初步設(shè)計(jì)階段傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能設(shè)計(jì)方法研究

齊萬(wàn)濤

(第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，西安 710089)

0 引 言

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)兼具直升機(jī)的垂直起降能力和固定翼飛機(jī)的高速巡航能力，使得該類飛機(jī)在抗震救災(zāi)和人道主義救援方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。在復(fù)雜起飛場(chǎng)地環(huán)境下，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以無(wú)需借助跑道而進(jìn)行垂直起飛；在場(chǎng)地條件允許的情況下，為了節(jié)省燃油、增加航程、執(zhí)行起飛重量大于最大垂直起飛重量的起飛，亦可采用短距起飛的方式[1-3]。有多種方法可以幫助實(shí)現(xiàn)短距起飛，例如采用矢量推力和高升力襟翼、縫翼等[4]。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙可以傾斜一定的角度，使得旋翼拉力產(chǎn)生一個(gè)前向的分量，該分量與常規(guī)飛機(jī)的推力或螺旋槳拉力的作用效果相同，使飛機(jī)加速到一定的起飛離地速度，該速度使飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生足夠的額外氣動(dòng)力并和旋翼拉力的垂向分量一起使飛機(jī)起飛離地。

大型民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在其概念設(shè)計(jì)階段確定了起飛性能參數(shù)要求后，將轉(zhuǎn)入初步設(shè)計(jì)階段，其短距起飛離地速度、起飛場(chǎng)長(zhǎng)等重要的起飛性能參數(shù)，與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾斜角密切相關(guān)。另外，當(dāng)機(jī)場(chǎng)的海拔高度增加時(shí)，由于空氣密度降低，起飛離地的真空速增加，加之發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，導(dǎo)致傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的短距起飛性能降低。天氣條件因素也可以影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，進(jìn)而對(duì)起飛性能產(chǎn)生影響。為了對(duì)上述影響起飛性能的因素進(jìn)行分析，需要建立系統(tǒng)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能設(shè)計(jì)計(jì)算方法。短距起飛性能計(jì)算方法與固定翼飛機(jī)、直升機(jī)的起飛性能計(jì)算方法有很大區(qū)別。目前，國(guó)外對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在初步設(shè)計(jì)階段短距起飛性能設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究仍較少，迄今僅有“魚(yú)鷹”及其衍生型等機(jī)型問(wèn)世；國(guó)內(nèi)的研究則更少[5-6]。朱源等[5]通過(guò)建立時(shí)變非線性縱向動(dòng)力學(xué)模型并線化得到小擾動(dòng)方程，而后對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)起飛軌跡進(jìn)行了最優(yōu)控制；嚴(yán)旭飛等[6]建立了適用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)單發(fā)失效后軌跡優(yōu)化的增廣飛行動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛單發(fā)失效著陸的軌跡進(jìn)行了操縱優(yōu)化研究。

本文針對(duì)影響傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能的因素，包括短距起飛短艙最小傾斜角、推重比、起飛離地速度、起飛距離等，進(jìn)行了一系列研究，提出一套適用于初步設(shè)計(jì)階段傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并給出了計(jì)算結(jié)果。

1 短距起飛短艙最小傾斜角的確定

對(duì)于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)而言，空中飛行時(shí)，固定翼飛機(jī)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和機(jī)身平行，此時(shí)短艙角度為0°；直升機(jī)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和機(jī)身垂直，此時(shí)短艙角度為90°。在短距起飛地面階段，旋翼槳的槳葉槳尖嚴(yán)禁觸碰到地面并且應(yīng)具有足夠的安全距離，因此短艙傾斜角度受到相應(yīng)的嚴(yán)格限制。

1.1 短距起飛短艙最小傾斜角的影響因素

CCAR-25-R4中規(guī)定，螺旋槳飛機(jī)，當(dāng)飛機(jī)處于水平起飛姿態(tài)或滑行姿態(tài)時(shí)，對(duì)于前輪式飛機(jī)，螺旋槳槳葉與地面的安全距離均不得小于0.18 m[7]。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛時(shí)類似于螺旋槳飛機(jī)，本文亦將該要求應(yīng)用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。短距起飛短艙最小傾斜角幾何限制如圖1所示，γT為短距起飛短艙最小傾斜角，AB為短艙轉(zhuǎn)動(dòng)中心至旋翼槳轂中心距離，AE為槳葉長(zhǎng)度，DE為槳尖距離地面的安全高度。

圖1 短艙最小傾斜角幾何限制示意圖Fig.1 Geometry limitation of tilt angle

不同于傳統(tǒng)的螺旋槳飛機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊揮舞，揮舞角β對(duì)槳尖安全距離的影響如圖2所示。因此在確定短距起飛短艙最小傾斜角時(shí)，須考慮該因素。

圖2 揮舞角對(duì)槳尖安全距離的影響Fig.2 The influence of Conning angle on ground clearance

由圖2可得，揮舞角引起的槳尖至地面距離的變化為

Δh=h2-h1=Rsin(γT+β)-RsinγT

(1)

式中：R為旋翼槳葉長(zhǎng)度。

短艙轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離地面的高度BC受機(jī)翼上反角、機(jī)身和起落架的影響，很難在初步設(shè)計(jì)階段得到機(jī)身高度和起落架高度的最終值，因此需要考慮不確定因素對(duì)短艙最小傾斜角的影響。本文通過(guò)增大槳尖距離地面的安全高度來(lái)解決該問(wèn)題。

1.2 短距起飛短艙最小傾斜角的計(jì)算分析

確定了該傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在初步設(shè)計(jì)階段的幾何參數(shù)后，根據(jù)幾何限制約束(圖1)和考慮了揮舞角引起的槳尖距地面距離的變化后，不同安全高度和揮舞角下的短距起飛短艙最小傾斜角的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同安全高度和揮舞角下的短距起飛短艙最小傾斜角Table 1 Tilt angles of nacelle with the variation of ground clearance and conning angle

從表1可以看出：槳尖距地面安全高度的變化對(duì)短距起飛短艙最小傾斜角γT的影響較小，而揮舞角β的變化則對(duì)γT的影響較大?？紤]到初步設(shè)計(jì)階段起落架高度等參數(shù)的不確定性，在確定了槳葉揮舞角β后，短距起飛短艙最小傾斜角γT定為69°。該值為短距起飛幾何限制值，即短距起飛地面階段短艙傾斜角度嚴(yán)禁小于該值。

2 短距起飛性能計(jì)算方法

起飛性能的兩個(gè)重要參數(shù)為起飛離地速度和起飛距離。起飛推重比和短艙傾斜角度對(duì)這兩個(gè)參數(shù)起決定作用。

2.1 短距起飛推重比的確定

對(duì)于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，垂直起降能力是一個(gè)基本要求，對(duì)應(yīng)質(zhì)量為2.5 g載荷條件下的最大起飛重量MTOW。依據(jù)文獻(xiàn)[8]，考慮了垂向機(jī)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率提取等因素后，為了滿足垂直起降要求，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)拉力和重力的比值，即推重比T/W在海平面應(yīng)滿足：

(2)

該要求通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的選取和旋翼的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在高原機(jī)場(chǎng)以及高溫天氣，發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低導(dǎo)致推重比T/W急劇下降，另外由于起飛離地真空速增加，這些不利因素導(dǎo)致起飛距離大幅增加。

世界上尤其是我國(guó)境內(nèi)存在眾多高原機(jī)場(chǎng)。根據(jù)所選發(fā)動(dòng)機(jī)的高度特性和溫度特性，不同海拔高度和天氣狀況下推重比T/W的值如表2所示，ISA代表國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣。其中最大計(jì)算高度為4 500 m，涵蓋了世界上海拔高度最高的機(jī)場(chǎng)——四川稻城亞丁機(jī)場(chǎng)，其海拔高度為4 411 m。

表2 不同海拔高度和天氣條件下的推重比Table 2 Thrust to weight ratio in different altitudes and weather conditions

從表2可以看出：在最惡劣條件下，即機(jī)場(chǎng)海拔高度4 500 m和ISA+30 ℃天氣狀況下，推重比值由標(biāo)準(zhǔn)海平面的1.20降為0.69。

2.2 短距起飛離地速度和起飛距離計(jì)算方法

文獻(xiàn)[9-11]僅給出了傳統(tǒng)飛機(jī)起飛離地速度和起飛距離的計(jì)算方法。依據(jù)這些方法，本文推導(dǎo)了一系列適用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛方式的起飛離地速度和起飛距離的方程。

在地面滑跑階段，包含了起落架支反力的運(yùn)動(dòng)方程：

Tsin(γT+α)+N+L=W

(3)

(4)

式中：T為旋翼拉力；α為起飛滑跑階段飛機(jī)迎角；μR為飛機(jī)滑跑摩擦系數(shù)；N、L和D分別為起落架支反力、飛機(jī)升力和阻力。

在起飛離地點(diǎn)，起落架支反力為零，依據(jù)該條件，首先確定起飛離地速度VLOF：

(5)

式中：CL為起飛離地時(shí)的升力系數(shù)，由起飛離地迎角確定；ρ、S分別為大氣密度和機(jī)翼參考面積。

然后經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得地面滑跑距離SG計(jì)算公式：

(6)

(7)

(8)

式中：g為重力加速度；CD為飛機(jī)阻力系數(shù)。

根據(jù)能量法，起飛空中距離SA可表示為

(9)

式中：V2為起飛安全速度；下標(biāo)av表示起飛離地點(diǎn)和起飛安全高度點(diǎn)的平均值。

短距起飛距離Stf為地面滑跑距離SG和起飛空中距離SA之和，即：

Stf=SG+SA

(10)

3 短距起飛性能計(jì)算結(jié)果及分析

起飛重量對(duì)飛機(jī)起飛性能有重要影響，本文選取飛機(jī)最大短距起飛重量進(jìn)行計(jì)算，該重量約為飛機(jī)最大垂直起飛重量的1.1倍。

給定飛機(jī)推重比后，根據(jù)上述所得到的短距起飛距離公式，計(jì)算不同短艙傾斜角度的起飛距離，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，虛線為幾何限制條件下的短艙最小傾斜角。

圖3 不同短艙傾斜角起飛距離Fig.3 Take-off distance of different nacelle tilt angles

從圖3可以看出：隨著短艙傾斜角度的增加，起飛距離增加。但因?yàn)槎膛搩A斜角受槳尖至地面安全距離的限制，故取該限制條件下的短艙最小傾斜角的值為69°，以取得最小的起飛距離。

機(jī)場(chǎng)海拔高度和天氣條件對(duì)短距起飛性能亦有重要影響。海拔高度和天氣條件會(huì)影響飛機(jī)的推重比(如表2所示)。給定短距起飛短艙傾斜角度69°后，不同機(jī)場(chǎng)海拔高度和推重比下的短距起飛離地速度和起飛距離可根據(jù)式(5)～式(10)計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 不同機(jī)場(chǎng)海拔高度和推重比下的起飛離地速度Fig.4 Lift-off speed of different altitudes and thrust to weight ratio

圖5 不同機(jī)場(chǎng)海拔高度和推重比下的起飛距離Fig.5 Take-off distance of different altitudes and thrust to weight ratio

從圖4～圖5可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾斜角為69°時(shí)，起飛離地速度隨著推重比的增加而減小，隨著海拔高度的增加而增加；起飛距離亦表現(xiàn)出同樣的規(guī)律；圖5中平直線為短距起飛距離設(shè)計(jì)要求，該值應(yīng)不大于500 m，為了滿足該要求，在海平面和4 500 m高度，推重比需分別大于0.81和0.88。從表2可以看出：在海平面不同天氣條件下，推重比均大于0.81，起飛距離滿足設(shè)計(jì)要求。而在高原機(jī)場(chǎng)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，導(dǎo)致推重比下降較快，部分計(jì)算點(diǎn)起飛距離不能滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到高原機(jī)場(chǎng)擁有較長(zhǎng)的跑道，這種情況是可以接受的。

對(duì)于飛行來(lái)說(shuō)，機(jī)組人員首先應(yīng)根據(jù)機(jī)場(chǎng)高度和天氣狀況從表2中確定飛機(jī)的推重比，再依據(jù)推重比和海拔高度的關(guān)系從圖4～圖5中確定飛機(jī)的起飛離地速度和起飛距離，然后以起飛離地速度操縱飛機(jī)完成離地。對(duì)起飛離地速度的確定亦可由飛控計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能的研究，提出了一套適用于初步設(shè)計(jì)階段傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛方式的起飛性能設(shè)計(jì)方法。使用該方法得出的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)短距起飛性能計(jì)算結(jié)果合理，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。