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。     

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍;飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

水上电动飞机浮筒设计及起飞滑行

水上飞机起飞滑跑时低速滑行阶段的阻力变化规律对于其设计研究十分重要,而电动水上飞机正常起飞所需最大拉力是否匹配现有电推进系统是飞机改型设计的关键。首先,针对基准浮筒水阻力较大引起的纵向不稳定问题进行了优化设计,优化后浮筒水动性能有明显提高。其次,基于Fluent中的多相流（VOF）模型对水上电动飞机起飞滑跑阶段的力学特征进行了数值模拟计算,着重分析了不同速度下的姿态变化规律、阻力变化及流场特性。最后,对"阻力峰"这一节点下所需电推进系统功率进行了验证计算,结果显示现有装置满足起飞的动力要求;将实际起飞滑跑试验与仿真结果进行对比,结果显示力学特性变化规律基本一致,所得误差在15%之内,验证了仿真计算的可行性,所得结论可为电动水上飞机的研究设计提供借鉴。     

地效飞行器水面起飞滑跑距离估算方法

地效飞行器、水上飞机在水面起飞时,由于受到发动机推力、水动力和空气动力的作用,其运动规律非常复杂。加上阵风、水面状态以及驾驶员的操纵技术等一系列因素,使情况更加复杂化了。本文在基本运动方程中引入了机身浸湿面积与滑行速度成负斜率线性关系的假设,从而简化了起飞距离的计算过程,得到发动机推力与起飞滑行距离之间的关系曲线。本文...     

水上飞机纵向稳定性判别方法研究

水上飞机的稳定性不论在水上飞机的设计阶段还是试验阶段都是设计人员关注的焦点,稳定性是水上飞机在水面安全起降、滑行的保证。为解决传统水上飞机稳定性判别方法的难操作性,结合滑行艇稳定界限估算方法,对已开展且具有代表性的水上飞机单船身稳性试验结果进行了计算分析、总结,并采用数据优化等方法得到了纵稳性限界拟合方程,通过相关试验数据的逆向校核,证明了所得回归公式的准确性。经多次验证,方法不仅可以在开展单船身模型试验时用以确定后续工况,还能为水上飞机的纵向稳性性能研究提供参考。     

水上飞机俯仰转动惯量测量试验的不确定度分析

为了与在其他试验水池进行模型试验的结果精度进行比较,提高拖曳水池的模型试验水平,对水上飞机模型俯仰转动惯量进行了6次测量试验,并对测量不确定度进行了分析。结果表明,延长摆动时间、增长悬挂钢索、提高水平杆两悬挂点间距的一半的测量精度,及增加摆动时间测量结果的稳定性,可降低水上飞机俯仰转动惯量的不确定度。     

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。     

某型水上电动飞机静水起飞阻力峰模拟与分析

针对某型浮筒式水上电动飞机准确计算水阻力峰的问题,利用CFD对其在静水面起飞过程的航行及过渡滑行阶段的运动状态进行了动力学仿真,并对仿真结果进行了试验验证。首先,基于流体体积模型确定了空气与水的两相交界自由表面的形态,基于动态流体相互作用模型明确了飞机的纵倾角及升沉变化,求解了相应状态下的水阻力。然后,通过单浮筒拖曳试验验证了仿真方法的有效性。最后,结合工程实际,进行了姿态限制下飞机水阻力峰的模拟计算,并根据结果进行了电推进系统的选型与设计。所得结果可为水上电动飞机的研究提供参考。     

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。     

船身式水上飞机起飞距离研究

根据船身式水上飞机起飞特点将其起飞划分为4个阶段,并对每个阶段的受力进行简要分析,在现有运输类民用飞机适航规章条款的基础上对水上飞机起飞时各种速度和起飞航迹进行定义,以此形成可被接受的专用条件。进行了Martin Mars大型四发船身式水上飞机起飞性能试验,并提出水上飞机起飞过程中相关操纵问题。     

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.     

多轮多支柱式飞机起落架运动特性仿真研究

为了评估起降阶段的飞机操控特性,针对某型飞机多轮多支柱式起落架系统,研究组成单个起落架支柱的轮胎、缓冲器、刹车系统、前轮转弯等部件的受力、力矩特性及传递过程。基于线性理论,将多个支柱运动特性叠加,运用Matlab/Simulink软件工具,建立整个系统的仿真模型。嵌入某型飞机六自由度运动解算模型进行飞机落震、加速滑跑、高低速转弯、起飞离地、着陆接地、刹车减速等仿真验证,并在某型飞机动基座模拟器上进行飞行试验。结果表明:该起落架模型各项功能完善,能够正确反映飞机姿态响应过程,飞机起降过程感受与真实飞机基本一致。     

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。     

Flow visualization study of an airship model using a water towing tank

The work presented investigates the aerodynamic drag and flow physics of an airship configuration. The investigation is carried out experimentally in a water towing tank. The purpose of this project is to improve the understanding of the aerodynamic characteristics of an airship through quantitative and qualitative approaches. Qualitative measurements of integral drag force and moment are measured in the presence of a crosswind. Flow visualization using colored and fluorescent dyes has been applied to improve knowledge of the aerodynamics of airship configurations with an emphasis on the boundary layer separation, transition and hull–appendage interference effects.     

基于LBM-LES方法两栖水翼航行器水动特性分析

目前,国内外对于两栖航行器气动/水动特性的研究仍处于探索与发展阶段。结合鱼雷及水翼船的特点,提出一种通过改变外形实现水下、水面航行的新型两栖水翼航行器。基于LBM-LES方法对航行器水动特性进行数值仿真,得到航行器在水下、水面航行时的升力、阻力曲线。结果表明:在水下航行时,收缩水翼的航行器在较小的迎角范围内阻力较小,适合高速航行;在水面航行时,展开的水翼增大了航行器的升力、减小了阻力;通过改变外形航行器能够满足在水下、水面的航行要求,其外形设计及两栖航行性能还有较大的优化空间。