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飞机水上迫降的运动特性分析和讨论

刘翔  
【摘要】:上世纪20年代飞机设计师开始重视飞机的迫降性能,60年代迫降内容已被放入各国适航条例中。因此,在国内适航验证中迫降安全性能问题需要解决。 在研究水上迫降安全性能过程中,确定飞机是否成功水上迫降主要有三个指标:1.结构的运行姿态、变形是否对乘客逃生造成严重影响;2.乘客和机员是否承受了过大的冲击过载;3.能否提供足够的漂浮时间供乘员逃离座舱。 以上三个指标主要是对飞机在迫降过程的水冲击载荷、耐撞性以及漂浮性能进行研究。其中,水冲击载荷以及飞机的耐撞性是本文主要研究内容。 飞机撞水过程,水与飞机之间的流-固作用是典型的固、液学科交叉问题,涉及高度非线性的水动力行为。描述飞机的复杂液体边界以及模拟水域与飞机之间的耦合作用,是研究迫降的核心问题。 本文采用有限单元法建立了水上迫降数值计算模型,引入ALE方法描述飞机迫降过程的水面外形,采用罚函数耦合约束模拟飞机蒙皮与水面之间的作用,利用显式动力学方法模拟了A320飞机的迫降过程。通过模型机的试验验证,证明了该方法具有良好的工程精度。同时,就入水姿态、过载变化等关键物理参量进行了其入睡条件的规律性影响研究。 研究工作主要取得以下成果: 1、在文献调研过程中,获取了A320的几何模型以及相关数据。利用CAD、CAE软件成功建立了A320的几何模型和水上迫降的数值计算模型。 2、利用ALE/Penalty Coupling方法,成功模拟出飞机迫降的流-固耦合作用。通过与模型试验结果对比,发现了数值计算得到的姿态角、过载的时间历程曲线与试验结果的变化趋势基本一致,峰值偏差均低于工程允许误差20%。 3、利用该数值方法研究入水条件对于飞机水上迫降性能的规律性影响。研究发现迎角和质量较其它因素对于姿态变化的影响更为明显。其中,水平速度对于姿态和过载变化的影响均不明显,而其它入水条件在不同部段对过载变化的规律性影响不尽相同。 通过建立一套合理的飞机水上迫降计算方法,对飞机近海飞行的安全迫降提供一些理论指导,并促进飞机水上迫降的数值研究进展。


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