水陸兩棲飛機水池試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計加工技術(shù)淺析

張文軍　黃淼　張家旭

摘? ?要：我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機的研制取得重要進(jìn)展，模型水池試驗是驗證、分析飛機水面起飛、著水性能的重要方法。本文結(jié)合水陸兩棲飛機水池試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)特征，分析了試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計過程中的外形、重量/慣性矩以及基準(zhǔn)線/基準(zhǔn)面技術(shù)要求。提出了模型關(guān)鍵部件的定位設(shè)計方法，取得了良好效果。結(jié)果顯示按該方法設(shè)計、加工的模型重量、慣性矩誤差能控制在0.12%和5.7%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲飛機? 水池試驗?zāi)Ｐ? 設(shè)計技術(shù)? 加工技術(shù)

中圖分類號：V271.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0079-02

我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機分別于2017年12月24日和2018年10月20日成功實現(xiàn)陸上、水上首飛，型號研制取得重要突破。在該型號的研制過程中，開展縮比模型水池試驗是驗證飛機的水面起飛、著水性能的重要方法，大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機先后開展了單機身模型試驗、滑行穩(wěn)定性模型試驗、快速性模型試驗、耐波性模型試驗、著水載荷模型試驗，這些試驗全面的驗證了飛機在水面起飛、降落過程中的水動力性能[1-3]，為安全首飛奠定了基礎(chǔ)。試驗?zāi)Ｐ偷木燃凹夹g(shù)狀態(tài)決定了試驗結(jié)果能否真實反映飛機的水動力性能，因此模型的外形尺寸、安裝角度、重量、慣性矩都有相應(yīng)的精度要求。

1? 水池試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)特征要求

為保證試驗?zāi)Ｐ偷募庸ぞ?，試驗?zāi)Ｐ鸵话憷媚＞呒庸こ蓮?fù)合材料模型?？紤]到水陸兩棲飛機的復(fù)雜外形，為保證模具的拔模特性，需要將飛機分割成多個部分分別制作模具，特別是對于機身部分，由于船體、機翼都與機身直接連接，其拔模特征較復(fù)雜，僅機身部分需要分成3或4部分進(jìn)行加工。各部分加工完成后組裝時，為保證安裝精度，需要各部件上都需要有基準(zhǔn)線或者基準(zhǔn)面。

水陸兩棲飛機模型水池試驗以傅汝的數(shù)相似原理為準(zhǔn)則，試驗?zāi)Ｐ团c實機之間滿足幾何相似、運動相似和動力相似。對于模型的設(shè)計與加工，需要重點考慮長度、速度、質(zhì)量和慣性矩。模型的長度和速度主要受到試驗水池的長度、寬度以及拖曳能力的影響，這也決定了試驗?zāi)Ｐ偷目s比值的大小。此外，試驗?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量、慣性矩與實機之間分別成縮比的三次方和五次方的關(guān)系，這說明試驗?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量、慣性矩急劇減小，在設(shè)計和加工試驗?zāi)Ｐ蜁r，必須對模型的重量分配進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則試驗?zāi)Ｐ秃茈y達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)狀態(tài)要求。

1.1 外形要求

開展水陸兩棲飛機模型水池試驗時，主要是機身下部分的船體與水面接觸，因此船體的外形加工精度要求相對較高，而機翼、尾翼等其他部件的外形進(jìn)度相對較低。根據(jù)大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)要求，船體的外形進(jìn)度誤差不大于0.5mm，機翼、尾翼外形精度誤差不大于0.8mm。

1.2 重量/慣性矩要求

試驗?zāi)Ｐ偷闹亓俊T性矩對模型在靜水和波浪中的運動特征影響較大，一般而言，試驗?zāi)Ｐ偷闹亓空`差要控制在1%以內(nèi)、慣性矩誤差要控制在10%以內(nèi)。

在開展模型設(shè)計時，要對模型各部件蒙皮、內(nèi)部結(jié)構(gòu)件、配重的分配進(jìn)行設(shè)計與控制，并對表面噴漆的重量都要提出控制要求，以保證加工的模型滿足重量和慣性矩要求。

1.3 基準(zhǔn)線/基準(zhǔn)面要求

在模型的組裝、調(diào)試過程中，需要對模型的關(guān)鍵點、線的安裝精度，模型的對稱性進(jìn)行控制和檢查，因此需要在模具及模型上保留關(guān)鍵的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面。主要包括機身水平基準(zhǔn)線、機翼橫向基準(zhǔn)線、機身機翼對接定位安裝孔、機身尾翼定位安裝孔等。

2? 水池試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計加工工藝分析

2.1 模型的設(shè)計與加工思路

試驗?zāi)Ｐ桶捶謮K加工再組裝的方式進(jìn)行。加工時分為機身、左機翼、右機翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、升降舵、襟翼、浮筒共8個部分。其中，機身、左機翼、右機翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、浮筒各1個模具，襟翼有3個模具。

2.2 模具的設(shè)計與加工

大型水陸兩棲飛機的外形非常復(fù)雜，特別是船體部分，抑波槽、抑波板等凹、凸部件對試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與加工提出了很高的要求。以機身為例，設(shè)計加工時需要考慮機身與機翼、機身與尾翼，以及船體上的抑波槽、抑波板的安裝方式，并根據(jù)安裝方式確定陽模的分塊與簡化。圖1所示為大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機水池試驗?zāi)Ｐ完柲ＴO(shè)計，該陽模分為上下兩部分，并設(shè)計有機身機翼對接安裝孔、機身尾翼對接安裝孔，并在抑波板處挖槽，以保證模具的拔模特性。

陽模保留定位安裝孔的作用是：陽模上的定位安裝孔，有助于加工陰模時預(yù)留出安裝孔位置，這樣在安裝模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)件時可通過陰模上的定位安裝孔對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行定位，以保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)件安裝位置的準(zhǔn)確性，否則在合模時很可能因為內(nèi)部結(jié)構(gòu)件安裝位置不準(zhǔn)確使模型外形受到向外擠壓的壓力，出現(xiàn)合不上模的現(xiàn)象。

2.3 模型的設(shè)計與加工

在開展模型加工時，不同部件的復(fù)合材料鋪層數(shù)不同，其中，機身下部分采用3層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層，機身上部分、機翼、浮筒、襟翼采用2層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層，而垂尾、平尾離重心位置較遠(yuǎn)，對模型慣性矩的影響較大，采用1層碳纖維+1層玻璃纖維鋪層。

除通過限制鋪層數(shù)量對模型的重量進(jìn)行控制外，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的安裝也十分關(guān)鍵，特別是機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)件關(guān)系到重心位置的確定。機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的安裝方法是：根據(jù)各結(jié)構(gòu)框之間的理論距離，在機身梁上測量出相應(yīng)的距離，確定各結(jié)構(gòu)框之間的距離。然后對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)框在模型（一般為斷階位置所在的結(jié)構(gòu)框）內(nèi)部進(jìn)行定位，定位方法是利用結(jié)構(gòu)框上的定位安裝孔、機身陰模左、有部分的定位安裝孔，保證三個定位安裝孔在一條直線上，從而實現(xiàn)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的前后位置和高度進(jìn)行定位。

2.4 模型組裝調(diào)試及結(jié)果

根據(jù)該方法設(shè)計加工的模型重量、慣性矩調(diào)試結(jié)果見表1所示?？梢钥闯?，整個模型的重量、慣性矩調(diào)試結(jié)果與理論值吻合較好。大重量技術(shù)狀態(tài)，對重量的誤差影響較小，對慣性矩的影響較大，即大重量技術(shù)狀態(tài)的慣性矩誤差比小重量技術(shù)狀態(tài)的慣性矩誤差要大，但都在慣性矩誤差技術(shù)要求之內(nèi)。

3? 結(jié)語

本文結(jié)合大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機模型水池試驗，總結(jié)形成了針對試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)特征的模型外形、重量、慣性矩、關(guān)鍵部件定位安裝的設(shè)計、加工方法。根據(jù)該方法完成了大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機水池試驗?zāi)Ｐ偷难兄疲Y(jié)果顯示該方法對試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)特征控制效果良好，根據(jù)模型試驗得到的飛機水動力性能與實機試飛性能吻合度高，顯示了該方法在模型精度控制上具有良好的實用性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫豐，吳彬，廉茲鼎，等.著水姿態(tài)對大型水陸兩棲飛機著水性能的影響[J].船舶力學(xué)，2019，23（4）：397-404.

[2] 黃淼，褚林塘，李成華，等.大型水陸兩棲飛機抗浪能力研究[J].航空學(xué)報，2019，40（1）：121-129.

[3] 孫豐，魏飛，吳彬，等.大型水陸兩棲飛機艙段入水沖擊實驗研究[J].振動與沖擊，2019，38（12）：39-43.

作者簡介：張文軍（1965，8—），男，漢族，湖北荊門人，?？疲紟?，從要從事水陸兩棲飛機模型加工技術(shù)研究。

通訊作者：黃淼（1985，1—），漢族，湖北鶴峰人，碩士，高級工程師，主要從事水陸兩棲飛機水動力性能研究，E-mail： 18120388030@163.com。