抗浪能手——AG600高抗浪船型机身设计

大型灭火/水上救援水陆两栖飞机“鲲龙”AG600是世界上在研的最大的四发涡桨水陆两栖飞机，具有优良的水、陆两栖性能，可在静水和波浪水面滑行、起飞和降落，这是陆基飞机所不具备的能力。因此，AG600飞机在水动外形设计上就必须考虑到给飞机一个能够在水面上运行的水动部件，也就是在机身下部设计像船一样的“V”型船型机身，这也是AG600飞机能够在水面起飞和降落的关键。

衡量水上飞机性能一个重要的指标就是它的抗浪能力。如果水上飞机抗浪能力不好，飞机的出勤率将受到极大限制，也会影响到它的经济性和水面起降的舒适性。AG600飞机设计目标是达到在2米浪高的海面正常起降，这是国内到目前为止水上飞机领域最高的抗浪能力指标，从世界范围来讲能达到这一要求的飞机也屈指可数。我国自20世纪80年代初完成水轰5水上飞机后，对高适海抗浪船型机身线型研究基本处于停滞状态，而国外在这方面一直不断进步，取得了很多成果，邻国日本先后研制了US-1和US-2，俄罗斯先后研制了A-40和别-200等大型水陆两栖飞机。

从气水动布局设计方面来看，AG600飞机既要按照陆基飞机的起降模式，使用起落架系统来完成陆上起降，同时还要按照水上飞机使用船型机身滑行的模式，来完成水上起降，而这两种起降模式的气动与水动特性存在着明显差异，这两种模式必须有机地融合在一起。低速的船舶水动力与常规的陆上飞机空气动力理论比较成熟，试验模拟较为真实，精度较高，而高速水动力研究相对较少，理论基础较薄弱，再将空气动力理论叠加在一起，来完成飞机在水上起飞/降落过程中的气水交融与耦合特性的分析，无疑给气水动布局设计带来了严峻的挑战。在国内高抗浪船型机身设计经验不足、研究基础薄弱的情况下，航空工业特飞所水动力中心以自有设计与试验条件为依托，立足自身开展了高抗浪船型机身的关键技术攻关，目的是设计出一款具有稳定性好，抗浪能力强，且飞机综合气、水动性能优越的水陆两栖飞机高抗浪船型机身。开展技术攻关的过程中，水动力专业技术人员对国内外大中型水陆两栖飞机进行了对比分析研究，制定了从“吸收-设计-试验-优化-再试验-总结提升设计”的攻关路线，系统分析了水陆两栖飞机水动性能相关参数，在关键技术攻关和船型机身设计上大胆创新，在大量计算与试验后，最终取得了关键技术的突破，确定了目前的高抗浪船型机身。

在AG600飞机高抗浪船型机身关键技术攻关过程中，水动力研究中心依托高速水动力航空科技重点实验室对水上飞机船型机身线型进行了大量的水动方案研究和选型试验，其中单船身模型试验和修型试验进行了几百次，全机带动力模型试验进行了近千次，通过这些研究试验，掌握了船型机身线型各个参数对飞机水动性能的影响以及各个参数之间的相互影响关系，为AG600飞机高抗浪船型机身设计奠定了宝贵的技术基础和经验。

水动专业在进行关键技术攻关时，首先获得的是飞机的总体技术要求和技术参数，在综合考虑飞机水动性能与气动性能的基础上，首先确定了飞机的船型机身宽度作为飞机的船型机身设计基准参数，并且，根据确定的基准参数进行了其余参数的设计优化。

船型机身长宽比是船型机身的一个重要参数，与飞机水面起飞、降落过程的加、减速性能、运动稳定性能都有直接的联系，根据对历史上大中型以及小型水上飞机的研究表明，为获得较好的快速性和稳定性，宜采用较大的长宽比，长宽比的增加，可以降低降落时的最大垂向加速度、纵倾和升沉运动，但是由于长宽比的增加，往往会导致船型机身的喷溅增大，影响到飞机波浪上起飞和降落的性能，为此，综合分析考虑，确定了长宽比，对比国际上水上飞机船型机身长宽比，AG600长宽比略小，将获得更好的喷溅性能。

水面滑行稳定性是水上飞机最重要的性能之一，一般用稳定范围大小来表征水上飞机水面起降滑行稳定性的好坏，即水上飞机稳定范围越大，飞机抗干扰能力越强，飞机抗浪性能越高，反之也亦然。因此，在水上飞机船型机身设计时，应尽可能提高其上不稳定边界，降低下不稳定边界，增加稳定范围，才可保证飞机在2米浪高上运动时有足够的稳定性和抗干扰能力。综合考虑水上飞机在水面滑行不同阶段的水动性能要求，水动力研究中心提出了采用“扭曲前体+长后体”设计方案。扭曲前体设计主要降低飞机高速滑行时的下不稳定边界，长后体设计主要降低飞机在阻力峰处的下不稳定边界，两者配合，从而达到增加飞机滑行稳定范围的目的；此外，扭曲前体加长后体设计还能有效降低飞机在波浪水面中的运动响应，提高飞机的抗浪能力。

飞机在水面滑行、起降过程中，需要飞机具有很好的可操纵性，需要飞机在水面滑行过程中姿态的变化要可控，不能有操纵舵面却不能够改变滑行姿态的情况。水面滑行时，飞机船型机身断阶处将产生一个明显的机尾浪，使断阶后的水面升高，易造成断阶后船型机身被水吸附，使飞机水面滑行阻力大幅增加，飞机失控的情况，为避免此类情况的发生，水动专业从船型机身后体设计出发，创造性的将后体设计为了双曲率曲面，在后体斜升角使用变斜升角设计，断阶和尾部采用较小角度，中间取较大角度，如此保障了飞机在滑行过程中不会被水流吸附，同时在着水过程中后体又具有足够的支撑，经过试验表明此后体设计保障了飞机水面良好的可操纵性能。

AG600飞机在波浪水面起降，不可避免的会产生喷溅，当飞机在2米浪高上起降时，喷溅将变得更加严重，需要采用有效措施抑制喷溅，避免造成襟翼、螺旋桨等结构部件损坏，影响飞机安全。根据AG600飞机的抗浪能力要求，确定AG600飞机采用抑波槽来抑制喷溅。抑波槽设计的关键在于其槽的宽度、深度以及外板的设计，需要对船型机身进入抑波槽以后的流动进行控制。水动力通过CFD仿真方法，对抑波槽内流动进行分析，发现抑波槽内压力很高，影响了对喷溅的抑制效果，由此，设计上考虑在抑波槽顶端设置减压孔，极大地减小了喷溅对襟翼和螺旋桨的冲刷。通过单船型机身模型试验的方法，水动力对抑波槽的宽度、深度、船型机身舭部圆角等参数进行试验研究，分析了不同抑波槽参数对喷溅的抑制效果。根据研究结果，提出AG600飞机抑波槽优化设计方案，经过单船型机身模型和全机带动力模型水动试验验证：经优化后的抑波效果与原型机相比，喷溅强度和高度都降低了60%，有效降低了船型机身喷溅高度，保障了飞机在2米浪高上起降的安全性。

AG600作为我国新研的大型水陆两栖飞机，水动力通过理论研究、数值仿真、计算、模型试验等开展高抗浪船型机身优化设计的关键技术攻关，完成了上万次的模型试验，使AG600飞机具有了抗浪2米的能力，在各种水面情况下，飞机的水动性能表现优异，攻克了船型机身设计上的多项关键技术，掌握了大长宽比船型机身设计、抑波槽设计、高稳定船型机身设计等技术，确保了项目研制的成功，推动了水面飞行器水动力设计技术的发展，为下一代水陆两栖飞机的研制积累了数据与经验。（作者：黄领才、蒋荣、吴彬）

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