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摘 要：在水池开展了单机身模型力矩试验，本文介绍了模型的设计和加工要求、相似准则、试验设备、试验状态的选择等，简单地介绍了数据处理方法，得到了以下结论：使用矩阵法能有效提高试验效率，缩短试验周期；单机身模型力矩试验可以用来研究水陆两栖飞机的快速性、喷溅等水动力性能。
关键词：水陆两栖飞机 单机身模型 试验设计
1 引言
水陆两栖飞机是一种既能在陆上起飞和降落，又能在水中起飞和降落的飞机。正常使用时，水陆两栖飞机的水动力性能很重要。因此在水陆两栖飞机研制过程中，除了研究气动性能外，还需要通过进行模型试验水动性能进行预报[1]。
相比陆基飞机，水陆两栖飞机工作时的流场更复杂，除了受到气体流场作用外，还受到水流场的作用以及地效作用。而在实际研究中需要将水的作用从整体作用中分离，仅保留水的作用来对实机船体的快速性、喷溅等性能进行研究。
水陆两栖飞机在水面起飞、滑行和降落时，与水接触最多的是机身部位。在此情况下，高速水动力实验室在水池单独对机身模型进行了力矩试验，对某型水陆两栖飞机模型校核试验模型船体的水动升力、阻力、力矩及喷溅等进行测试，观察高速段尾流情况，获得船体的水动性能。本文介绍了自由飞模型设计、装置设计，对试验技术进行了研究和改进。
2 模型设计
模型的设计与加工要满足以下要求：
a） 满足有关的相似准则；
b） 具有较为精确的外形；
c） 具有较轻的重量、较大的刚度和强度；
d） 具有较好的水密性能。
单机身模型力矩试验设计遵照弗汝德相似准则[2]，模型的几何、力及力矩按表1换算。
表1 各参数换算关系（ 为缩尺比）
3 试验装置及设备
3.1 试验装置特点
在进行单机身模型试验时，试验装置应满足以下两点：
a） 便捷的模型状态调节能力，能较为方便的对模型的姿态角、吃水深度进行调节。在调节吃水深度时，具有基准线或刻度等，以便对模型吃水深度进行较为精确的控制
b） 试验装置具有较强的纵向、横向刚度，对模型有足够的纵向和横向支撑，以免拖车运行时模型晃动
3.2 试验设备
单机身力矩试验使用的设备见表2。
表2 试验测试设备表
模型重心附近安装有六分力天平（图1），是试验时模型的主要测试设备，测量模型受到的俯仰力矩、水动升力和阻力。
图1 六分力天平图
为了保证试验时模型姿态不变化，需要在机身尾部设计限位结构，见图2，连接在拉压传感器上。限位结构仅限制模型在竖直方向运动，防止模型纵倾角变化，对纵向运动无限制。
图2 尾部限位装置
4 试验状态的选择
试验前，参照水陆两栖飞机全机模型试验时模型的状态，确定了单机身模型力矩试验模型的状态。由于全机模型试验工况较多，如果每个工况各个参数一一排列，工作量很大，利用“矩阵法”对试验工况进行排列并试验，在试验结束后用对数据进行“拟合插值”处理，能减少试验次数，缩短时间和避免盲目性。
5 數据处理
试验结束后，对测试数据进行分析，得到模型受到的阻力、升力、力矩以及尾流和喷溅情况。
5.1 阻力
试验时，仅六分力天平对阻力进行了测量，模型受到的阻力为天平测到的阻力Fx。
5.2 升力处理
测试固定姿态时模型的升力，可以与自由状态下同样工况时模型的升沉进行对比，从静力学方面预测模型的升沉变化。
试验时，六分力天平和拉压传感器都对垂向力进行了测量，模型受到的升力为二者的矢量和F1+F2。
5.3 力矩
测试固定姿态时模型的力矩，可以与自由状态下同样工况时模型的纵倾角进行对比，从静力学方面预测模型的纵倾角变化。
图3 六分力天平图
图3是试验时模型受力和力矩示意图。根据测试数据计算模型绕重心位置的力矩，公式如下：
5.4 尾流、喷溅处理
对尾流和喷溅图片进行处理，研究不同速度、模型姿态角以及吃水时尾流与喷溅情况，绘制不同状态下水的尾流包络线和喷溅包络线，作为水陆两栖飞机快速性研究和喷溅特性研究的参考，见图4。
图4 某工况尾流包络线
6 建议
通过对单机身模型试验设计的研究，对试验有以下建议：
1、使用矩阵法能有效提高试验效率，缩短试验周期；
2、单机身模型力矩试验可以用来研究水陆两栖飞机的快速性、喷溅等水动力性能。
参考文献
[1] 褚林塘.水上飞机水动力设计[M].北京：航空工业出版社，2014.
[2] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社， 2004.
关键词：水陆两栖飞机 单机身模型 试验设计
1 引言
水陆两栖飞机是一种既能在陆上起飞和降落，又能在水中起飞和降落的飞机。正常使用时，水陆两栖飞机的水动力性能很重要。因此在水陆两栖飞机研制过程中，除了研究气动性能外，还需要通过进行模型试验水动性能进行预报[1]。
相比陆基飞机，水陆两栖飞机工作时的流场更复杂，除了受到气体流场作用外，还受到水流场的作用以及地效作用。而在实际研究中需要将水的作用从整体作用中分离，仅保留水的作用来对实机船体的快速性、喷溅等性能进行研究。
水陆两栖飞机在水面起飞、滑行和降落时，与水接触最多的是机身部位。在此情况下，高速水动力实验室在水池单独对机身模型进行了力矩试验，对某型水陆两栖飞机模型校核试验模型船体的水动升力、阻力、力矩及喷溅等进行测试，观察高速段尾流情况，获得船体的水动性能。本文介绍了自由飞模型设计、装置设计，对试验技术进行了研究和改进。
2 模型设计
模型的设计与加工要满足以下要求：
a） 满足有关的相似准则；
b） 具有较为精确的外形；
c） 具有较轻的重量、较大的刚度和强度；
d） 具有较好的水密性能。
单机身模型力矩试验设计遵照弗汝德相似准则[2]，模型的几何、力及力矩按表1换算。
表1 各参数换算关系（ 为缩尺比）
3 试验装置及设备
3.1 试验装置特点
在进行单机身模型试验时，试验装置应满足以下两点：
a） 便捷的模型状态调节能力，能较为方便的对模型的姿态角、吃水深度进行调节。在调节吃水深度时，具有基准线或刻度等，以便对模型吃水深度进行较为精确的控制
b） 试验装置具有较强的纵向、横向刚度，对模型有足够的纵向和横向支撑，以免拖车运行时模型晃动
3.2 试验设备
单机身力矩试验使用的设备见表2。
表2 试验测试设备表
模型重心附近安装有六分力天平（图1），是试验时模型的主要测试设备，测量模型受到的俯仰力矩、水动升力和阻力。
图1 六分力天平图
为了保证试验时模型姿态不变化，需要在机身尾部设计限位结构，见图2，连接在拉压传感器上。限位结构仅限制模型在竖直方向运动，防止模型纵倾角变化，对纵向运动无限制。
图2 尾部限位装置
4 试验状态的选择
试验前，参照水陆两栖飞机全机模型试验时模型的状态，确定了单机身模型力矩试验模型的状态。由于全机模型试验工况较多，如果每个工况各个参数一一排列，工作量很大，利用“矩阵法”对试验工况进行排列并试验，在试验结束后用对数据进行“拟合插值”处理，能减少试验次数，缩短时间和避免盲目性。
5 數据处理
试验结束后，对测试数据进行分析，得到模型受到的阻力、升力、力矩以及尾流和喷溅情况。
5.1 阻力
试验时，仅六分力天平对阻力进行了测量，模型受到的阻力为天平测到的阻力Fx。
5.2 升力处理
测试固定姿态时模型的升力，可以与自由状态下同样工况时模型的升沉进行对比，从静力学方面预测模型的升沉变化。
试验时，六分力天平和拉压传感器都对垂向力进行了测量，模型受到的升力为二者的矢量和F1+F2。
5.3 力矩
测试固定姿态时模型的力矩，可以与自由状态下同样工况时模型的纵倾角进行对比，从静力学方面预测模型的纵倾角变化。
图3 六分力天平图
图3是试验时模型受力和力矩示意图。根据测试数据计算模型绕重心位置的力矩，公式如下：
5.4 尾流、喷溅处理
对尾流和喷溅图片进行处理，研究不同速度、模型姿态角以及吃水时尾流与喷溅情况，绘制不同状态下水的尾流包络线和喷溅包络线，作为水陆两栖飞机快速性研究和喷溅特性研究的参考，见图4。
图4 某工况尾流包络线
6 建议
通过对单机身模型试验设计的研究，对试验有以下建议：
1、使用矩阵法能有效提高试验效率，缩短试验周期；
2、单机身模型力矩试验可以用来研究水陆两栖飞机的快速性、喷溅等水动力性能。
参考文献
[1] 褚林塘.水上飞机水动力设计[M].北京：航空工业出版社，2014.
[2] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社， 2004.