地效飛機(jī)耗油質(zhì)量特性隨迎角變化簡(jiǎn)易算法研究

鄔恒 彭平

摘 要：針對(duì)地效飛機(jī)設(shè)計(jì)初期燃油質(zhì)量特性與耗油曲線程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、軟件測(cè)量較為耗時(shí)、重復(fù)工作量大等問題，為簡(jiǎn)化計(jì)算和減輕工作量，引入一種基于程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易算法，并以某地效飛機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果標(biāo)明，該方法真實(shí)可靠、計(jì)算精度高，能夠滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)耗油質(zhì)量特性隨迎角變化計(jì)算數(shù)據(jù)的精度要求。

關(guān)鍵詞：地效飛機(jī)；耗油質(zhì)量特性；簡(jiǎn)易算法

中圖分類號(hào)：V272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0073-02

飛機(jī)飛行重量是由空機(jī)重量、燃油和載重組成的，隨著飛機(jī)飛行時(shí)間、姿態(tài)的變化，飛機(jī)的重量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是變化的。對(duì)于一架定型的飛機(jī)而言，飛機(jī)的空重基本不變，載重中可消耗載荷（彈藥、滅火用水等）變化是一種時(shí)段性的變化，唯有燃油是持續(xù)性的、隨時(shí)間而變化的。由此，為了計(jì)算飛機(jī)在空中飛行的質(zhì)量特性是否滿足飛機(jī)操穩(wěn)性能的要求，燃油隨迎角變化的質(zhì)量特性計(jì)算就顯得尤為重要了。

由于燃油的油箱外形隨著在飛機(jī)上安裝位置的限制是千變?nèi)f化的，外形復(fù)雜，其所載燃油的質(zhì)量特性也隨其變化。本方法的目的是根據(jù)所布置油箱及總載油量的大小，計(jì)算在不同飛機(jī)迎角、不同油面高度下油箱中載油量的重量、重心及自身慣量矩。方法設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單明了，程序設(shè)計(jì)代碼量少，并能滿足計(jì)算精度要求。

1 油箱構(gòu)型及參數(shù)

要計(jì)算燃油隨迎角變化的質(zhì)量特性，必須要知道油箱的具體構(gòu)型，下面參考某地效飛機(jī)的油箱外形，這里油箱外形是由平面構(gòu)成的，對(duì)于不同的油箱布置，油箱外形也可以由曲面構(gòu)成。

在船身左右側(cè)各布置一載油量約為0.08噸的貯油箱，貯油箱最大載油量0.16噸。右側(cè)貯油箱外形及典型油面見圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮一側(cè)油箱，因另一側(cè)油箱對(duì)稱，對(duì)整個(gè)油箱的質(zhì)量特性采用數(shù)學(xué)疊加方法計(jì)算。

2 模型建立

2.1 建立油箱邊界曲面方程

要求出圖1中的油箱載油量，必須首先求出邊界曲面所圍的體積，對(duì)于整個(gè)油箱滿油情況下，燃油體積由上頂面、下底面和周圍邊界面所組成，考慮到燃油耗油隨迎角變化，油箱在高度方向受水平油面的限制，那么，把水平油面作為高度方向的燃油界面之一。這樣組成油箱燃油界面的平面（或曲面）分別為上頂面、下底面、周圍邊界面和水平油面。

油箱的俯視圖如圖2所示，參見圖2，在平面坐標(biāo)系中，已知點(diǎn)的坐標(biāo)（）。各個(gè)面的方程根據(jù)各點(diǎn)的坐標(biāo)確定，如兩點(diǎn)的直線方程：

，，

設(shè)

于是的直線方程：；

兩點(diǎn)的直線方程。

2.2 油面角（）的定義

考慮到飛機(jī)抬頭（或低頭）飛行時(shí)，油面與平面有一個(gè)夾角，這個(gè)角定義為油面角。規(guī)定飛機(jī)抬頭時(shí)的油面角為正，飛機(jī)低頭時(shí)的油面角為負(fù)。油面角與船體坐標(biāo)平面的關(guān)系由油箱安裝角確定。

2.3 油面方程及高度參數(shù)

油箱坐標(biāo)系原點(diǎn)在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)是：

。

點(diǎn)在油箱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是：

。

點(diǎn)在油箱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是：

。

點(diǎn)在油箱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是：

。

點(diǎn)在油箱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是：

。

參見圖1、如圖3所示，當(dāng)>0時(shí)，將點(diǎn)的坐標(biāo)減去點(diǎn)的坐標(biāo)除以整數(shù)，表示將油箱寬度沿方向分成了等份；同樣將點(diǎn)的坐標(biāo)減去點(diǎn)的坐標(biāo)除以整數(shù)，表示將油箱高度沿方向分成了等份；用公式表示為：

（1）

（2）

于是，從點(diǎn)到點(diǎn)可得等間距點(diǎn)（）的坐標(biāo)。

同理，當(dāng)<0時(shí)，用、兩點(diǎn)來計(jì)算最低和最高油面，其余討論與前面的討論相同。

由圖3，根據(jù)直線的角系數(shù)方程得油面的方程為：

（3）

式中：為縱坐標(biāo)截距；

為斜率（或角系數(shù)），。

由（3）式得：

（4）

這樣，當(dāng)給定了油面角和點(diǎn)（），則油面的高度參數(shù)就確定了。

3 程序結(jié)構(gòu)

3.1 油面高度參數(shù)子程序

計(jì)算油面高度參數(shù)的子程序，包含主程序調(diào)用語句和一個(gè)子程序。將油箱寬度和高度劃分為段，寬度和高度方向微元用表示。用條件語句判斷油面角若大于零，由右向左計(jì)算，由下向上計(jì)算；若小于零，由左向右計(jì)算，由下向上計(jì)算，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)組元素中，存儲(chǔ)于數(shù)組元素中。油面高度參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)組中。油面高度參數(shù)計(jì)算是為質(zhì)量特性計(jì)算中的油面方程求解提供參數(shù)值。

3.2 質(zhì)量特性計(jì)算子程序

本子程序解決在不同油面角和不同油面高度下燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的計(jì)算問題，程序包括主程序調(diào)用語句和一個(gè)子程序，結(jié)構(gòu)如下：

（1）通過調(diào)用子程序計(jì)算出油面高度參數(shù)；

（2）根據(jù)已給出的計(jì)算出，有了，加上油面角，油面方程即為：；

（3）用判斷語句和賦值語句列出3.3.1節(jié)所給出的條件、特征尺寸和重心；

（4）調(diào)用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)疊加程序和移軸程序，計(jì)算不同油面角和不同油面高度下燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)。其中，∑。

3.3 質(zhì)量特性疊加、移軸及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子程序

對(duì)于質(zhì)量特性數(shù)據(jù)疊加、移軸及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子程序，由于它們的程序結(jié)構(gòu)與公式結(jié)構(gòu)基本相同，僅增加一些程序說明、判斷及循環(huán)語句等，這里不再進(jìn)行詳細(xì)描述。

4 計(jì)算誤差分析

編制計(jì)算程序以某地效飛機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，其油箱布置示意圖如圖4所示。

經(jīng)與CATIA測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行誤差分析，如表1所示。

5 結(jié)語

通過前面分析計(jì)算，本方法設(shè)計(jì)合理，計(jì)算數(shù)據(jù)真實(shí)可靠精度較高，滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)耗油質(zhì)量特性隨迎角變化計(jì)算數(shù)據(jù)的精度要求。