動(dòng)力水氣地效翼船空氣-流體動(dòng)力設(shè)計(jì)

動(dòng)力水氣地效翼船空氣-流體動(dòng)力設(shè)計(jì)

1氣動(dòng)布局特點(diǎn)如文獻(xiàn)[1.4]所述，與普通船相比，動(dòng)態(tài)氣田（也稱為動(dòng)態(tài)氣田）具有超高速、抗波性、兩側(cè)性、可登陸性和多航態(tài)運(yùn)營等特點(diǎn)。這給氣位的配置帶來了許多問題，并給設(shè)計(jì)帶來了很大困難。本文著重分析在流體空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)(氣動(dòng)布局)方面的特點(diǎn)和難點(diǎn)。1.1沒有也無高墊船的成裝如同全墊升氣墊船一樣,動(dòng)力氣墊地效翼船必需具有兩棲性與陸上機(jī)動(dòng)能力。但是正如圖1、2、3所示,動(dòng)力氣墊地效翼船在首尾部并沒有像全墊升氣墊船那樣的圍裙*,首尾沒有圍裙的“天鵝”號(代號“751”)動(dòng)力氣墊地效翼船從正面看來僅有狹窄的主船體和兩個(gè)側(cè)浮體,猶如三把刀形浮體,在波浪中即使偶爾擦水也僅有較小的附加阻力,使艇的失速很小。如同所有氣墊船專家所意識到的那樣,大門敞開的首部對靜墊升帶來了極大的困難。因此提高地效翼船的靜升推比ηLS是一個(gè)關(guān)鍵。1.2空氣-流體作用力中心為了使艇能用于軍民領(lǐng)域,即能在普通地面上陸、下水、進(jìn)山洞,在狹窄航道上機(jī)動(dòng)、靠船幫與碼頭,以及在風(fēng)浪中高速飛行,艇必需具備如下航行模式:a.陸上靜墊升,低中速航行;b.水上低速排水航行;c.水上中速(氣)墊態(tài)航行;d.地效區(qū)內(nèi)水上高速離水飛行。眾所周知,艇的重心一般是不變的,但是水(地)面對船的空氣流體的支持力中心是隨航態(tài)而變化的,作用在地效翼上的流體空氣動(dòng)力支持力一般有:a.靜墊升力(艇在水面或地面上靜墊升時(shí)的支持力);b.主船體與側(cè)浮體的阿基米得浮力(艇在水上排水航行時(shí));c.主船體與側(cè)浮體的水動(dòng)升力(艇在水上中速航行時(shí));d.主翼與水平尾翼、組合翼等的動(dòng)力(氣墊)升力(艇在水上或陸上中速墊態(tài)航行時(shí));e.主翼與水平尾翼、組合翼等的氣動(dòng)升力(艇在水上或陸上高速飛行時(shí))。因此空氣-流體作用力中心歸納起來有船體的靜(動(dòng))流體作用力中心、主翼(包括主船體與浮體)的氣墊壓力中心和主翼與船體的氣動(dòng)力中心。雖然船體與浮體的靜(動(dòng))浮力如與重心在縱向不一致時(shí)僅帶來船舶一定的縱傾,且縱傾不太大時(shí)不致于帶來過大的危害;但如重心與氣墊壓力中心在縱向不一致時(shí)將使艇一端觸地而無法在陸上靜墊升機(jī)動(dòng)、上陸與下水;而重心與氣動(dòng)力中心的不一致將導(dǎo)致船失穩(wěn)甚至傾覆。前蘇聯(lián)三次實(shí)船傾覆與“天鵝”號船模數(shù)次大縱傾角險(xiǎn)情即為很好的例證。一般說來,如不精心設(shè)計(jì),氣動(dòng)中心很難與氣墊中心在縱向吻合?？傊?氣(流體)動(dòng)力在各種航態(tài)下的配平已成為設(shè)計(jì)上的一大難點(diǎn)。1.3艦隊(duì)縱向穩(wěn)定性的研究地效翼船在地效區(qū)飛行時(shí)橫向穩(wěn)定性固然不成問題,但是如果氣動(dòng)布局不當(dāng)將惡化艇的縱向穩(wěn)定性,尤其是仰角焦點(diǎn)(XFα)、高度位置焦點(diǎn)(XFh)和重心XG位置對艇的縱向穩(wěn)定性及其在風(fēng)浪中的抗干擾能力具有十分重要的意義。難處是它不像其他高性能船有章(或規(guī)范、指導(dǎo)性文件)可循,船模的尺度效應(yīng)又比較大,故設(shè)計(jì)中判斷艇的飛行穩(wěn)定性和選擇XFα、XFh是頗為棘手的,弄不好不是導(dǎo)致機(jī)毀人亡,就是在風(fēng)浪中運(yùn)動(dòng)劇烈。1.4動(dòng)態(tài)積分升阻比雖然艇在地效區(qū)運(yùn)行有較好的升阻比,但是它不像飛機(jī)表面那樣光滑規(guī)則,它的外形比較復(fù)雜,又有突出部,如前置導(dǎo)管軸系及其支架和管路、側(cè)浮體等,而且機(jī)翼的展弦比較小,各國地效翼船在地效區(qū)動(dòng)作時(shí),機(jī)翼的理論升阻比雖可高達(dá)20或以上,但整機(jī)的升阻比往往在15左右或以下。因此提高地效翼船的升阻比是一個(gè)重要課題。1.5tdd的增加前置導(dǎo)管推力器在中低速時(shí)起著墊升機(jī)作用,在高速運(yùn)行時(shí)則起著推進(jìn)器的作用。因此前置導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計(jì)、安裝位置及其導(dǎo)流片設(shè)計(jì)十分重要,它不僅應(yīng)使艇具有較高的靜升推比ηLS,而且在高速時(shí)應(yīng)該有較高的動(dòng)推力恢復(fù)系數(shù)ηTd,ηTd=Td/Tdo,Td為高速航行時(shí)前置導(dǎo)管螺旋槳在艇上的推力,Tdo為單獨(dú)導(dǎo)管槳的動(dòng)推力。ηTd是至關(guān)重要的系數(shù),有時(shí)螺旋槳雖有很高的效率,但ηTd太低,有效推力將很小。2“天鵝”號地面效應(yīng)船的空氣動(dòng)力學(xué)2.1壓力分布及靜升推比靜墊升至關(guān)重要,它直接影響以下性能:a.兩棲性;b.可登陸性;c.艇的阻力峰、起飛性能和墊態(tài)機(jī)動(dòng)性;d.風(fēng)浪中起飛性能,抨擊、船體運(yùn)動(dòng)等耐波性能。因此對靜墊升必須予以重視。一般來說,艇如在陸地上有好的靜墊升能力,則下水起飛等運(yùn)動(dòng)性能將不成問題。如何推導(dǎo)艇的靜墊升解析式?早在20世紀(jì)70年代美國海軍研究中心(泰勒水池)就提出著名的克拉烏斯-高林登理論,以用于動(dòng)力增升地效翼船。該理論假設(shè):a.前置導(dǎo)管推力器噴出的射流均勻分布于翼展;b.考慮氣流噴射出來后的引射原理,即與周圍氣流進(jìn)行湍流混合;c.艇的基面并未離地,部分射流經(jīng)尾部間隙逸出,部分氣流流向翼上部由首部逸出。此理論廣泛用于國外動(dòng)力增升地效翼船并可直接求得靜墊升升力與阻力。但此理論有如下考慮不周之處,且用在動(dòng)力氣墊地效翼船(即兩棲地效翼船)上不太適合:a.射流氣流均勻分布于翼展,且認(rèn)為單位翼展升力與翼展無關(guān),顯然與事實(shí)不符;b.未考慮翼背可安達(dá)效應(yīng);c.尾部襟翼有開啟高度t2而周邊無逸流,這顯然與兩棲地效翼船的流體動(dòng)力模型相違背;d.未考慮主船體與側(cè)浮體對升力的作用;e.未充分考慮首部大開口對氣墊升力的影響等。為此中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(以下簡稱MARIC)從1994年起再次開展地效翼船的靜墊升研究:從半船模開始,進(jìn)行了十余個(gè)半船模風(fēng)洞試驗(yàn);采用不同的主翼展弦比、翼型參數(shù)、主船體和側(cè)浮體的線型、襟翼形式、導(dǎo)流片形式與參數(shù)、前置導(dǎo)管槳的形式及其相對位置等進(jìn)行試驗(yàn),然后進(jìn)行最佳組合。在此基礎(chǔ)上,再制造若干個(gè)整船模型。從風(fēng)洞試驗(yàn)與固體壁面上的測壓與靜墊升試驗(yàn)(圖4)中發(fā)現(xiàn),氣墊內(nèi)部的壓力分布與氣墊船相似,為均勻分布。由此可見其靜力氣墊形成的機(jī)理和全墊升氣墊船基本相似,其靜升推比和飛高有著密切的關(guān)系:飛高越大,流量Q越大,氣墊壓力pc將迅速下降,升力及靜升推比也急劇下降。經(jīng)過不斷改進(jìn),“天鵝”號地效翼船的靜升推比ηLS大幅度提高,見表1。由于靜墊升能力的大大提高,保證了艇的各項(xiàng)總體性能在實(shí)船試驗(yàn)時(shí)一次成功。2.2半船模風(fēng)洞仿真模型船起飛后水阻力已基本為零,因此完全可以從風(fēng)洞試驗(yàn)中求得最佳參數(shù)組合。與上述靜墊升特性一樣,先在多個(gè)半船模風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選,以獲取最佳的主翼配置和展弦比、主翼、沖角、襟翼、組合翼、導(dǎo)流片、側(cè)浮體、端板型式等。主要判別系數(shù)為Cy、Cx、ηLd、ηTS、ηTd、Xdc、K1、K2等與h、n、γ、θ、β的關(guān)系。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),升阻比提高約30%,從而保證了艇的快速性。2.3地效翼船的氣動(dòng)載荷起飛前有時(shí)具有兩個(gè)阻力峰:前阻力峰為艇滑行興波引起的阻力峰,后阻力峰為艇雖已大部分離水,僅尾部擦水,但由于此時(shí)航速較高、飛濺阻力較大,形成為阻力峰。因此無論水上飛機(jī)、地效翼船等對起飛性能均十分重視。為了改善起飛性能一般采取的措施有:a.船體滑行面的斷級;b.加裝起飛水翼;c.氣墊起飛。我們采用氣墊起飛。為了研究艇在墊態(tài)航行和離水飛行時(shí)在水面上的阻力特性與耐波性,MARIC與俄羅斯的克雷洛夫研究院(KSRI)合作,由MARIC供圖,在KSRI進(jìn)行船模加工以及靜水與波浪中的拖曳試驗(yàn);改變各種參數(shù)如襟翼角、導(dǎo)流片角、水平舵角與重心位置等進(jìn)行阻力與運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)。從試驗(yàn)可知此型艇的阻力峰并不大,一般在排水量傅氏數(shù)FrD≈5時(shí)即能起飛。從試驗(yàn)看出動(dòng)力氣墊地效翼船在阻力峰時(shí)的升阻比高達(dá)6或以上。圖5為俄羅斯的有動(dòng)力增升和無動(dòng)力增升時(shí)地效翼船的阻力峰比較。“天鵝”號地效翼船在阻力峰時(shí)的升阻比高達(dá)6以上無疑是在總體性能上的一個(gè)較大突破。2.4運(yùn)行時(shí)的沖擊加速度標(biāo)征船耐波性的優(yōu)劣可以從四個(gè)方面分析:風(fēng)浪中的起飛性能與風(fēng)浪中的附加阻力;風(fēng)浪中的失速;風(fēng)浪中運(yùn)行時(shí)船底遭受的水抨擊壓力與艇體的過載加速度;風(fēng)浪中運(yùn)行時(shí)艇的運(yùn)動(dòng),即縱橫傾、升沉的加速度與幅值。1)風(fēng)浪中的阻力峰與起飛“天鵝”號地效翼船船模在KSRI拖曳水池中進(jìn)行了規(guī)則逆浪與順浪、長浪與短浪的阻力與靜水阻力對比試驗(yàn),結(jié)果表明:a.無論在逆浪或順浪,長浪或短浪,由于存在氣墊,實(shí)際一次阻力峰與靜水時(shí)差別不大。b.在二次阻力峰方面(起飛時(shí)由水花飛濺阻力引起),顯然在波浪中的阻力將加大,尤其在長隨浪時(shí)(相對波長λ/C=3.5,λ為波長),但在短浪時(shí)要小得多。如此小艇在沿海的遭遇機(jī)會(huì)并不多,而在短逆浪中情況將有改善。c.更為重要的是在水池試驗(yàn)時(shí)并未考慮風(fēng)速,如考慮風(fēng)速則在逆風(fēng)起飛時(shí)將大為改善,尤其是在二次阻力峰時(shí)傅氏數(shù)已經(jīng)較大,再加上風(fēng)速將使主翼產(chǎn)生更大的升力?！疤禊Z”號地效翼船與“750”地效翼船在淀山湖的逆風(fēng)起飛試驗(yàn)充分證明了這一情況。因此在惡劣氣象下運(yùn)行時(shí)船長往往采用逆風(fēng)起飛,起飛后再按預(yù)定航向運(yùn)行。2)風(fēng)浪中的失速當(dāng)動(dòng)力氣墊地效翼船離水飛行時(shí),波浪的附加阻力極小,只需計(jì)及風(fēng)的附加阻力(在逆風(fēng)時(shí)),而由于船的航速很高,故風(fēng)速影響很小3)風(fēng)浪中運(yùn)行時(shí)的沖擊加速度在KSRI試驗(yàn)時(shí)得出如下結(jié)論:水動(dòng)力沖擊加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他高速船(如滑行艇、氣墊船與水翼艇);在船模所有航速下在重心處的垂向加速度,隨浪時(shí)<0.3g(g為重力加速度,g≈9.81m/s2,下同),逆浪時(shí)<0.63g,而首部沖擊加速度則在所有航速下無論逆浪與順浪均<0.4g,只有在極個(gè)別情況下才例外。這可能是極強(qiáng)氣墊作用帶來的后果。4)波浪中的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)加速度“天鵝”號地效翼船船模在靜水與逆順浪中的相對吃水(即飛高)比較:波浪中包括長浪(λ/C=3.5)與短浪(λ/C=1.75)兩種情況,由試驗(yàn)可知無論長浪或短浪,與靜水相比,其相對吃水均比較接近。由波浪試驗(yàn)可知,“天鵝”號地效翼船船模隨遭遇頻率而變化的相對升沉幅值ΔY=Δy/hw(其中:Δy為升沉幅值,hw為波高)與縱搖角Δα°幅值均較小,尤其在高速時(shí),其幅值更小,呈平臺航行,(在“750”船上也得到證實(shí),“750”實(shí)船在hw=0.5～0.7m、風(fēng)力4～5級下在淀山湖試航記錄的縱搖幅值為0.3°,橫搖幅值為0.52°,垂向升沉加速度為0.2g),即使在共振升沉縱搖時(shí)其幅值也較小。5)配平與縱向穩(wěn)定性的保證地效翼船的配平始終是一個(gè)比較棘手的問題,其原因?yàn)橥в卸喾N運(yùn)行狀態(tài),而在各種航行狀態(tài)下其作用力的合力中心也在變化,很難與重心吻合。在排水航行時(shí)浮力中心的縱向位置與重心不吻合而產(chǎn)生某些縱傾角不致于造成太多困難,但在陸上或水上高速航行時(shí)其重心和氣墊壓力中心或氣動(dòng)中心不一致將造成配平的困難。如果仰角焦點(diǎn)和高度位置焦點(diǎn)配置不當(dāng),有可能在高速飛行時(shí)造成劇烈運(yùn)動(dòng)甚至有傾覆的危險(xiǎn)。過去有的兩棲地效翼船(如“750”)是采取三心合一的辦法,即重心、氣墊中心和氣動(dòng)中心在任何航速下在縱向始終處于同一位置。在這種情況下重心始終不能變化,因此只能適用于試驗(yàn)艇。為此MARIC采取了一系列的措施,例如配置了一些配平機(jī)構(gòu)(前置導(dǎo)管螺旋槳后的導(dǎo)流片、襟翼、高平尾翼及其水平舵等),并進(jìn)行多方案比較分析,通過風(fēng)洞中的自由飛試驗(yàn)取得定性比較,然后采用無線電遙控模型的自由放飛試驗(yàn)取得了滿意的結(jié)果。這些試驗(yàn)結(jié)果顯示出艇能得到足夠的縱橫向穩(wěn)定性,證明艇的氣動(dòng)布局是合理的。3船模認(rèn)識的資料在淀山湖進(jìn)行一年多的實(shí)船試驗(yàn)表明:1)艇具有良好的靜墊升性和滿意的靜墊升高度,能在陸地上自由移動(dòng),在登陸場地很小的情況下自行下水與上陸,也可籍人力拖曳原地調(diào)頭;2)艇在淀山湖的淺水場地能很快越峰與起飛,起飛時(shí)的水花顆粒較全墊升氣墊船細(xì)小,起飛距離與時(shí)間也較短;3)艇的最大航速超過130km/h,由于湖面太小,故飛到對岸時(shí)艇尚處于加速狀態(tài);4)艇在各種航速下與船模試驗(yàn)一樣有穩(wěn)定的航行狀態(tài),說明氣動(dòng)配平、仰角與高度焦點(diǎn)的配置是適當(dāng)?shù)?5)由于各種原因海上試驗(yàn)尚未進(jìn)行,實(shí)船耐波性尚待試驗(yàn)證實(shí)。4結(jié)構(gòu)形式和使用有待改進(jìn)“天鵝”號的研制見參考文獻(xiàn)。這里主要?dú)w納