淺談水陸兩棲飛機(jī)單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、淺談水陸兩棲飛機(jī)單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)設(shè)計(jì) 摘 要：在水池開(kāi)展了單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)，本文介紹了模型的設(shè)計(jì)和加工要求、相似準(zhǔn)則、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)狀態(tài)的選擇等，簡(jiǎn)單地介紹了數(shù)據(jù)處理方法，得到了以下結(jié)論：使用矩陣法能有效提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)周期；單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)可以用來(lái)研究水陸兩棲飛機(jī)的快速性、噴濺等水動(dòng)力性能。 關(guān)鍵詞：水陸兩棲飛機(jī) 單機(jī)身模型 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 引言 水陸兩棲飛機(jī)是一種既能在陸上起飛和降落，又能在水中起飛和降落的飛機(jī)。正常使用時(shí)，水陸兩棲飛機(jī)的水動(dòng)力性能很重要。因此在水陸兩棲飛機(jī)研制過(guò)程中，除了研究氣動(dòng)性能外，還需要通過(guò)進(jìn)行模型試驗(yàn)水動(dòng)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)1。 相比陸基飛機(jī)，水陸兩棲飛機(jī)工作時(shí)

2、的流場(chǎng)更復(fù)雜，除了受到氣體流場(chǎng)作用外，還受到水流場(chǎng)的作用以及地效作用。而在實(shí)際研究中需要將水的作用從整體作用中分離，僅保留水的作用來(lái)對(duì)實(shí)機(jī)船體的快速性、噴濺等性能進(jìn)行研究。 水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛、滑行和降落時(shí)，與水接觸最多的是機(jī)身部位。在此情況下，高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室在水池單獨(dú)對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行了力矩試驗(yàn)，對(duì)某型水陸兩棲飛機(jī)模型校核試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛w的水動(dòng)升力、阻力、力矩及噴濺等進(jìn)行測(cè)試，觀察高速段尾流情況，獲得船體的水動(dòng)性能。本文介紹了自由飛模型設(shè)計(jì)、裝置設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究和改進(jìn)。 2 模型設(shè)計(jì) 模型的設(shè)計(jì)與加工要滿足以下要求： a） 滿足有關(guān)的相似準(zhǔn)則； b） 具有較為精確的外形； c） 具有

3、較輕的重量、較大的剛度和強(qiáng)度； d） 具有較好的水密性能。 單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)設(shè)計(jì)遵照弗汝德相似準(zhǔn)則2，模型的幾何、力及力矩按表1換算。 表1 各參數(shù)換算關(guān)系（ 為縮尺比） 3 試驗(yàn)裝置及設(shè)備 3.1 試驗(yàn)裝置特點(diǎn) 在進(jìn)行單機(jī)身模型試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)： a） 便捷的模型狀態(tài)調(diào)節(jié)能力，能較為方便的對(duì)模型的姿態(tài)角、吃水深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)吃水深度時(shí)，具有基準(zhǔn)線或刻度等，以便對(duì)模型吃水深度進(jìn)行較為精確的控制 b） 試驗(yàn)裝置具有較強(qiáng)的縱向、橫向剛度，對(duì)模型有足夠的縱向和橫向支撐，以免拖車(chē)運(yùn)行時(shí)模型晃動(dòng) 3.2 試驗(yàn)設(shè)備 單機(jī)身力矩試驗(yàn)使用的設(shè)備見(jiàn)表2。 表2 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備表 模型重心附近安

4、裝有六分力天平（圖1），是試驗(yàn)時(shí)模型的主要測(cè)試設(shè)備，測(cè)量模型受到的俯仰力矩、水動(dòng)升力和阻力。 圖1 六分力天平圖 為了保證試驗(yàn)時(shí)模型姿態(tài)不變化，需要在機(jī)身尾部設(shè)計(jì)限位結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2，連接在拉壓傳感器上。限位結(jié)構(gòu)僅限制模型在豎直方向運(yùn)動(dòng)，防止模型縱傾角變化，對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)無(wú)限制。 圖2 尾部限位裝置 4 試驗(yàn)狀態(tài)的選擇 試驗(yàn)前，參照水陸兩棲飛機(jī)全機(jī)模型試驗(yàn)時(shí)模型的狀態(tài)，確定了單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臓顟B(tài)。由于全機(jī)模型試驗(yàn)工況較多，如果每個(gè)工況各個(gè)參數(shù)一一排列，工作量很大，利用“矩陣法”對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行排列并試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束后用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“擬合插值”處理，能減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短時(shí)間和避免盲目性。 5 數(shù)據(jù)處

5、理 試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到模型受到的阻力、升力、力矩以及尾流和噴濺情況。 5.1 阻力 試驗(yàn)時(shí)，僅六分力天平對(duì)阻力進(jìn)行了測(cè)量，模型受到的阻力為天平測(cè)到的阻力fx。 5.2 升力處理 測(cè)試固定姿態(tài)時(shí)模型的升力，可以與自由狀態(tài)下同樣工況時(shí)模型的升沉進(jìn)行對(duì)比，從靜力學(xué)方面預(yù)測(cè)模型的升沉變化。 試驗(yàn)時(shí)，六分力天平和拉壓傳感器都對(duì)垂向力進(jìn)行了測(cè)量，模型受到的升力為二者的矢量和f1+f2。 5.3 力矩 測(cè)試固定姿態(tài)時(shí)模型的力矩，可以與自由狀態(tài)下同樣工況時(shí)模型的縱傾角進(jìn)行對(duì)比，從靜力學(xué)方面預(yù)測(cè)模型的縱傾角變化。 圖3 六分力天平圖 圖3是試驗(yàn)時(shí)模型受力和力矩示意圖。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算模型繞重心位置的力矩，公式如下： 5.4 尾流、噴濺處理 對(duì)尾流和噴濺圖片進(jìn)行處理，研究不同速度、模型姿態(tài)角以及吃水時(shí)尾流與噴濺情況，繪制不同狀態(tài)下水的尾流包絡(luò)線和噴濺包絡(luò)線，作為水陸兩棲飛機(jī)快速性研究和噴濺特性研究的參考，見(jiàn)圖4。 圖4 某工況尾流包絡(luò)線 6 建議 通過(guò)對(duì)單機(jī)身模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)的研究，對(duì)試驗(yàn)有以下建議： 1、使用矩陣法能有效提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)周期； 2、單機(jī)身模型力矩試驗(yàn)可以用來(lái)研究水陸兩棲飛機(jī)的快速性、噴濺等水動(dòng)力性