大型民机水上迫降载荷数值仿真分析

顾伟彬

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

水上迫降是指在紧急情况下把飞机小心地降落在水上或是强迫着落在水上。自从20世纪50年代初期多发喷气运输机引入民用航空领域后，大型运输机的跨水域飞行越来越普遍。因此，世界各国在制定适航规章时，要求民用运输机跨水域飞行必须通过水上迫降性能适航审定。水上迫降适航符合性表明方法主要包括缩比模型试验、计算仿真分析、与以往类似机型进行类比分析或与事故数据对比等[1]。在航空工业发达的欧美国家，缩比模型试验用于客机水上迫降适航审定已经有了几十年工程实践的经验积累。因此，缩比模型试验成为各国适航审定方较为推荐的客机水上迫降符合性验证方法[2]。但由于缩比模型试验具有结果重复性较差、周期长、成本高及存在尺寸效应等缺点，航空工业发达的欧美国家开始尝试用先进分析技术来部分或完全替代缩比模型试验，研究水上迫降过程。

随着流固耦合领域数值仿真技术的快速发展，基于混合分析、有限元法、光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)等技术的数值计算方法已成为研究水上迫降水冲击过程的重要方法[3]。其中，SPH技术被广泛应用于水上迫降数值仿真中，通过研究发现对于低水平速度水上迫降过程(如直升机的水上迫降过程)，数值仿真结果与真实尺寸飞机水上迫降试验结果吻合得较好[4-5]。但是对于水平速度较大的水上迫降过程，SPH数值仿真技术无法有效捕捉由流固耦合作用引起的飞机底部“吸力”产生的影响，而这种“吸力”效应对于水上迫降过程中飞机的运动姿态及水载荷分布的影响是不可忽略的[2,6-7]。文献[7]运用MSC. Dytran成功地模拟了考虑后体吸力的民机水上迫降过程，分析了具有“高平尾、尾吊发动机”构型的民用支线飞机在水上迫降过程中的俯仰角与水压载荷分布规律。

目前国内外主要干线飞机均为低平尾、翼吊发动机构型，该构型与高平尾、尾吊发动机支线飞机存在较大差异。由于飞机质量与几何尺寸、平尾和发动机的布局形式对于飞机水上迫降特性具有显著影响[8]，因此高平尾、尾吊发动机飞机的水上迫降研究结果无法直接用于低平尾翼吊发动机飞机。

本文结合某型客机适航审定及2009年哈德逊河事件的水上迫降相关数据，采用MSC. Dytran模拟低平尾翼吊发动机大型客机在水上迫降过程中的动力学特性，对水上迫降过程中飞机俯仰姿态角变化规律以及各主要部位的水压载荷分布特点进行系统分析，试图为民用飞机水上迫降载荷计算和模型试验提供重要依据。

1 流固耦合模型建立

本文采用MSC.Dytran的一般耦合方法求解水上迫降过程中飞机、空气和水体之间的非线性瞬态流固耦合问题。其中，飞机有限元模型采用二维拉格朗日壳单元，空气和水体采用六面体欧拉单元，通过设置耦合面来实现拉格朗日单元与欧拉单元之间物理量的传递，大型客机水上迫降有限元模型如图1所示。飞机壳单元设置为刚体材料属性，并通过刚体属性参数卡片定义飞机有限元模型的质量特性。

图1 大型客机水上迫降有限元模型

空气采用可压缩理想气体本构关系的材料定义，空气域内的压力采用EOSGAM模型定义的气体γ律状态方程描述，即压力是密度、比内能和理想气体比热比的函数：

pa=(γa-1)ρaea

(1)

式中：pa为空气压力；ρa为空气密度；γa为空气比热比；ea为空气单位质量的比内能。在标准状态下，ρa=1.08×10-12t/mm2，γa=1.4，ea=2.114 01×1012mJ/t。

水体压力用EOSPOL卡定义多项式状态方程描述：

(2)

式中：pw为水体压力；ew为水单位质量的比内能；ρ0为参考密度；μ=ρw/ρ0-1，其中ρw为水体密度；a1=2.2 GPa，为水体的体积弹性模量；a2,a3,b0,b1,b2,b3为多项式系数，采用软件缺省值。

2 水上迫降初始参数的选取

本文根据某型客机水上迫降适航审定情况及美国国家运输安全委员会针对哈德逊河水上迫降事件的调查报告来选择大型客机水上迫降模拟的初始参数。2009年1月，美国合众国航空公司一架A320飞机起飞不久遭遇鸟撞导致双发失效，进而迫降在哈德逊河上。事故发生后美国国家运输安全委员会对该起事故进行调查，并对哈德逊河水上迫降事件相关数据进行了系统分析。

某型客机水上迫降适航审定情况参数反映了典型水上迫降过程所期望的合理迫降参数，而哈德逊河事件中的参数反映了实际水上迫降过程中可能采用的迫降参数。因此，本文根据这两组典型的迫降参数来进行水上迫降数值仿真，见表1[9]。从表中可以看出，哈德逊河事件中飞机质量和空速与适航审定时的要求接近，但该事件中，飞机下沉率更大，因此飞机机体受载更严酷。

表1 水上迫降数值仿真参数

3 结果与讨论

3.1 水上迫降运动姿态分析

飞机俯仰角反映了飞机在水上迫降过程中的纵向运动姿态稳定性，且与飞机水上迫降运动特性及机体底部水载荷的分布规律密切相关。通过数值仿真得到的飞机水上迫降俯仰角随时间的变化规律如图2所示。从图中可以看出，水上迫降过程中飞机俯仰角的变化可以分为3个主要阶段，即初始低头阶段、后体吸力引起的抬头阶段(简称吸力抬头阶段)和后继低头阶段。这3个阶段对应的典型飞机姿态如图3所示。

图2 水上迫降过程中飞机俯仰角变化规律

图3 水上迫降典型阶段的飞机俯仰姿态

1)初始低头阶段。

本文将飞机触水产生低头运动到低头运动停止所经历的阶段称为初始低头阶段。初始低头阶段，飞机着水底部的典型压力分布如图4(a)所示。由图可以看出，中后机身底部受到很大的水冲击载荷，故产生低头力矩迫使飞机做低头运动。同时，由于后机身纵向曲率较大，后机身除了受到水冲击载荷外，还会受到水体的吸力作用[7]，使得飞机低头运动逐渐停止。

图4 飞机水上迫降各阶段着水底部典型压力分布图

2)吸力抬头阶段。

随着飞机吃水深度的进一步增加，后体吸力随之增大，且水冲击区域向飞机重心方向移动，该阶段飞机着水底部的典型压力分布如图4(b)所示。飞机从低头运动转变为抬头运动直到抬头运动停止所经历的阶段称为吸力抬头阶段。

3)后继低头阶段。

在水阻力作用下，飞机速度减小，后体吸力随之减弱，飞机在重力作用下再次低头，飞机中机身、发动机、机翼和前机身相继着水，并最终停止在水面上，该过程称为后继低头阶段，如图4(c)所示。

3.2 机身压力分布规律

图5和图6分别为某型客机适航审定和哈德逊河事件水上迫降过程中机身航向位置压力分布。由图可知，在初始低头阶段，机体底部受载区域为后机身，沿机身航向分别存在水冲击压力区以及后体吸力负压区(压力值小于1个大气压)；在吸力抬头阶段，水冲击压力区以及后体吸力负压区向前机身方向移动，且相对于初始低头阶段，抬头阶段水冲击压力峰值和吸力峰值更大；在后继低头阶段，机身底部沿航向压力区域进一步向前机身移动，且压力分布趋于均匀化。

图5 某型客机适航审定机身航向位置压力分布

图6 哈德逊河事件机身航向位置压力分布

为了进一步研究水上迫降过程中飞机各主要部位水载荷的作用规律，对机身等着水底部典型位置的压力值进行分析。某型客机适航审定情况及哈德逊河事件中前中后机身压力随载荷压力随时间的变化规律分别如图7和图8所示。

图7 某型客机适航审定情况机身压力时间历程

图8 哈德逊河事件机身典型位置压力时间历程

由图7可知，某型客机适航审定情况下，后机身压力主要存在两个峰值：第一个峰值出现在初始低头阶段，是由飞机与水体初次接触引起的；第二个峰值出现在后继低头阶段的前期，因后机身的再次触水引起。该结果说明飞机抬头后的再次低头运动对于水上迫降过程是不利的，会使飞机后机身受到较大的二次水载荷冲击。中机身测压位置仅在后继低头阶段的前期出现一个局部压力峰值，该结果表明，由于飞机存在较大的初始俯仰角度以及抬头运动过程，中机身在初始低头阶段和吸力抬头阶段并未与水体发生剧烈接触，直到飞机后继低头阶段，中机身撞击水面时才受到较大的压力载荷。对于前机身而言，由于与水面接触最晚，因此仅在后继低头阶段的中后期存在一个压力峰值，且该压力峰值明显小于中机身与后机身的压力峰值。

对于哈德逊河事件情况，如图8所示，后机身在初始低头阶段、吸力抬头阶段以及后继低头阶段出现多个压力峰值，中机身在初始低头阶段和后继低头阶段也均出现峰值，但后继低头阶段的压力峰值明显大于初始低头阶段。前机身在后继低头阶段出现较小的压力峰值。

综上所述，在水上迫降过程中，由于飞机存在初始低头、吸力抬头和后继低头多个阶段，飞机中机身与后机身可能存在多个压力峰值，而前机身大面积触水时水载荷较小。与前机身和中机身相比，后机身所承受水载荷峰值较大、次数较多，故后机身是机身结构中受水上迫降水载荷最大的位置。

3.3 水平尾翼及发动机压力分布

图9给出了水平尾翼和发动机着水底部局部压力随时间的变化规律。当飞机处于吸力抬头阶段以及后继低头阶段前期时，飞机俯仰角较大，低平尾大面积触水并承受较大水冲击载荷，而发动机与水体没有明显接触，故发动机在该阶段的水载荷基本为零(等于一个大气压力)；随着飞机进一步低头，水平尾翼上水载荷快速减小，并出现明显的吸力载荷。在后继低头阶段中后期，水平尾翼上水载荷基本为零，而发动机与水面发生撞击，故发动机的压力峰值主要出现在后继低头阶段中后期。通过对比水平尾翼和发动机着水底部局部压力峰值的发生时刻可知，尽管发动机着水后可能会导致发动机从机翼上脱落，但由于发动机的峰值载荷发生在后继低头阶段中后期，此时机身底部着水压力已经很小，故发动机脱落与否不会对水上迫降过程中机身着水底部的总体压力水平产生重要影响。

图9 水平尾翼测压位置压力值的时间历程

4 结束语

本文对大型客机典型的水上迫降过程进行了数值仿真分析，揭示了构型为低平尾、翼吊发动机的大型客机在典型水上迫降参数下的运动规律与受载特性。通过分析发现，后体吸力对于大型客机俯仰运动姿态变化以及着水底部压力分布影响显著，后机身是水上迫降过程中承受水载荷最严重的部位，在后续低头阶段存在着明显的二次冲击现象。本文提供的研究方法和分析结果可为大型民用客机水上迫降模型试验的参数选择与试验设计提供理论依据。