CN114154229A - 一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，涉及水面飞行器水面着水领域。提出了一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法。该方案基于飞机机翼设计规范和船舶水翼设计规范，并结合数值仿真技术，从而实现从水翼方案设计到评估的完整研究过程。按以下步骤进行设计：第一步、确定水翼的翼型以及安装位置；第二步、选取水翼面积比；第三步、选取水翼后掠角；第四步、选取水翼上反角；第五步、数值求解设置；第六步、参数敏感性分析；第七步、加工水翼。采用较为先进的数值仿真方法，对水翼降载装置在静水面和波浪水面的降载性能得到了定量的认识，相较于水池缩比模型试验方法，研究成本低，周期短。
Description
技术领域
本发明涉及水面飞行器水面着水领域，具体是一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方案及评估方法。
背景技术
AG600的首飞成功，标志着我国的水陆两栖飞机正稳步朝着大型化的方向发展，弥补了空中和海上运输的真空，对飞机的各项性能要求也逐步提升。因其独特的飞行方式和工作环境，水上飞机可能面临在高海况的风浪复杂环境中实现起降和停泊，恶劣的海浪情况会对飞机的安全造成极大的影响。海洋上的波浪蕴含着巨大的海洋能，这些能量能够摧毁大型海上油气平台，造成万吨级别船舶折断破损。而近海处的涌浪等对海岸的冲击力可达到每平方米40吨，给近海的船只和建筑物带来极大的威胁。水陆两栖飞机在近海降落时，很容易遇到涌浪，高速滑行的机身撞击到蕴含大量海洋能的波浪，机体结构在水动冲击力的作用下，导致飞机运动姿态剧烈变化，同时带来巨大的垂向冲击过载，使得飞机的稳定性和操纵性变差，极其容易发生海豚跳、侧翻等事故，严重情况下可能造成机毁人亡但因其独特的飞行方式和工作环境，特别是着水阶段，水动力的作用会在飞机底部产生极大的冲击载荷，对机组乘员以及机身结构完整性构成巨大的威胁，使得对着水载荷减缓措施的研究显得尤为重要。
目前针对水陆两栖飞机降载措施的研究中，水撬和水翼具有很好的缓冲效果。水撬降载主要分为滑板式水撬和支柱式沉浸水撬。
其中，滑板式水撬能够很好地保证滑行和着水时飞机压力中心保持在机身中心附近，提高飞机的纵向稳定性和操纵性，但缓解着水载荷的能力较差。支柱式沉浸水撬具有较大的长宽比，现有研究表明，其着水载荷降载率可以达到30％以上。相比之下，关于水翼的探索主要集中在船舶领域，因船舶在海洋中航行时会受到不同海况的影响，船舶耐波性能的优劣对其适航性、适居性及安全性有非常重要的影响。大量的研究人员针对不同条件设计出各种形式的水翼，来减小船舶的滑行阻力以及提高操纵性和稳定性，应用对象多是高速滑行艇和舰船。
因此，如何结合水陆两栖飞机的特性，对水翼进行结构优化，从而可以更好的适用于水陆两栖飞机即成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法。该方案基于飞机机翼设计规范和船舶水翼设计规范，并结合数值仿真技术，从而实现从水翼方案设计到评估的完整研究过程，对后续水上飞机降载方案的设计具有重要的参考价值。
本发明的技术方案为：按以下步骤进行设计：
第一步、确定水翼的翼型以及安装位置；
第二步、选取水翼面积比：由于水翼浸润面积随着吃水深度的改变不会产生剧烈变化；此外，滑行时俯仰角的变化可能会导致水动中心产生前移，且水翼的接触面积相对较大，可以有效减少滑行载荷；故在0.02-0.15范围内选取面积比；
第三步、选取水翼后掠角：由于飞机着水时，水面会对机体产生巨大的冲击力，水翼作为第一接触体，后掠角可以起到减小波浪对机体冲击的作用，也可有效减小水翼垂向速度；较小的后掠角极易导致运动不稳定，可能导致翼面与支柱连接处长期处于疲劳状态，造成结构断裂，降低水翼使用寿命；但是，当后掠角过大时，水翼内部的空间小，不易内部结构布置；因此，在5-35°范围内选取后掠角；
第四步、选取水翼上反角：综合考虑冲击载荷和滑行性质，水翼上反角最后确定；较小的上反角有利于提高飞行器的滑行性能，但也带来了冲击和喷溅问题，也对稳定性产生威胁；从理论分析，平直水翼(即0°上反角)不可取，因为可能出现0°俯仰角的冲击，产生巨大的水动力；但在实际中，由于流体的压缩性、分离的空气、结构的弹性，在一定展弦比的水翼上不会出现0°冲击，载荷值仍然是有限的；然而，尽管拥有这些缓和条件，在某些状态下，仍将产生极大的冲击载荷；因而，为了减小0°冲击发生的可能性；在10-45°范围内选取水翼上反角；
第五步、数值求解设置：数值模拟采用半模计算，在计算机中设定计算模型；
第六步、参数敏感性分析：在计算机中利用第五步描述的数值模拟方法，以第二步、第三步和第四步确定的水翼几何外形参数作为输入对象，采用纯机身模型带有前飞和升沉的二自由度运动快速评估水翼降载效果，获得最佳的水翼外形参数，并评估水翼在静水面和波浪水面的降载效果；
第七步、加工水翼：若第六步评估后水翼在纯机身模型带有前飞和升沉二自由度运动中初始触水阶段降载率达到60％以上，并且能够保证机身着水时竖向过载不超过1g，则判定为设计合格，按第六步获得的水翼外形参数对水翼进行加工。
第一步中考虑到水翼降载需求，在常用翼型中，选取NACA2410翼型；另外，由于在水上飞机着水的过程中会产生较大的冲击力，为了保证飞机的俯仰稳定性，避免较大的俯仰力矩变化，采用支柱式V型水翼，支柱长度h取2米，其中水翼呈V字形，并且通过支柱连接在机身的下方。
第二步中水翼面积用无量纲参数面积比表示，即水翼翼面积与断阶前等截面机身段底面面积之比κ：
式中，B为机身断阶前体宽度，lf为断阶前等截面机身段长度，水翼的根弦长为b0，水翼的梢弦长为b1，水翼的半展长为l。
第五步具体为：数值模拟采用半模计算，计算域大小约为5.5L×1.5L×3L，L为机身长度，飞机表面为无滑移壁面，侧边为对称面，机体尾部边界为压力出口，其余边界均为速度入口，距出口2L区域为阻尼消波区；其中，速度入口边界用于速度入口造波法，将含时间项的波面方程和波浪速度施加在边界，随着时间推进，数值波浪从入口边界逐渐向下游传播；
计算域用带棱柱附面层的笛卡尔网格填充，网格划分采用多级分区域加密划分策略，分为三个加密区域：造波区、遭遇区、尾流区和机体附近为一级加密区域，网格高度为0.004L；二级加密区为过渡区，网格高度为0.01L；消波区是三级加密区，网格高度为0.014L；采用整套网格随着机体刚性旋转或平移的动态网格策略以调整网格适应机体运动带来的变化；最终用于流场计算的包括水翼在内的全机构型网格数量约为820万；
两栖飞机着水过程的流体控制方程为三维非定常雷诺平均不可压Navier-Stokes方程，用标准k-ω两方程湍流模型使其封闭，压力-速度耦合求解使用SIMPLE算法；运用有限体积法空间离散控制方程，时间由二阶精度隐式格式离散，对流项和扩散项分别通过二阶迎风和二阶中心差分格式离散，流场梯度采用格林高斯法构建；在模型求解中，空化模型尚未考虑在内，飞机着水运动会引起机身附近水气界面发生变形，采用流体体积函数法来捕捉水气交界面，体积分数项利用高分辨率界面捕捉方法进行解算。
第六步具体为：首先采用纯机身模型带有前飞和升沉的二自由度运动快速评估水翼降载效果，获得最佳的水翼外形参数；接下来，利用最佳水翼构型，评估水翼在静水面和波浪水面的降载效果；
原始无水翼构型采用OC表示，水翼构型采用HC表示；降载效率μ定义为，
通过数值模拟得到的水翼构型与原始构型在不同水翼几何参数、静水面不同下降速度υz和波浪水面不同波长比ε条件下，竖向加速度az随时间的变化曲线。可以看出，面积比过大或过小都会造成竖向加速度增加，相比之下，后掠角和上反角对降载影响较弱；
静水面不同下降速度时，采用水翼进行降载效果更为显著，所有数值都在1g以下，带水翼3m/s工况的峰值载荷比无水翼1m/s工况更小，随着时间的推进，HC构型机身逐渐接触水面，加速度值经历第二个峰值，在此阶段υz的差异带来的影响较弱，三个工况拥有相同的运动方式；并分别从各工况初始着水和机身触水阶段对水翼降载率进行评估。波浪水面不同波长比ε时，波浪能量使得机体过载较静水面条件普遍提升，且随着波长增长，波浪能量随之增加，导致机体所受水动载荷愈加剧烈。az方面，水翼降载率在30％左右，随波长增大降载率有所减小。
本发明有益效果在于：
一、整合水橇降载及水翼耐波性能的设计理念，在水陆两栖飞机增设支柱式V型水翼，提高了水陆两栖飞机静水面/波浪水面降载性能。
二、综合考虑水翼面积比、后掠角和上反角三类几何参数对降载效率的影响，分析得到适用于大型水陆两栖飞机的最优参数方案。
三、采用较为先进的数值仿真方法，对水翼降载装置在静水面和波浪水面的降载性能得到了定量的认识，相较于水池缩比模型试验方法，研究成本低，周期短。
附图说明
图1是本案的工作流程图，
图2是水上飞机全机及降载装置示意图，
图3是水翼位置及设计参数说明示意图，
图4是计算域网格划分策略示意图，
图5是机体面网格示意图，
图6是不同面积比水翼构型与原始构型竖向加速度对比图，
图7是不同后掠角水翼构型与原始构型竖向加速度对比图，
图8是不同上反角水翼构型与原始构型竖向加速度对比图，
图9是静水面不同下降速度水翼构型与原始构型竖向加速度对比图，
图10是波浪水面不同波长水翼构型与原始构型竖向加速度对比图。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
本实施例以水上飞机静/波浪着水降载作示范，基本流程见图1。
第一步，确定水翼的安装位置以及几何外形参数。
本案所涉及的水翼几何参数有翼型、根弦长、梢弦长、面积比、后掠角和上反角。考虑到水翼降载需求，根据飞机设计手册和船舶上面的水翼常用翼型，选取NACA2410 翼型，这种翼型转动较小的角度即可获得较大的升力，并且翼型厚度较大有利于内部机构的安装。
依据支柱式水橇的设计思想，为减小水翼对飞机纵向稳定性的影响，水翼水动中心的纵向位置一般在飞机重心附近，见图2。
由于在水上飞机着水的过程中会产生较大的冲击力，为了保证飞机的俯仰稳定性，避免较大的俯仰力矩变化，支柱长度h取2米。水翼几何参数主要包括水翼面积(S)、展弦比(λ)、(前缘)后掠角(χ0)、上反角(ψ)，考虑水翼后缘与机身断阶的相对位置关系，水翼弦长的可设计范围较小。因此，在考察降载性能对水翼主要几何参数的敏感性时，将水翼的根弦长b0与梢弦长b1固定不变。调整半展长l实现水翼面积变化(展弦比λ随变)，水翼面积用无量纲参数面积比表示，即水翼翼面积与断阶前等截面机身段底面面积之比κ：
式中，B为机身断阶前体宽度，lf为断阶前等截面机身段长度，见图3。
第二步，水翼面积比κ(展弦比)设计。水翼浸润面积随着吃水深度的改变不会产生剧烈变化。此外，滑行时俯仰角的变化可能会导致水动中心产生前移，且水翼的接触面积相对较大，可以有效减少滑行载荷。故面积比κ选取五个设计点分别为0.024、0.048、 0.072、0.096和0.144。
第三步，水翼后掠角χ0设计。飞机着水时，水面会对机体产生巨大的冲击力，水翼作为第一接触体，后掠角可以起到减小波浪对机体冲击的作用，也可有效减小水翼垂向速度。较小的后掠角极易导致运动不稳定，可能导致翼面与支柱连接处长期处于疲劳状态，造成结构断裂，降低水翼使用寿命；但是，当后掠角过大时，水翼内部的空间小，不易内部结构布置。因此，在保证其他参数不变的情况下，选取三个后掠角10°、20°和30°。
第四步，水翼上反角ψ设计。综合考虑冲击载荷和滑行性质，水翼上反角最后确定。较小的上反角有利于提高飞行器的滑行性能，但也带来了冲击和喷溅问题，也对稳定性产生威胁。从理论分析，平直水翼(即0°上反角)不可取，因为可能出现0°俯仰角的冲击，产生巨大的水动力。但在实际中，由于流体的压缩性、分离的空气、结构的弹性，在一定展弦比的水翼上不会出现0°冲击，载荷值仍然是有限的。然而，尽管拥有这些缓和条件，在某些状态下，仍将产生极大的冲击载荷。因而，为了减小0°冲击发生的可能性，采用适当大小的上反角，在保证其他参数不变情况下，选取六个设计点，分别为： 15°、20°、25°、30°、35°、40°。
第五步，数值求解设置。数值模拟采用半模计算，流场计算域及网格见图4和图5。计算域大小约为5.5L×1.5L×3L(L为机身长度)，飞机表面为无滑移壁面，侧边为对称面，机体尾部边界为压力出口，其余边界均为速度入口，距出口2L区域为阻尼消波区。其中，速度入口边界用于速度入口造波法，将含时间项的波面方程和波浪速度施加在边界，随着时间推进，数值波浪从入口边界逐渐向下游传播。
计算域用带棱柱附面层的笛卡尔网格填充，网格划分采用多级分区域加密划分策略，分为三个加密区域：造波区、遭遇区、尾流区和机体附近为一级加密区域，网格高度为0.004L，；二级加密区为过渡区，网格高度为0.01L；消波区是三级加密区，网格高度为0.014L。采用整套网格随着机体刚性旋转或平移的动态网格策略以调整网格适应机体运动带来的变化。最终用于流场计算的包括水翼在内的全机构型网格数量约为820万。
两栖飞机着水过程的流体控制方程为三维非定常雷诺平均不可压Navier-Stokes方程，用标准k-ω两方程湍流模型使其封闭，压力-速度耦合求解使用SIMPLE(Semi-implict method for pressure-linked equations)算法。运用有限体积法空间离散控制方程，时间由二阶精度隐式格式离散，对流项和扩散项分别通过二阶迎风和二阶中心差分格式离散，流场梯度采用格林高斯法构建。在模型求解中，空化模型尚未考虑在内。飞机着水运动会引起机身附近水气界面发生变形，采用流体体积函数法来捕捉水气交界面。体积分数项利用高分辨率界面捕捉方法进行解算。
第六步，参数敏感性分析。利用第五步描述的数值模拟方法，以第二步、第三步和第四步确定的水翼几何外形参数作为研究对象，首先采用纯机身模型带有前飞和升沉的二自由度运动快速评估水翼降载效果，获得最佳的水翼外形参数，面积比κ＝0.048，后掠角χ0＝20°，上反角ψ＝20°。
接下来，利用最佳水翼构型，评估水翼在静水面和波浪水面的降载效果。为方便叙述，原始无水翼构型采用OC(Original Configuration)表示，水翼构型采用HC(HydrofoilConfiguration)表示。降载效率μ定义为，
图6～图10是通过数值模拟得到的水翼构型与原始构型在不同水翼几何参数、静水面不同下降速度υz和波浪水面不同波长比ε条件下，竖向加速度az随时间的变化曲线。可以看出，面积比过大或过小都会造成竖向加速度增加，κ＝0.048较为合适，初始触水阶段降载率达到60％以上，并且能够保证机身着水时竖向过载不超过1g，在人体可接受范围内；相比之下，后掠角和上反角对降载影响较弱。
静水面不同下降速度时，采用水翼进行降载效果更为显著，所有数值都在1g以下，带水翼3m/s工况的峰值载荷比无水翼1m/s工况更小，见图9。随着时间的推进，HC 构型机身逐渐接触水面，加速度值经历第二个峰值，在此阶段υz的差异带来的影响较弱，三个工况拥有相同的运动方式。从各工况初始着水阶段来看，水翼降载率能达到55％以上；以各工况机身触水作参考时，水翼降载效率随着初始下降速度的减小而降低。波浪水面不同波长比ε时，波浪能量使得机体过载较静水面条件普遍提升，且随着波长增长，波浪能量随之增加，导致机体所受水动载荷愈加剧烈。az方面，水翼降载率在30％左右，随波长增大降载率有所减小。
第七步、加工水翼：若第六步评估后水翼在纯机身模型带有前飞和升沉二自由度运动中初始触水阶段降载率达到60％以上，并且能够保证机身着水时竖向过载不超过1g，则判定为设计合格，按第六步获得的水翼外形参数对水翼进行加工。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，其特征在于，按以下步骤进行设计：
第一步、确定水翼的翼型以及安装位置；
第二步、选取水翼面积比：由于水翼浸润面积随着吃水深度的改变不会产生剧烈变化；此外，滑行时俯仰角的变化可能会导致水动中心产生前移，且水翼的接触面积相对较大，可以有效减少滑行载荷；故在0.02-0.15范围内选取面积比；
第三步、选取水翼后掠角：由于飞机着水时，水面会对机体产生巨大的冲击力，水翼作为第一接触体，后掠角可以起到减小波浪对机体冲击的作用，也可有效减小水翼垂向速度；较小的后掠角极易导致运动不稳定，可能导致翼面与支柱连接处长期处于疲劳状态，造成结构断裂，降低水翼使用寿命；但是，当后掠角过大时，水翼内部的空间小，不易内部结构布置；因此，在5-35°范围内选取后掠角；
第四步、选取水翼上反角：综合考虑冲击载荷和滑行性质，水翼上反角最后确定；较小的上反角有利于提高飞行器的滑行性能，但也带来了冲击和喷溅问题，也对稳定性产生威胁；从理论分析，平直水翼(即0°上反角)不可取，因为可能出现0°俯仰角的冲击，产生巨大的水动力；但在实际中，由于流体的压缩性、分离的空气、结构的弹性，在一定展弦比的水翼上不会出现0°冲击，载荷值仍然是有限的；然而，尽管拥有这些缓和条件，在某些状态下，仍将产生极大的冲击载荷；因而，为了减小0°冲击发生的可能性；在10-45°范围内选取水翼上反角；
第五步、数值求解设置：数值模拟采用半模计算，在计算机中设定计算模型；
第六步、参数敏感性分析：在计算机中利用第五步描述的数值模拟方法，以第二步、第三步和第四步确定的水翼几何外形参数作为输入对象，采用纯机身模型带有前飞和升沉的二自由度运动快速评估水翼降载效果，获得最佳的水翼外形参数，并评估水翼在静水面和波浪水面的降载效果；
第七步、加工水翼：若第六步评估后水翼在纯机身模型带有前飞和升沉二自由度运动中初始触水阶段降载率达到60％以上，并且能够保证机身着水时竖向过载不超过1g，则判定为设计合格，按第六步获得的水翼外形参数对水翼进行加工。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，其特征在于，第一步中考虑到水翼降载需求，在常用翼型中，选取NACA2410翼型；另外，由于在水上飞机着水的过程中会产生较大的冲击力，为了保证飞机的俯仰稳定性，避免较大的俯仰力矩变化，采用支柱式V型水翼，支柱长度h取2米，其中水翼呈V字形，并且通过支柱连接在机身的下方。
3.根据权利要求1所述的一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，其特征在于，第二步中水翼面积用无量纲参数面积比表示，即水翼翼面积与断阶前等截面机身段底面面积之比κ：
式中，B为机身断阶前体宽度，lf为断阶前等截面机身段长度，水翼的根弦长为b0，水翼的梢弦长为b1，水翼的半展长为l。
4.根据权利要求1所述的一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，其特征在于，第五步具体为：数值模拟采用半模计算，计算域大小约为5.5L×1.5L×3L，L为机身长度，飞机表面为无滑移壁面，侧边为对称面，机体尾部边界为压力出口，其余边界均为速度入口，距出口2L区域为阻尼消波区；其中，速度入口边界用于速度入口造波法，将含时间项的波面方程和波浪速度施加在边界，随着时间推进，数值波浪从入口边界逐渐向下游传播；
计算域用带棱柱附面层的笛卡尔网格填充，网格划分采用多级分区域加密划分策略，分为三个加密区域：造波区、遭遇区、尾流区和机体附近为一级加密区域，网格高度为0.004L；二级加密区为过渡区，网格高度为0.01L；消波区是三级加密区，网格高度为0.014L；采用整套网格随着机体刚性旋转或平移的动态网格策略以调整网格适应机体运动带来的变化；最终用于流场计算的包括水翼在内的全机构型网格数量约为820万；
两栖飞机着水过程的流体控制方程为三维非定常雷诺平均不可压Navier-Stokes方程，用标准k-ω两方程湍流模型使其封闭，压力-速度耦合求解使用SIMPLE算法；运用有限体积法空间离散控制方程，时间由二阶精度隐式格式离散，对流项和扩散项分别通过二阶迎风和二阶中心差分格式离散，流场梯度采用格林高斯法构建；在模型求解中，空化模型尚未考虑在内，飞机着水运动会引起机身附近水气界面发生变形，采用流体体积函数法来捕捉水气交界面，体积分数项利用高分辨率界面捕捉方法进行解算。
5.根据权利要求1所述的一种适用于水陆两栖飞机着水降载的水翼设计方法，其特征在于，第六步具体为：首先采用纯机身模型带有前飞和升沉的二自由度运动快速评估水翼降载效果，获得最佳的水翼外形参数；接下来，利用最佳水翼构型，评估水翼在静水面和波浪水面的降载效果；
原始无水翼构型采用OC表示，水翼构型采用HC表示；降载效率μ定义为，
通过数值模拟得到的水翼构型与原始构型在不同水翼几何参数、静水面不同下降速度υz和波浪水面不同波长比ε条件下，竖向加速度az随时间的变化曲线；可以看出，面积比过大或过小都会造成竖向加速度增加，相比之下，后掠角和上反角对降载影响较弱；
静水面不同下降速度时，采用水翼进行降载效果更为显著，所有数值都在1g以下，带水翼3m/s工况的峰值载荷比无水翼1m/s工况更小，随着时间的推进，HC构型机身逐渐接触水面，加速度值经历第二个峰值，在此阶段υz的差异带来的影响较弱，三个工况拥有相同的运动方式；并分别从各工况初始着水和机身触水阶段对水翼降载率进行评估；波浪水面不同波长比ε时，波浪能量使得机体过载较静水面条件普遍提升，且随着波长增长，波浪能量随之增加，导致机体所受水动载荷愈加剧烈；az方面，水翼降载率在30％左右，随波长增大降载率有所减小。
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