水上飛機(jī)浮筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

水上飛機(jī)浮筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.研究背景水上飛機(jī)是指能夠在水面上完成起飛、降落和停放的飛機(jī)，簡(jiǎn)稱水機(jī)。1905年6月6日，由法國(guó)著名的飛機(jī)設(shè)計(jì)師和早期飛行家瓦贊兄弟制造的一架風(fēng)箏式滑翔機(jī)，其機(jī)身下裝有浮筒，由汽艇拖引飛上了天空。至此，世界上第一架水上飛機(jī)誕生了。由于沒(méi)有必要修建機(jī)場(chǎng)和跑道，水上飛機(jī)在20世紀(jì)30年代得到了迅速發(fā)展，甚至開(kāi)通了橫跨太平洋和大西洋的定期客運(yùn)航班。水陸兩棲飛機(jī)是一種固定翼飛機(jī)，可以同時(shí)滿足在地面或水面進(jìn)行起飛和降落。它是在水上飛機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。世界上最早的水陸兩棲飛機(jī)是由美國(guó)人柯倫.柯蒂斯研制的“柯蒂斯E”飛機(jī)。這種機(jī)型的飛機(jī)底部有一個(gè)大浮筒，還有三個(gè)可以拆卸的輪子，可以同時(shí)在陸地和海上起飛和降落。得益于起飛降落的場(chǎng)地限制低，“柯蒂斯E”在當(dāng)時(shí)還創(chuàng)下了水機(jī)的眾多記錄，它是飛行時(shí)間最長(zhǎng)的水上飛機(jī)，是第一架飛到1890米高空的水上飛機(jī)，也是第一架橫跨美國(guó)本土的水上飛機(jī)。在之后的改進(jìn)型還成為了世界上首次在艦船上完成起飛降落的飛機(jī)。從20世紀(jì)20年代到30年代末，西科斯基公司的S系列水陸兩棲飛機(jī)廣泛用于全球跨洋航線。格魯曼公司開(kāi)發(fā)的輕型多用途兩棲飛機(jī)鵝式(Goose)和野鴨(Widgeon)進(jìn)入民用市場(chǎng)后，美國(guó)海軍對(duì)水上飛機(jī)的軍事應(yīng)用進(jìn)行了大量深入的研究。由此，水上飛機(jī)正式開(kāi)始裝備于海軍航空部隊(duì)，并得到了廣泛的應(yīng)用。二戰(zhàn)后，美國(guó)軍方還從格魯曼訂購(gòu)了數(shù)百架信天翁水陸兩棲飛機(jī)及其改進(jìn)型。除美國(guó)和英國(guó)外，俄羅斯在二戰(zhàn)前還研制了水上飛船ShavrovSh-2，廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。二戰(zhàn)后，它還繼續(xù)開(kāi)發(fā)了Be-12反潛和海上巡邏水陸兩棲飛機(jī)，并繼續(xù)研制裝有噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的Be-200兩棲多用途飛機(jī)。20世紀(jì)70年代，中國(guó)也自行開(kāi)發(fā)研制了水上飛機(jī)水轟5，主要用于海上巡邏、偵察等任務(wù)，也可以進(jìn)行改裝用于森林消防。2007年，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)輕型水陸兩棲飛機(jī)海鷗300［１］，該機(jī)的原型機(jī)是客機(jī)，但經(jīng)過(guò)改裝后，也可用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)的空中作業(yè)、觀光旅游和進(jìn)行飛行訓(xùn)練等。2009年，我國(guó)開(kāi)始研制用于滅火/水上救援的大型兩棲飛機(jī)AG600，可作為兩棲多任務(wù)平臺(tái)，配備消防、救援、探測(cè)等設(shè)備后，可在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)專(zhuān)業(yè)目的，有效保障了中國(guó)應(yīng)急救援體系的建設(shè)。目前，水陸兩棲飛機(jī)主要用于偏遠(yuǎn)島嶼的物資運(yùn)輸、森林滅火、水上搜救、休閑旅游等。2.研究意義原浮筒安裝后，斷階滑行阻力過(guò)高，導(dǎo)致其縱向穩(wěn)定性較差，水上飛機(jī)滑行時(shí)不能保持穩(wěn)定。因此，對(duì)原浮筒的縱斷面形狀進(jìn)行了優(yōu)化。浮筒的水動(dòng)力性能對(duì)曲線的變化非常敏感。側(cè)壁曲線的曲率對(duì)浮筒滑行時(shí)的阻力會(huì)產(chǎn)生很大的影響［2］，側(cè)壁曲線彎度的微小變化也可能對(duì)其水動(dòng)力性能有很大影響。浮筒的流線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化，已經(jīng)成為了水上飛機(jī)起飛性能研究的重要課題。3.浮筒的基準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)在浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的部分是斷階設(shè)計(jì)。斷階的存在，在一定程度上，可以增大水中滑行時(shí)浮筒的底部的空氣通量，從而使飛機(jī)可以慢慢擺脫水面帶來(lái)的吸附力，直至浮筒尾部將與水完全分離。臺(tái)階的位置可以變化，但通常位于浮筒的浮力中心的后方區(qū)域，浮筒長(zhǎng)度的1/16左右，臺(tái)階的高度為浮筒最大寬度的5%-9%。本文針對(duì)浮筒外形復(fù)雜的特點(diǎn)，采用放樣的方法對(duì)浮筒進(jìn)行繪制，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算選擇進(jìn)行建模，基準(zhǔn)浮筒外形數(shù)據(jù)如下：表1浮筒關(guān)鍵參數(shù)參數(shù)數(shù)值最大寬度b/m0.54前體長(zhǎng)度/m2.3后體長(zhǎng)度/m2.1總長(zhǎng)/m4.4斷階高度/mm30底部斜升角/（°）25后緣角/（°）104.浮筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮到浮筒在水中滑動(dòng)最重要的是底部和水面之間的接觸，為了確保浮筒提供的浮力基本不變，主要改變浮筒底部的側(cè)緣角和舭彎半徑，以修改浮筒橫截面的形狀。因此，設(shè)計(jì)變量為側(cè)緣角A和舭彎半徑R。設(shè)計(jì)變量的取值范圍，其中邊角A的取值范圍為20°~27°，艙底彎曲直徑R的取值范圍是70mm~160mm。改變浮筒橫截面形狀的主要目的是探索不同橫截面形狀的浮筒在低速滑行時(shí)的水動(dòng)阻力和噴濺現(xiàn)象，因此選擇8m/s的速度，作為研究的環(huán)境條件。將30組模型導(dǎo)入STAR-CCM+，并進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得所需的總阻力和水面最大噴濺高度。然后利用Isight進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到響應(yīng)值。5.優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證根據(jù)優(yōu)化方案中獲得的參數(shù)建立模型，然后導(dǎo)入STAR-CCM+計(jì)算總阻力和水面飛濺高度。然后，優(yōu)化浮筒的斷階高度D和斷階平面的前后偏移距離L。優(yōu)化算法采用NSGA-II算法，設(shè)置參數(shù)與上述一致。根據(jù)運(yùn)行計(jì)算結(jié)果可知，在D=0.0855m和L=0.195m時(shí)得到最優(yōu)組合結(jié)果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和比較，計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。從表8和9可以看出，近似模型計(jì)算結(jié)果與CFD計(jì)算的總阻力相差0.30%，水面最大飛濺高度相差為0.69%，證明優(yōu)化結(jié)果具有較高的精度，與實(shí)際情況較為接近。優(yōu)化后的浮筒總阻力比原浮筒小了10.58%，飛濺高度小8.33%?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后的阻力性能得到了很大的提高，飛濺現(xiàn)象也得到了一定程度的改善。。表2對(duì)D和L優(yōu)化的近似模型計(jì)算好CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比表參數(shù)近似模型計(jì)算結(jié)果CFD模擬計(jì)算H/m0.2880.286F/N2329.3402336.270表3對(duì)D和L優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比表類(lèi)型浮筒所受阻力F/N噴濺高度H/cm原始模型1485.6825.13初步優(yōu)化模型1259.3624.70橫剖面優(yōu)化模型1144.2824.53優(yōu)化前后浮筒截面形狀對(duì)比如下圖所示。優(yōu)化后的形狀底部?jī)?nèi)側(cè)曲率增大，側(cè)壁曲線沿縱向分布的彎度減小，陡峭的趨勢(shì)減緩，使浮筒頂部平臺(tái)的寬度增加。優(yōu)化后的結(jié)果表明，總阻力降低了10.58%，飛濺高度降低了8.33%，優(yōu)化結(jié)果較好。圖原始截面與優(yōu)化截面圖形實(shí)際安裝后，水上飛機(jī)浮筒在靜浮時(shí)的可見(jiàn)姿態(tài)小于優(yōu)化前。在試滑階段的不離水測(cè)試中，其姿態(tài)相比優(yōu)化之前低了很多。在起飛和滑行階段，縱向彈跳的幅度很小，縱向穩(wěn)定性得到了很好的改善，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。參考文獻(xiàn)【1】黃領(lǐng)才，雍明培，水陸兩棲飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，航空學(xué)報(bào)，2018,11,21,0【2】趙立杰，田孟偉，李景奎，等．水上電動(dòng)飛機(jī)浮筒設(shè)計(jì)及起飛滑行［Ｊ］．航空學(xué)報(bào)，2021,42（3）：624590【3】李新