水上飞机起飞历程的水动力特性研究

水上飞机能够在水面高效起降得益于船体布局的精细化设计,而深入掌握水上飞机的水面起飞滑行规律对于飞机的研制至关重要。采用水池拖曳试验和数值模拟方法两种研究方法探寻流动机制,分析大型两栖水上飞机滑行过程中的水动力特性。结果表明:利用计算流体动力学技术可以较为精确地模拟复杂外形的两相流耦合六自由度运动,与水池拖曳试验的流场形态和模型动力学特性吻合,在起飞全过程中阻力误差均在10%以内;对于带起落架舱的大型两栖水上飞机,前体舭弯产生的强烈喷溅是阻力峰产生的根本原因。     

水上飞机起飞历程的水动力特性分析

水上飞机能够在水面高效起降得益于船体布局的精细化设计,而深入掌握水上飞机的水面起飞滑行 规律对于飞机的研制至关重要。采用水池拖曳试验和数值模拟方法两种研究方法探寻流动机制,分析大型两 栖水上飞机滑行过程中的水动力特性。结果表明:利用计算流体动力学技术可以较为精确地模拟复杂外形的 两相流耦合六自由度运动,与水池拖曳试验的流场形态和模型动力学特性吻合,在起飞全过程中阻力误差均在 10%以内;对于带起落架舱的大型两栖水上飞机,前体舭弯产生的强烈喷溅是阻力峰产生的根本原因。     

大型水陆两栖飞机增升装置特殊设计综述

为掌握大型水陆两栖飞机增升装置工程设计的基本原理和主要技术,设计出满足较高气动力与水动力性能要求的高效增升装置,围绕两栖飞机增升装置的特殊设计方法开展了系统研究。通过对比分析两栖飞机与常规陆基飞机增升装置的技术特征与设计差异,在综合分析国内外典型两栖飞机增升装置的类型及设计特点的基础上,针对两栖飞机的快速性、喷溅性和抗浪性指标,对增升装置在使用和设计环节中相关影响要素进行了详细阐述。依据两栖飞机的使用环境以及使用要求,探讨了气动力与水动力耦合设计对两栖飞机增升装置的重要性,分析了水面喷溅、近水面效应、机构偏转限制等对增升装置的影响机理和影响规律,剖析了增升装置设计与抗浪指标的内在联系,对增升装置下偏量的选取方法给出建议。结合大量水动力、气动力试验和数值模拟数据,总结提炼出了与工程实际紧密结合的两栖飞机增升装置特殊设计原则。依据本文总结的设计方法完成的增升装置方案,已成功应用于我国正在研制的某大型水陆两栖飞机。通过风洞及水动力试验验证,结果表明该飞机越过阻力峰后未发生主喷溅冲击增升装置的现象,耐波性预报表明该飞机的抗浪能力满足预定的技术要求,从而进一步验证了本文提出的增升装置设计思路和设计方法的可行性,且具有较强的工程应用价值,可为两栖飞机增升装置的设计提供可靠的设计参考。     

大型水陆两栖飞机抗浪能力研究

阐述了大型灭火/水上救援水陆两栖飞机高抗浪船体设计方法，对飞机起飞过程中的水阻力、滑行稳定性和波浪运动响应进行了研究。通过对比分析，发现断阶喷溅形态是影响水阻力出现第2峰值的关键因素，提出了水阻力曲线出现第2峰值的条件；分析了在纵倾角-速度图中不同区域滑行时飞机纵倾角响应特性，明确了飞机在典型状态的稳定边界；通过研究波长、速度对飞机纵倾角、飞高和机身垂向过载的影响，确定了飞机在波浪水面发生剧烈运动响应时对应的波长范围。     

某型水陆两栖飞机主结构铝合金材料选用分析

材料选用是飞机研制过程中的一项重要内容,选用材料的好坏直接影响飞机性能的优劣,飞机选材需要考虑多个因素。某型水陆两栖飞机按照疲劳、损伤容限设计原则进行结构设计。通过对某型水陆两栖飞机载荷工况和服役环境的分析,结合飞机基本选材原则和某型水陆两栖飞机结构设计对材料的静强度性能,疲劳、损伤容限性能,耐腐蚀性能等的要求,综合考虑铝合金材料特点、适航性、成本及供货等因素,最终提出某型水陆两栖飞机结构的铝合金材料选材方案。     

大型水陆两栖飞机翼型优化设计

对大型水陆两栖飞机翼型进行了数值优化设计研究,通过以翼型设计升力系数下的阻力系数最小化为设计目标和以翼型低头力矩、最大升力系数、失速后升力系数下降率作为约束条件的大型水陆两栖飞机翼型优化设计,在满足翼型相对厚度、最大厚度位置、最大弯度、最大弯度位置符合相应设计范围的情况下,得到了综合性能较基本翼型提高的新翼型.该设计方法适用于大型水陆两栖飞机的翼型设计,是一种符合工程应用实际的数值优化设计方法.      

我国适航规定轻型水陆两栖飞机部分的修订建议

本文从水陆两栖飞机的国内外发展现状入手,展望了水陆两栖飞机的未来应用。结合我国目前的适航审定规则与国外发达通航国家的适航规章,从飞行性能和特征、结构和载荷、航电系统三个方面比较分析了现有适航规定中水陆两栖飞机的适航要求异同,总结其特点,并分析了适航规章的不足；根据轻型水陆两栖飞机的实际结构特点和任务模式,提出了我国现有适航规定在水陆两栖飞机方面的适航要求在起飞特性、结构安全、密封和腐蚀防护以及驾驶舱系统集成等方面的增补建议。     

大型水陆两栖飞机地面滑跑稳定性分析与仿真

起落装置直接关系到飞行器的起飞与着陆安全,是其重要部件和系统之一。大型水陆两栖飞机的起落架设计需在空气动力学与水动力学领域得到协调,是一个更为复杂的动力学问题,同时也是当前大型飞机研制中亟待解决的问题之一。基于多体动力学理论与LMS Virtual.Lab仿真环境,建立某大型水陆两栖飞机地面滑跑过程的动力学模型,通过对其地面对称滑跑等情况的仿真计算,着重对滑跑过程中的航向稳定性进行分析,实现水陆两栖飞机对称滑跑动力学分析与仿真。     

船身式水陆两栖飞机起降飞行仿真研究

水陆两栖飞机地面和水面起降特性需要满足适航规章的要求,有必要在飞机方案的优化设计过程中建立准确的计算分析方法来开展评估,以保证飞机方案的适航符合性、降低设计更改风险。基于滑行艇水面滑行水动力分析方法、地面起落架多体动力学建模方法及 Matlab / Simulink 仿真环境,分别建立某船身式水陆两栖飞机水面、地面起降的飞行仿真模型,数学模型中包含飞机本体飞行力学模型、水动力模型或起落架模型,通过对算例飞机水面和地面起飞过程开展飞行仿真,得到飞机各运动状态变量、起落架参数、水动力等的时间历程,并与飞行试验、水池试验数据进行对比分析。结果表明:所建立的船身式水陆两栖飞机地面、水面飞行仿真方法达到了型号设计的精度要求,仿真结果与试验试飞结果吻合得较好。     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘，数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性，全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响，较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先，在interDyMFoam中添加了激励盘模型，以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场，用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响，较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次，对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核，验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后，利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

着水初始条件对水陆两栖飞机着水性能的影响

针对着水初始条件对水陆两栖飞机静水面降落性能影响的问题,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ω两方程模型求解非定常流场,耦合流体体积模型捕捉自由液面,结合改进的流场域网格划分策略,并借助任意拉格朗日欧拉方法处理机体、网格和水气交界面三者关系。基于上述方法,探讨初始姿态角、下降速度和前飞速度对着水性能的影响,其中驾驶舱与重心位置加速度、气动力与水动力、俯仰角与吃水深度等参数变化被考虑在内,逐步得到最优着水初始条件。结果表明：增大初始姿态角有利于减缓飞机各位置除初次触水过载峰值外过载峰值的变化。当飞机俯仰力矩出现极值时,驾驶舱垂向过载显著大于其他方向和位置过载。减小初始下降速度,各加速度值也随之减小,值得注意的是重心垂向加速度值与初始垂向下降速度平方值存在线性变化关系。着水前飞速度的选取应使得气动升力略大于重力,飞机才能获得更佳的着水性能。     

Water takeoff performance calculation method for amphibious aircraft based on digital virtual flight

Owing to the strong coupling among the hydrodynamic forces, aerodynamic forces and motion of amphibious aircraft during the water takeoff process, the water takeoff performance is difficult to calculate accurately and quickly. Based on an analysis of the dynamics and kinematics characteristics of amphibious aircraft and the hydrodynamic theory of high-speed planing hulls, a suitable mathematical model is established for calculating the hydrodynamics of aircraft during water takeoff. A pilot model is designed to illustrate how pilots are affected by the lack of visual reference and the necessity to simultaneously control the pitch angle, flight velocity and other parameters during water takeoff. Combined with the aerodynamic model, engine thrust model and aircraft motion model, a digital virtual flight simulation model is developed for amphibious aircraft during water takeoff, and a calculation method for the water takeoff performance of amphibious aircraft is proposed based on digital virtual flight. Typical performance indicators, such as the liftoff time and liftoff distance, can be obtained via digital virtual flight calculations. A comparison of the measured flight test data and the calculation results shows that the calculation error is less than 10%, which verifies the correctness and accuracy of the proposed method. This method can be used for the preliminary evaluation of airworthiness compliance of amphibious aircraft design schemes, and the relevant calculation results can also provide a theoretical reference for the formulation of flight test plans for airworthiness certification.     

圆管型与叶栅型去旋喷嘴流动对比分析

为了探索喷嘴结构优化对盘腔内流阻特性的影响规律,分别对去旋角度为28°的直叶栅与扩口叶栅型喷嘴下的径向内流共转盘腔在不同转速下开展数值研究,并与圆管型喷嘴作对比。获得了三种结构不同工况下的流场结构、旋流比与相对总压分布图及总压损失分布曲线。研究结果表明:随着转速增大,叶栅型与圆管型喷嘴总压损失系数的变化趋势一致;直叶栅与扩口叶栅的系统总压损失系数均比圆管显著降低40%与27%以上;直叶栅与扩口叶栅喷嘴内的流场结构相似,喷嘴总压损失系数相近,且都随转速增大而缓慢减小。     

微下冲气流对飞机着陆性能的影响

针对飞机在下滑着陆阶段穿越微下冲气流的问题,建立了微下冲气流影响下的飞机纵向运动数学模型。用数值方法计算了微下冲气流对空速、迎角和航迹的影响,结果表明,飞机在穿越微下冲气流时,空速、迎角、下滑航迹变化很明显,飞行员操纵和判断的难度会增大。特别是顺风阶段,航迹比正常偏低很多,对飞机的安全着陆影响很大。     

气助式直接喷射喷油器动态喷雾场数值模拟及试验

为了研究小型飞机发动机气助式直接喷射(air-assisted direct injection,AADI)喷油器喷雾形态及发展规律,采用数值模拟和高速摄影技术对其动态喷雾场进行研究.以锥阀运动的物理学模型为数值计算的移动边界条件,结合动网格技术对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、静动压分布和不同时刻雾化颗粒的空间分布进行动态数值模拟分析.以0.2ms为步长,对3.0ms内不同锥阀开启时刻的喷雾形态、雾化颗粒和贯穿距离进行了试验和仿真对比分析.结果表明:采用CFD仿真模拟技术可对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、压力分布、喷雾形态等参数进行定性分析,有利于揭示喷雾的发展规律,同时通过对喷雾粒径和贯穿距离的定量对比分析,表明了仿真计算的精确性,数值模拟计算与试验结果误差小于5%,满足工程应用的要求.      

大型水陆两栖飞机突风响应特性的程序化设计

现代飞机设计过程中,要考虑飞机遭遇突风时不同部位的动态突风载荷特性.根据大型水陆两栖飞机的设计要求,制订离散突风和连续紊流的分析流程,研究离散突风和连续紊流响应特性的程序化设计方法,并计算飞机各部位的单值载荷包线和组合载荷包线.程序化设计结果表明,大型水陆两栖飞机遭遇突风或紊流时,机体动态载荷量级与静载荷相当,且设计效率大大提高.研究结果为大型水陆两栖飞机的突风载荷设计提供了依据.     

飞机轮胎溅水鸡尾流特性数值模拟

当飞机起落架的多轮经过涉水跑道时，除侧向溅水之外，在轮胎之间由于两股侧向水流汇聚，会形成类似公鸡尾的溅水形态，称之为鸡尾流。相比于轮胎的侧向溅水，鸡尾流成因复杂，且水量更大，溅水高度更高，可能对飞机安全造成更严重的危害。采用数值分析方法对飞机轮胎溅水产生的鸡尾流现象成型机理开展研究。根据轮胎几何结构特点建立飞机轮胎溅水模型，其中轮胎及跑道采用FEM方法建模，积水模型采用SPH法，给出了鸡尾流的形态和速度分布，通过与侧向溅水形态分布的分析与比较，揭示了鸡尾流溅水的形成机制，并研究了水深、轮胎间距、轮胎速度等因素对于鸡尾流形态以及速度分布的影响规律，初步验证了ESDU工程算法对于无翻边轮胎鸡尾流形态描述的可参考性。