水陆两栖飞机着水试验与理论分析方法研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28665

综述

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水陆两栖飞机着水试验与理论分析方法研究进展

张永杰¹, 崔博¹(), 王明振², 张楚哲², 罗琳胤³, 陈向明⁴, 刘小川⁴

^1.西北工业大学民航学院，西安　710072
^2.中国特种飞行器研究所，荆门　448035
^3.中航通飞华南飞机工业有限公司，珠海　519040
^4.中国飞机强度研究所，西安　710065

收稿日期:2023-03-08 修回日期:2023-05-06 接受日期:2023-06-19 出版日期:2023-09-13 发布日期:2023-06-21
通讯作者: 崔博 E-mail:cuibo0112@mail.nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972301)

Research progress of amphibious aircraft water landing test and theoretical analysis methods

Yongjie ZHANG¹, Bo CUI¹(), Mingzhen WANG², Chuzhe ZHANG², Linyin LUO³, Xiangming CHEN⁴, Xiaochuan LIU⁴

^1.School of Civil Aviation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^2.China Special Vehicle Research Institute，Jingmen 　448035，China
^3.China Aviation General Aircraft Institute Co. Ltd，Zhuhai 　519040，China
^4.Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 　710065，China

Received:2023-03-08 Revised:2023-05-06 Accepted:2023-06-19 Online:2023-09-13 Published:2023-06-21
Contact: Bo CUI E-mail:cuibo0112@mail.nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972301)

摘要/Abstract

摘要：

水陆两栖飞机是可以执行例如地面监视、海上救援、森林消防等多种复杂任务的多功能飞机。复杂的任务环境需要水陆两栖飞机具有良好的着水性能以应对水面起降及水上滑行需求。因此，用以改进水陆两栖飞机设计的着水试验与分析方法被认为是保障飞机正常水上工作和预防灾难性结构故障的重中之重。本文对水陆两栖飞机的着水试验与相关分析方法进行了系统的文献综述。首先，介绍了水陆两栖飞机及其船身式下机身与浮筒等着水结构的发展历程及发展趋势。其次，重点对水陆两栖飞机材料级、组件级、结构级和全机着水试验以及着水载荷模拟试验进行介绍。随后，对水陆两栖飞机相关理论分析方法以及主要流行的仿真分析方法进行了介绍。然后，对其他飞行器着水试验与相关理论和数值分析方法进行综述。最后，对水陆两栖飞机着水试验与分析方法的发展现状进行总结，并探讨水陆两栖飞机着水试验与分析方法的技术挑战及未来可能的发展方向。

关键词: 水陆两栖飞机, 着水试验, 船身式机身, 浮筒, 流固耦合

Abstract:

Amphibious aircraft are multifunctional aircraft that can perform a variety of complex tasks such as ground surveillance， maritime rescue， and forest firefighting. Complex mission environment requires the amphibious aircraft to possess excellent water landing performance to cope with the demands of water takeoff， landing， and water taxiing. Therefore， water landing test and analysis methods to improve the design of amphibious aircraft are considered crucial to ensure the normal water operation and prevent catastrophic structural failures. This paper presents a systematic literature review of water landing test and related analysis methods for amphibious aircraft. Firstly， the development history and development trend of water landing structures such as amphibious aircraft， its hull-type lower fuselage and floats are introduced. Secondly， the material-level， component-level， structural-level and full-aircraft water landing tests as well as water load simulation tests for amphibious aircraft are introduced. Then， the theoretical analysis methods related to amphibious aircraft and the widely used simulation analysis methods are introduced. The water landing tests and related theoretical and numerical analysis methods for other aircraft are also reviewed. Finally， the development status of the water landing test and analysis methods for amphibious aircraft is summarized， and the technical challenges and possible future development directions of the water landing tests and analysis methods for amphibious aircraft are discussed.

Key words: amphibious aircraft, water landing test, hull-type fuselage, float, fluid-structure coupling

中图分类号:

V271

张永杰, 崔博, 王明振, 张楚哲, 罗琳胤, 陈向明, 刘小川. 水陆两栖飞机着水试验与理论分析方法研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528665-528665.

Yongjie ZHANG, Bo CUI, Mingzhen WANG, Chuzhe ZHANG, Linyin LUO, Xiangming CHEN, Xiaochuan LIU. Research progress of amphibious aircraft water landing test and theoretical analysis methods[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(21): 528665-528665.

图/表 47

图1

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表 1

部分典型着水试验

结构尺度	文献	水面状态	模型设计	释放设备形式	入水速度/（ $m ⋅ s - 1$ ）	入水角度	结构响应
材料	Battley等^［71］	直径3.5 m，水深1.5 m的圆柱形水池	复合材料三明治结构板	SSTS系统	0.5~6	10°~40°	入水时龙骨处应变先增大，后保持恒定；舷处应变在板件入水时并未增加，在板件入水一半时迅速上升。
	Huera-Huarrte等^［72］	40 m×1.09 m×0.61 m的水池	复合夹芯板	SITS系统	3.38~5.17	0.3°~25°	当板件与水面开始接触，总力迅速增加，直到板件被彻底淹没，此时总力达到最大值。
	Battley和Allen^［73］	直径1.4 m水深3.5 m的圆柱形水池	复合夹芯板	SSTS系统	1~8	0°~40°	面板柔韧性对总力有影响，特别是低刚度面板具有较高的峰值力。
	Hassoon等^［74］	3 m×2 m×2 m的水池	复合夹芯板	伺服坠撞系统	4~10	垂直入水，斜升角10°	损坏首先出现在夹紧区域的面板末端，并向中心扩展。中心剪切损伤导致弯曲强度降低，并增加沿界面的法向应力和剪切应力，
	Hassoon等^［75-76］	3 m×2 m×2 m的水池	复合夹芯板	伺服坠撞系统	4~10	垂直入水，斜升角10°	弹性板比刚性板的峰值载荷更大，弹性板具有显著的动态噪声问题。
组件	Xie等^［77］	150 m×7.5 m×3.5 m的水池	复合材料船体截面	自由下落系统	2.01~3.42	垂直入水	船体截面入水瞬间应力达到最大值，速度显著降低，之后速度出现高频振荡。
部件	Lin和Shieh^［78］	20 m×0.8 m×0.6 m的波浪水池	平底船体	自由下落系统	0.44~1.98	由圆筒安装角度确定	当平底接触水面时，水花会在平底周围飞溅出来。同时，气泡在边缘附近形成。
	Yettou等^［79］	30 m×2 m×1 m的水池	楔形体结构	自由下落系统	4.43~5.05	垂直入水，斜升角为15°~35°	两种不同的下降高度的楔形体在撞击水面时，楔形体速度均在撞击后迅速减小，两条曲线趋向于融合成一条单一的曲线。
	Panciroli等^［80］	0.8 m×0.32 m ×0.32 m的水池	曲面楔形体结构	自由下落系统	2.21~4.43	垂直入水	在结构入水过程中，运动物体的动能很大一部分会转化为自由液面抬升所产生的势能以及自由面飞溅的动能部分。
	Anghileri等^［81］	直径8 m、深1.1 m的水池	楔形体	自由下落系统	4.3~8.6	垂直入水	在冲击减速和压力方面的试验的可重复性证实了测试和收集数据的可靠性。
	褚林塘等^［82］	平静水面	楔形体	自由下落系统	3~4	垂直入水	楔形体着水冲击载荷大小与楔形体重量及入水速度正相关，带舭弯的楔形体模型相较无舭弯模型对速度及重量变化更加敏感。
	唐彬彬等^［83］	510 m×6.5 m×5 m的水池	单船身模型	拖曳水池试验	0.17~0.75倍离水速度	纵倾角5°和4.3°	增加鳍式浮筒安装高度改善水面滑行稳定性，减小了水面滑行中水阻力。
	Fisher^［84］	平静水面	加装水橇结构的飞机	滑轨弹射	36.6~49.2	2°~10°	水橇可在多种入水姿态下显著降低飞机入水冲击时所受的压力。
	高霄鹏等^［85］	平静水面	加装水橇结构的飞机	拖曳水池试验	垂向速度0.7，有水平速度	6°	船身中部先触水，随后艏部与水接触受到冲击力迅速抬起，机身脱离水面一小段距离，随后落下。
整机	王明振等^［86］	平静水面	某型水陆两栖飞机缩比模型	拖行后释放	模型垂向速度1，有水平速度	5°~7°	模型姿态出现先小幅低头后大幅抬头的趋势。
	黄淼等^［87］	平静水面	某型水陆两栖飞机缩比模型	拖曳水池试验	离水速度	平均为4.93°	飞机滑行起飞过程中，随速度增加参与滑水的船体面积减小，水阻力减小
	焦俊等^［88］	开阔自然水域，未测浪高	框架结构，复合材料蒙皮	自由飞	与实机对应	7°	着水瞬间出现较大压力，着水滑行阶段因水上跳跃而出现二次峰值。
	Guo等^［89］	开阔水域	某型水陆两栖飞机缩比模型	自主起飞	2~14	未提及	随着模型速度的增加，水体逐渐与断阶分离，在断阶后面形成充满空气的空腔。

表 1

图9

图10

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图12

图13

图14

图15

表 2

部分满足Froude相似准则的参数对应关系

参数	整机值	比例	比例模型值
长度	$L$	$λ$	$λ L$
角度	$θ$	$1$	$θ$
质量	$m$	$λ 3$	$λ 3 m$
力	$F$	$λ 3$	$λ 3 F$
压力	$P$	$λ$	$λ P$
速度	$v$	$λ$	$λ v$
加速度	$a$	$1$	$a$
角加速度	$α$	$λ - 1$	$λ - 1 α$
时间	$t$	$λ$	$λ t$
惯性矩	$I$	$λ 5$	$λ 5 I$

表 2

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水陆两栖飞机着水试验与理论分析方法研究进展

Research progress of amphibious aircraft water landing test and theoretical analysis methods

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