水陸兩棲飛機典型橫截面入水撞擊實驗研究*

王明振,褚林塘,吳 彬,焦 俊,孫 豐

(1.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035;2.高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035;3.中航通用飛機有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519000)

水陸兩棲飛機典型橫截面入水撞擊實驗研究*

王明振1,2,褚林塘2,3,吳 彬1,2,焦 俊1,2,孫 豐1,2

(1.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035;2.高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035;3.中航通用飛機有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519000)

選取當(dāng)今世界幾種水陸兩棲飛機典型橫截面為研究對象，通過進行不同投放高度和不同質(zhì)量的楔形體入水沖擊實驗，動態(tài)測量楔形體入水沖擊過程中的壓力并記錄自由液面變化情況，研究了不同實驗件的自由液面變化、沖擊壓力隨時間變化及局部壓力分布規(guī)律等。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)帶舭彎的弧形橫截面型式有利于降低水陸兩棲飛機在復(fù)雜海況下的著水沖擊載荷，可作為水陸兩棲飛機設(shè)計的參考線型。

爆炸力學(xué)；入水；沖擊；水陸兩棲飛機；楔形體

對于水陸兩棲飛機而言，著水撞擊載荷和水面滑行載荷是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要載荷工況，現(xiàn)行的確定船體在著水過程中的沖擊載荷的計算方法是以H.Wagner理論[1]為基礎(chǔ)演變的。在某些情況下，船體上某一橫截面上的壓力分布可以直接用恰當(dāng)?shù)男ㄐ误w上的壓力分布來近似。因此，利用楔形體入水撞擊實驗等效地分析不同橫截面型式對著水沖擊載荷的影響是一種十分有效的方法。

針對結(jié)構(gòu)物入水沖擊問題，已經(jīng)開展了一系列理論和實驗研究工作[2-6]。其中,入水沖擊實驗主要研究簡單V型截面的入水沖擊特性，例如陳小平等[7]和莫立新等[8]分析了楔形體板架結(jié)構(gòu)剛度對沖擊壓力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。L.Xu等[9]的實驗校核了剛性體入水理論。孫輝等[10]進行了二維楔形體入水時的流固耦合響應(yīng)的實驗研究。Y．Ei-Mahdi等[11]分析了不同斜升角的楔形體入水撞擊規(guī)律。

水陸兩棲飛機在以往設(shè)計過程中，為達到提高其快速性、穩(wěn)定性及耐波性并降低噴濺特性的目的，通常采用帶舭彎或變斜升角的截面形式。這種水陸兩棲飛機特有的橫截面型式在入水撞擊壓力分布、自由液面變化等方面有其特有的規(guī)律，而國內(nèi)外對水陸兩棲飛機船體特有的橫截面型式研究較少，未能對水陸兩棲飛機著水載荷分析提供足夠的數(shù)據(jù)支持。本文對幾種典型水陸兩棲飛機船體剖面進行入水實驗研究，選型更貼近于實際，可為相似船型的飛機船體外形設(shè)計提供相對可靠的參考。

圖1 楔形體橫截面對比Fig.1 Cross-sectional difference of the three wedges

選取當(dāng)今世界幾類具有代表性的水陸兩棲飛機典型橫截面型式進行入水撞擊實驗。分析比較不同截面型式入水沖擊時的水動力特性，研究舭線浸水深度和船底橫向曲率對著水載荷的影響，找出水陸兩棲飛機斷階著水工況下最有利的橫截面型式。

1 幾類水陸兩棲飛機橫截面型式簡介[12]

圖1為幾種船型的對比圖。CL-415飛機在船體的前體與后體橫截面上采用無舭彎的V型船底，設(shè)置有簡單直斷階。US-2飛機在船體截面型式選擇上，充分考慮了水面起降的各種性能，其前體采用了帶舭彎的截面型式，橫截面為弧形。Be-200是俄羅斯設(shè)計的水陸兩棲飛機，在船體設(shè)計上，采用大長寬比的流線型機身，機身呈圓錐形，前段機身底部呈W型，后段為V型，采用變化的底部斜升角。

2 實驗設(shè)計

水陸兩棲飛機的著水可能有以下幾種情況，斷階、艏部或艉部正常著水，或者艉階和斷階同時正常著水，現(xiàn)行規(guī)范中給定的著水過程存在以下假設(shè)：(1)撞擊過程無俯仰運動；(2)撞擊部位和區(qū)段為等截面[13-14]?；诖?，利用楔形體入水撞擊實驗對水陸兩棲飛機可能的著水情況進行分析是可行的。

圖2 實驗件安裝示意圖Fig.2 Diagram of the experimental set-up

入水撞擊實驗件安裝示意圖如圖2所示。實驗件懸掛在電磁鉤上之前，先將其在平臺上調(diào)平。實驗采用自由落體的方式實現(xiàn)垂直入水撞擊過程，待采集系統(tǒng)裝備完畢后，脫開電磁鉤，每個實驗狀態(tài)重復(fù)3～5次。

實驗件參考CL-415、US-2、Be-200等飛機典型橫截面進行設(shè)計，為等橫截面楔形體，加工材料選用紅松，楔形體剛度滿足實驗要求。楔形體大小為1 m×0.8 m×0.8 m。

本實驗主要測試不同質(zhì)量、高度下楔形體的入水撞擊壓力大小及分布，記錄自由液面變化情況，具體實驗參數(shù)見表1，表中m為實驗件質(zhì)量，h為距離水面的高度。

在楔形體底部同一橫截面處布置有7個壓力傳感器(型號：BCM520S-3，量程：0～300 kPa，廠家：嘉偉商貿(mào)),如圖3和表2所示，表中d為傳感器距離楔形體對稱面的距離。主要研究壓力沿橫截面以及水載荷隨浸水深度變化規(guī)律，分析對比不同橫截面的水載荷特性。其中，傳感器4與傳感器6、傳感器3與傳感器7均相對于對稱面對稱布置，用于判定實驗件是否垂直入水。

圖3 壓力傳感器布置圖Fig.3 Configuration of the pressure transducer

表1 實驗參數(shù)Table 1 Test parameters

3 實驗結(jié)果分析

3.1 自由液面的變化

楔形體入水時撞擊過程很短暫，僅僅持續(xù)幾十毫秒。楔形體與水面發(fā)生沖擊作用時，會引起水的反向運動，在楔形體表面形成排擠波，從而使得濕表面有所增加并影響流體與結(jié)構(gòu)之間的速度[15]。

楔形體入水過程中，液體表面受到物面的擠壓、表面張力、大氣壓力和重力等因素共同作用，會沿著楔形面抬升而形成噴射區(qū)域，噴射區(qū)對于確定流場的動邊界和楔形體濕表面的長度起著重要作用[16]。

對于水陸兩棲飛機而言，舭線浸水深度是影響水載荷系數(shù)的主要因素之一。其他參數(shù)相同的前提下，舭線浸水與不浸水的撞擊載荷的比值，一般小于1，即舭線浸水總是趨于減少最大加速度[14]。水陸兩棲飛機著水撞擊載荷系數(shù)nw可表示為[14]：

式中:h為浸水深度，β為底部斜升角，v0為入水時的著水速度，ρ為海水密度，M為線質(zhì)量。

本實驗通過攝像機及照相機得到了不同橫截面入水過程中某個時刻的水面形狀，開始水面只是貼近底板面處有變形，隨后，出現(xiàn)射流，即噴濺。底板附近水面向下凹，隨著凹下水面的升高，射流從底板邊緣射出。但由于橫截面形式的不同，射流出現(xiàn)的時間、形狀及強度不盡相同。

圖4 楔形體浸水深度對比Fig.4 Difference in immerged depths

從圖4可以看出，楔形體1舭線浸水深度最大，楔形體2次之，楔形體3最小，根據(jù)上述理論分析可知，在其他參數(shù)不變的情況下，楔形體1舭線浸水深度最大，所承受的著水撞擊載荷系數(shù)最小，楔形體3體舭線浸水深度最小，著水載荷系數(shù)最大。

從圖5～6可以看出，楔形體1水面形狀變化最劇烈，從噴濺性能方面看，其噴濺高度為2 741.2mm、寬度為2 539.0mm，噴濺性能最差，楔形體2噴濺高度為1 833.8mm、寬度為2 261.4mm，噴濺性能明顯改善，楔形體3噴濺高度為962.3mm、寬度為1 858.5mm，噴濺性能最好。

圖5 工況2下鍥形體投放0.3 s后自由液面變化Fig.5 The free surface variety for case 2 at 0.3 s

圖6 噴濺高度和寬度對比Fig.6 Spray height and width

3.2 壓力分布對比分析

對于水陸兩棲飛機而言，若飛機對稱著水，針對無舭彎的船底，由于觸水速度和浸水深度的影響，舭處的壓力為龍骨處壓力的75%，龍骨與舭處的壓力成線性分布[13]；對于帶舭彎的船底，由于舭處壓力要比無舭彎的船底壓力要略大，舭彎起點處的壓力與無舭彎船底的壓力相同，舭和舭彎起點之間的壓力成分段線性分布。即，針對無舭彎的橫截面，局部壓力沿橫向從大到小線性分布；有舭彎的船底，局部壓力沿橫向大-小-大分布[13]。

從圖7可以看出，在0.02 s的時間內(nèi)，測壓點處水動力完成能量的積聚與釋放，形成沖擊壓力峰值。從圖8可以看出，不同測壓點的壓力峰值出現(xiàn)時間不同，隨著實驗件浸水深度的增加，從測壓點5到測壓點1依次與水面遭遇，測壓點5峰值最大出現(xiàn)在6.004 s，測壓點1峰值最小出現(xiàn)在6.068 s。

從圖9～10可以看出，楔形體質(zhì)量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大，同一入水速度不同質(zhì)量下底部壓力沿橫截面方向分布趨勢相同，且隨質(zhì)量的增加而增大，同一質(zhì)量不同入水速度下，距離對稱面越遠(yuǎn)，入水速度不同引起的壓力變化越小。從局部壓力沿橫向分布規(guī)律來看，楔形體1～3局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；楔形體2局部壓力沿橫向大-小-大的非線性分布。綜合看來3種模型在不同質(zhì)量和不同速度下的壓力峰值變化依模型編號次序增大。

圖7 測壓點2處的壓力曲線Fig.7 Pressure curve measured by the pressure transducer 2

圖8 不同測壓點壓力峰值到達時間對比Fig.8 Peak pressure time of all transducers

圖9 楔形體質(zhì)量不同時壓力沿橫向分布情況Fig.9 Pressures for different wedge masses

圖10 楔形體速度不同時壓力沿橫向分布情況Fig.10 Pressure curves of wedges with different velocities

楔形體入水撞擊壓力值的大小與實驗件的質(zhì)量、入水速度、底部構(gòu)型有關(guān)，質(zhì)量和入水速度相同的情況下，楔形體受到的沖擊壓力與構(gòu)型有關(guān)，圖11和表3給出了3個模型在質(zhì)量70 kg、入水速度為4 m/s工況下的壓力峰值，易知在楔形體1橫截面形式為簡單V型截面且斜升角較大，受到的沖擊壓力值最小；楔形體2橫截面形式為弧形，受到的沖擊壓力值比楔形體1略大；楔形體3橫截面采用分段的形式，第1段底部斜升角較小、第2段舭彎較大，受到的沖擊壓力值最大，從而驗證了3.1節(jié)中的結(jié)論。

圖11 壓力沿橫向分布對比Fig.11 Pressure distribution of the three wedges

表3 3個楔形體峰值壓力對比Table 3 Peak pressures of the three wedges

4 結(jié) 論

通過實驗研究，針對不同橫截面的楔形體垂直入水，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過攝像記錄了垂直入水沖擊產(chǎn)生的射流運動(噴濺)。楔形體1水面形狀變化最劇烈，噴濺性能最差，噴濺高度是楔形體3的2.85倍左右；楔形體2噴濺性能明顯改善，噴濺高度是楔形體3的1.91倍左右；楔形體3噴濺性能最好，但舭線浸水深度最小，著水沖擊載荷最大。

(2)楔形體質(zhì)量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大，但底部壓力沿橫截面方向分布趨勢相同；同一質(zhì)量不同入水速度下，距離對稱面越遠(yuǎn)，入水速度不同引起的壓力變化越小。

(3)3種模型在不同質(zhì)量和不同速度下的壓力峰值變化依模型編號次序增大。對于質(zhì)量70 kg、入水速度為4 m/s工況，楔形體2最大與最小壓力之比最小，為115%左右；楔形體1次之，為139%左右；楔形體3最大，為301%左右。從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮楔形體2線型最有利于控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

(4)實驗驗證了局部壓力沿橫向分布規(guī)律，即無舭彎的橫截面，局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；有舭彎的船底，局部壓力沿橫向大-小-大非線性分布。

綜合上述結(jié)論可知，楔形體2著水載荷比楔形體1略大，噴濺性能介于楔形體1和3之間。且從結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，采用楔形體2的橫截面型式進行船體設(shè)計的飛機，著水載荷沿橫向分布更合理。在進行水陸兩棲飛機船體設(shè)計時，在對其他水動性能影響不大的前提下，建議采用該橫截面型式進行船體設(shè)計。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Experimental study on the water impact of a typical cross section for amphibious seaplane

Wang Mingzhen1,2, Chu Lintang2,3, Wu Bin1,2, Jiao Jun1,2, Sun Feng1,2

(1.ChinaSpecialVehicleResearchInstitute,Jingmen448035,Hubei,China;2.KeyAviationScientificandTechnologicalLaboratoryofHigh-SpeedHydrodynamic,Jingmen448035,Hubei,China;3.ChinaAviationIndustryGeneralAircraftCo,Ltd,Zhuhai519000,Guangdong,China)

The effect of hydrodynamic impact on the amphibious seaplane is an important consideration in its structural designing and intensity checking. In addition, such impact is a major factor affecting its structural weight. By varying two parameters: drop height and drop weight in the experiment, the pressure and the change of the free surface of liquid for three different wedges are dynamically measured. In the present work, the local pressure distribution, the impact pressure changing with time and the variety of the free surface on several free-falling wedges have been investigated. These wedges have been chosen from the representative cross section of amphibious seaplanes commonly used worldwide. By comparing the experimental results, the conclusion is reached that the wedge with a flared cross section reduces the impact pressure effectively when the amphibious seaplanes land on intricate waves. This study is expected to offer valuable reference for the hull designing of the amphibious seaplane.

mechanics of explosion; water-entry; impact; amphibious seaplane; wedge

10.11883/1001-1455(2016)03-0313-06

2014-10-21； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-16

2015-02-16

航空科學(xué)基金項目(20120191326091)；中航工業(yè)科技創(chuàng)新基金項目(2013A60505R)

王明振(1984— )，男，碩士，高級工程師，wmznnn1983@126.com。

O389;V219 <國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 文獻標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

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