对于水陆两栖飞机而言，着水撞击载荷和水面滑行载荷是结构设计的主要载荷工况，现行的确定船体在着水过程中的冲击载荷的计算方法是以H.Wagner理论^[1]为基础演变的。在某些情况下，船体上某一横截面上的压力分布可以直接用恰当的楔形体上的压力分布来近似。因此，利用楔形体入水撞击实验等效地分析不同横截面型式对着水冲击载荷的影响是一种十分有效的方法。

针对结构物入水冲击问题，已经开展了一系列理论和实验研究工作^[2-6]。其中, 入水冲击实验主要研究简单V型截面的入水冲击特性，例如陈小平等^[7]和莫立新等^[8]分析了楔形体板架结构刚度对冲击压力和结构响应的影响。L.Xu等^[9]的实验校核了刚性体入水理论。孙辉等^[10]进行了二维楔形体入水时的流固耦合响应的实验研究。Y.Ei-Mahdi等^[11]分析了不同斜升角的楔形体入水撞击规律。

水陆两栖飞机在以往设计过程中，为达到提高其快速性、稳定性及耐波性并降低喷溅特性的目的，通常采用带舭弯或变斜升角的截面形式。这种水陆两栖飞机特有的横截面型式在入水撞击压力分布、自由液面变化等方面有其特有的规律，而国内外对水陆两栖飞机船体特有的横截面型式研究较少，未能对水陆两栖飞机着水载荷分析提供足够的数据支持。本文对几种典型水陆两栖飞机船体剖面进行入水实验研究，选型更贴近于实际，可为相似船型的飞机船体外形设计提供相对可靠的参考。

选取当今世界几类具有代表性的水陆两栖飞机典型横截面型式进行入水撞击实验。分析比较不同截面型式入水冲击时的水动力特性，研究舭线浸水深度和船底横向曲率对着水载荷的影响，找出水陆两栖飞机断阶着水工况下最有利的横截面型式。

1.   几类水陆两栖飞机横截面型式简介^[12]

图 1为几种船型的对比图。CL-415飞机在船体的前体与后体横截面上采用无舭弯的V型船底，设置有简单直断阶。US-2飞机在船体截面型式选择上，充分考虑了水面起降的各种性能，其前体采用了带舭弯的截面型式，横截面为弧形。Be-200是俄罗斯设计的水陆两栖飞机，在船体设计上，采用大长宽比的流线型机身，机身呈圆锥形，前段机身底部呈W型，后段为V型，采用变化的底部斜升角。

图  1  楔形体横截面对比

Figure  1.  Cross-sectional difference of the three wedges

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2.   实验设计

水陆两栖飞机的着水可能有以下几种情况，断阶、艏部或艉部正常着水，或者艉阶和断阶同时正常着水，现行规范中给定的着水过程存在以下假设：(1)撞击过程无俯仰运动；(2)撞击部位和区段为等截面^[13-14]。基于此，利用楔形体入水撞击实验对水陆两栖飞机可能的着水情况进行分析是可行的。

入水撞击实验件安装示意图如图 2所示。实验件悬挂在电磁钩上之前，先将其在平台上调平。实验采用自由落体的方式实现垂直入水撞击过程，待采集系统装备完毕后，脱开电磁钩，每个实验状态重复3~5次。

图  2  实验件安装示意图

Figure  2.  Diagram of the experimental set-up

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实验件参考CL-415、US-2、Be-200等飞机典型横截面进行设计，为等横截面楔形体，加工材料选用红松，楔形体刚度满足实验要求。楔形体大小为1 m×0.8 m×0.8 m。

本实验主要测试不同质量、高度下楔形体的入水撞击压力大小及分布，记录自由液面变化情况，具体实验参数见表 1，表中m为实验件质量，h为距离水面的高度。

表  1  实验参数

Table  1.  Test parameters

工况	m/kg	h/mm
1	50	450
2	50	800
3	70	450
4	70	800

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在楔形体底部同一横截面处布置有7个压力传感器(型号：BCM520S-3，量程：0~300 kPa，厂家：嘉伟商贸), 如图 3和表 2所示，表中d为传感器距离楔形体对称面的距离。主要研究压力沿横截面以及水载荷随浸水深度变化规律，分析对比不同横截面的水载荷特性。其中，传感器4与传感器6、传感器3与传感器7均相对于对称面对称布置，用于判定实验件是否垂直入水。

图  3  压力传感器布置图

Figure  3.  Configuration of the pressure transducer

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表  2  压力传感器布置位置

Table  2.  Configuration of the pressure transducer

传感器	d/mm
	楔形体1	楔形体2	楔形体3
1	280	370	280
2	250	280	250
3	150	180	150
4	75	100	75
5	30	30	30
6	75	100	75
7	150	180	150

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3.   实验结果分析

3.1   自由液面的变化

楔形体入水时撞击过程很短暂，仅仅持续几十毫秒。楔形体与水面发生冲击作用时，会引起水的反向运动，在楔形体表面形成排挤波，从而使得湿表面有所增加并影响流体与结构之间的速度^[15]。

楔形体入水过程中，液体表面受到物面的挤压、表面张力、大气压力和重力等因素共同作用，会沿着楔形面抬升而形成喷射区域，喷射区对于确定流场的动边界和楔形体湿表面的长度起着重要作用^[16]。

对于水陆两栖飞机而言，舭线浸水深度是影响水载荷系数的主要因素之一。其他参数相同的前提下，舭线浸水与不浸水的撞击载荷的比值，一般小于1，即舭线浸水总是趋于减少最大加速度^[14]。水陆两栖飞机着水撞击载荷系数n_w可表示为^[14]：

式中:h为浸水深度，β为底部斜升角，v₀为入水时的着水速度，ρ为海水密度，M为线质量。

本实验通过摄像机及照相机得到了不同横截面入水过程中某个时刻的水面形状，开始水面只是贴近底板面处有变形，随后，出现射流，即喷溅。底板附近水面向下凹，随着凹下水面的升高，射流从底板边缘射出。但由于横截面形式的不同，射流出现的时间、形状及强度不尽相同。

从图 4可以看出，楔形体1舭线浸水深度最大，楔形体2次之，楔形体3最小，根据上述理论分析可知，在其他参数不变的情况下，楔形体1舭线浸水深度最大，所承受的着水撞击载荷系数最小，楔形体3体舭线浸水深度最小，着水载荷系数最大。

图  4  楔形体浸水深度对比

Figure  4.  Difference in immerged depths

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从图 5~6可以看出，楔形体1水面形状变化最剧烈，从喷溅性能方面看，其喷溅高度为2 741.2 mm、宽度为2 539.0 mm，喷溅性能最差，楔形体2喷溅高度为1 833.8 mm、宽度为2 261.4 mm，喷溅性能明显改善，楔形体3喷溅高度为962.3 mm、宽度为1 858.5 mm，喷溅性能最好。

图  5  工况2下锲形体投放0.3 s后自由液面变化

Figure  5.  The free surface variety for case 2 at 0.3 s

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图  6  喷溅高度和宽度对比

Figure  6.  Spray height and width

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3.2   压力分布对比分析

对于水陆两栖飞机而言，若飞机对称着水，针对无舭弯的船底，由于触水速度和浸水深度的影响，舭处的压力为龙骨处压力的75%，龙骨与舭处的压力成线性分布^[13]；对于带舭弯的船底，由于舭处压力要比无舭弯的船底压力要略大，舭弯起点处的压力与无舭弯船底的压力相同，舭和舭弯起点之间的压力成分段线性分布。即，针对无舭弯的横截面，局部压力沿横向从大到小线性分布；有舭弯的船底，局部压力沿横向大-小-大分布^[13]。

从图 7可以看出，在0.02 s的时间内，测压点处水动力完成能量的积聚与释放，形成冲击压力峰值。从图 8可以看出，不同测压点的压力峰值出现时间不同，随着实验件浸水深度的增加，从测压点5到测压点1依次与水面遭遇，测压点5峰值最大出现在6.004 s，测压点1峰值最小出现在6.068 s。

图  7  测压点2处的压力曲线

Figure  7.  Pressure curve measured by the pressure transducer 2

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图  8  不同测压点压力峰值到达时间对比

Figure  8.  Peak pressure time of all transducers

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从图 9~10可以看出，楔形体质量及入水速度越大，着水冲击载荷越大，同一入水速度不同质量下底部压力沿横截面方向分布趋势相同，且随质量的增加而增大，同一质量不同入水速度下，距离对称面越远，入水速度不同引起的压力变化越小。从局部压力沿横向分布规律来看，楔形体1~3局部压力沿横向从大到小非线性分布；楔形体2局部压力沿横向大-小-大的非线性分布。综合看来3种模型在不同质量和不同速度下的压力峰值变化依模型编号次序增大。

图  9  楔形体质量不同时压力沿横向分布情况

Figure  9.  Pressures for different wedge masses

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图  10  楔形体速度不同时压力沿横向分布情况

Figure  10.  Pressure curves of wedges with different velocities

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楔形体入水撞击压力值的大小与实验件的质量、入水速度、底部构型有关，质量和入水速度相同的情况下，楔形体受到的冲击压力与构型有关，图 11和表 3给出了3个模型在质量70 kg、入水速度为4 m/s工况下的压力峰值，易知在楔形体1横截面形式为简单V型截面且斜升角较大，受到的冲击压力值最小；楔形体2横截面形式为弧形，受到的冲击压力值比楔形体1略大；楔形体3横截面采用分段的形式，第1段底部斜升角较小、第2段舭弯较大，受到的冲击压力值最大，从而验证了3.1节中的结论。

图  11  压力沿横向分布对比

Figure  11.  Pressure distribution of the three wedges

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表  3  3个楔形体峰值压力对比

Table  3.  Peak pressures of the three wedges

传感器	p/kPa
	楔形体1	楔形体2	楔形体3
1	28.06	30.81	247.36
2	22.60	29.02	210.79
3	21.34	27.74	176.58
4	20.67	26.80	135.11
5	20.18	26.70	82.11

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4.   结论

通过实验研究，针对不同横截面的楔形体垂直入水，可以得到以下结论：

(1) 通过摄像记录了垂直入水冲击产生的射流运动(喷溅)。楔形体1水面形状变化最剧烈，喷溅性能最差，喷溅高度是楔形体3的2.85倍左右；楔形体2喷溅性能明显改善，喷溅高度是楔形体3的1.91倍左右；楔形体3喷溅性能最好，但舭线浸水深度最小，着水冲击载荷最大。

(2) 楔形体质量及入水速度越大，着水冲击载荷越大，但底部压力沿横截面方向分布趋势相同；同一质量不同入水速度下，距离对称面越远，入水速度不同引起的压力变化越小。

(3) 3种模型在不同质量和不同速度下的压力峰值变化依模型编号次序增大。对于质量70 kg、入水速度为4 m/s工况，楔形体2最大与最小压力之比最小，为115%左右；楔形体1次之，为139%左右；楔形体3最大，为301%左右。从结构设计方面考虑楔形体2线型最有利于控制结构质量。

(4) 实验验证了局部压力沿横向分布规律，即无舭弯的横截面，局部压力沿横向从大到小非线性分布；有舭弯的船底，局部压力沿横向大-小-大非线性分布。

综合上述结论可知，楔形体2着水载荷比楔形体1略大，喷溅性能介于楔形体1和3之间。且从结构设计考虑，采用楔形体2的横截面型式进行船体设计的飞机，着水载荷沿横向分布更合理。在进行水陆两栖飞机船体设计时，在对其他水动性能影响不大的前提下，建议采用该横截面型式进行船体设计。