水陆两栖飞机水池试验模型设计加工技术浅析
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作者:张文军 黄淼 张家旭
摘 要：我国自主研制的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机的研制取得重要进展，模型水池试验是验证、分析飞机水面起飞、着水性能的重要方法。本文结合水陆两栖飞机水池试验模型技术特征，分析了试验模型设计过程中的外形、重量/惯性矩以及基准线/基准面技术要求。提出了模型关键部件的定位设计方法，取得了良好效果。结果显示按该方法设计、加工的模型重量、惯性矩误差能控制在0.12%和5.7%以内。
关键词：水陆两栖飞机 水池试验模型 设计技术 加工技术
中图分类号：V271.5 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0079-02
我国自主研制的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机分别于2017年12月24日和2018年10月20日成功实现陆上、水上首飞，型号研制取得重要突破。在该型号的研制过程中，开展缩比模型水池试验是验证飞机的水面起飞、着水性能的重要方法，大型灭火/水上救援水陆两栖飞机先后开展了单机身模型试验、滑行稳定性模型试验、快速性模型试验、耐波性模型试验、着水载荷模型试验，这些试验全面的验证了飞机在水面起飞、降落过程中的水动力性能[1-3]，为安全首飞奠定了基础。试验模型的精度及技术状态决定了试验结果能否真实反映飞机的水动力性能，因此模型的外形尺寸、安装角度、重量、惯性矩都有相应的精度要求。
1 水池试验模型技术特征要求
为保证试验模型的加工精度，试验模型一般利用模具加工成复合材料模型。考虑到水陆两栖飞机的复杂外形，为保证模具的拔模特性，需要将飞机分割成多个部分分别制作模具，特别是对于机身部分，由于船体、机翼都与机身直接连接，其拔模特征较复杂，仅机身部分需要分成3或4部分进行加工。各部分加工完成后组装时，为保证安装精度，需要各部件上都需要有基准线或者基准面。
水陆两栖飞机模型水池试验以傅汝的数相似原理为准则，试验模型与实机之间满足几何相似、运动相似和动力相似。对于模型的设计与加工，需要重点考虑长度、速度、质量和惯性矩。模型的长度和速度主要受到试验水池的长度、宽度以及拖曳能力的影响，这也决定了试验模型的缩比值的大小。此外，试验模型的质量、惯性矩与实机之间分别成缩比的三次方和五次方的关系，这说明试验模型的质量、惯性矩急剧减小，在设计和加工试验模型时，必须对模型的重量分配进行严格控制，否则试验模型很难达到相应的技术状态要求。
1.1 外形要求
开展水陆两栖飞机模型水池试验时，主要是机身下部分的船体与水面接触，因此船体的外形加工精度要求相对较高，而机翼、尾翼等其他部件的外形进度相对较低。根据大型灭火/水上救援水陆两栖飞机试验模型技术要求，船体的外形进度误差不大于0.5mm，机翼、尾翼外形精度误差不大于0.8mm。
1.2 重量/惯性矩要求
试验模型的重量、惯性矩对模型在静水和波浪中的运动特征影响较大，一般而言，试验模型的重量误差要控制在1%以内、惯性矩误差要控制在10%以内。
在开展模型设计时，要对模型各部件蒙皮、内部结构件、配重的分配进行设计与控制，并对表面喷漆的重量都要提出控制要求，以保证加工的模型满足重量和惯性矩要求。
1.3 基准线/基准面要求
在模型的组装、调试过程中，需要对模型的关键点、线的安装精度，模型的对称性进行控制和检查，因此需要在模具及模型上保留关键的基准线和基准面。主要包括机身水平基准线、机翼横向基准线、机身机翼对接定位安装孔、机身尾翼定位安装孔等。
2 水池试验模型设计加工工艺分析
2.1 模型的设计与加工思路
试验模型按分块加工再组装的方式进行。加工时分为机身、左机翼、右机翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、升降舵、襟翼、浮筒共8个部分。其中，机身、左机翼、右机翼、垂尾（含方向舵）、平尾安定面、浮筒各1个模具，襟翼有3个模具。
2.2 模具的设计与加工
大型水陆两栖飞机的外形非常复杂，特别是船体部分，抑波槽、抑波板等凹、凸部件对试验模型的设计与加工提出了很高的要求。以机身为例，设计加工时需要考虑机身与机翼、机身与尾翼，以及船体上的抑波槽、抑波板的安装方式，并根据安装方式确定阳模的分块与简化。图1所示为大型灭火/水上救援水陆两栖飞机水池试验模型阳模设计，该阳模分为上下两部分，并设计有机身机翼对接安装孔、机身尾翼对接安装孔，并在抑波板处挖槽，以保证模具的拔模特性。
阳模保留定位安装孔的作用是：阳模上的定位安装孔，有助于加工阴模时预留出安装孔位置，这样在安装模型内部结构件时可通过阴模上的定位安装孔对结构件进行定位，以保证内部结构件安装位置的准确性，否则在合模时很可能因为内部结构件安装位置不准确使模型外形受到向外挤压的压力，出现合不上模的现象。
2.3 模型的设计与加工
在开展模型加工时，不同部件的复合材料铺层数不同，其中，机身下部分采用3层碳纤维+1层玻璃纤维铺层，机身上部分、机翼、浮筒、襟翼采用2层碳纤维+1层玻璃纤维铺层，而垂尾、平尾离重心位置较远，对模型惯性矩的影响较大，采用1层碳纤维+1层玻璃纤维铺层。
除通过限制铺层数量对模型的重量进行控制外，模型内部结构件的安装也十分关键，特别是机身内部结构件关系到重心位置的确定。机身内部结构件的安装方法是：根据各结构框之间的理论距离，在机身梁上测量出相应的距离，确定各结构框之间的距离。然后对关键结构框在模型（一般为断阶位置所在的结构框）内部进行定位，定位方法是利用结构框上的定位安装孔、机身阴模左、有部分的定位安装孔，保证三个定位安装孔在一条直线上，从而实现对内部结构件的前后位置和高度进行定位。
2.4 模型组装调试及结果
根据该方法设计加工的模型重量、惯性矩调试结果见表1所示。可以看出，整个模型的重量、惯性矩调试结果与理论值吻合较好。大重量技术状态，对重量的误差影响较小，对惯性矩的影响较大，即大重量技术状态的惯性矩误差比小重量技术状态的惯性矩误差要大，但都在惯性矩误差技术要求之内。
3 结语
本文结合大型灭火/水上救援水陆两栖飞机模型水池试验，总结形成了针对试验模型技术特征的模型外形、重量、惯性矩、关键部件定位安装的设计、加工方法。根据该方法完成了大型灭火/水上救援水陆两栖飞机水池试验模型的研制，结果显示该方法对试验模型技术特征控制效果良好，根据模型试验得到的飞机水动力性能与实机试飞性能吻合度高，显示了该方法在模型精度控制上具有良好的实用性和准确性。
参考文献
[1] 孙丰，吴彬，廉兹鼎，等.着水姿态对大型水陆两栖飞机着水性能的影响[J].船舶力学，2019，23（4）：397-404.
[2] 黄淼，褚林塘，李成华，等.大型水陆两栖飞机抗浪能力研究[J].航空学报，2019，40（1）：121-129.
[3] 孙丰，魏飞，吴彬，等.大型水陆两栖飞机舱段入水冲击实验研究[J].振动与冲击，2019，38（12）：39-43.
作者简介：张文军（1965，8—），男，汉族，湖北荆门人，专科，技师，从要从事水陆两栖飞机模型加工技术研究。
通讯作者：黄淼（1985，1—），汉族，湖北鹤峰人，硕士，高级工程师，主要从事水陆两栖飞机水动力性能研究，E-mail： 18120388030@163.com。
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