民用飛機水上迫降數值仿真研究進展

羅文莉

【摘 要】水上迫降已經成為現代客機適航認證中的一個重要項目，本文綜述了國內外在民用飛機水上迫降數值研究方面的進展及研究方向。飛機水上迫降屬于典型的入水沖擊問題，由于理論分析無法適用復雜的三維模型入水問題，而模型試驗的設計制造復雜、周期長且需耗費大量資金時間，相比之下，成本低廉且靈活方便的數值仿真技術得到廣泛應用，并將成為研究飛機水上迫降的重要方向。

【關鍵詞】水上迫降；數值仿真；研究進展

0 引言

水上迫降是指陸基飛行器在水面上的可控緊急降落。自上世紀50年代初期，多發噴氣運輸機引入到民用航空領域后，民用運輸機的跨水域飛行越來越普遍，從而增加了水上迫降的概率[1]。水上迫降時很可能產生巨大的沖擊加速度以及機身結構破壞，人員生命安全受到極大威脅。各國在制訂民用運輸機適航條例時，要求民用運輸機跨水域飛行必須通過水上迫降性能適航審定。我國民用飛機適航條例[2]CCAR25.801（c）規定，固定翼運輸機必須通過模型試驗，或與已知其水上迫降特性的構形相似的飛機進行比較，來檢查飛機在水上降落時極可能的運動和狀態。

1 水上迫降研究背景

飛機水上迫降屬于典型的入水沖擊問題，目前存在的研究方法有以下三種：理論分析、模型試驗和數值模擬。上世紀20年代起就有了入水沖擊問題相關的理論分析方法[3]，然而理論分析主要集中在研究二維楔形或者圓形截面的物體垂直入水，而民用飛機水上迫降問題結構復雜、氣動力不可忽略、且以水面滑行運動為主，理論分析手段無法適用，因此早期關于民用飛機水上迫降性能的研究，基本都采用動力相似模型試驗的方法[4]。但水上迫降試驗模型設計和制造復雜、周期較長，試驗需要重復多次用于研究各種因素對迫降過程的影響，耗費大量的資金和時間，因此，歐美國家開始嘗試先進分析技術來部分或完全替代模型試驗。隨著計算理論和計算機硬件技術的發展，動態數值仿真技術的發展為研究飛機水上迫降性能提供了新的途徑。與模型試驗相比，數值仿真方法成本低廉、靈活方便，不僅可以給出相關的沖擊載荷，還可以詳細地展示迫降的動態過程和流場結構等，在水上迫降研究領域得到越來越廣泛的應用。

2 水上迫降數值仿真方法

水上迫降問題本質上是入水沖擊問題，目前的數值模擬方法大致可分為以下幾類：邊界元法、有限元法、光滑粒子水動力學法和有限體積法。

邊界元法在早期的數值模擬中得到了大量應用。該方法認為在著水沖擊的短時間內慣性力占主導作用而忽略粘性力，從而利用不可壓勢流理論。但波浪翻轉后產生旋度不滿足勢流理論。若切斷波浪飛濺產生的射流繼續計算則會影響物體表面壓強分布及質量守恒。因此，該方法對于自由表面飛濺和破碎問題的完整描述還存在困難。

有限元法創始于上世紀50年代，最早應用于結構力學，近年來也開始應用于流體動力學問題，應用于著水沖擊問題的計算。但該方法需要解決接觸算法中的滲漏問題，而且對水面的模擬精度有限，壓強等數據會因為網格密度問題出現較嚴重的波動。

光滑粒子水動力學法（SPH）不采用傳統方法用網格來計算導數，避免了復雜三維網格生成困難、大變形和不連續等問題。在模擬復雜自由表面流體問題時對自由表面波的翻卷、破碎、飛濺等細節的模擬體現出較好的適應性。但在模擬氣墊和吸力時有很大缺陷，嚴重影響對運動姿態和沖擊壓強的模擬。

有限體積法（FVM）的基本思路是將計算區域劃分為一系列不重復的控制體積，將待解微分方程在每一個控制體上積分。該方法在處理自由表面流動問題時，需要一套自由表面捕捉方法，其中最主要的是流體體積占比方法（VOF）和水平集方法（Level-Set）。FVM+VOF方法已經成為飛機水上迫降數值模擬一種比較常用的方法，其主要優勢在于能夠計算飛機水上迫降過程中所受的氣動力、水動力，較好地模擬飛機尾部的吸力。采用有限體積法模擬飛機水上迫降問題的精度十分依賴于自由表面捕捉方法的精度以及網格密度，模擬破碎和飛濺等現象取決于自由表面捕捉方法的進展。

3 水上迫降數值仿真研究現狀

現有的關于入水沖擊問題的數值研究大多基于以上幾種方法。1989年， Ghaffari等[5]基于線性勢流理論，用面元法模擬了一種航天飛機的水上迫降問題，考慮了空氣和水流的影響，研究了水上迫降過程中的氣動力-水動力載荷。1994年，Brooks等[6]給予有限元法采用LS-DYNA3D軟件模擬了阿波羅返回艙入水的過程，但當時的DYNA還沒有流體模塊，使用實體單元模擬水。2006年，吳衛等[7]使用SPH法對塊體下滑激發的水波問題進行了二維數值模擬，并經試驗數據驗證，表明SPH法在處理自由表面大變形問題上具有優勢。2007年，Streckwall等[8]使用了基于動量法的混合程序DITCH與基于FVM+VOF法的求解器COMET模擬了不同機身尾部形狀的著水沖擊現象，并經過對比試驗數據驗證了這兩種方法。2015年，Shah等[9]提出了一種SPH結合LS-DYNA的方法，并基于二維楔形體自由落水的試驗數據進行了對比，通過試驗和仿真的物體受力大小和運動姿態驗證了該方法的準確性。

在飛機的水上迫降方面，2006年，Climent等[10]采用SPH法和PAM-CRASH軟件相結合，對CN-235-300M飛機的剛性和柔性兩種模型進行數值模擬，研究了柔性對壓強的影響，利用得到的柔性系數對縮比模型試驗的數據進行了修正，分析了機體變形和結構完整性。2009年，屈秋林等[11]使用Fluent軟件基于VOF法模擬了某型客機迫降過程，較好地捕捉到了水面的變形并給出了最佳迫降姿態。2010年，Groenenboom等[12]使用SPH和PAM-CRASH軟件相結合的方法，通過對比二維楔形體以及CN235飛機模型試驗的結果，表明后體吸力不可忽略。2012年，張韜等[13]運用MSC.DYTRAN軟件進行數值仿真，對比了模型試驗的沖擊壓力和姿態，驗證了數值方法，并研究了飛行姿態、重心位置對迫降載荷的影響，表明后體吸力不可忽略。2013年，徐文岷等[14]基于MSC.DYTRAN軟件考慮了水、空氣和飛機結構之間的耦合作用，對某型飛機水上迫降過程中機身底部所受載荷以及著水過程中的運動姿態進行了模擬，結果表明飛機結構入水時壓力在初期達到峰值，然后衰減，峰值過后會出現小幅波動。2014年，張盛等[15]使用SPH法模擬波浪條件下的某小型飛機水上迫降過程，并給出了最佳迫降姿態。2015年，Qu等[16]采用FVM+VOF方法結合整體運動網格模擬迫降過程，通過對比NACA TN2929模型試驗的速度、俯仰角和重心高度隨時間變化的曲線，驗證了該方法的準確性。

4 數值仿真研究發展趨勢

由于邊界元法難以模擬自由表面飛濺和破碎的情況，有限元法對水面的模擬精度有限，且依賴于網格密度變化，對計算資源的需求也較大。水上迫降時較大的水平速度使得水體在產生正壓力的同時，也會由于機身尾部外形曲率而產生吸力，目前較為成熟的以本構方程為控制方程的SPH 方法無法模擬出吸力，有限體積法又依賴于自由表面捕捉方法，因此需要根據研究重點選取相對準確有效的數值仿真方法，盡可能捕捉到水上迫降過程中的氣穴和飛濺現象。另外，入水沖擊過程中，流體和結構之間存在密切的耦合作用，流體作用影響結構的響應和失效，結構變形又會影響流場分布和沖擊力，因此考慮結構柔性的水上迫降研究也越來越得到人們的關注。隨著數值仿真技術的不斷發展，將來可能會成為研究飛機水上迫降的重要方向。

5 結束語

如今在歐美航空工業發達國家，對于縮比模型試驗已經有了幾十年工程實踐的經驗積累，許多大型民航機的水上迫降性能都不再進行模型試驗驗證，因此數值仿真研究顯得尤為重要?？紤]結構柔性的水上迫降研究將會成為重點研究方向，而各種數值研究方法各有優劣，有待發展。對于飛機水上迫降未來的研究可能主要利用數值計算方法，并借助此進行適航認證，但仍需要進行大量的方法和精度的驗證工作。

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[責任編輯：王偉平]