基于SPH的小型飞机水上迫降姿态数值仿真

适航条例中要求飞机必须具备良好的水上迫降性能。早期主要通过试验方法研究飞机的水上迫降性能,但是试验耗资巨大、时间周期长。采用一种新型的数值模拟方法研究飞机水上迫降问题,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法模拟三级波浪,建立小型飞机水上迫降模型。考虑到飞机姿态角和起落架收放状态对迫降性能的影响,建立7种计算工况,模拟得到相应的加速度响应和姿态角变化。以飞机在迫降过程中应该受到较小的加速度响应和姿态角变化为依据,通过对比分析计算结果,最终给出12°姿态角、起落架收起为最优迫降状态的结论,为飞机迫降的入水姿态提供技术支持。     

整体运动网格法在飞机水上迫降模拟中的应用

对NACA TN 2929模型的水上迫降性能进行数值模拟研究。采用有限体积法求解RANS方程和r-k-ε湍流模型,采用VOF方法捕捉水气交界面,采用六自由度模型和整体动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。在计算过程中,整个计算域内的网格都随飞机做刚体运动,从而有效避免了传统变形网格技术中的计算成本高、网格质量低的问题。利用该数值方法首先模拟了二维圆柱自由落体入水冲击,计算结果和实验数据吻合较好;然后详细研究了NACA TN2929模型各部件在水上迫降过程中的作用,计算结果表明在分析飞机水上迫降性能时,气动载荷的影响不可忽略。     

某型客机水上迫降的着水冲击力学性能数值研究

数值模拟某型客机在平静水面上的迫降过程,研究俯仰角对着水冲击力学性能的影响规律。控制方程选为非定常不可压缩流动的RANS方程和标准k-ε湍流模型,使用VOF方法捕捉自由水面,利用动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。俯仰角增加,飞机水上迫降过程中的最大纵向力单调增加,最大法向力、最大低头力矩和表面最大冲击压力均先增加后减小,因此该飞机适宜以较大俯仰角进行水上迫降。     

基于CEL的某型飞机撞水数值仿真

飞机水上迫降已成为适航取证不可缺少的一部分.飞机撞水过程属于复杂的流固耦合模型,从发生在2014年震惊全球的马航MH370航班失事重大事故的背景出发,依据流固耦合理论为基础,对失事客机波音B777-20ER进行非计划的水上迫降冲击动力学分析研究.利用有限元仿真软件ABAQUS采用耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)模拟失事飞机在无计划情况下撞水过程.根据马航MH370官方发布的事故搜救信息和安全调查讨论,建立合理的飞机撞水有限元模型,对不同工况下进行数值模拟,着重讨论飞机偏转角和飞机翼尖压强变化趋势,验证采用CEL法研究飞机水上迫降性能的可行性,也为研究水上迫降和航空失事飞机搜救调查提供参数指导和技术参考.     

大型飞机机身垂直入水冲击特性数值研究

针对带有中央翼盒的某型飞机的机身,数值研究了不同入水速度、姿态角和尾翘角对入水过程中机身压强和冲击力的影响规律。数值模拟中,控制方程选为非定常可压缩流动的雷诺时均Navier-tokes方程(RANS)和实现的k-ε模型,使用体积分数(VOF)方法捕捉水气交界面的变化,采用整体动网格技术来模拟机身相对于水面的运动。结果分析表明:机身入水过程中压强峰值首先出现在喷溅根部,随后转移至机身底部;入水初期机身冲击力系数迅速增大,而后略有回落,入水后期由于中央翼盒冲击水面会导致冲击力系数再次迅速增大,而后小幅震荡。速度越大、姿态角越大、尾翘角越小,机身冲击力系数越小。     

波浪情况下民机水上迫降性能数值分析

为了研究波浪情况下民机水上迫降性能,选用计算流体力学的有限体积法求解非定常不可压缩RANS方程,基于VOF法、整体动网格法、斯托克斯五阶波浪模型和自适应网格技术,以空客A320-200为研究对象,按照适航规章相关要求与建议,构建了民机水上迫降数值仿真模型。首先,对比分析了静水面和波浪水面下飞机水上迫降过程。结果表明：相同初始飞行参数下,波浪水面下最大水平过载为2.42 g,是静水面的1.09倍;最大垂向过载为4.82 g,是静水面的2.82倍。2种情况下,空气垫效应和潜水现象明显,碰撞初段,飞机均受到吸力作用;波浪情况下,跳跃现象出现,但并未对飞机的运动过程产生剧烈影响。其次,研究了波浪参数对水上迫降性能的影响。分析结果表明：同一波峰撞击阶段内,波高越高,则最大水平过载和最大垂向过载越大;波长越长,则最大垂向过载越小;波高越高,波长越长,则最大下沉速度越大。     

民用飞机弹性结构水上迫降试验载荷研究

刚体模型和弹性体模型的载荷传递方式不同,为了研究刚体模型和弹性结构模型对飞机水上迫降载荷的影响,根据动力相似性原理设计制造了刚体模型,并根据强度相似性原理设计制造了弹性结构部件,通过气囊加载试验系统验证了弹性结构部件满足强度相似设计要求。通过水上迫降模型试验测得加速度-时间历程曲线,使用傅里叶变换处理试验数据得到加速度峰值。根据刚体模型的试验数据分析,飞机以初始俯仰角12°、襟翼为着陆构型、较小的下沉速度和中重心状态入水时,飞机在水上迫降过程中受到的载荷较小。研究表明：带弹性结构模型和刚体模型所得到的飞机载荷有明显的不同,带弹性结构模型得到的垂向加速度峰值明显低于刚体模型。这种现象主要是由于机体着水底部弹性结构变形吸收了大量的能量。     

高超声速再入飞行器的多孔流动控制

针对高超声速再入飞行器流动控制问题,提出一种头部进气、尾部排气的多孔流动控制概念。采用Fluent软件针对高超声速再入飞行器无孔模型、排气孔模型在马赫数为6,高度为25km状态下开展了三维雷诺平均N-S方程(RANS)数值模拟研究。结果表明:排气孔模型阻力系数略有增加,下排气孔(SH-DB)模型产生正的升力系数增量和低头力矩增量,上排气孔(SH-UB)模型产生负的升力系数增量和抬头力矩增量,实现了无活动气动面产生控制力矩的目的,为高超声速再入飞行器复合控制提供了参考。      

民用飞机水上迫降数值仿真方法研究进展

水上迫降是飞机设计时必须要考虑的一种应急着陆场景,总结水上迫降研究领域的数值仿真方法,能够为民用飞机设计中的水上迫降分析提供支撑。本文综述了国内外在民用飞机水上迫降数值仿真方法上的研究进展,主要包括面元法、有限体积法、光滑粒子水动力学法和有限元法;对这些方法的基本原理、发展过程和应用情况进行了归纳总结,对不同方法的适用性和优劣性进行了对比分析;通过对水上迫降数值仿真方法的分析,对数值仿真方法未来的研究方向提出了建议。     

飞行器水载荷结构完整性数值模拟现状与展望-Part I:水上迫降和水上漂浮

现代飞行器面临水上迫降、水上漂浮、贮箱晃动和投汲水等复杂水载荷的结构完整性和乘员安全性分析问题日趋重要,随着科学技术的发展,数值模拟已经成为飞行器设计、分析和适航取证的重要手段。以固定翼飞机、水陆两栖飞机、直升机、火箭和卫星等现代航空航天飞行器为对象,围绕适用于飞行器水载荷分析的数值模拟方法进行综述,根据外流（水上迫降和水上漂浮）和内流（贮箱晃动和投汲水）的不同将综述内容分为Part I和Part II两部分。Part I的主要工作为：首先,归纳水上迫降和水上漂浮的事故和试验,总结水气两相流和流固耦合算法的发展现状和优缺点;随后,结合工程实际,介绍飞行器水上迫降和水上漂浮的范畴、水载荷分析要点、适用的数值模拟方法和软件的国内外发展情况,其中,水上迫降的总结包括飞行参数、波浪水面和弹性体对迫降性能的影响研究,水上漂浮的总结涵盖了飞行器构型参数、破舱和波浪对漂浮性能的影响研究;最后,指出复杂风浪情况下水上迫降和漂浮的水气固三相耦合工程应用难点和解决途径,并探讨飞行器水载荷数值分析的技术挑战和未来的发展方向。     

Effect of pitch angle on initial stage of a transport airplane ditching

Airworthiness regulations require that the transport airplane should be proved to ensure the survivability of the ditching for the passengers. The planned ditching of a transport airplane on the calm water is numerically simulated. The effect of pitch angle on the impact characteristics is especially investigated by a subscaled model. The Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations of unsteady compressible flow are solved and the realizable j-e equations are employed to model the turbulence. The transformation of the air-water interface is tracked by volume of fluid (VOF) model. The motion of the rigid body is modeled by dynamic mesh method. The initial ditching stage of the transport airplane is analyzed in detail. The numerical results show that as the pitching angle increases, the maximal normal force decreases and the pitching motion becomes much gentler. The aft fuselage would be sucked down by the water and lead to pitching up, whereas the low horizontal tail prevents this trend. Consequently, the transport aircraft with low horizontal tail should ditch on the water at an angle between 10 and 12 as a recommendation.     

飞机机翼-机身连接结构受力特性分析研究

机翼-机身连接结构作为飞机设计中最重要的一环,应当准确分析其受力特性,合理设计其连接结构。基于有限元计算结果对A、B两种机翼-机身连接结构形式进行受力特性研究,分析表明B结构的机翼后梁后梯形板(或A结构前三角板)分担了部分载荷,减轻了后梁站位加强框承受的载荷。B结构连接刚度相对柔性,减小了后梁处协调变形的影响。A结构设计了后三角板,通过后三角板将起落架部分机构与机身的连接,后三角板分担了部分起落架载荷,对于机身的内力均匀分布是有利的。     

座舱及进气道对某飞翼布局电磁散射影响

座舱和进气道对飞行器隐身性能有重要作用。为分析座舱及进气道的散射影响特性,建立了四种包含不同部件的电磁模型,结合物理光学法和雷达截面积(RCS)均值相对增值概念,研究了RCS曲线分布影响、俯仰角响应特性、频率响应特性。结果表明:考虑隐身设计的座舱和进气道不改变散射分布特性,RCS曲线分布特性相似;俯仰角增加,座舱影响较小,进气道、混合座舱和进气道前向、后向、周向角域相对增值震荡性递增,频率增加,座舱对电磁散射影响不大,进气道、混合座舱和进气道的前向、后向角域的相对增值震荡减小。座舱对电磁散射影响较小,前向相对增值位于-2.4～1 dB之间,进气道对电磁散射影响较大,前向相对增值为2～12 dB。     

飞机中性稳定的研究

 飞机直接力控制这一主动控制技术应用于火力/飞行综合控制,可有效地提高火控精度,延长接火时间,提高命中概率。但欲进一步提高攻击区的姿态跟踪精度已受到自然飞机惯性动力学的限制。本文提出飞机中性稳定机身瞄准这一新型模态,其途径是使用后缘襟副翼的对称偏转,对迎角小扰动变化进行气动解耦,从而构成飞机中性稳定,使飞机动力学由惯性振荡型转变为非周期型,有效地加速了飞机在攻击区的姿态跟踪动志过程,抑制了动态误差,明显地提高了抑制阵风干扰能力,并实现了姿态控制过程中航迹基本不变的机身瞄准模态控制要求。对诸如上述火力/飞行系统设计者所寻求的性能,本文将以YF-16飞机为背景,在理论设计基础上进行必要的仿真验证。     

拦阻钩初次碰撞道面反弹动力学

分析了飞机着舰拦阻时,拦阻钩初次接触道面碰撞后被反弹的动力学成因,建立了飞机拦阻钩碰撞道面的弹跳模型。研究了下滑轨迹角和甲板角对拦阻钩碰撞反弹角速度和拦阻钩所受冲量的影响,并分别考虑了航母俯仰运动和甲板凸起物对拦阻钩碰撞反弹性能的影响。结果表明：轨迹角约4°时,拦阻钩反弹角速度和其所受冲量随下滑轨迹角呈线性变化;反弹角速度与甲板角的余弦成反比,道面冲量与甲板角余弦的平方成反比;航母向上的俯仰运动和甲板凸起物增大了拦阻钩反弹角速度,凸起物达到一定角度时,机身推拦阻钩的冲量变为拉拦阻钩的冲量。该模型的结果为机身和拦阻钩装置的设计提供了重要依据。     

民用飞机翼身对接斜撑板结构分析

斜撑板结构可以充分发挥分散载荷和降低区域应力水平的作用。对不同机型的斜撑板结构的传力特性进行分析,总结斜撑板结构的设计要点。并以某机型选用斜撑板结构的设计为例,提出一种斜撑板结构的改进方案(斜撑板侧边和后梁框刚性连接、下边和对接带板充分连接),并与其他两种设计方案进行对比分析。结果表明:改进方案的斜撑板结构翼上区和舱上区的剪应力分别降低了19%和23%,后梁框的集中载荷降低了67%,结构效率更高、稳定性更好。     

飞机全动平尾颤振特性风洞试验

高机动飞机全动平尾颤振设计的重要手段就是颤振模型风洞试验。针对一个飞机的全动平尾,采用了单独平尾和中央固支的后机身-平尾组合体两种方案的低速颤振风洞试验,研究平尾的基本颤振耦合机理以及后机身垂尾气动力干扰的影响。然后采用半模跨声速颤振风洞试验研究马赫数对颤振特性的影响和机翼干扰对平尾颤振边界的影响。介绍了低、高速颤振模型的设计和风洞试验的结果,并综合形成了完整的平尾颤振特性规律,尤其在跨声速颤振风洞试验中,使用不同超重系数的颤振模型,研究了质量参数对颤振边界的影响规律。风洞试验结果显示,全动平尾颤振特性研究必须考虑后机身的弹性支持,并且需要使用不同的模型方案考虑机身、机翼和垂尾的气动力干扰,跨声速风洞模型需要考虑超重系数的影响。该研究获得了全动平尾颤振特性的一般规律,可作为相关飞行器设计的参考。