大中型運輸機橫航向模態(tài)特性分析

賈艷麗 晏傳銀 陳微 陳瑩

摘 要：本文重點對荷蘭滾模態(tài)特性進行了研究，并提出了改進荷蘭滾模態(tài)特性的方法。研究結果對改進改型機提高飛機的模態(tài)特性有一定的參考價值。

關鍵詞：飛機；荷蘭滾

飛機的橫航向模態(tài)特性包括荷蘭滾模態(tài)、滾轉模態(tài)、螺旋模態(tài)。飛機在受到擾動后，橫航向擾動運動的特點由這三個典型模態(tài)運動疊加而成。大中型運輸機的滾轉阻尼一般較大，滾轉運動衰減很快，螺旋運動屬于慢運動，駕駛員易于控制，只要發(fā)散不太快，一般是允許的。對于大中型飛機來說，螺旋模態(tài)不會影響飛機的飛行安全，研究的重點是荷蘭滾模態(tài)，荷蘭滾運動屬于快運動，因此駕駛員不易控制，故不僅要求穩(wěn)定，且需要保證較好的阻尼。因此本文僅對滾轉模態(tài)荷蘭滾模態(tài)進行介紹。

1 滾轉模態(tài)

飛機的橫航向小擾動運動方程組的特性方程中的大負實根所代表的運動模態(tài)為滾轉模態(tài)。根據(jù)飛行力學原理，通過簡化，忽略一些次要因素，得到滾轉模態(tài)的簡化公式：

由滾轉模態(tài)的簡化計算公式可以看出，飛機的滾轉模態(tài)時間常數(shù)與飛機的滾轉阻尼導數(shù)成反比。

2 荷蘭滾模態(tài)

荷蘭滾模態(tài)是有偏航、滾轉和側滑三個運動量同時存在的短周期振蕩。形成原因如下：如果飛機受側向擾動向右傾斜，必然產(chǎn)生右側滑。由于飛機具有航向及橫向靜穩(wěn)定性，這樣在飛機上就同時產(chǎn)生兩個力矩：一個是繞豎軸的偏航力矩，另一個是繞縱軸的滾轉力矩，力圖使飛機恢復到正常姿態(tài)。于是飛機就產(chǎn)生繞縱軸的滾轉角速度和繞豎軸的偏航角速度，如果飛機存在這種情況，即滾轉靜穩(wěn)定性遠遠大于偏航靜穩(wěn)定性，就會產(chǎn)生較小的偏航角速度和較大的滾轉角速度，并且飛機在偏航運動中受到偏航阻尼力矩的阻礙，則飛機就會繞縱軸滾轉，從右傾斜變?yōu)樽髢A斜，并產(chǎn)生左側滑。這樣飛機上又產(chǎn)生繞豎軸的偏航力矩和繞縱軸的滾轉力矩，出于同樣的原因，飛機在較大的滾轉角速度和較小的偏航角速度下，繞縱軸滾轉，左傾斜變?yōu)橛覂A斜。于是飛機就形成反復的振蕩運動。

⑴國軍標要求。GJB 185—1986中要求：由航向擾動輸入引起的荷蘭滾，其無阻尼自振頻率ωnd、阻尼比ζd及阻尼ζdωnd應當大于下表中的最小值。在飛行中遇到的任何大小振蕩，無論座艙操縱固持還是松浮，均應滿足這些要求。

⑵參數(shù)分析。為了改善飛機的荷蘭滾模態(tài)特性，需先對荷蘭滾的計算公式進行分析。根據(jù)飛行力學原理，通過簡化，忽略一些次要因素，可以得到荷蘭滾模態(tài)的簡化公式：

由簡化公式可以看出：荷蘭滾模態(tài)的無阻尼自振頻率ωd與航向靜穩(wěn)定性導數(shù)成正比；阻尼比ξd則與 成反比，而與航向阻尼導數(shù) 和側力導數(shù) 成正比；總阻尼ξdωd與 、 成正比。通過增大 可以增加無阻尼自振頻率的值；通過減小 和增大 、 可以增加阻尼比的值；通過增大 、 可以增加總阻尼的值。

⑶改進措施。要想提高該飛機的荷蘭滾模態(tài)的品質特性就要增大荷蘭滾模態(tài)阻尼ζdωnd，使其滿足GJB185-1986要求，可以通過增大航向阻尼導數(shù) 和側力導數(shù) 來實現(xiàn)。在不改變氣動布局的前提下，可以通過平尾加裝端板和增加控制增穩(wěn)系統(tǒng)來提高飛機的荷蘭滾模態(tài)特性。

1）加裝平尾端板，相當于增加了垂尾面積，使飛機的航向穩(wěn)定性導數(shù)和航向阻尼導數(shù)，從而提高荷蘭滾模態(tài)阻尼ζdωnd和阻尼比ζd。當然，平尾加裝端板同時會帶來額外的問題，造成大側滑時航向靜穩(wěn)定性過大，導致航向操縱性降低，抗側風能力下降。因此再設計時要考慮飛機飛機穩(wěn)定性與操縱性的協(xié)調問題。

2）從飛行控制方面改進，在橫航向操縱通道中增加控制增穩(wěn)系統(tǒng)可以增加飛機的荷蘭滾阻尼。主要是通過在系統(tǒng)中引入側滑角和偏航角速率反饋來增大航向運動的固有頻率和荷蘭滾阻尼比。

為了改善某型飛機的荷蘭滾模特特性，在飛機的橫航向操縱系統(tǒng)中增加了控制增穩(wěn)系統(tǒng)，飛機的阻尼比增加了70%，無阻尼自振頻率ωnd增加了23%，總阻尼增加了將近一倍，使得某型中型運輸機荷蘭滾模態(tài)特性滿足GJB 185—1986標準1的要求。

3 總結

飛機的橫航向模態(tài)在飛機的飛行品質評定中具有特殊的意義，特別是荷蘭滾模態(tài)，更是關系到飛機的飛行安全。因此，要特別注意使飛機的荷蘭滾模態(tài)特性滿足飛機安全使用和駕駛舒適性的要求。本文根據(jù)飛機橫航向模態(tài)特性形成原因和影響因素，給出了如何提高飛機橫航向模態(tài)特性的措施，對新設計飛機和改進改型飛機提高橫航向模態(tài)特性具有一定的參考價值。