民用飞机后缘襟翼水击分析

季佳佳

【摘 要】为了满足民机溅水后缘襟翼结构安全的设计要求，本文通过参考大量国内外研究者的文献，首先阐述了飞溅类型，建立飞溅角计算模型，通过国外溅水试验，对后缘襟翼的溅水载荷进行计算。得到民机后缘襟翼溅水计算方法，在型号上成功得到了应用，对初期结构设计提供了指导。

【关键词】后缘襟翼；溅水；分析

【Abstract】In order to meet the requirements of structure safety of trailing edge flap when sprays produced by aircraft tyres running in water or slush，sprays model and load of trailing edge flap are study through theoretical analysis based on research references and tests. The principle and the method of sprays analysis are successfully applied on the aircraft and supply references to structure design in the preliminary design stage.

【Key words】Trailing edge flap； Spray； Analysis

在飞行器设计中结构的安全问题是个主要的环节。而对于飞机而言，在起飞、降落的过程中飞机跑道上的积水会严重影响飞机在起飞和着陆时的性能和安全性，轮胎所卷起水滴的飞溅会对飞机的结构造成一定的损伤。因而跑道上积水飞溅现象是飞机潜在的安全问题，其对飞机下侧结构有极大的损坏，在这些结构中对于起到在起飞、降落过程中增升、增阻的后缘襟翼来说，这种损坏极为严重。

根据FAR/CCAR 25.1091中相关规定，飞机设计应避免在起飞、降落和滑行过程中将过量溅水吸入发动机，避免发生不安全情况。为此，通常通过试验进行验证。在试验过程中会考虑飞机气动构型，因此应保证在此过程中飞机后缘襟翼结构安全[1]。

1 水击载荷飞溅角计算模型

飞机在湿滑跑道起飞和降落时引起的水滴飞溅是一个复杂的过程。飞溅的类型主要有以下三类：（1）“舰首波”（bow wave），是指轮胎旋转将水向前挤压而形成的飞溅；（2）“侧羽”（side wave），是指轮胎将水向两侧挤压而形成的飞溅；（3）“公鸡尾”（rooster tail wave），是指由于轮胎旋转而向后抛起的飞溅。以上三种飞溅中，对飞机后缘襟翼造成影响的只有侧向飞溅（side wave）。影响飞溅的主要因素有：飞机的速度，轮胎的形状和尺寸以及水的深度。下面是水击载荷飞溅角的理论计算模型。

轮胎的几何模型：

Z：轮胎所受的垂直方向的力；w：轮胎的宽度；D：轮胎的直径；δ：轮胎在竖直方向的变形尺寸；bg：轮胎与地面的接触宽度；h：轮胎与地面的接触长度；d：跑道上的水深。

2 飞溅角的计算

本文中所指的飞溅角包括两类飞溅角。一是侧视图中的飞溅角：水的飞溅轨迹与水平面的夹角（如图2）。二是俯视图中的飞溅角：水的飞溅轨迹与轮胎对称平面的夹角（如图6）。

要得到轮胎侧向飞溅的角度，需要计算以下参量：

2.1 打滑速度Vp

4.2 前起轮胎等参数值

（1）轮胎的宽度（w）：195.58 mm

（2）轮胎的直径（D）：609.6 mm

（3）轮胎的膨胀压（P）：100 psi

（4）轮胎的额定膨胀压（Pr）：110psi

（5）单个轮胎在垂直方向上受到的载荷（Z）：2273.5kg

4.3 主起轮胎等参数值

（1）轮胎的宽度（w）：355.6 mm

（2）轮胎的直径（D）：1016 mm

（3）轮胎的膨胀压（P）：140 psi

（4）轮胎的额定膨胀压（Pr）：166 psi

（5）单个轮胎在垂直方向上受到的载荷（Z）：9738.2kg

4.4 飞机参数

（1）试验水深（d）：33mm、25mm、19mm、12.7mm；

（2）飞机滑跑速度（V）：70knot、90knot、110knoot、130knot。

4.5 飞溅分布计算

表3 某型飞机前起侧向溅水计算结果

取最严重情况，V=130 knot，d=33mm，计算结果见表4。

表4 某飞机主起侧向溅水计算结果

上述计算结果：（1）没有考虑轮胎翻边；（2）没有考虑风速等环境影响。

4.6 飞溅载荷计算

对某飞机和试验中的飞机尺寸进行类比，来估算后缘襟翼的水击载荷。

由前面所述的理论知识，可以得到轮胎所引起的水的飞溅的高度ZS和宽度Δys，这样就可以得到在襟翼下方水的整个飞溅区域的面积S为：

（1）在计算水的飞溅区域面积时，假设飞溅区域为矩形并且水是完全充满整个矩形，而实际过程水的飞溅并不是充满整个区域，此时计算的面积偏大，导致计算的压力偏小。

（2）假设轮胎卷起的水均匀分布在飞溅区域中，而实际过程水的分布并不均匀。此假设下计算的速度是平均速度，比实际有些速度值要小，导致计算的压力值偏小。

5 结论

（1）在最严重的情况下主起造成水的最大的垂向高度为0.81m，而襟翼放下40°距离地平面高度为0.87m，认为主起溅水对襟翼无影响。

（2）由计算结果可知，飞机滑行速度接近轮胎的打滑速度时，此时飞溅角度、高度和宽度最大，随着水深增加，飞溅角度、高度和宽度增大。

（3）通过试验对比分析，得到某飞机在危险情况下的速度为110节时，襟翼所对应的压强为20.19MPa，而对于简单双线性铝板来说，它的屈服应力为380MPa，水击载荷小于该值，因此不会对襟翼造成损坏。

【参考文献】

[1]戚学峰，曾涛.民用飞机动力装置溅水试验适航验证方法[J].航空发动机，2013，39（3）.

[2]Estimation of spray patterns generated from the sides of tyres running in water or slush. Engineering Sciences Data Unit（ESDU 83042）.1998[Z].

[3]J.H.M. Gooden. CRspray - Impingement drag calculation of aircraft on water-contaminated runways. National Aerospace Laboratory NLR. 2001[Z].

[责任编辑：汤静]