m/s；

分三段拟合出表1中水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ与速度相关的多项式：

$D_{wat}=\left\{\begin{array}{c}0.0167V^5-0.6214V^4+6.2939V^3-13.4585V^2......V\∈\[0,12.37\]\\ 0.0347V^5-3.0135V^4+103.0105V^3-1734.8V^2+14465V-479898......V\∈\[12.37,23.33\]\\ -107.7844V+2694.6......V\∈\[23.33,28.1\]\end{array}\right.$

$T=\left\{\begin{array}{c}0.029826V^2-4.91795V+889.654......V\∈\[0,12.73\]\\ -0.0604V^2-1.94084V+866.351......V\∈\[12.73,23.33\]\\ -1.84486V+831.041......V\∈\[23.33,28.1\]\end{array}\right.$

$\mathrm{\γ}=\left\{\begin{array}{c}0.0019V^4-0.0232V^3+0.0818V^2......V\∈\[0,12.73\]\\ 0.0073V^4+0.2535V^3-4.3326V^2+36.1993-117.6616......V\∈\[12.73,23.33\]\\ 0.18......V\∈\[23.33,28.1\]\end{array}\right.$

由于选取的是一个重心和重量状态的数据，因此，水动阻力、推力和纵倾角的多项式是速度的一元函数。

根据气动阻力计算公式D_x＝0.5ρV²C_xS，结合表三中速度V、阻力系数C_x的值即可算出D_x，再分三段拟合出D_x与速度相关的多项式：

$D_x=\left\{\begin{array}{c}0.00024V^5-0.00507V^3+0.03V^2......V\∈\[0,12.73\]\\ -1.1075V^4+39.5277V^3-695.515V^2+6040.94V-20687.7......V\∈\[12.73,23.33\]\\ 6.4277V-57.4224......V\∈\[23.33,28.1\]\end{array}\right.$

根据起飞滑水过程运动方程：

$t=\frac{G}{g}{\∫}_0^{V_{ga}}\frac{dV}{Tcos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})-D_x-D_{wat}}$

将D_x、V、D_wat和γ分段代入上述方程积分求和，即可求出起飞滑水时间t＝28.57s；再根据dL＝Vdt，即可求出起飞滑水距离L＝445.3m。通过上述实例可知，本发明计算起飞性能的数据有发动机推力、水动阻力和气动阻力，其中发动机推力和气动阻力目前通过试验或计算手段都能准确的获取，表4列出了获得表1中试验数据时水池试验和CFD计算工作量对比情况，由表4可知水池试验无论是从工作量还是从准确度上都要明显优于CFD计算，所以本发明从数据源头保证了计算结果的可靠性和准确性，此外，对于带动力增升的地效飞行器，在其起飞滑水过程中，运动状态还受气垫升力的影响，其运动状态的模拟更加复杂，很难通过CFD计算获得所需数据，而水池试验不会有这样的问题。

表4

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于步骤如下：

(1)对地效飞行器进行全机带动力水池模型试验并获取试验数据；所述试验数据包括试验速度区间的水动力阻力、推力、纵倾角和速度；

(2)将步骤(1)中获得的试验速度区间的水动力阻力、推力和纵倾角换算到实船，得到实船的水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ；所述实船是指真实的地效飞行器；

(3)根据步骤(1)中水池试验中获得的纵倾角γ，结合CFD计算或者风洞试验数据，计算出对应纵倾角下升力系数C_l和阻力系数C_x，根据气动阻力计算公式D_x＝0.5ρV²C_xS计算出对应的气动阻力，其中，ρ为空气密度，S为实船全船参考面积；

(4)计算出起飞离水速度V_ga；

(5)分三段拟合出步骤(2)中水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ与速度V相关的多项式；

(6)根据步骤(3)中结果，拟合出实船气动阻力Dx关于速度和纵倾角的多项式；

(7)判断步骤(5)中拟合的各个多项式在分段点处V₁和V₂是否连续，若连续则进入步骤(8)，否则提高拟合次数重新执行步骤(5)；

(8)利用牛顿第二定律可列出起飞滑水过程中的运动方程：

$t=\frac{G}{g}{\∫}_0^{V_{ga}}\frac{\mathrm{dV}}{Tcos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})-D_x-D_{wat}}$

将步骤(5)、(6)中的T、D_wat和D_x代入上式分段积分求和即可求得该地效飞行器不同状态的起飞离水时间t，再结合滑水距离L和起飞离水时间t的关系式dL＝Vdt，求出起飞滑水距离L，从而完成所述地效飞行器起飞性能的求解；

其中，φ为发动机安装角，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于：所述步骤(2)中水动力阻力和推力的换算关系式为F_全机＝F_模型λ³，F_全机为实船的水动力阻力或者推力；F_模型为与F_全机相对应的模型的水动力阻力或推力；λ为试验模型的缩放比例因子；角度的换算关系式为γ_全机＝γ_模型，γ_全机为实船的纵倾角，γ_模型为模型的纵倾角；速度的换算关系式为V_全机为实船的速度，V_模型为模型的速度。

3.根据权利要求1所述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算出起飞离水速度V_ga具体为：

根据公式计算出起飞离水速度V_ga，其中G为实船起飞重量。

4.根据权利要求1所述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于：所述步骤(5)中水动力阻力D_wat、推力T和纵倾角γ与速度V相关的多项式为：

$D_{wat}=\left\{\begin{array}{c}{f}_1(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[0,V_1\]\\ f_2(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_1,V_2\]\\ f_3(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

$T=\left\{\begin{array}{c}{g}_1(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[0,V_1\]\\ g_2(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_1,V_2\]\\ g_3(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

$\mathrm{\γ}=\left\{\begin{array}{c}{h}_1(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[0,V_1\]\\ h_2(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_1,V_2\]\\ h_3(V,Xg,G)\mathrm{......}V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

其中，Xg为实船重心位置，V₁为实船出现第一水动力阻力峰后的最小水动力阻力对应的速度点，V₂为全机带动力水池模型试验的最大速度换算到实船的速度，V_ga为实船起飞离水速度，f₁、f₂和f₃分别是在不同速度区间水动力阻力D_wat关于V、Xg、G的多项式，g₁、g₂和g₃分别是在不同速度区间推力T关于V、Xg、G的多项式，h₁、h₂和h₃分别是在不同速度区间纵倾角γ关于V、Xg、G的多项式。

5.根据权利要求1所述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于：所述步骤(6)拟合出的实船气动阻力Dx关于速度和纵倾角的多项式为：

$D_x=\left\{\begin{array}{c}{y}_1(V,\mathrm{\γ})\mathrm{......}V\∈\[0,V_1\]\\ y_2(V,\mathrm{\γ})\mathrm{......}V\∈\[V_1,V_2\]\\ y_3(V,\mathrm{\γ})\mathrm{......}V\∈\[V_2,V_{ga}\]\end{array}\right.;$

其中，y₁、y₁和y₁分别是在不同速度区间是气动阻力Dx关于V和γ的多项式。