Проблемы определения параметров днища гидросамолёта на ранних стадиях проектирования

УДК 629.735.33.001

С. Г. Муганлинский, Н. Л. Илющенко

ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДНИЩА ГИДРОСАМОЛЁТА НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Одной из важнейших проблем при создании самолёта, способных осуществлять взлёт и посадку на водную поверхность, является проблема обеспечения необходимых кинематических характеристик в процессе глиссирования по воде. Решение этой проблемы требует создания методики, позволяющей уже на ранних стадиях проектирования гидросамолета закладывать в конструкцию необходимые геометрические размеры и формы, обеспечивающие достижение соответствующих кинематических характеристик глиссирования.

Отсутствие такой методики несомненно удлиняет сроки и увеличивает материальные затраты экспериментальной доводки гидросамолёта. В связи с этим, в данной публикации описывается создание упрощенных методик аналитических расчетов кинематических характеристик глиссирования гидросамолётов, которые бы дали конструктору возможность сознательного варьирования геометрическими параметрами вновь создаваемого летательного аппарата.

Решение поставленной задачи может быть осуществлено на основе аналитических методов гидродинамики, анализ которых показал, что основная трудность при исследовании глиссирования твёрдых тел по поверхности жидкости заключается в определении гидродинамических сил, действующих на тело.

В отечественной науке по глиссированию твёрдых тел утвердился подход, основанный на применении так называемой гипотезы плоских сечений, смысл которой заключается в том, что при погружении плоской пластины в жидкость, некоторый её в окрестности поверхности пластины совершает плоское движение. Такое допущение позволяет с помощью законов механики опре-

делить гидродинамическую силу, действующую на погружающуюся пластину. Такой результат может быть использован при исследовании глиссирования гидросамолёта по воде. При этом корпус гидросамолёта представляется в виде набора плоских пластин, образованных сечениями плоскостями, перпендикулярными продольной оси корпуса. Таким образом, применение теории плоских сечений основывается на результатах решения задачи о погружении плоской пластины в жидкость.

Для исследования продольной устойчивости движения гидросамолета при глиссировании по воде можно воспользоваться дифференциальным уравнением абсолютно твердого тела, представляющего собой модель гидросамолета. Воспользуемся полусвязанной системой координат (см. рис. 1), в которой начало координат связано с центром тяжести гидросамолета, ось X параллельна невозмущенной поверхности воды, ось У - вверх, а ось Ъ - в сторону правой

плоскости крыла. На гидросамолет действуют силы: вес самолета О; сила тяги

двигателя Р; аэродинамические силы Уа , Q; гидродинамические силы Уг , Ж.

Рассматриваем устойчивость установившегося движения самолета, кинемати-

* *

ческие параметры которого обозначим следующим образом: ¥х , ¥у - компоненты скорости центра тяжести гидросамолета в установившемся движении;

*

ф - угол дифферента гидросамолета в установившемся движении; 0 - угол наклона траектории центра масс гидросамолета.

Рис. 1 Силы, действующие на гидросамолет

С учетом принятых обозначений сил и кинематических параметров уравнения продольного движения гидросамолета при глиссировании имеют следующий вид [1]:

т

т

аК

йт

ау*

йт

= Мгг + Маа -Р Ур, йт р

Р • Св8ф - Ж - Q • Сох0-Уа • $>1п0;

= Р • Бт р* -G + Уг + Уа • Со80-Q • Бт 0;

где т - масса гидросамолета;

I - момент инерции гидросамолета относительно оси 7;

М гг ,М га - гидродинамический и аэродинамический продольные моменты, действующие на гидросамолет;

Ур - плечо тяги двигателя.

т —— = 0;

т

3

йг й2у йг2 й2р Щ2

(Мгг - Мгг о о.) + (Мга - М га. о.)’

* * * где р = р - р о; у= у - Уо; Ух = Ух - Уо.

Так как возмущения кинетических параметров малы, то можно допустить неизменными тягу и момент двигателя.

Допустимо также пренебрежение вязкостью и весом воды, вследствие сравнительно небольшой скорости движения, малости этих сил по сравнению с гидродинамическими и аэродинамическими силами давления.

Основное установившееся движение гидросамолета при глиссировании считаем происходящим на режиме ’’треугольника”. В этом случае можно воспользоваться следующими выражениями для приращений гидродинамической

подъемной силы и момента, полученными на основе гипотезы плоских сечений для глиссирующего плоскокилеватого тела [1], [2], [3], [5], [6], [7]:

Аэродинамические силы и моменты могут быть выражены в обычном виде, который используется при исследовании устойчивости летательного аппарата в полете.

Устойчивость глиссирования гидросамолета в данном случае рассматривается при зажатом руле высоты (бр.в. = const). Так как при глиссировании по воде скорости относительно невелики, то вполне допустимо пренебрежение сжимаемостью воздуха.

Предполагаются малые значения угла дифферента при глиссировании гидросамолета, при которых углы атаки крыла и оперения а не превышают

критических значений. При этом аэродинамические характеристики Са, можно считать линейно зависящими от а и Су.

Вследствие относительной малости аэродинамических моментов корпуса лодки гидросамолета и гондол двигателей, любого аэродинамического сопротивления крыла и корпуса, подъемной аэродинамической силы горизонтального оперения, поперечной силы тяги двигателей, присоединенной инерции масс воздуха и крыла и оперения этими величинами можно пренебречь.

При учете экранного эффекта от близости воды можно пренебречь изменением расстояния от крыла до воды, так как это изменение не превышает осадки гидросамолета.

Таким образом, на основании приведенных уравнений движения гидросамолёта при глиссировании и приведенных соображений для возмущений силовых факторов, можно математически исследовать влияние некоторых параметров гидросамолётов на устойчивость процесса глиссирования.

Литература

1. Исаков С. Ф. Расчет характеристик устойчивости летающей лодки при движении по воде. БНИ Технические отчеты ЦАГИ им Н.Е. Жуковского. -М., 1958. -вып. 148. -с. 18.

2. Тихонов А. И., Кольнер З. О. Гидродинамические характеристики глиссирующих сужающихся плоскокилеватых пластин //Труды ЦАГИ. -М., 1978. -вып. 1972.

3. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. -М.: Изд-во технико-теоретической лит-ры, 1953. -с. 470.

4. Логвиович Г. В. Гидродинамика течений со свободными границами. -Киев: Наукова думка, 1968. -с. 358.

5. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Н. В. Розе. Теоретическая гидромеханика. -М.: Изд-во ОГИЗ, 1948. -ч 1. -с. 450.

6. Вагнер Г. А.. Посадка гидросамолёта. Сборник статей по аэрогидродинамике /Под ред. Александрова В. Л. - М-Л.: ГОСМАШИЗДАТ, 1933.

7. Разработка параметрической математической модели динамики движения самолёта-амфибии на воде: Отчет по НИР, закл./ ТРТУ; Рук-ль Муганлин-ский С.Г. -14102; №01970008764; Инв. № 02.9.80 001031. -М., 1997. 55 с.: Отв. исп-ль Фортинов Л.Г.