近平靜/波浪水面地效飛機(jī)氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)

高立華，黃龍?zhí)?，?澔，王昆侖，黃 勇,*

1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035

0 引言

相比常規(guī)飛機(jī)，地效飛機(jī)升阻性能優(yōu)異，在湖泊海洋環(huán)境下，運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于各類艦船，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高速、舒適、不受空中交通管制限制等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。對(duì)地效飛機(jī)而言，荒漠、灘涂、河流等可近似為水平地面；而地效飛機(jī)近風(fēng)浪海面飛行時(shí)，其氣動(dòng)特性及周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與其在水平地面上飛行時(shí)存在較大差異[2]，運(yùn)動(dòng)參數(shù)及其導(dǎo)數(shù)隨飛行高度有著顯著的非線性變化，影響飛行穩(wěn)定性[3]。秦緒國(guó)等[4]的數(shù)值模擬研究表明，地效飛行器在水面巡航時(shí)的氣動(dòng)性能受波浪的影響很大，水面波浪形狀會(huì)引起氣動(dòng)力的非定常變化。目前，關(guān)于地效飛機(jī)近水面飛行氣動(dòng)特性的研究不多，且主要集中于數(shù)值模擬方面；由于周期長(zhǎng)、成本高、相似性模擬困難等原因，相關(guān)試驗(yàn)研究開(kāi)展得很少[2-7]。

研究地效飛機(jī)接近地面時(shí)的氣動(dòng)特性，可采用的試驗(yàn)方法大致可分為[8-9]對(duì)稱法、拖曳法、固定地板法和活動(dòng)地板法。對(duì)稱法僅能模擬水平地面且需同時(shí)采用兩套模型，應(yīng)用并不廣泛；拖曳法能夠模擬任意形狀的地面或波浪水面，但受拖車速度限制，模擬飛行速度較低，應(yīng)用也不多；固定地板法目前應(yīng)用相對(duì)較多；活動(dòng)地板法技術(shù)復(fù)雜，以前應(yīng)用極少，近年逐漸有所增多。

采用固定水平地板開(kāi)展地面效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，地板表面會(huì)形成具有一定厚度的速度低于風(fēng)場(chǎng)氣流速度的附面層，此附面層的存在將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定干擾；水平活動(dòng)地板是消除地板附面層及其干擾的最有效方法。楊美等[7]利用水平固定地板和水平活動(dòng)地板開(kāi)展了NACA0012 翼型地面效應(yīng)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：模擬高度較小時(shí)，固定地板附近邊界層容易發(fā)生分離，導(dǎo)致誤差較大，水平活動(dòng)地板的試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)，是研究地面效應(yīng)的有效手段；而模擬高度增大到0.5 倍平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)以上時(shí)，兩者差別不大。陳新等[10]數(shù)值模擬了三維機(jī)翼掠海飛行時(shí)的自由水面興波問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)機(jī)翼擾動(dòng)在自由水面上興波的波幅非常小，可以忽略不計(jì)；當(dāng)研究波浪水面對(duì)機(jī)翼氣動(dòng)力的影響時(shí)，可以用剛性波浪地面代替柔性波浪水面。秦緒國(guó)等[4]的數(shù)值模擬結(jié)果也表明，固壁波形與水面波形引起的翼型氣動(dòng)特性波動(dòng)量基本一致，固壁波形的結(jié)果更加規(guī)則。因此，本文采用剛性波形模擬波浪水面對(duì)地效飛機(jī)的影響；與柔性波形相比，采用剛性波形也更有利于獲得穩(wěn)定可控的試驗(yàn)條件。

本研究在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所Φ3.2 m 低速風(fēng)洞開(kāi)展。地效飛機(jī)飛過(guò)平靜水面情況采用固定水平地板進(jìn)行模擬。為研究地效飛機(jī)近波浪水面飛行的氣動(dòng)性能，新研制了固定波浪地板，同時(shí)對(duì)Φ3.2 m 低速風(fēng)洞水平活動(dòng)地板試驗(yàn)裝置[11-12]進(jìn)行改造和功能拓展，設(shè)計(jì)加工活動(dòng)波浪地板。利用新研制的試驗(yàn)裝置模擬空中、近平靜水面和近波浪水面飛行狀態(tài)，獲得了地效飛機(jī)無(wú)動(dòng)力和螺旋槳帶動(dòng)力條件的氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

地效飛機(jī)外形如圖1所示。風(fēng)洞試驗(yàn)采用1∶11全金屬模型，展長(zhǎng)2.0 m，平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)0.5 m，機(jī)翼總面積0.85 m2。

圖1 地效飛機(jī)示意圖Fig.1 Sketch map of the wing-in-ground craft

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在風(fēng)洞開(kāi)口試驗(yàn)段中進(jìn)行。通過(guò)穩(wěn)動(dòng)壓方式提供合適風(fēng)速，試驗(yàn)風(fēng)速范圍為20～50 m/s。對(duì)于地效飛機(jī)近平靜水面飛行狀態(tài)，采用固定水平地板進(jìn)行模擬，如圖2所示。通過(guò)地板下方的液壓支柱實(shí)現(xiàn)地板升沉，以模擬不同的近平靜水面飛行高度。模型采用背撐方式支撐，背撐系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模型姿態(tài)角及上下位置的變化（迎角：–15°～30°，側(cè)滑角：–45°～45°，升沉位移：–0.2～0.6 m）。采用鏡像兩步法扣除支架干擾。

圖2 水平地板試驗(yàn)Fig.2 Wind tunnel test with the flat ground floor

對(duì)于地效飛機(jī)近波浪水面飛行狀態(tài)，采用專門(mén)研制的固定波浪地板和活動(dòng)波浪地板進(jìn)行模擬。如圖3所示，固定波浪地板分為4 塊：前緣、后緣和波形部分（2 塊）。正弦波形部分在180°相位處斷開(kāi)，前后2 塊半周期波形調(diào)換位置即可組合為圖3 下部所示波形。試驗(yàn)中，飛機(jī)模型固定不動(dòng)，波浪地板向前、后分別可移動(dòng)1/4 波長(zhǎng)，使90°～270°相位處于模型參考點(diǎn)下方。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖3 固定波浪地板示意圖Fig.3 Sketch map of the wavy ground floor

圖4 固定波浪地板試驗(yàn)Fig.4 Wind tunnel test with the wavy ground floor

活動(dòng)波浪地板是在水平活動(dòng)地板基礎(chǔ)上加裝具有2 個(gè)波形的活動(dòng)波浪帶。活動(dòng)波浪地板主要由運(yùn)行框、前帶輪、后帶輪、活動(dòng)波浪帶等部件組成?；顒?dòng)波浪帶由后帶輪驅(qū)動(dòng)，前帶輪進(jìn)行張緊、糾偏等調(diào)節(jié)，形成穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的波浪，如圖5所示?；顒?dòng)波浪帶速vbelt最高可達(dá)20 m/s，帶速誤差≤0.1 m/s?；顒?dòng)波浪地板可以通過(guò)升降支柱調(diào)節(jié)與模型之間的垂向距離，從而模擬不同的近水面高度（圖6）。

圖5 活動(dòng)波浪帶示意圖Fig.5 Sketch map of the moving wavy belt

圖6 活動(dòng)波浪地板試驗(yàn)Fig.6 Wind tunnel test with the moving wavy belt

固定波浪地板和活動(dòng)波浪地板模擬實(shí)際波長(zhǎng)34.4 m、波高1 m 的波浪，縮比后波長(zhǎng)3.13 m、波高0.091 m，波形沿寬度方向無(wú)變化。

試驗(yàn)中需保持活動(dòng)波浪地板運(yùn)行與天平動(dòng)態(tài)采集同步（即需標(biāo)識(shí)天平數(shù)據(jù)與波浪相位的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系），通過(guò)光電傳感器實(shí)現(xiàn)：在活動(dòng)波浪帶特定位置粘貼反光材料，以光電傳感器向活動(dòng)波浪帶發(fā)射光束，當(dāng)反光材料運(yùn)行至光束位置，反射光觸發(fā)傳感器內(nèi)光電轉(zhuǎn)換單元，產(chǎn)生電脈沖信號(hào)（不觸發(fā)時(shí)為近似常值的背景信號(hào)）；PXI 數(shù)采系統(tǒng)各通道同時(shí)動(dòng)態(tài)采集天平信號(hào)及光電傳感器信號(hào)，獲得信號(hào)矩陣X（m,l），m為采集通道，l為采集次數(shù)，光電傳感器電脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的l值在信號(hào)矩陣中就標(biāo)識(shí)出相應(yīng)的波浪相位，從而將天平信號(hào)與波浪相位對(duì)應(yīng)起來(lái)。

主要試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，螺旋槳拉力系數(shù)Tc和前進(jìn)比λ定義如下：

表1 主要試驗(yàn)參數(shù)及其模擬的飛行狀態(tài)Table 1 Flight condition and corresponding wind tunnel test parameters

式中，T、D分別為螺旋槳拉力和直徑，q、v分別為來(lái)流動(dòng)壓和速度，S為機(jī)翼面積，n為螺旋槳（電機(jī)）轉(zhuǎn)速。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 平靜水面及滑流影響

圖7～9 給出了地效飛機(jī)起飛構(gòu)型、著水構(gòu)型和巡航構(gòu)型的升阻特性試驗(yàn)結(jié)果（圖中縱軸CL、CD分別表示升力系數(shù)和阻力系數(shù)，橫軸α表示迎角）。起飛構(gòu)型和著水構(gòu)型的襟翼偏角δf= 15°、發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)機(jī)身的俯仰偏角φp= 24°；巡航構(gòu)型δf= 0°、φp= 2°。帶動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果扣除了名義拉力，即帶動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果主要是螺旋槳滑流的貢獻(xiàn)。水平地板狀態(tài)模擬近地高度H/cA= 0.5 的情況，H為模型力矩參考中心距離地板表面的高度（對(duì)于波浪地板則指距離中立平面的高度），cA為機(jī)翼平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)。

圖7 起飛構(gòu)型升阻特性Fig.7 Lift and drag of the wing-in-ground craft taking-off configuration

由圖7 可知，與空中無(wú)動(dòng)力狀態(tài)相比，水平地板無(wú)動(dòng)力狀態(tài)時(shí)地效飛機(jī)升力系數(shù)明顯增大、升力線斜率增大，同時(shí)阻力系數(shù)有所降低，符合地面效應(yīng)的典型規(guī)律；空中帶動(dòng)力狀態(tài)時(shí)，升力線向上平移，同時(shí)由于螺旋槳滑流的影響，阻力系數(shù)明顯增大。然而，水平地板帶動(dòng)力試驗(yàn)的升力系數(shù)增量遠(yuǎn)大于僅帶地板和僅帶動(dòng)力引起的升力系數(shù)增量的簡(jiǎn)單疊加。以迎角0°為例，地板對(duì)升力系數(shù)的貢獻(xiàn)量0.138，帶動(dòng)力對(duì)升力系數(shù)的貢獻(xiàn)量0.074，兩者簡(jiǎn)單疊加為0.212，而水平地板帶動(dòng)力組合試驗(yàn)升力系數(shù)的增加量為0.439，兩者存在0.227 的差量，占實(shí)際值的52%。其主要原因?yàn)椋涸谄痫w狀態(tài)下，螺旋槳滑流吹向機(jī)身、機(jī)翼、浮筒和地板組成的升力腔，為起飛貢獻(xiàn)超額升力增量，即模型、帶動(dòng)力和地板之間是非線性強(qiáng)耦合，簡(jiǎn)單試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)果的疊加未考慮升力腔效應(yīng)，存在非常大的誤差。

圖8 給出的著水構(gòu)型升阻特性與起飛構(gòu)型的規(guī)律一致，但由于拉力系數(shù)相對(duì)較小，滑流和升力腔引起的升力系數(shù)增量小于起飛構(gòu)型。圖9 為巡航構(gòu)型的升阻特性，由于拉力系數(shù)很小，滑流很弱，更重要的是發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰偏角僅為2°，滑流幾乎水平流向后方而不是吹向升力腔（參考圖1 右下的側(cè)視圖），模型、帶動(dòng)力和地板之間的耦合效應(yīng)很弱，升阻特性基本可以進(jìn)行疊加。

圖8 著水構(gòu)型升阻特性Fig.8 Lift and drag of the wing-in-ground craft landing configuration

圖9 巡航構(gòu)型升阻特性Fig.9 Lift and drag of the wing-in-ground craft cruising configuration

2.2 波浪水面的影響

在活動(dòng)波浪地板運(yùn)行過(guò)程中，地效飛機(jī)承受著周期性脈動(dòng)載荷。將十余個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果按照對(duì)應(yīng)相位平均到一個(gè)周期，如圖10所示，圖中相位角θ= 0°表示波谷處于地效飛機(jī)模型力矩參考中心正下方，90°、180°、270°分別為中立位置、波峰、中立位置處于力矩參考中心正下方。隨著活動(dòng)波浪帶速vbelt從來(lái)流速度的15%增大到60%，載荷的基頻波動(dòng)幅度逐漸減小、相位逐步前移，但倍頻波動(dòng)振幅增大；帶速超過(guò)來(lái)流速度的60%之后，載荷波動(dòng)呈現(xiàn)比較復(fù)雜的狀態(tài)，且波動(dòng)幅度增大。

圖10 活動(dòng)波浪帶運(yùn)行速度對(duì)全機(jī)升力特性的影響（δf = 0°、H/cA = 0.5）Fig.10 The effect of moving wavy belt speed on the lift(δf = 0°,H/cA =0.5)

圖11 為三種地板的升力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。為便于對(duì)比，活動(dòng)地板是完全平均的試驗(yàn)結(jié)果，即在每個(gè)迎角將所有相位點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果平均到單一值。圖中固定波浪地板的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)模型力矩參考中心位于波浪的不同相位時(shí)，升力系數(shù)約有±0.25 的波動(dòng)幅度，但其均值基本與采用水平地板的試驗(yàn)結(jié)果一致；在中立位置（正弦0°、正弦180°）升力系數(shù)變化最大，主要是由機(jī)翼下方流道收縮/擴(kuò)張及流動(dòng)方向上揚(yáng)/下洗導(dǎo)致。在各種帶速情況下，活動(dòng)波浪地板升力系數(shù)的平均值基本與水平地板試驗(yàn)結(jié)果重合。因此，三種地板得到的升力系數(shù)平均值基本一致。

圖11 三種地板對(duì)升力系數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（δf = 0°、H/cA = 0.5）Fig.11 The effect of floors on the lift coefficient(δf = 0°,H/cA = 0.5)

圖12表明：隨著活動(dòng)波浪地板模擬高度的增大，

圖12 活動(dòng)波浪地板模擬高度對(duì)氣動(dòng)載荷平均值的影響（δf = 15°,v=32 m/s,vbelt = 10 m/s）Fig.12 The effect of simulating flight altitude of the moving wavy belt on averaged aerodynamics(δf = 15°,v= 32 m/s,vbelt = 10 m/s)

升力系數(shù)平均值降低，縱向靜安定度下降；同時(shí)，如圖13所示，氣動(dòng)載荷中升力系數(shù)的波動(dòng)幅度明顯降低，俯仰力矩系數(shù)的波動(dòng)幅度變化不大，主要原因?yàn)椋猴w機(jī)為T(mén) 尾布局，對(duì)俯仰力矩貢獻(xiàn)最大的平尾距離地板較遠(yuǎn)，受地面效應(yīng)的影響相對(duì)較小，因此俯仰力矩系數(shù)的波動(dòng)幅度隨高度變化不大。

圖13 活動(dòng)波浪地板模擬高度對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)載荷的影響（δf = 15°,α= 0°,v= 32 m/s,vbelt = 10 m/s）Fig.13 The effect of simulating flight altitude of the moving wavy belt on dynamic aerodynamics(δf = 15°,α= 0°,v= 32 m/s,vbelt = 10 m/s)

3 結(jié)論

1）螺旋槳帶動(dòng)力和地板對(duì)地效飛機(jī)起飛/著水狀態(tài)氣動(dòng)性能有很強(qiáng)的耦合影響，并非簡(jiǎn)單疊加關(guān)系。

2）地效飛機(jī)在波浪的不同相位上方時(shí)，升阻性能和俯仰力矩均存在較強(qiáng)變化，影響飛行平穩(wěn)性。

3）隨著飛行高度增大，升力系數(shù)均值降低，縱向靜安定度下降，同時(shí)升力系數(shù)的波動(dòng)幅度明顯降低。