CN109612684A - 固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
针对当前水面飞行器着水载荷精确预计面临的困难，本发明公开了一种固定姿态下的水面飞行器着水载荷试验装置及方法，用于水面飞行器固定状态下的着水载荷的精细化评估。该方法能保证模型在着水过程中某一参数不变，分别研究模型姿态角、水平速度、垂直速度及波浪参数对着水载荷的影响，并通过卸载的方式，研究气动升力对水面飞行器着水载荷的影响。试验过程中，采用加速度传感器测量数据对着水载荷进行准确分析，以及采用压力传感器测量数据对模型底部压力的分布域和分布规律进行分析，准确预计模型在可能出现的任意姿态和海况产生的载荷系数和压力分布。
Description
技术领域
本发明涉及水面飞行器(水上飞机、水陆两栖飞机、地效飞机)的试验领域，具体所属一种固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置及试验方法。
背景技术
水面飞行器着水载荷是制约其结构完整性、使用安全性的主要载荷情况。着水载荷直接关系到飞机结构轻质、长寿命和大商载的实现，是研制高性能水面飞行器的重要技术基础。当前我国水面飞行器面对的主要问题是现有的水面载荷计算方法过于粗放，不能满足水面飞行器精细化设计的需要；加上试验技术手段成熟度不高，达不到工程应用的标准，从而造成了水面飞行器着水载荷预计不够精确，在飞机结构设计的过程中偏于保守，导致了飞机结构重量过大，限制了飞行器的商载能力和航程。
通过理论分析，水面飞行器着水载荷大小与其着水时的姿态角、航迹角、着水速度及波浪参数息息相关。在进行结构设计时，需要提供载荷输入，这就要求考虑这些因素对着水载荷的影响，目前航空规章及咨询手册都没有将这些影响因素与水载荷系数联系起来，只是给出了一个水载荷经验系数，尤其是未细分不同浪高下水载荷系数的取值。忽略了飞机的使用限制和运营环境，其着水载荷计算仅采用一个粗放的经验系数，这给我国水面飞行器的详细设计带来诸多的困难。
发明内容
发明目的
航空规章、咨询手册和相关技术资料对于水面飞行器的着水载荷计算过于粗放，仅仅给出了一个着水载荷经验系数，不利于高性能水面飞行器的设计和发展。
本发明提供了一种固定姿态的水面飞行器着水载荷试验装置及试验方法，对着水载荷影响因素进行定量分析，最终建立着水载荷经验系数与各个因素的数据库以及与波高的一一对应关系。
发明技术解决方案
为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，包括水面飞行器模型，水面飞行器模型设置于水动力高速试验拖车下方；水面飞行器模型顶部通过角度调节装置连接上转接铝板，上转接铝板下部通过螺杆连接下转接铝板，下转接铝板设置于水面飞行器模型顶部；上转接铝板顶部连接天平，天平顶部与升沉杆底部连接，升沉杆竖直穿过小滑车，小滑车左、右端通过钢索连接在测桥上，升沉杆顶端通过绳索连接电磁钩，电磁钩连接高度调节装置，高度调节装置连接在水动力高速试验拖车上；升沉杆顶部还通过钢丝绳连接卸载箱，钢丝绳通过滑轮使卸载箱可为水面飞行器模型提供垂直向上的拉力；
压力传感器设置在水面飞行器模型的船底，加速度传感器设置在水面飞行器模型内重心处；在水面飞行器模型前方设置有摄像机，摄像机安装在固定在水动力高速试验拖车底部的支架上。
优选的，高度调节装置采用电动缸。
优选的，水面飞行器模型左前方和右前方均设置有摄像机。
优选的，角度调节装置包括互相铰接的两个连接部，两个连接部分别与水面飞行器模型和上转接铝板连接。
固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验方法，试验过程如下：试验时，水动力高速拖车在轨道上运动时带动水面飞行器模型向前方运动，水面飞行器模型的速度由水动力高速拖车控制，打开采集器，当水动力高速拖车加速度达到试验要求的运行速度并稳定后，触发电磁钩释放，水面飞行器模型自由落体撞击水面，水面飞行器模型着水完成至滑水后，水动力高速拖车刹车减速直至停车。
优选的，试验结束后，在保证试验数据有效性的基础上进行记录并对其相关分析，记录的内容包括水面飞行器模型的垂直加速度，天平的纵倾力矩及船底压力分布。
本发明的优点
本发明的优点在于：
该方法能保证模型在着水过程中某一参数不变，分别研究模型姿态角、水平速度、垂直速度及波浪参数对着水载荷的影响，并通过卸载的方式，研究气动升力对水面飞行器着水载荷的影响。试验过程中，采用加速度传感器测量数据对着水载荷进行准确分析，以及采用压力传感器测量数据对模型底部压力的分布域和分布规律进行分析，准确预计模型在可能出现的任意姿态和海况产生的载荷系数和压力分布。
附图说明
图1为本发明的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置的结构示意图。
图2为姿态角与垂向加速度关系变化曲线。
图3为水平速度与垂向加速度关系变化曲线。
图4为垂直速度与垂向加速度关系变化曲线。
图5为气动升力变化与加速度关系曲线。
图6为船底压力随时间变化曲线。
图7为船底压力浸湿区域。
图8为压力分布规律与浸湿区域验证结果。
图9为压力分布规律与浸湿区域验证结果。
图中：1-水面飞行器模型、2-角度调节装置、3-水动力高速试验拖车、4-天平、5-上转接铝板、6-螺杆、7-升沉杆、8-小滑车、9-钢索、10-测桥、11-绳索、12-电磁钩、13-电动缸、14-卸载箱、15-滑轮、16-钢丝绳、17-压力传感器、18-加速度传感器、19-摄像机、20-支架、21-采集器、22-碳管。
具体实施方式
结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。
固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，包括水面飞行器模型1，水面飞行器模型1设置于水动力高速试验拖车3下方；水面飞行器模型1顶部通过角度调节装置2连接上转接铝板5，上转接铝板5下部通过螺杆6连接下转接铝板；下转接铝板5与卡圈23进行螺纹连接，卡圈23与布置于机身内部的碳管22连接；角度调节装置2可调节水面飞行器模型1的姿态角，将水面飞行器模型1调节到一定姿态角后，采用螺杆6连接上、下铝板，避免水面飞行器模型1姿态角在撞击水面时发生较大变化；上转接铝板5顶部连接天平4，天平4用于测试水面飞行器模型1在着水过程中的纵倾力矩，天平4顶部与升沉杆7底部连接，升沉杆7竖直穿过小滑车8，小滑车8左、右端通过钢索9连接在测桥10上，对小滑车左、右进行限定，使得水面飞行器模型1只具有垂直方向上的运动。升沉杆7顶端通过绳索11连接电磁钩12，当水面飞行器模型1达到给定试验状态时，触发电磁钩12，模型自由落体与水面发生撞击；电磁钩12连接高度调节装置，高度调节装置用于调节水面飞行器模型1自由落体的初始高度；高度调节装置连接在水动力高速试验拖车3上；升沉杆7顶部还通过钢丝绳16连接卸载箱14，钢丝绳16通过滑轮15使卸载箱14可为水面飞行器模型1提供垂直向上的拉力；卸载箱14内放置砝码为水面飞行器模型1提供垂直向上的力，模拟机翼气动升力，利用不用砝码重量研究气动升力对着水载荷的影响。试验采集阶段拖车水平方向的速度保持不变，保证每个试验工况只有一个参数发生变化，分别研究各个参数对着水载荷的影响。
压力传感器17设置在水面飞行器模型1的船底，加速度传感器18设置在水面飞行器模型1内重心处；在水面飞行器模型1左前方和右前方设置有摄像机19，摄像机19安装在固定在水动力高速试验拖车3底部的支架20上，摄像机19用于记录模型的着水过程。
高度调节装置采用电动缸13或其他可进行高度调节的装置。
角度调节装置2包括互相铰接的两个连接部，两个连接部分别与水面飞行器模型1和上转接铝板5连接。
在固定姿态下水面飞行器模型着水试验中，主要通过拖车3对水面飞行器模型1着水水平速度进行控制，并通过电动缸13调节模型的自由落体高度，在飞机重心处布置角度调节装置，保持水面飞行器模型1姿态角可调，并在角度调节装置之间设计两个铝板及螺杆6，对水面飞行器模型1着水过程中的俯仰变化进行加强。采用加速度传感器18，天平4，压力传感器17测试模型在着水过程中的载荷。采用卸载的方式施加气动升力，研究气动升力对载荷的影响。这样可通过单参数变化研究水平速度、垂直速度、姿态角，气动升力及波浪要素对载荷的影响。
使用固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置进行试验的方法，试验过程如下：试验时，水动力高速拖车3在轨道上运动时带动水面飞行器模型1向前方运动，水面飞行器模型1的速度由水动力高速拖车3控制，打开采集器21，当水动力高速拖车3加速度达到试验要求的运行速度并稳定后，触发电磁钩12释放，水面飞行器模型1自由落体撞击水面，水面飞行器模型1着水完成至滑水后，水动力高速拖车3刹车减速直至停车。
试验结束后，在保证试验数据有效性的基础上进行记录并对其相关分析，记录的内容包括水面飞行器模型1的垂直加速度，天平4的纵倾力矩及船底压力分布。
试验数据分析：
对加速度数据进行滤波分析，得到不同姿态角(图2)、水平速度(图3)、垂直速度(图4)下的加速度变化曲线，分析升力变化与加速度之间的关系(图5)。分析底部压力，得到压力与时间变化曲线(图6)，得到最大加速度时的压力分布规律与船底浸湿区域(图7)。并且根据压力分布规律对浸湿区域进行积分，得到压力对天平安装点的力矩，进而与纵向力矩数据进行对比，验证压力作用区域与分布规律的准确性见图8、图9。
Claims (6)
1.固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，其特征在于，包括水面飞行器模型(1)，水面飞行器模型(1)设置于水动力高速试验拖车(3)下方；水面飞行器模型(1)顶部通过角度调节装置(2)连接上转接铝板(5)，上转接铝板(5)下部通过螺杆(6)连接下转接铝板(5)，下转接铝板(5)与卡圈(23)螺纹连接，卡圈(23)与布置于机身内部的碳管(22)连接；上转接铝板(5)顶部连接天平(4)，天平(4)顶部与升沉杆(7)底部连接，升沉杆(7)竖直穿过小滑车(8)，小滑车(8)左、右端通过钢索(9)连接在测桥(10)上，升沉杆(7)顶端通过绳索(11)连接电磁钩(12)，电磁钩(12)连接高度调节装置，高度调节装置连接在水动力高速试验拖车(3)上；升沉杆(7)顶部还通过钢丝绳(16)连接卸载箱(14)，钢丝绳(16)通过滑轮(15)使卸载箱(14)可为水面飞行器模型(1)提供垂直向上的拉力；
压力传感器(17设置在水面飞行器模型(1)的船底，加速度传感器(18)设置在水面飞行器模型(1)内重心处；采集器(21)布置在机身碳管(22)上，用于采集压力传感器(17)和加速度传感器(18)测得的数据；在水面飞行器模型(1)前方设置有摄像机(19)，摄像机(19)安装在固定在水动力高速试验拖车(3)底部的支架(20)上。
2.如权利要求1所述的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，其特征在于，高度调节装置采用电动缸(13)。
3.如权利要求1所述的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，其特征在于，水面飞行器模型(1)左前方和右前方均设置有摄像机(19)。
4.如权利要求1所述的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置，其特征在于，角度调节装置(2)包括互相铰接的两个连接部，两个连接部分别与水面飞行器模型(1)和上转接铝板(5)连接。
5.使用如权利要求1～4任一所述的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验装置进行试验的方法，其特征在于，试验过程如下：试验时，水动力高速拖车(3)在轨道上运动时带动水面飞行器模型(1)向前方运动，水面飞行器模型(1)的速度由水动力高速拖车(3)控制，打开采集器(21)，当水动力高速拖车(3)加速度达到试验要求的运行速度并稳定后，触发电磁钩(12)释放，水面飞行器模型(1)自由落体撞击水面，水面飞行器模型(1)着水完成至滑水后，水动力高速拖车(3)刹车减速直至停车。
6.如权利要求5所述的固定姿态下的水面飞行器模型着水载荷试验方法，其特征在于，试验结束后，在保证试验数据有效性的基础上进行记录并对其相关分析，记录的内容包括水面飞行器模型(1)的垂直加速度，天平(4)的纵倾力矩及水面飞行器模型(1)船底压力分布。
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