带翼梢滑橇水空飞行器滑水起飞能力探究

【作者】 张素雯； 杨广珺；

【机构】 中航工业通飞华南飞机工业有限公司； 西北工业大学无人机科学与技术国家重点实验室；

【摘要】 水空飞行器定义为需要适应水、空两种介质,满足适应水面滑行和空中飞行两种运动状态的航行器。因为水空飞行器布局涉及气水两种物理性质差异极大的介质,设计面临众多困难,尤其是飞行器在水面的起降过程具有十分复杂的水气耦合特性,是水空飞行器设计研究的重点内容。本研究提出了一种主翼外翼可下反变体,外翼翼梢带滑橇的水空飞行器布局设计:空中巡航时,外翼平直展开,翼梢可起到小翼减阻作用;水面起降时,外翼折反一定角度,用于实现空水构型过渡,翼梢起水翼滑行作用。选择CFD方法对该水空飞行器布局的滑水起飞能力进行了探究。首先分别利用DBM-01翼身组合体模型和NACA-57A水上飞机船体机身模型进行气动和水动计算验证,选择的计算方法包括选择RANS计算方法和K-E湍流模型,水动计算还用到了VOF模型和DFBI模型,将计算结果与实验结果进行对比,误差在可接受范围之内。接下来利用选择的计算方法模拟了水空飞行器布局变体前后的气动特性和不同滑水速度下的起飞性能,得出了以下结论:(1)水空飞行器主翼外翼下反角度增加,由于外翼面积远小于内翼面积,升力面损失较小,故升力线斜率并无明显下降,阻力和俯仰力矩特性也无较大变化,且始终能保持纵向静稳定,证明了水空飞行器布局的变体方式是稳定可控的,外翼下反可以帮助水空飞行器在水面稳定起飞和降落;(2)将滑水起飞速度分割为15m/s,25m/s和35m/s分别进行计算,水空飞行器仅在V=25m/s的滑水速度下成功离水起飞,这是由于水面作用,飞机模型受到的阻力很大,所以飞行器速度较小时,产生的升力无法克服阻力起飞,当航行速度增大到一定值时,产生的升力足够支持滑橇脱离水面,完成起飞,但当航行速度过大时,水的阻力增大,还会产生过大的低头力矩,反而导致飞行器离水起飞失败。所以本研究中带翼梢滑橇的水空飞行器布局会有一个适宜的滑水起飞速度区间,这个速度区间在15m/s到35m/s之间,以此区间的速度滑水起飞时,水空飞行器才能成功且快速地脱离水面,完成水面起飞。(3)水面滑行时水空飞行器的载荷最大值位于外翼滑橇连接位置,滑行速度为15m/s时,载荷极值为131.58kpa,滑行速度为25m/s时,载荷极值为305.11kpa,滑行速度为35m/s时,载荷极值已经增大到700.51kpa,随着滑行速度的增加,载荷值迅速增大。因此在进行水空飞行器结构设计时需要要重点关注外翼与滑橇连接部位,并且水空飞行器在水面的滑行速度是影响其受载和结构安全性的最主要因素,需谨慎选择。更多还原