民用飛機(jī)水上迫降數(shù)值仿真研究進(jìn)展

羅文莉

【摘 要】水上迫降已經(jīng)成為現(xiàn)代客機(jī)適航認(rèn)證中的一個(gè)重要項(xiàng)目，本文綜述了國(guó)內(nèi)外在民用飛機(jī)水上迫降數(shù)值研究方面的進(jìn)展及研究方向。飛機(jī)水上迫降屬于典型的入水沖擊問(wèn)題，由于理論分析無(wú)法適用復(fù)雜的三維模型入水問(wèn)題，而模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)制造復(fù)雜、周期長(zhǎng)且需耗費(fèi)大量資金時(shí)間，相比之下，成本低廉且靈活方便的數(shù)值仿真技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，并將成為研究飛機(jī)水上迫降的重要方向。

【關(guān)鍵詞】水上迫降；數(shù)值仿真；研究進(jìn)展

0 引言

水上迫降是指陸基飛行器在水面上的可控緊急降落。自上世紀(jì)50年代初期，多發(fā)噴氣運(yùn)輸機(jī)引入到民用航空領(lǐng)域后，民用運(yùn)輸機(jī)的跨水域飛行越來(lái)越普遍，從而增加了水上迫降的概率[1]。水上迫降時(shí)很可能產(chǎn)生巨大的沖擊加速度以及機(jī)身結(jié)構(gòu)破壞，人員生命安全受到極大威脅。各國(guó)在制訂民用運(yùn)輸機(jī)適航條例時(shí)，要求民用運(yùn)輸機(jī)跨水域飛行必須通過(guò)水上迫降性能適航審定。我國(guó)民用飛機(jī)適航條例[2]CCAR25.801（c）規(guī)定，固定翼運(yùn)輸機(jī)必須通過(guò)模型試驗(yàn)，或與已知其水上迫降特性的構(gòu)形相似的飛機(jī)進(jìn)行比較，來(lái)檢查飛機(jī)在水上降落時(shí)極可能的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)。

1 水上迫降研究背景

飛機(jī)水上迫降屬于典型的入水沖擊問(wèn)題，目前存在的研究方法有以下三種：理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。上世紀(jì)20年代起就有了入水沖擊問(wèn)題相關(guān)的理論分析方法[3]，然而理論分析主要集中在研究二維楔形或者圓形截面的物體垂直入水，而民用飛機(jī)水上迫降問(wèn)題結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣動(dòng)力不可忽略、且以水面滑行運(yùn)動(dòng)為主，理論分析手段無(wú)法適用，因此早期關(guān)于民用飛機(jī)水上迫降性能的研究，基本都采用動(dòng)力相似模型試驗(yàn)的方法[4]。但水上迫降試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和制造復(fù)雜、周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)需要重復(fù)多次用于研究各種因素對(duì)迫降過(guò)程的影響，耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間，因此，歐美國(guó)家開(kāi)始嘗試先進(jìn)分析技術(shù)來(lái)部分或完全替代模型試驗(yàn)。隨著計(jì)算理論和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展為研究飛機(jī)水上迫降性能提供了新的途徑。與模型試驗(yàn)相比，數(shù)值仿真方法成本低廉、靈活方便，不僅可以給出相關(guān)的沖擊載荷，還可以詳細(xì)地展示迫降的動(dòng)態(tài)過(guò)程和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等，在水上迫降研究領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 水上迫降數(shù)值仿真方法

水上迫降問(wèn)題本質(zhì)上是入水沖擊問(wèn)題，目前的數(shù)值模擬方法大致可分為以下幾類(lèi)：邊界元法、有限元法、光滑粒子水動(dòng)力學(xué)法和有限體積法。

邊界元法在早期的數(shù)值模擬中得到了大量應(yīng)用。該方法認(rèn)為在著水沖擊的短時(shí)間內(nèi)慣性力占主導(dǎo)作用而忽略粘性力，從而利用不可壓勢(shì)流理論。但波浪翻轉(zhuǎn)后產(chǎn)生旋度不滿(mǎn)足勢(shì)流理論。若切斷波浪飛濺產(chǎn)生的射流繼續(xù)計(jì)算則會(huì)影響物體表面壓強(qiáng)分布及質(zhì)量守恒。因此，該方法對(duì)于自由表面飛濺和破碎問(wèn)題的完整描述還存在困難。

有限元法創(chuàng)始于上世紀(jì)50年代，最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，近年來(lái)也開(kāi)始應(yīng)用于流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，應(yīng)用于著水沖擊問(wèn)題的計(jì)算。但該方法需要解決接觸算法中的滲漏問(wèn)題，而且對(duì)水面的模擬精度有限，壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格密度問(wèn)題出現(xiàn)較嚴(yán)重的波動(dòng)。

光滑粒子水動(dòng)力學(xué)法（SPH）不采用傳統(tǒng)方法用網(wǎng)格來(lái)計(jì)算導(dǎo)數(shù)，避免了復(fù)雜三維網(wǎng)格生成困難、大變形和不連續(xù)等問(wèn)題。在模擬復(fù)雜自由表面流體問(wèn)題時(shí)對(duì)自由表面波的翻卷、破碎、飛濺等細(xì)節(jié)的模擬體現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。但在模擬氣墊和吸力時(shí)有很大缺陷，嚴(yán)重影響對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和沖擊壓強(qiáng)的模擬。

有限體積法（FVM）的基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，將待解微分方程在每一個(gè)控制體上積分。該方法在處理自由表面流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，需要一套自由表面捕捉方法，其中最主要的是流體體積占比方法（VOF）和水平集方法（Level-Set）。FVM+VOF方法已經(jīng)成為飛機(jī)水上迫降數(shù)值模擬一種比較常用的方法，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠計(jì)算飛機(jī)水上迫降過(guò)程中所受的氣動(dòng)力、水動(dòng)力，較好地模擬飛機(jī)尾部的吸力。采用有限體積法模擬飛機(jī)水上迫降問(wèn)題的精度十分依賴(lài)于自由表面捕捉方法的精度以及網(wǎng)格密度，模擬破碎和飛濺等現(xiàn)象取決于自由表面捕捉方法的進(jìn)展。

3 水上迫降數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的關(guān)于入水沖擊問(wèn)題的數(shù)值研究大多基于以上幾種方法。1989年， Ghaffari等[5]基于線(xiàn)性勢(shì)流理論，用面元法模擬了一種航天飛機(jī)的水上迫降問(wèn)題，考慮了空氣和水流的影響，研究了水上迫降過(guò)程中的氣動(dòng)力-水動(dòng)力載荷。1994年，Brooks等[6]給予有限元法采用LS-DYNA3D軟件模擬了阿波羅返回艙入水的過(guò)程，但當(dāng)時(shí)的DYNA還沒(méi)有流體模塊，使用實(shí)體單元模擬水。2006年，吳衛(wèi)等[7]使用SPH法對(duì)塊體下滑激發(fā)的水波問(wèn)題進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，并經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明SPH法在處理自由表面大變形問(wèn)題上具有優(yōu)勢(shì)。2007年，Streckwall等[8]使用了基于動(dòng)量法的混合程序DITCH與基于FVM+VOF法的求解器COMET模擬了不同機(jī)身尾部形狀的著水沖擊現(xiàn)象，并經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這兩種方法。2015年，Shah等[9]提出了一種SPH結(jié)合LS-DYNA的方法，并基于二維楔形體自由落水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)試驗(yàn)和仿真的物體受力大小和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

在飛機(jī)的水上迫降方面，2006年，Climent等[10]采用SPH法和PAM-CRASH軟件相結(jié)合，對(duì)CN-235-300M飛機(jī)的剛性和柔性?xún)煞N模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了柔性對(duì)壓強(qiáng)的影響，利用得到的柔性系數(shù)對(duì)縮比模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，分析了機(jī)體變形和結(jié)構(gòu)完整性。2009年，屈秋林等[11]使用Fluent軟件基于VOF法模擬了某型客機(jī)迫降過(guò)程，較好地捕捉到了水面的變形并給出了最佳迫降姿態(tài)。2010年，Groenenboom等[12]使用SPH和PAM-CRASH軟件相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)比二維楔形體以及CN235飛機(jī)模型試驗(yàn)的結(jié)果，表明后體吸力不可忽略。2012年，張韜等[13]運(yùn)用MSC.DYTRAN軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)比了模型試驗(yàn)的沖擊壓力和姿態(tài)，驗(yàn)證了數(shù)值方法，并研究了飛行姿態(tài)、重心位置對(duì)迫降載荷的影響，表明后體吸力不可忽略。2013年，徐文岷等[14]基于MSC.DYTRAN軟件考慮了水、空氣和飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的耦合作用，對(duì)某型飛機(jī)水上迫降過(guò)程中機(jī)身底部所受載荷以及著水過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明飛機(jī)結(jié)構(gòu)入水時(shí)壓力在初期達(dá)到峰值，然后衰減，峰值過(guò)后會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。2014年，張盛等[15]使用SPH法模擬波浪條件下的某小型飛機(jī)水上迫降過(guò)程，并給出了最佳迫降姿態(tài)。2015年，Qu等[16]采用FVM+VOF方法結(jié)合整體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格模擬迫降過(guò)程，通過(guò)對(duì)比NACA TN2929模型試驗(yàn)的速度、俯仰角和重心高度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

4 數(shù)值仿真研究發(fā)展趨勢(shì)

由于邊界元法難以模擬自由表面飛濺和破碎的情況，有限元法對(duì)水面的模擬精度有限，且依賴(lài)于網(wǎng)格密度變化，對(duì)計(jì)算資源的需求也較大。水上迫降時(shí)較大的水平速度使得水體在產(chǎn)生正壓力的同時(shí)，也會(huì)由于機(jī)身尾部外形曲率而產(chǎn)生吸力，目前較為成熟的以本構(gòu)方程為控制方程的SPH 方法無(wú)法模擬出吸力，有限體積法又依賴(lài)于自由表面捕捉方法，因此需要根據(jù)研究重點(diǎn)選取相對(duì)準(zhǔn)確有效的數(shù)值仿真方法，盡可能捕捉到水上迫降過(guò)程中的氣穴和飛濺現(xiàn)象。另外，入水沖擊過(guò)程中，流體和結(jié)構(gòu)之間存在密切的耦合作用，流體作用影響結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和失效，結(jié)構(gòu)變形又會(huì)影響流場(chǎng)分布和沖擊力，因此考慮結(jié)構(gòu)柔性的水上迫降研究也越來(lái)越得到人們的關(guān)注。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，將來(lái)可能會(huì)成為研究飛機(jī)水上迫降的重要方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

如今在歐美航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于縮比模型試驗(yàn)已經(jīng)有了幾十年工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，許多大型民航機(jī)的水上迫降性能都不再進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，因此數(shù)值仿真研究顯得尤為重要。考慮結(jié)構(gòu)柔性的水上迫降研究將會(huì)成為重點(diǎn)研究方向，而各種數(shù)值研究方法各有優(yōu)劣，有待發(fā)展。對(duì)于飛機(jī)水上迫降未來(lái)的研究可能主要利用數(shù)值計(jì)算方法，并借助此進(jìn)行適航認(rèn)證，但仍需要進(jìn)行大量的方法和精度的驗(yàn)證工作。

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[責(zé)任編輯：王偉平]