水上飛機(jī)設(shè)計綜述

【摘? 要】本文簡要介紹了水上飛機(jī)的設(shè)計特點和注意事項，對于各個部件不同于一般陸基飛機(jī)的設(shè)計特點給出評述，并針對水上飛機(jī)的船體參數(shù)設(shè)計進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】水上飛機(jī);船體參數(shù)

引言

目前，我國的通用航空事業(yè)隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。水上飛機(jī)也進(jìn)入了快速發(fā)展時期。然而，水上飛機(jī)的設(shè)計與陸基飛機(jī)考慮的要點不同，船身設(shè)計更是完全不同。本文通過多篇文獻(xiàn)的積累和總結(jié)，歸納出水機(jī)設(shè)計的要點。

1.水機(jī)設(shè)計的特殊性和關(guān)注點

1.1機(jī)翼設(shè)計

水上飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計與常規(guī)飛機(jī)并無明顯特殊之處。只不過需要關(guān)注兩個方面：飛機(jī)失速速度和爬升率。前者主要影響飛機(jī)著水載荷系數(shù)，而飛機(jī)著水載荷又與船身的結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)（與重量相關(guān)），根據(jù)公式可以看出失速速度越小，載荷越?。?/p>

因此翼型的升力系數(shù)和翼載的合理選擇可以使失速速度盡可能降低。最大限度的利用增升裝置也是需要的，但同時需要注意襟翼受噴濺的影響。襟翼角度不能過大。

爬升率除了需要考慮裝機(jī)推力外，主要與最大升阻比相關(guān)，因此采用大展弦比降低升致阻力。副翼通常比常規(guī)飛機(jī)大，以應(yīng)對更小速度下的副翼操縱效率，主要是在水面上遇到側(cè)風(fēng)的操縱能力以及轉(zhuǎn)彎能力。（考慮us-2在副翼前設(shè)置前緣縫翼）。一般為上單翼布局。（考慮噴濺效應(yīng)）。

常規(guī)布局的機(jī)翼安裝角主要取決于保持機(jī)身在巡航的時候水平以減小阻力。水上飛機(jī)的機(jī)翼安裝角主要是需要在斷階劃水離水時機(jī)翼提供最大升力。

水上飛機(jī)機(jī)翼安裝角的估算公式如下：

1.2尾翼設(shè)計

為了避免噴濺打在尾翼上，一般采用T尾布局。在飛行速度之下升降舵和方向舵都應(yīng)有足夠的操縱效能來應(yīng)對水面操縱。水平尾翼應(yīng)該能夠足夠應(yīng)付發(fā)動機(jī)拉力線上移以及水面阻力據(jù)重心位置靠下帶來的較大的配平力矩變化范圍。由于重心之前的船體和浮筒的存在使得水上飛機(jī)通常航向不穩(wěn)定，因此通常需要添加輔助航向的背鰭來增強(qiáng)航向穩(wěn)定性。

1.3發(fā)動機(jī)

通常水機(jī)采用螺旋槳推進(jìn)。大部分現(xiàn)代大型水機(jī)均采用渦槳發(fā)動機(jī)。由于大的水阻和氣動阻力，因此水機(jī)的推重比應(yīng)比一般飛機(jī)大（一般運(yùn)輸機(jī)在0.25左右，US-2在0.29，蛟龍如果不提重的話在0.23，提重可能更?。?。主要考慮是發(fā)動機(jī)的安裝不會使槳葉打到水的噴濺。一般情況下都是盡可能將發(fā)動機(jī)位置上提。對于大中型的水機(jī)而言，反槳功能是必需的。

2.水上飛機(jī)設(shè)計的船體參數(shù)

這里只以單船身式水上飛機(jī)為例介紹一下幾個主要部件在型式參數(shù)和布局上的一些主要特點。

2.1船身

單船身式水上飛機(jī)可認(rèn)為在機(jī)身下部扣上去一個船體而成（兼有翼下浮筒）。下面介紹船體的幾個主要參數(shù)的作用和確定。其主要參數(shù)見圖1。

2.2船舭寬度

船舭寬度通常系指船舭部的最大寬度，它對水上飛機(jī)的浮力、阻力和噴濺特性都有影響。一般資料介紹，它主要是由載荷系數(shù)來選定的，可由下式確定：

2.3船身高度

船身高度的選取主要考慮兩方面的因素：即保證槳尖距水面所需要的高度（對螺旋槳發(fā)動機(jī)）應(yīng)使發(fā)動機(jī)處于合理的最高位置和保證船體有足夠的儲備浮力。船身高度可參照下列公式估定：

式中：—水上飛機(jī)的排水體積。

—船體總體積的豐滿細(xì)數(shù)，可取0.4～0.5。

—儲備浮力的百分?jǐn)?shù)，對于>9的船身式水上飛機(jī)，取35﹪，過大的船體高度會使氣動性能變壞。

（c）? 斷階高度

水上飛機(jī)船底在滑行時為了改善流體動力特性而設(shè)置斷階。船身式水上飛機(jī)多采取雙斷階。第一斷階的作用主要是當(dāng)水上飛機(jī)滑跑時，空氣能滲入斷階后的船底部，以限制浸潤船身后部底面，消除水流沖刷斷階后的船底，減少船體的流體阻力;第二斷階對于改善滑跑的縱向穩(wěn)定性、減少尾部浸入水中遭遇波浪、減少滑行阻力和保證正常的縱傾姿態(tài)是必要的。應(yīng)當(dāng)指出，由于斷階的存在使氣動阻力增大了。

有的資料建議斷階高度近似取為0.03?？蓪嶋H上有不少水上飛機(jī)的斷階高度都大于此數(shù)據(jù)。特別是大長寬比的水上飛機(jī)更是如此。NACA TN 1571推薦使用公式=（﹪）來推算斷階高度。

應(yīng)當(dāng)指出，第一斷階高度不夠高時，會引起流體阻力的增加，并使飛機(jī)著水時容易產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象。

（d）? 斷階的縱向位置/

斷階的縱向位置的選擇通常要經(jīng)綜合考慮后合理地選取后體長度與前體長度之比/和斷階相對飛機(jī)重心的位置這兩種情況。

（ⅰ）/的選取

合理地選取/值，應(yīng)綜合考慮對穩(wěn)定性、流體阻力和降落過載的影響，有的資料介紹，比較滿意的折衷方案是取/=1.25～1.30。對于大長寬比的水上飛機(jī)，使后體長度大于前體長度對提高飛機(jī)的滑水穩(wěn)定性是很必要的。

（ⅱ）的選取

斷階相對重心的縱向位置，不同的資料推薦有不同的經(jīng)驗公式，一般資料建議?。?.20～0.30）B，也有資料規(guī)定了從重心到斷階的連線與垂線的夾角。幾種水上飛機(jī)的值見表3。

斷階位置還與其他因素有關(guān)，如發(fā)動機(jī)的位置越高則斷階應(yīng)相應(yīng)地后移些。其確切位置最后由水池實驗來確定。斷階的縱向位置影響到滑行時的縱傾角，因而對阻力和（縱向和方向）穩(wěn)定性都有影響。因此合理選擇此參數(shù)極為重要。

（e）斷階的平面形狀

第一斷階最廣泛地采用等高直斷階，既結(jié)構(gòu)簡單，又可得到較好的流體動力性能。而第二斷階多采用尖形，它具有較小的阻力、良好的后體噴濺特性和縱向穩(wěn)定性，但使航向穩(wěn)定性降低。

（f）船體長寬比

船體長寬比系指船體長度與船舭最大寬度之比，即：=。早期水上飛機(jī)的都比較小，一般在5～7之間;近期發(fā)展的水上飛機(jī)多采用大長寬比船體，其中有值大于11的，長寬比對流體阻力和縱向穩(wěn)定性都有影響，是一個很重要的船體外形參數(shù)。隨的增加 ，流體阻力減小，但穩(wěn)定區(qū)也變小，下穩(wěn)定邊界往后移。

（g）側(cè)緣角

側(cè)緣角的大小對水動阻力和著水撞擊過載影響最為顯著，所以合理選擇第一斷階處的側(cè)緣角的大小是很重要的，有資料介紹，第一斷階處的側(cè)緣角=30°的船體，其最大水動阻力可達(dá)到平底船體的水動阻力的140﹪，而著水撞擊過載只等于=7°31′的船底的撞擊過載的25﹪。因此值的選取要綜合考慮這些利弊關(guān)系，一般>30°是不利的，此時水動阻力會急劇增加，而著水撞擊過載減小量變得小了。水上飛機(jī)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：側(cè)緣角多取在20°～30°之間。為了得到滿意的穩(wěn)定下極限，有的資料介紹，前體側(cè)緣角應(yīng)在第一斷階前一段長度為1.5的范圍內(nèi)保持不變，再向前其側(cè)緣角才逐步加大;當(dāng)然，研究表明，并不需要保持一段側(cè)緣角為常數(shù)，只要按照一定的速率增加斷階前的側(cè)緣角，即設(shè)計成所謂的翹曲前體，就可以改進(jìn)長船體的穩(wěn)定性，翹曲速率是隨長寬比的增加而增加的。

（h）后緣角

后緣角對水上飛機(jī)的起飛時的姿態(tài)（縱傾角）、流體阻力、第二斷階的離水速度和最大飛行速度都有影響，大的后緣角會提高安定上限，而小的后緣角會引起后體的粘附加重，對縱向穩(wěn)定性帶來不良影響。對于長船身，特別是有大的后體對前體長度比的船身，后緣角約需8°或大于8°，也有資料推薦取5°～9°。

參考文獻(xiàn)

[1]David B. Thurston? Amphibian aircraft design，[M] McGraw-Hill 1974

作者簡介：高亦非（1989-），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向為飛機(jī)氣動設(shè)計。