CN109190222B - 一种地效飞行器起飞性能求解方法 - Google Patents
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Abstract
一种地效飞行器起飞性能求解方法，涉及飞行器总体设计技术领域；主要包括如下步骤：步骤(一)、进行飞行器全机带动力水池试验，测得飞行器的水动力阻力、推力、纵倾角和速度；步骤(二)、计算真实地效飞行器水动力阻力、推力、纵倾角和速度；步骤(三)、根据纵倾角计算升力系数和阻力系数,并计算气动阻力；步骤(四)、计算飞行器起飞离水速度；步骤(五)、得到飞行器起飞滑水过程中的运动方程；本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器总体设计技术领域，特别是一种地效飞行器起飞性能求解方法。
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
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供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。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种地效飞行器起飞性能求解方法，包括如下步骤：
步骤(一)、进行飞行器全机带动力水池试验，并测得飞行器的水动力阻力D、推力T、纵倾角γ和速度V1；
步骤(二)、计算得到真实地效飞行器的水动力阻力Dwat、推力Twat、纵倾角γwat和速度Vwat；
步骤(三)、根据纵倾角γwat，计算升力系数Cl和阻力系数Cx；并计算气动阻力Dx；
步骤(四)、计算飞行器起飞离水速度Vga；
步骤(五)、得到飞行器起飞滑水过程中的运动方程。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(一)中，飞行器全机带动力水池试验的方法为：将飞行器浸入预先布置的静态水池中；驱动飞行器在水池中运动；所述水池长度为500-1000m。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(二)中，真实地效飞行器的水动力阻力Dwat、推力T、纵倾角γ和速度V的计算方法为：
水动力阻力Dwat：
推力Twat：
纵倾角γwat：γwat＝γ；
速度Vwat：
式中，λ为试验模型的缩放比因子。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(三)中，升力系数Cl和阻力系数Cx的计算方法为：
式中，α1为预先设定的飞行器第一攻角；
Cl1为对应第一攻角α1的升力系数；
CX1为对应第一攻角α1的阻力系数；
α2为预先设定的飞行器第二攻角；
Cl2为对应第二攻角α2的升力系数；
CX2为对应第一攻角α2的阻力系数。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(三)中，-6°≤α1＜16°；-6°＜α2≤16°；且α1＜α2。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(三)中，气动阻力Dx的计算方法为：
式中，ρ为空气密度；
S为飞行器表面积。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(四)中，飞行器起飞离水速度Vga的计算方法为：
式中，G为飞行器重量。
在上述的一种地效飞行器起飞性能求解方法，所述步骤(五)中，飞行器起飞滑水过程中的运动方程的计算方法为：
式中，t为飞行器起飞离水时间；
φ为飞行器发动机的安装角；
g为重力加速度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(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为本发明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
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
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所示为本发明流程图，由图可知，一种地效飞行器起飞性能求解方法，包括如下步骤：
步骤(一)、进行飞行器全机带动力水池试验，将飞行器浸入预先布置的静态水池中；驱动飞行器在水池中运动；所述水池长度为500-1000m。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；并测得飞行器的水动力阻力D、推力T、纵倾角γ和速度V1。
步骤(二)、计算得到真实地效飞行器的水动力阻力Dwat、推力Twat、纵倾角γwat和速度Vwat；
水动力阻力Dwat：
推力Twat：
纵倾角γwat：γwat＝γ；
速度Vwat：
式中，λ为试验模型的缩放比因子。
步骤(三)、根据纵倾角γwat，计算升力系数Cl和阻力系数Cx；并计算气动阻力Dx；
升力系数Cl和阻力系数Cx的计算方法为：
升力系数Cl和阻力系数Cx的计算方法为：
式中，α1为预先设定的飞行器第一攻角；
Cl1为对应第一攻角α1的升力系数，可查表获得；
CX1为对应第一攻角α1的阻力系数，可查表获得；
α2为预先设定的飞行器第二攻角；
Cl2为对应第二攻角α2的升力系数，可查表获得；
CX2为对应第一攻角α2的阻力系数，可查表获得；
-6°≤α1＜16°；-6°＜α2≤16°；且α1＜α2。
气动阻力Dx的计算方法为：
式中，ρ为空气密度；
S为飞行器表面积。
步骤(四)、计算飞行器起飞离水速度Vga；
飞行器起飞离水速度Vga的计算方法为：
式中，G为飞行器重量。
步骤(五)、分三段拟合出步骤(二)中的水动力阻力Dwat、推力Twat和纵倾角γwat的多项式；
水动力阻力Dwat、推力Twat和纵倾角γwat多项式的拟合方法为：
以某一重量重心条件下获得的不同速度下对应的水动阻力为例，在相同重量重心状态，水动力阻力和速度是一次关系，可用matlab的polyfit函数进行多次拟合，并判断在分段点处是连续的，依此类推对不同重量重心的水动力阻力进行多项式拟合，从而可以获得水动力阻力的多项式。
水动力阻力Dwat的多项式为：
Xg为飞行器重心位置；
V1为出现第一水动力阻力峰后的最小水动力阻力的速度；
推力Twat的多项式为：
纵倾角γwat的多项式为：
步骤(六)、分三段拟合飞行器气动阻力Dx的多项式；
飞行器气动阻力Dx多项式为：
步骤(七)、如图2所示为地效飞行器起飞滑水过程水动力阻力变化曲线，由图可知，判断步骤(五)中拟合的各个多项式在分段点处V1和V2是否连续(斜率相同)，若连续则进入步骤(八)，否则提高拟合次数返回步骤(五)；
步骤(八)、得到飞行器起飞滑水过程中的运动方程。
飞行器起飞滑水过程中的运动方程的计算方法为：
式中，t为飞行器起飞离水时间；
φ为飞行器发动机的安装角；
g为重力加速度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种地效飞行器起飞性能求解方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、进行飞行器全机带动力水池试验，并测得飞行器的水动力阻力D、推力T、纵倾角γ和速度V1；
飞行器全机带动力水池试验的方法为：将飞行器浸入预先布置的静态水池中；驱动飞行器在水池中运动；所述水池长度为500-1000m；
步骤(二)、计算得到真实地效飞行器的水动力阻力Dwat、推力Twat、纵倾角γwat和速度Vwat；
真实地效飞行器的水动力阻力Dwat、推力T、纵倾角γ和速度V的计算方法为：
水动力阻力Dwat：
推力Twat：
纵倾角γwat：γwat＝γ；
速度Vwat：
式中，λ为试验模型的缩放比因子；
步骤(三)、根据纵倾角γwat，计算升力系数Cl和阻力系数Cx；并计算气动阻力Dx；
升力系数Cl和阻力系数Cx的计算方法为：
式中，α1为预先设定的飞行器第一攻角；
Cl1为对应第一攻角α1的升力系数；
CX1为对应第一攻角α1的阻力系数；
α2为预先设定的飞行器第二攻角；
Cl2为对应第二攻角α2的升力系数；
CX2为对应第一攻角α2的阻力系数；
-6°≤α1＜16°；-6°＜α2≤16°；且α1＜α2；
步骤(四)、计算飞行器起飞离水速度Vga；
步骤(五)、得到飞行器起飞滑水过程中的运动方程。
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(三)中，气动阻力Dx的计算方法为：
式中，ρ为空气密度；
S为飞行器表面积。
3.根据权利要求2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(四)中，飞行器起飞离水速度Vga的计算方法为：
式中，G为飞行器重量。
4.根据权利要求3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(五)中，飞行器起飞滑水过程中的运动方程为：
式中，t为飞行器起飞离水时间；
φ为飞行器发动机的安装角；
g为重力加速度。
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| US4980833A (en) * | 1988-07-26 | 1990-12-25 | The University Of Tennessee Research Corporation | Airplane take-off monitor with learning feature |
| CN104787361A (zh) * | 2015-04-02 | 2015-07-22 | 北京航天自动控制研究所 | 升力式飞行器再入制导的阻力加速度变化率的确定方法 |
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| CN105258906A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-01-20 | 中国航天空气动力技术研究院 | 一种风洞自由飞试验模型飞行轨迹预估方法 |
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