船舶横摇运动对飞机滑跃起飞气动特性的影响
时间：2020-12-15 04:01:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]船舶运动是影响滑跃起飞过程安全的重要因素。对简化船型SFS1进行数值模拟，并与实验数据进行对比，验证了计算方法的可行性；采用无网格方法以及WALE湍流模型对舰载机滑跃起飞过程进行了数值模拟，给出了不同横摇条件下舰载机滑跃起飞过程中的气动特性差异。计算结果表明：船舶横摇运动对飞机的升力系数、阻力系数、俯仰力矩的影响很小，对侧向力与滚转力矩的影响较大；距离船头10m左右的位置是下洗气流速度最大的区域；当飞机在靠近船头20m左右的范围内时，滑跃起飞安全受影响最大。
[关键词]船舶横摇运动；滑跃起飞；无网格法；WALE湍流模型；气动特性
中图分类号：U674.771 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0093-02
滑跃起飞是舰载机起飞的重要手段之一。由于舰船尺寸有限，在海上航行时是六自由度运动体，且舰首存在上洗气流，舰载机在舰船上起飞比在陆基起飞更复杂，其安全性备受重视。研究时不仅要考虑飞机在不同风向、不同风速、离舰速度、离舰攻角下的气动特性变化，还要考虑船体的横摇、纵摇、升沉等运动带来的影响。洪伟宏等[1]建立了多种形式的上层建筑并且变化上层建筑纵向的布置位置，对其分别进行数值模拟，分析和观察由此产生的气流场变化，对比了各模型及原型舰模型间气流场特性。王维军等[2]针对飞机在滑橇甲板上起飞的特点，基于力多边形的变化过程，以及甲板形状对飞机俯仰转动的作用，分析了飞机性能和品质与甲板参数的适配关系，说明了飞机在低速离舰初期迎角建立的力学机理。刘伟伟等[3]基于张量推导建立了舰载机起飞过程的一般数学模型。王萌辉和赵波[4]对不同的舰载机起飞方法以及舰载机着舰过程进行了描述，并给出了舰载机起降过程中的一些关键因素。陈稗和昂海松[5]根据舰载机的气动特性，对其起飞时的离舰速度和着舰时的进场着舰速度进行了估算和分析。总体来看，对舰载机滑跃起飞的研究主要集中在以下几个方面：斜甲板曲率优化、起飞时机决策、舰面滑跑特性分析、上层建筑布局对气流场影响等，而关于船舶横摇等运动对舰载机起飞过程的影响的研究相对较少。
1 计算方法
格子玻尔兹曼方法使用真实变量的统计分布函数，保留了构建的质量，动量和能量守恒，碰撞算子在Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）下近似简化，平衡分布函数一般采用如下表达式：
2 横摇工况计算
本文横摇工况的计算模型如图1所示。
在对舰载机滑跃起飞过程的计算中，计算域采用虚拟风洞。假定航母在计算域中的位置不发生改变，风向为迎风，入口速度为25m/s，舰载机初速度为0m/s，以40m/s2的加速度运动并驶离甲板，运动时间为2.4s。在此过程中，航母发生横摇运动，假定横摇运动符合正弦函数，横摇幅度为±3°（向甲板右弦偏转为正，向甲板左弦偏转为负），横摇周期为8s。船体表面以及飞机表面均设置为无滑移壁面，海平面设置为无摩擦壁面，且在飞机周围以及船头部分区域进行了加密，加密区域如图2所示。
由于舰载机起飞的时间相对于航母横摇周期较小，为了研究整个横摇周期对舰载机起飞的影响，需考虑不同初始横摇条件。
在对舰载机滑跃起飞过程的计算中，计算域采用虚拟风洞。假定航母在计算域中的位置不发生改变，风向为迎风，入口速度为25m/s，舰载机初速度为0m/s，以40m/s2的加速度运动并驶离甲板，运动时间为2.4s。在此过程中，航母发生横摇运动，假定横摇运动符合正弦函数，横摇幅度为±3°（向甲板右弦偏转为正，向甲板左弦偏转为负），横摇周期为8s。船体表面以及飞机表面均设置为无滑移壁面，海平面设置为无摩擦壁面，且在飞机周围以及船头部分区域进行了加密。
计算中考虑了船体静止、船体0°向右弦偏转、船体1.5°向右弦偏转、船体3°向左弦偏转、船体1.5°向左弦偏转、船体0°向左弦偏转、船体-1.5°向左弦偏转、船体-3°向右弦偏转、船体-1.5°向右弦偏转共9种工况，在图中分别用JZ、R0、R1.5、L3、L1.5、L0、L-1.5、R-3、R-1.5来表示。
船体初始角0°向右弦偏转条件下的舰载机滑跃起飞过程的涡量图如图3所示，左上角为此时航母的横摇姿态。
图4和图5分别显示了不同横摇工况下舰载机的阻力系数与升力系数。对比计算结果可发现，不同工况下的阻力系数和升力系数变化基本相同。在水平甲板段（0-1.5s），由于飞机迎角为零，阻力系数和升力系数均随速度的增大而缓慢增大；在滑橇甲板段（1.5-2.4s），飞机速度不断增大，同时迎角也在增大，相对于水平甲板段，阻力系数和升力系数上升更快。此外，从滑橇甲板段升力系数变化曲线可以看到，该段前部升力系数增长率相对于后部小很多，说明了在滑橇甲板段前部飞机的气动特性相对后部较差。
船体不发生横摇运动的条件下，t=1.7s时6条监测线上Y方向速度分量（即速度分量v）如图6所示：
从图7中可以看出，航母的横摇运动对飞机在滑橇甲板段的俯仰力矩影响较小，对滚转力矩的影响较大，尤其是在t=2.2s到t=2.4s的时间段内飞机的滚转力矩变化较大，该时间段内飞机经过的是x=-144m到x=-164m的甲板区域。
3 结论
1）航母横摇运动对舰載机起飞过程中飞机的升力系数、阻力系数、俯仰力矩的影响较小，对侧向力与滚转力矩的影响较大。
2）飞机在进入滑橇甲板段时先受下洗气流影响，在靠近船头处受上洗气流的影响，导致了在滑橇甲板段前部飞机的升力系数相对后部较小，气动特性相对较差；下洗气流速度最大的区域位于距离船头10m左右的位置。
3）横摇运动时，飞机在水平甲板段所受的侧向力相对于滑橇甲板段小很多，在滑橇甲板段横摇偏转角度越大，飞机侧向受力越大。此外，航母横摇运动时，在距离船头20m左右到滑橇甲板末端的区域内，飞机的侧向力与滚转力矩很大，变化较快，该区域是飞机滑跃起飞安全受影响最大的区域。
参考文献
[1] 洪伟宏，姜治芳，王涛.上层建筑形式及布局对舰船空气流场的影响[J].中国舰船研究，2009，4（2）：53-68.
[2] 王维军，郭林亮，屈香菊.滑橇甲板助飞的力学机理分析[J].北京航空航天大学学报，2008，34（8）：887-889.
[3] 刘伟伟，屈香菊.基于张量的舰载机滑跃式起飞动力学建模[J].航空学报，2005，18（4）：326-335.
[4] 王萌辉，赵波.舰载飞机起降动力学研究[J].飞机设计，1997，（1）：23-33.
[5] 陈稗，昂海松.舰载飞机起降特点及性能分析[J].江苏航空，2011，（3）：2-5.
