通用飛機翼尖小翼設(shè)計對飛機橫航向穩(wěn)定性影響研究

陳強

摘 要：為了改善飛機的飛行性能，通用飛機通常會使用翼尖小翼裝置，但往往會忽略它對飛機的飛行品質(zhì)所產(chǎn)生的影響。通過對翼尖小翼產(chǎn)生的氣動力進(jìn)行計算分析，研究了翼尖小翼對橫航向飛行品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：翼尖小翼會使荷蘭滾模態(tài)振蕩增加，螺旋模態(tài)穩(wěn)定性增加，對飛機橫航向穩(wěn)定性影響較大。翼尖小翼需要針對飛機本身的氣動特性進(jìn)行設(shè)計。

關(guān)鍵詞：通用飛機 翼尖小翼 飛行品質(zhì) 橫航向穩(wěn)定性

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0085-02

目前國內(nèi)外通用飛機型號日益增多，各飛機制造商都采用機翼設(shè)計方法來改善飛機的航程、經(jīng)濟性等性能，來贏得更好的市場。其中融合式的翼尖小翼在通用飛機機翼設(shè)計中的應(yīng)用較為普遍。如P2006T、DA42等飛機，都大大改善了飛機的爬升、巡航性能。但在設(shè)計翼尖小翼時，同時要考慮到對飛機整機飛行品質(zhì)的影響，如果設(shè)計不當(dāng)往往會對飛機橫航向穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文通過分析某型飛機的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)以及飛行試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合穩(wěn)定性理論計算以及分析，研究了翼尖小翼對飛機橫航向飛行品質(zhì)的影響，從而為飛機設(shè)計改進(jìn)提供一些幫助。圖1所示位某通用飛機的翼尖小翼設(shè)計方案。

（2）翼尖小翼增加了機翼的有效上反角，相比無翼尖小翼橫向靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)增加了52.5%。

（3）翼尖小翼對航向靜穩(wěn)定性起一定的負(fù)面作用，但影響程度不大，比無翼尖小翼狀態(tài)降低1.4%。

穩(wěn)定性分析

由于翼尖小翼對于縱向靜穩(wěn)定性影響不明顯，因此該文不再對縱向動穩(wěn)定性進(jìn)行分析，著重討論由于橫向靜穩(wěn)定性變化帶來的一些橫向動穩(wěn)定性變化問題。

通過求解（2）和（3）兩個特征方程，可以得到表1橫航向動穩(wěn)定性計算結(jié)果以及圖3橫向擾動運動側(cè)滑角隨擾動量的變化曲線。對比表1中的數(shù)據(jù)及圖3中的曲線可以看出：

（1）有翼尖小翼的荷蘭滾模態(tài)阻尼比小于無翼尖小翼的荷蘭滾模態(tài)阻尼比，增加翼尖小翼，飛機的荷蘭滾模態(tài)變化更為劇烈，飛機遇到擾動，不容易從振蕩中恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）有無翼尖小翼對滾轉(zhuǎn)模態(tài)影響極小。

（3）有翼尖小翼的螺旋模態(tài)半衰期小于無翼尖小翼的螺旋模態(tài)半衰期，橫向靜穩(wěn)定性增加，螺旋模態(tài)半衰期相比無翼尖小翼時縮短一半。

雖然荷蘭滾振蕩是收斂的，但有翼尖小翼增加了荷蘭滾的振蕩程度，會惡化乘客的乘坐品質(zhì)，同時不易于飛行員對飛機進(jìn)行精確的控制。對于氣動外形已經(jīng)很難更改的飛機來說使用偏航阻尼器，是一種有效的抑制飛機荷蘭滾運動的裝置。但是對于一般新研的通用飛機來說，這種方法最好是作為一種補償措施，不提倡在設(shè)計階段就引入進(jìn)來。偏航阻尼器屬于一種自動控制增穩(wěn)裝置，不會在飛機的起降階段接通，而對于一般的通用飛機，起降階段往往易放生荷蘭滾運動。因此，偏航阻尼氣的使用對于抑制荷蘭滾運動在實際中會有一定的局限性。

翼尖小翼對螺旋模態(tài)的影響也很明顯。飛機在受到擾動產(chǎn)生10°坡度變化后，即使飛行員不注意也不參與干預(yù)操縱，在2min時間內(nèi)均能回復(fù)到初始水平飛行狀態(tài)，不會影響到飛行安全。

3 橫航向靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性關(guān)系

通過以上分析可以看出，有翼尖小翼對飛機橫向靜穩(wěn)定性和橫航向動穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。翼尖小翼加劇了橫航向靜穩(wěn)定性的不匹配程度，從而進(jìn)一步影響到了荷蘭滾模態(tài)和螺旋模態(tài)特性，對飛機飛行品質(zhì)產(chǎn)生一定的不良影響。

荷蘭滾模態(tài)和螺旋模態(tài)對橫航向靜穩(wěn)定性相對大小具有不同的要求，因而需要進(jìn)行合理折中。對于具有正橫航向靜穩(wěn)定性的飛機，當(dāng)穩(wěn)定性相對程度Lβ/Nβ過大時，飛機易產(chǎn)生荷蘭滾或飄擺不穩(wěn)定，反之，當(dāng)Lβ/Nβ過小時，則飛機易產(chǎn)生螺旋不穩(wěn)定。

結(jié)語

該通用飛機無翼尖小翼時的橫向靜穩(wěn)定性本身就處于一種穩(wěn)定性很強的態(tài)勢，如果安裝翼尖小翼將會增加這種變化趨勢，導(dǎo)致橫向靜穩(wěn)定性和橫向靜穩(wěn)定性失調(diào)，從而增大了荷蘭滾模態(tài)的振蕩程度和螺旋模態(tài)的穩(wěn)定程度。

荷蘭滾運動在較短的時間內(nèi)有劇烈的姿態(tài)變化，而螺旋模態(tài)變化十分緩慢，短時間內(nèi)姿態(tài)變化不明顯。兩者相比較，荷蘭滾更容易對飛行安全產(chǎn)生影響。應(yīng)該對翼尖小翼進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計修改，抑制荷蘭滾模態(tài)的振蕩程度，降低螺旋模態(tài)的穩(wěn)定程度。

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