CN115871956A - 一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空飞行器水上迫降试验技术领域，提出一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型。试验模型基于相邻区段的结合面进行分离式结构设计；模型内部结构主要包含高强防水隔框及桁条结构两个部分；腔体结构体积等效及渗漏源近似模拟方案以实机腔体结构和渗漏源分布区段为基准进行等效模拟。模型表面蒙皮材料采用抽真空式的复合材料铺层结构以实现结构体积管控；所述隔框、桁条结构及腔体结构体积等效模拟结构通过预留的接触卡槽固定、粘接；本发明为水上迫降漂浮特性试验模型的结构设计提供了新思路，能较好满足试验任务要求的机身结构强度和等效腔体设计要求，为水上迫降漂浮特性模型试验奠定了基础。

Description

一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型

技术领域

本发明属于航空飞行器水上迫降试验技术领域，具体涉及一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型。

背景技术

水上迫降漂浮特性试验模型在试验过程中需经历高速投放和水面漂浮两个阶段，为确保模型在上述阶段不出现因结构强度不足、水密性较差所引起的模型损伤等问题。模型各部件均需基于总体强度和试验设计要求进行综合设计。其中，机身作为与水面产生冲击作用最强、内部进水较多的结构除了需具有较高的整体结构强度外，机身内部腔体容积及破损渗漏情况、机翼典型位置水密特性及渗漏情况与实机还应尽量保持相似，否则试验结果无法真实代表实机的水面漂浮特性。

中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》对固定翼飞机的水面漂浮能力提出了具体要求“必须表明，在合理可能的水上条件下，飞机的漂浮时间和配平能使所有乘员离开飞机并乘上规章要求的救生船。”模型试验作为适航符合性验证的推荐方法之一，因具有直观、高效、准确等优势，在当前的民用飞机研制过程中得到了广泛应用。为确保漂浮特性模型试验的顺利开展，试验模型的设计、制作就显得尤为重要。特别是涉及实机内部腔体容积和渗流特性的等效模拟始终是模型制作过程中的一大难题。

在传统的漂浮特性模型设计、制作过程中，通常机身整流罩采用一体式设计以及“蒙皮+蜂窝+隔框”的结构形式。一体式设计方法虽然保证了内部隔框的整体性，但机身与起落架整流罩结合处通常存在较大的曲率突变，这种整体设计必然造成该处蒙皮与蜂窝粘接不牢影响结构强度的情况。其次，传统的蜂窝结构、蒙皮和隔框通常为三种完全不同的材料，且蜂窝结构和蒙皮的厚度往往相差有5倍之多，再加上蜂窝结构的硬度较大、蒙皮又具有一定的曲率线型，使得蜂窝在铺设时并不能与蒙皮进行整体粘接。

其次，采用蜂窝局部分块的形式，不仅在一定程度上降低了“蒙皮+蜂窝”的结构整体强度，还额外增加了因粘接分块蜂窝所产生的结构重量，为模型空机重量控制增加了难度。

最后，由于实机结构较为复杂，采用传统结构形式，其往往忽略了模型内部结构体积、蜂窝和隔框材料吸水储水特性与实机的差异性，使得试验模型难以与实机内部容积、单次试验后的空机重量、重心位置以及飞机内部结构的滤水特性保持一致。影响了漂浮特性模型试验对于实机漂浮运动姿态和漂浮时间的真实反馈。

目前，还未有一种全面考虑飞机结构强度、腔体体积、渗流特性和滤水特性的漂浮特性模型。

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有技术中的不足，设计一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

提供一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型，所述的漂浮特性试验模型采用区段分离式结构，将飞机离散为含整流罩机身1、机翼2、尾翼3及发动机4；

所述含整流罩机身1以机身和整流罩结合面进行二次分割，分割后含整流罩机身1分离为单独机身5和单独机身整流罩6两部分，两者之间通过机身蒙皮区隔；

所述单独机身5、机翼2、尾翼3、单独机身整流罩6、发动机4的外形均采用抽真空的高强薄壁蒙皮结构7进行模拟，抽真空后的蒙皮合格性通过材料厚度和面密度判定；

所述单独机身5内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构8、桁条结构9、全封闭隔框10、货舱地板11及承力梁结构12；其中，高强隔框结构8和桁条结构9通过预留的接触卡槽固定、粘接，并与抽真空的高强薄壁蒙皮结构7胶结固定；承力梁结构12贯穿高强隔框结构8、全封闭隔框10并与之固定；除此之外，单独机身5内部还安装有供模型试验起吊及状态调整的重心板装置13、供测试仪器安装及防水保护的水密仪器盒14、腔体体积等效模块15。

所述单独机身整流罩6的内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构8、桁条结构9及腔体体积等效模块15，高强隔框结构8、桁条结构9与蒙皮的连接方式同上。

所述机翼2内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构8、桁条结构9、全封闭隔框10、承力梁结构12及腔体体积等效模块15；其中，各部件连接方式与单独机身5内部结构相同。

所述尾翼3内部结构具有普通的航空层板隔框结构16和桁条结构9；两者通过预留的卡槽固定、粘接并与蒙皮结构7胶结固定；

所述发动机4包含抽真空的高强薄壁蒙皮7和结构体积等效模块15。

所述单独机身5、机翼2、单独机身整流罩6中的全封闭隔框10及其与货舱地板11和蒙皮结构7所围成的封闭区段内，各区段处于独立状态，进入模型内部的流体仅在封闭区段内通过高强隔框结构8下方的流水孔自由流动；

所述全封闭隔框10及其与抽真空的高强薄壁蒙皮结构7所围成的封闭区段内，各区段处于独立状态，进入模型内部的流体仅在封闭区段内通过高强隔框结构8下方的流水孔自由流动。

所述发动机4为首尾开口的流通结构，其内部结构体积、体积形心通过在发动机4抽真空的高强薄壁蒙皮结构7内增设腔体体积等效模块15实现与实机发动机体积、体心相似。

所述单独机身5、单独机身整流罩6位于货舱地板11以下的抽真空的高强薄壁蒙皮结构7部分开设有一定大小的渗漏源模拟孔17。其中，渗漏源模拟孔17根据实机封闭区段的渗漏源位置、大小、形状等逐一计算并借助渗流量等效模拟试验确定。

所述蒙皮结构7，高强隔框结构8、桁条结构9、全封闭隔框10、水密仪器盒14、腔体体积等效模块15均由碳纤维布、T080玻璃纤维布复合制作，并通过抽真空技术进行强度加强和厚度减小处理；

所述单独机身5、机翼2、单独机身整流罩6的结构气密特征，根据实机气密区域要求确定并与之保持几何位置相似。其中，单独机身5和单独机身整流罩6的分离面为两者交界面，且通过将单独机身5设置为一个整体，实现两者分割；

所述单独机身5中的全封闭隔框10、货舱地板11分别与实机舱室隔框、货舱地板保持几何位置相似；

所述机翼2中的全封闭隔框10与实机油箱壁面几何位置保持相似。

所述单独机身5、机翼2、单独机身整流罩6中的全封闭隔框10及其与抽真空的高强薄壁蒙皮结构7所围成封闭区段的结构体积、体积形心在模型结构设计时需单独测量，通过增设腔体体积等效模块15满足与实机区段体积、体心的相似关系；

所述发动机4、单独机身5、单独机身整流罩6内设置的腔体体积等效模块15具体安装位置如下：

单独机身5内的腔体体积等效模块15安装于机身前段的地板上方；单独机身整流罩6内的腔体体积等效模块15安装于该部件蒙皮中部下表面；发动机4内的腔体体积等效模块15安装于发动机中央，该腔体体积等效模块15通过有机玻璃板与发动机4内壁粘接，以实现腔体体积等效模块15悬空。

所述单独机身5、机翼2、发动机4、单独机身整流罩6等部件的内部结构气密特性、结构体积及渗漏源分布分别与实机各参数保持相似。

所述单独机身5、机翼2、尾翼3、发动机4、单独机身整流罩6各相邻部件与抽真空的高强薄壁蒙皮结构7之间采用胶结方式固定。

所述的漂浮特性试验模型利用抽真空的高强薄壁蒙皮结构7、高强隔框结构8和桁条结构9内部搭接，替代了传统的“蒙皮+蜂窝+隔框”的结构形式，一定程度增加了单独结构的结构强度和滤水能力、并保证了单独结构内部腔体体积的等效模拟和渗流特性。

相似是指满足付汝德数(Froude number)相似准则、气动力满足雷洛数(Reynoldsnumber)相似准则。在此，所述相似是指实机和模型的尺度大小满足付汝德数相似准则。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型。包括模型区段分离式设计方案、腔体结构体积等效模拟及渗漏源近似模拟结构等。其中，试验模型基于相邻区段的结合面进行分离式结构设计；模型内部结构主要包含高强防水隔框及桁条结构两个部分；腔体结构体积等效及渗漏源近似模拟方案以实机腔体结构和渗漏源分布区段为基准进行等效模拟。模型表面蒙皮材料采用抽真空式的复合材料铺层结构以实现结构体积管控；

采用本发明提出的机身结构，可在保证机身、起落架整流罩整体结构强度的基础上，有效降低蒙皮材料厚度、提升机内结构的渗流特性和滤水特性。通过在设计过程中综合考虑模型内部腔体结构特性，实现对实机漂浮运动特性的真实模拟。

具有有以下优点：

1、机身、起落架整流罩分隔式设计，将机身和起落架整流罩分离为两个结构单独设计，不仅保留了单独机身的圆弧状整体结构优势，增强了其结构强度，还为后期试验过程中，机身、起落架整流罩出现意外损坏时的单独部件修补创造了条件，一定程度上降低了模型修补难度和修补时间。

2、相对于传统结构形式，本发明蒙皮厚度可控制在1/3倍的传统“蒙皮+蜂窝”厚度以内。由于蒙皮是机身内部结构体积的主要贡献者，减小蒙皮厚度能较大程度减小机身内部结构体积，即保证了模型与实机内部腔体容积可相似性。

3、基于实机舱段的气密特性、结构体积占比和渗漏源参数大小，在试验模型设计阶段即开展考虑模型进水量、流体渗流特性、舱段流体分布的试验模型设计技术研究，将试验中可能出现的试验干扰情况在设计之初一并处理，并将影响降至最低，有效保证了试验的可靠性。

4、本发明提出的高强薄壁蒙皮铺层材料、高强防水隔框结构和桁条结构具有完全相同的结构属性，在铺设时尤其是抽真空高强薄壁蒙皮方面能一步到位整体铺设，相对传统“蒙皮+蜂窝”形式而言，能有效避免分块蜂窝与蒙皮粘接所造成的整体强度降低和分块蜂窝粘接引起的结构增重等问题，为后期模型重量控制和配平创造了有利条件。

5、本发明提出的高强防水隔框结构和桁条结构组合形式，将机身、起落架整流罩分别沿长度和宽度方向划分，通过隔框、桁条、蒙皮三者之间的胶结固定，有效提升了单独结构部件的整体强度，在模型设计时还可通过该结构特点对蒙皮厚度进行适当减少，以减小腔内结构体积。

6、本发明提出的高强薄壁蒙皮铺层材料、高强防水隔框结构和桁条结构均为光滑的水异性高强薄壁材料。在试验过程中，不会因结构吸水或储水引起模型重量、重心变化及滤水烘干困难的情况。单次试验结束后，试验人员可快速将机身内部水流滤出，以开展后续试验。

附图说明：

图1是本发明抽真空蒙皮铺层结构示意图；

图2是本发明的漂浮特性试验模型示意图；

图3是本发明机身与起落架整流罩分离式设计示意图；

图4是本发明高强防水隔框结构和桁条结构连接示意图；

图5是发动机内腔体体积等效模块示意图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细解释本发明基于等效腔体的漂浮特性试验模型。

图2为本发明的漂浮特性试验模型示意图，主要包含含整流罩机身1、机翼2、尾翼3、发动机4、单独机身5、单独机身整流罩6、高强薄壁蒙皮结构7、高强隔框结构8、桁条结构9、全封闭隔框10、货舱地板11、承力梁结构12、重心板装置13、水密仪器盒14、腔体体积等效模块15、航空层板隔框结构16等部件。本发明提出的机身优化设计具体如下：该模型采用机身及起落架整流罩分离式设计方法，将传统机身加整流罩一体式设计结构调整为以两者结合面为分离面的单独机身5和单独整流罩6结构，单独机身5内安装有4个全封闭隔框和15个具有流水孔的高强隔框结构8，全封闭隔框10将单独机身5分割为5个小的空间区域。单独机身整流罩6为封闭的整体结构，其内部安装有具有流水孔的高强隔框结构8。其中，高强隔框结构8上的流水孔为直径为7mm的半圆孔，主要用于实现封闭区域内的水流自由流动。

图3为机身与起落架整流罩分离式设计示意图，图3中单独整流罩6内的高强隔框结构8与单独机身5内的高强隔框结构8沿纵向X轴的坐标完全相同，以实现增强机身横向结构强度的目的；货舱地板11通过高强隔框结构8上预留的矩形孔实现定位和安装固结；高强薄壁蒙皮结构7下腹部开设有破损模拟孔17。

机身、机翼、尾翼、发动机等各部件的蒙皮采用抽真空的高强薄壁蒙皮铺层材料7，高强薄壁蒙皮铺层材料7结构示意图如图1所示，高强薄壁蒙皮铺层材料7由6层组成，常规实验中厚度为5mm，经过吸管抽真空后，厚度为1.6mm，仅为常规的1/3倍，且面密度能增加约0.3kg/m²。具体操作为：先按预设蒙皮属性，粘接碳纤维布和复合纤维布。随后，利用真空管在所粘接的铺层表面滑动，以推动/排空两层布之间的空气并使铺层更加密实。操作后，蒙皮厚度在有效降低的同时其强度能得到显著增加。

机身5、单独整流罩6、机翼2结构内部分别布置有具有流水孔的高强防水隔框结构8、桁条结构9、全封闭隔框10。其中，高强防水隔框结构8、桁条结构9和全封闭隔框10通过预留的接触卡槽固定、粘接，并与蒙皮7胶结固定，连接示意图如图4所示。

流水孔开在隔框底部，主要用于机身内部水的自由流动，为了模拟外部水流流入，单独机身5、单独机身整流罩6位于货舱地板11以下的抽真空的高强薄壁蒙皮结构7表面开设有直径为5mm-20mm的渗漏源模拟孔17，如图3所示。其中，渗漏源模拟孔17根据实机封闭区段的渗漏源位置、大小、形状等逐一计算并借助渗流量等效模拟试验确定。如机身密封区1内孔直径为5mm、机身密封区2内孔直径为10mm、机身密封区3内孔直径为18mm、机身密封区4内孔直径为16mm、机身密封区5内孔直径为14mm、双侧单机身整流罩6蒙皮下表面的孔直径为20mm。

发动机4、单独机身5、单独机身整流罩6等零件部件内设置有腔体体积等效模块15。其中，单独机身5内的腔体体积等效模块15安装于机身前段的地板上方，见图1；单独机身整流罩6内的腔体体积等效模块15安装于该部件蒙皮中部下表面；发动机4内的腔体体积等效模块15安装于发动机中央，该腔体体积等效模块15通过有机玻璃板与发动机4内壁粘接，以实现腔体体积等效模块15悬空，示意图如图5所示。

高强薄壁蒙皮结构7、高强防水结构8的典型铺层试验件检测结果表明，试验件弯曲强度要明显高于其他同类铺层的强度值，典型铺层试验件检测结果具体数值如下表1所示：

表1

本发明基于实机舱段的气密特性、结构体积占比和渗漏源参数大小，在试验模型设计阶段即开展考虑模型进水量、流体渗流特性、舱段流体分布的试验模型设计技术研究，将试验中可能出现的试验干扰情况在设计之初一并处理，并将影响降至最低，有效保证了试验的可靠性。本发明提出的高强薄壁蒙皮铺层材料、高强防水隔框结构和桁条结构具有完全相同的结构属性，在铺设时尤其是抽真空高强薄壁蒙皮方面能一步到位整体铺设，相对传统“蒙皮+蜂窝”形式而言，能有效避免分块蜂窝与蒙皮粘接所造成的整体强度降低和分块蜂窝粘接引起的结构增重等问题，为后期模型重量控制和配平创造了有利条件。

本发明为水上迫降漂浮特性试验模型的结构设计提供了一种新的思路，该方法能较好满足试验任务要求的机身结构强度和等效腔体设计要求，为水上迫降漂浮特性模型试验奠定了基础。

Claims (10)

1.一种基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述的漂浮特性试验模型采用区段分离式结构，将飞机离散为含整流罩机身(1)、机翼(2)、尾翼(3)及发动机(4)；

所述含整流罩机身(1)以机身和整流罩结合面进行二次分割，分割后含整流罩机身(1)分离为单独机身(5)和单独机身整流罩(6)两部分，两者之间通过机身蒙皮区隔；

所述单独机身(5)、机翼(2)、尾翼(3)、单独机身整流罩(6)、发动机(4)的外形均采用抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)进行模拟；

所述单独机身(5)内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构(8)、桁条结构(9)、全封闭隔框(10)、货舱地板(11)及承力梁结构(12)；其中，高强隔框结构(8)和桁条结构(9)固定，并与抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)固定；承力梁结构(12)贯穿高强隔框结构(8)、全封闭隔框(10)并与之固定；除此之外，单独机身(5)内部还安装有供模型试验起吊及状态调整的重心板装置(13)、供测试仪器安装及防水保护的水密仪器盒(14)、腔体体积等效模块(15)；

所述单独机身整流罩(6)的内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构(8)、桁条结构(9)及腔体体积等效模块(15)；

所述机翼(2)内部结构分别布置有具有流水孔的高强隔框结构(8)、桁条结构(9)、全封闭隔框(10)、承力梁结构(12)及腔体体积等效模块(15)；其中，各部件连接方式与单独机身(5)内部结构相同。

所述尾翼(3)内部结构具有航空层板隔框结构(16)和桁条结构(9)；两者通过固定并与蒙皮结构(7)固定；

所述发动机(4)包含抽真空的高强薄壁蒙皮(7)和结构体积等效模块(15)；

所述单独机身(5)、单独机身整流罩(6)位于货舱地板(11)以下的抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)部分开设有渗漏源模拟孔(17)。

2.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述单独机身(5)、机翼(2)、单独机身整流罩(6)中的全封闭隔框(10)及其与货舱地板(11)和蒙皮结构(7)所围成的封闭区段内，各区段处于独立状态，进入模型内部的流体仅在封闭区段内通过高强隔框结构(8)下方的流水孔自由流动。

3.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述全封闭隔框(10)及其与抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)所围成的封闭区段内，各区段处于独立状态，进入模型内部的流体仅在封闭区段内通过高强隔框结构(8)下方的流水孔自由流动。

4.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述发动机(4)为首尾开口的流通结构，其内部结构体积、体积形心通过在发动机(4)抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)内增设腔体体积等效模块(15)实现与实机发动机体积、体心相似。

5.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述蒙皮结构(7)，高强隔框结构(8)、桁条结构(9)、全封闭隔框(10)、水密仪器盒(14)、腔体体积等效模块(15)均由碳纤维布、T080玻璃纤维布复合制作。

6.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述单独机身(5)、机翼(2)、单独机身整流罩(6)的结构气密特征，根据实机气密区域要求确定并与之保持几何位置相似；其中，单独机身(5)和单独机身整流罩(6)的分离面为两者交界面，且通过将单独机身(5)设置为一个整体，实现两者分割；

所述单独机身(5)中的全封闭隔框(10)、货舱地板(11)分别与实机舱室隔框、货舱地板保持几何位置相似；

所述机翼(2)中的全封闭隔框(10)与实机油箱壁面几何位置保持相似。

7.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述单独机身(5)、机翼(2)、单独机身整流罩(6)中的全封闭隔框(10)及其与抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)所围成封闭区段的结构体积、体积形心在模型结构设计时单独测量，通过增设腔体体积等效模块(15)满足与实机区段体积、体心相似。

8.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：发动机(4)、单独机身(5)、单独机身整流罩(6)内设置的腔体体积等效模块15具体安装位置如下：

单独机身(5)内的腔体体积等效模块(15)安装于机身前段的地板上方；单独机身整流罩(6)内的腔体体积等效模块(15)安装于该部件蒙皮中部下表面；发动机(4)内的腔体体积等效模块(15)安装于发动机中央，该腔体体积等效模块(15)通过有机玻璃板与发动机(4)内壁粘接，以实现腔体体积等效模块(15)悬空。

9.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述单独机身(5)、机翼(2)、发动机(4)、单独机身整流罩(6)等部件的内部结构气密特性、结构体积及渗漏源分布分别与实机各参数保持相似。

10.根据权利要求1所述的基于等效腔体的漂浮特性试验模型，其特征在于：所述所述单独机身(5)、机翼(2)、尾翼(3)、发动机(4)、单独机身整流罩(6)各相邻部件与抽真空的高强薄壁蒙皮结构(7)之间采用胶结方式固定。

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