水上飛機著水性能分析

吳 行，成婷婷

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

水上飛機著水時，在最低可能速度、正確俯仰姿態且沒有側滑的條件下觸水，并在進近、著陸和轉化到滑行的過程中完全控制飛機。水上飛機觸水的姿態通常與斷階滑行的姿態很接近，機頭可能會稍微高一些。如果機頭過高或過低，浮筒和支柱上會受到過多的不必要的由水阻力產生的應力，并可能造成機頭下俯，使浮筒艏入水，導致不安全事故的發生，所以對水上飛機著水性能和著水方法的研究就顯得十分必要。本文通過對水上飛機著水過程中主要水動力的研究建立水動力模型，利用Matlab 仿真的方法對水上飛機著水的影響因素進行了分析。

1 水上飛機水面運動數學模型

水上飛機水面運動過程中，受力情況十分復雜。對其進行適當簡化可以得出，水上飛機在水面運動過程中主要受重力、發動機拉力、氣動力和水動力影響，其中水動力包括水動推力、水動阻力和浮力，水面滑行時飛機受力如圖1 所示。

圖1 水面滑行時飛機受力示意圖

但水上飛機在著水時，對其產生最大影響的卻是在接水瞬間水面對飛機產生的水動沖擊力。水動沖擊力指兩棲飛機在水面降落時，由于機體迅速而不穩定地浸入水中，水與機體撞擊所產生的力。影響水動沖擊力的因素包括飛機質量及其分布、船底形狀、飛機龍骨與水面接觸所夾的縱傾角、運動速度等。

計算時，采用船舶運動中常用的切片理論思想，將飛機機身總沖擊力看成無數楔形體入水沖擊力的總和，通過一系列適當假設簡化計算，得到適用于著水仿真模型的水動沖擊載荷計算公式。飛機著水時受到水動力沖擊最嚴重的狀態為“對稱斷階著水情況”，因此在建模時，將飛機著水載荷的計算歸結為飛機對稱斷階著水載荷的計算，并進行仿真。機身著水時受力分析如圖2 所示。

圖2 著水受力示意圖

利用切片理論，將機體沿龍骨切成微段ds，把每一個微段看成二元楔形體在水中運動，整個飛機機身的水動沖擊力為微段所受沖擊力之和：

根據動量定理，將dFn改寫為代入式（1）中得到：

其中φ（λ′）為三元流動的修正參數，通過經驗公式[1]可得：

式（2）中，λ′為考慮了水面上升影響的龍骨浸濕長寬比。根據WAGNER 的研究[2]，λ′可由不考慮水面上升影響的龍骨浸濕長寬比表示：

根據經驗公式得到λ的計算方法[2]：

舭部浸濕后的附連水質量mw的表達式為[3]：

綜合以上研究結果，可知水動沖擊力的計算表達式為：

某次著水過程中水動沖擊力和垂向速度變化如圖3所示。

圖3 著水過程中水動沖擊力和垂向速度變化

2 著水影響因素分析

飛機著水的基本過程：飛行員判斷著陸區安全，并選擇水方向。使用襟翼、油門和升降舵來控制飛機保持下滑道，并以推薦的進近空速建立穩定的進近。隨著飛機接近水面，平滑地抬升機頭準備觸水。確定飛機在水面上之后關閉油門，并保持觸水姿態，直到飛機離開斷階滑行。一旦飛機為慢速滑行姿態，使用向上全偏升降舵保持機頭盡可能高，以減小噴濺。

從上面著水的過程可以看出，合適的觸水姿態和接水速度是影響水上飛機著水性能的幾個重要因素，利用建立的仿真模型來仿真觀察接水姿態角、接水速度和下沉率對水上飛機著水過程的影響。在CCAR-25 部中25.125 條著陸條款對水上飛機完全停止的要求為3 kn（1.54 m/s）[4]，但實際上如果水上飛機沒有反槳功能很難達到CCAR-25 部中25.125 條的完全停止狀態，而且根據仿真結果飛機從5.14 m/s 減至1.54 m/s 所需時間是從接水到減至5.14 m/s 所需時間的幾倍，所以在本文中取5.14 m/s（10 節）為完全停止。

2.1 接水姿態角對著水過程的影響

保持其他參數不變，設置變量接水姿態角為：0°、3°、5°、7°、9°，仿真結果如圖4 所示。

圖4 接水姿態角對著水過程的影響

水上飛機全停的速度要求為3 kn，但是在飛機著水接近停止的階段，由于水阻力十分小，所以要達到3 kn 的全停速度需要較長時間，所以本文中以10 節（5 m/s）作為停止的參考速度。從圖4 可以看出，隨著著水縱傾角的增大，著水時間和距離先增大再減小。這是因為在水上飛機著水過程中，存在一個最佳觸水姿態角，機頭過高或者過低都會受到過多不必要的水阻力，并且可能導致機頭下俯。而且當飛機觸水姿態角太大時，飛機會有一個很大的低頭動作，會產生很大的俯仰速率，同時導致吃水深度驟增。

結合上面的分析可以得出，水上飛機著水時存在一個最佳的觸水姿態角，過大或者過小都會產生較大的過載，而且過大時會導致一個很大的低頭動作，嚴重時可能導致機頭入水。

2.2 下降率對著水過程的影響

保持其他參數不變，設置下沉率為：0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s，仿真結果如圖5 所示。從圖5 可以看出，水上飛機的著水時間和著水距離隨下沉率的增減而減小，這是因為隨著下降率的增加，水平方向的加速度增大。隨著下沉率的增大，俯仰角變化基本不變，但俯仰角變化率和吃水深度均增大，吃水深度增大會導致水阻力增大。而且隨著下沉率的增大，水動沖擊力增大，垂直方向的過載增大。

圖5 下降率對著水過程的影響

結合上述的分析可知，水上飛機在著水時應該以較低的速度著水，但速度過低會導致下沉率過大，接水瞬間垂直方向過載過大，且要以合適的著水俯仰姿態接水，根據仿真結果，推薦的著水俯仰角為5°左右。

3 結束語

本文結合水動沖擊力的相關理論，利用Matlab 方法對水上飛機著水過程進行了仿真分析，并對接水姿態和下降率對著水性能的影響進行了分析和討論，為中國民用水上飛機的試飛工作提供一定的參考和技術支持。