水上飞机着水性能分析

吴 行，成婷婷

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

水上飞机着水时，在最低可能速度、正确俯仰姿态且没有侧滑的条件下触水，并在进近、着陆和转化到滑行的过程中完全控制飞机。水上飞机触水的姿态通常与断阶滑行的姿态很接近，机头可能会稍微高一些。如果机头过高或过低，浮筒和支柱上会受到过多的不必要的由水阻力产生的应力，并可能造成机头下俯，使浮筒艏入水，导致不安全事故的发生，所以对水上飞机着水性能和着水方法的研究就显得十分必要。本文通过对水上飞机着水过程中主要水动力的研究建立水动力模型，利用Matlab 仿真的方法对水上飞机着水的影响因素进行了分析。

1 水上飞机水面运动数学模型

水上飞机水面运动过程中，受力情况十分复杂。对其进行适当简化可以得出，水上飞机在水面运动过程中主要受重力、发动机拉力、气动力和水动力影响，其中水动力包括水动推力、水动阻力和浮力，水面滑行时飞机受力如图1 所示。

图1 水面滑行时飞机受力示意图

但水上飞机在着水时，对其产生最大影响的却是在接水瞬间水面对飞机产生的水动冲击力。水动冲击力指两栖飞机在水面降落时，由于机体迅速而不稳定地浸入水中，水与机体撞击所产生的力。影响水动冲击力的因素包括飞机质量及其分布、船底形状、飞机龙骨与水面接触所夹的纵倾角、运动速度等。

计算时，采用船舶运动中常用的切片理论思想，将飞机机身总冲击力看成无数楔形体入水冲击力的总和，通过一系列适当假设简化计算，得到适用于着水仿真模型的水动冲击载荷计算公式。飞机着水时受到水动力冲击最严重的状态为“对称断阶着水情况”，因此在建模时，将飞机着水载荷的计算归结为飞机对称断阶着水载荷的计算，并进行仿真。机身着水时受力分析如图2 所示。

图2 着水受力示意图

利用切片理论，将机体沿龙骨切成微段ds，把每一个微段看成二元楔形体在水中运动，整个飞机机身的水动冲击力为微段所受冲击力之和：

根据动量定理，将dFn改写为代入式（1）中得到：

其中φ（λ´）为三元流动的修正参数，通过经验公式[1]可得：

式（2）中，λ´为考虑了水面上升影响的龙骨浸湿长宽比。根据WAGNER 的研究[2]，λ´可由不考虑水面上升影响的龙骨浸湿长宽比表示：

根据经验公式得到λ的计算方法[2]：

舭部浸湿后的附连水质量mw的表达式为[3]：

综合以上研究结果，可知水动冲击力的计算表达式为：

某次着水过程中水动冲击力和垂向速度变化如图3所示。

图3 着水过程中水动冲击力和垂向速度变化

2 着水影响因素分析

飞机着水的基本过程：飞行员判断着陆区安全，并选择水方向。使用襟翼、油门和升降舵来控制飞机保持下滑道，并以推荐的进近空速建立稳定的进近。随着飞机接近水面，平滑地抬升机头准备触水。确定飞机在水面上之后关闭油门，并保持触水姿态，直到飞机离开断阶滑行。一旦飞机为慢速滑行姿态，使用向上全偏升降舵保持机头尽可能高，以减小喷溅。

从上面着水的过程可以看出，合适的触水姿态和接水速度是影响水上飞机着水性能的几个重要因素，利用建立的仿真模型来仿真观察接水姿态角、接水速度和下沉率对水上飞机着水过程的影响。在CCAR-25 部中25.125 条着陆条款对水上飞机完全停止的要求为3 kn（1.54 m/s）[4]，但实际上如果水上飞机没有反桨功能很难达到CCAR-25 部中25.125 条的完全停止状态，而且根据仿真结果飞机从5.14 m/s 减至1.54 m/s 所需时间是从接水到减至5.14 m/s 所需时间的几倍，所以在本文中取5.14 m/s（10 节）为完全停止。

2.1 接水姿态角对着水过程的影响

保持其他参数不变，设置变量接水姿态角为：0°、3°、5°、7°、9°，仿真结果如图4 所示。

图4 接水姿态角对着水过程的影响

水上飞机全停的速度要求为3 kn，但是在飞机着水接近停止的阶段，由于水阻力十分小，所以要达到3 kn 的全停速度需要较长时间，所以本文中以10 节（5 m/s）作为停止的参考速度。从图4 可以看出，随着着水纵倾角的增大，着水时间和距离先增大再减小。这是因为在水上飞机着水过程中，存在一个最佳触水姿态角，机头过高或者过低都会受到过多不必要的水阻力，并且可能导致机头下俯。而且当飞机触水姿态角太大时，飞机会有一个很大的低头动作，会产生很大的俯仰速率，同时导致吃水深度骤增。

结合上面的分析可以得出，水上飞机着水时存在一个最佳的触水姿态角，过大或者过小都会产生较大的过载，而且过大时会导致一个很大的低头动作，严重时可能导致机头入水。

2.2 下降率对着水过程的影响

保持其他参数不变，设置下沉率为：0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s，仿真结果如图5 所示。从图5 可以看出，水上飞机的着水时间和着水距离随下沉率的增减而减小，这是因为随着下降率的增加，水平方向的加速度增大。随着下沉率的增大，俯仰角变化基本不变，但俯仰角变化率和吃水深度均增大，吃水深度增大会导致水阻力增大。而且随着下沉率的增大，水动冲击力增大，垂直方向的过载增大。

图5 下降率对着水过程的影响

结合上述的分析可知，水上飞机在着水时应该以较低的速度着水，但速度过低会导致下沉率过大，接水瞬间垂直方向过载过大，且要以合适的着水俯仰姿态接水，根据仿真结果，推荐的着水俯仰角为5°左右。

3 结束语

本文结合水动冲击力的相关理论，利用Matlab 方法对水上飞机着水过程进行了仿真分析，并对接水姿态和下降率对着水性能的影响进行了分析和讨论，为中国民用水上飞机的试飞工作提供一定的参考和技术支持。