风浪环境中大型飞机水上迫降的水动力砰击载荷研究

Large airplanes could have to ditching in the nearby river, lake or sea area when encounter emergency like the failure of engines or the error of landing chassis. The ditching of airplane is a strong non-linear coupled hydrodynamic problem, the overload of the fuselage caused by the huge hydrodynamic impact load would result in the failure or fracture of structures. To assure the safety of the structures, over-sea airplane manufacturers obtain the hydrodynamic impact loads, based on which the structure strength is checked, through extrapolation of the experimental data for their new planes of similar type. There is few study of water landing in wind and waves; the load characteristic and the laws of the coupled motion is unknown. Therefore the proposed project will study the water landing of large airplane；the characteristics of the loads when ditching in calm water surface and waves will be studied; the experimental study of the typical conditions will be carried out as well. The project will be based on the potential flow theory, the coupled dynamic model would be established, taking into account the lifting force of the wings; the hydrodynamic impact loads in calm water and waves will be calculated, the fuselage motion characteristics at various flight attitude and ditching velocities will be analysed; the mechanics of ditching in wind and waves would be revealed. This study would be the fundamental theory for the analysis of hydrodynamic impact load.

大型飞机在引擎失效或起落架故障等紧急情况下可能需要在河流、湖泊或海上进行水上迫降。飞机水上迫降是强非线性耦合水动力学问题，巨大的水动力砰击载荷可能造成机身过载而引起结构的屈服与断裂。为保证机身结构完整与乘客安全，欧美大型飞机制造商主要依据积累的实验数据理论外推同类型飞机的水上迫降砰击载荷，作为结构强度校核的依据；目前关于风浪环境中的水上迫降砰击载荷研究较少，相应的载荷特性与耦合运动规律尚不清楚，需要展开系统的理论与实验研究。为此项目以大型飞机水上迫降为研究背景，研究飞机在静止水面及风浪中迫降的水动力砰击载荷，并展开典型状况的实验研究。课题拟基于势流理论建立飞机水上迫降的动态耦合力学模型，计及机翼气动升力的影响，分析飞机在各种风浪环境中迫降的水动力砰击载荷，分析飞机以不同飞行姿态与触水速度降落的运动特性，揭示飞机在风浪环境中降落的力学机理，为飞机水上迫降的水动力载荷分析提供理论基础。

飞机在紧急情况下在水上迫降是一个相对安全的做法。飞机的降落速度一般超过240km/h，且水平速度远大于垂向速度。巨大的水动力砰击载荷会导致机身结构破损甚至折断。为此项目对飞机水上降落的砰击载荷变化规律展开研究。.项目主要研究飞机在静水及波浪中迫降的水动力砰击问题。主要采用计算流体力学方法，通过求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程和采用Realizable k-epsilon湍流模型计算机身和流体的相互作用，采用VOF（Volume of Fluid）方法捕捉自由面的变化，采用重叠网格和DFBI（Dynamic Fluid Body Interaction）模型模拟飞机着水耦合运动。首先模拟楔形体和圆锥体自由入水砰击过程，完成收敛性分析并与实验数据进行对比验证。系统的研究了楔形体的斜向入水，分析了楔形体斜向入水背流面的涡脱落，讨论涡脱落处的低压区，模拟了涡流随楔形体入水速度和深度变化的演化。网格划分及时间步长选取经验为飞机高速入水问题提供参考。.飞机水上降落是水动力、空气动力与飞机机身运动三者的耦合运动。项目研究了NACA TN2929飞机模型在静水中的降落过程，通过网格、时间步长收敛性分析，将收敛的计算结果与实验结果对比，验证当前方法计算的准确性。模拟飞机以不同初始速度与不同仰角的着水过程，分析飞机底部压力的变化规律，研究飞机初始速度、初始仰角对砰击载荷及运动姿态的影响规律。.项目研究了NACA TN2929飞机模型在波浪中的降落过程。设计飞机在波浪中的拖航实验，验证理论计算，研究波浪对飞机底部砰击载荷的影响。研究迫降时飞机姿态、速度、波浪参数对飞机迫降砰击载荷的影响规律。分析计算飞机模型在波浪中降落的砰击载荷特点，考查触水点在波峰、波谷的砰击载荷特性与耦合运动规律。本项目的理论与实验研究可为我国大型飞机水上迫降载荷计算提供理论基础，为制定迫降方案提供理论支撑。