飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性及其試飛技術(shù)研究

袁廣田 張聰 岳耀斌

摘? 要：文章通過(guò)理論推導(dǎo)，給出飛機(jī)按速度的縱向靜穩(wěn)定性和按過(guò)載的縱向靜穩(wěn)定性的影響因素;并給出兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系，進(jìn)而給出縱向靜穩(wěn)定性的試飛方法及關(guān)鍵參數(shù)，供在實(shí)際試飛中借鑒。分析表明：飛機(jī)按速度的縱向靜穩(wěn)定性一般弱于按過(guò)載的縱向靜穩(wěn)定性;前者試飛中一般使用平飛加減速法能較高效的判斷飛機(jī)是否滿足要求;后者一般使用縱向階躍法判斷飛機(jī)是否滿足要求。

關(guān)鍵詞：飛行試驗(yàn);靜穩(wěn)定性;試飛技術(shù)

中圖分類號(hào)：V217.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）14-0143-03

Abstract： In this paper， through theoretical derivation， the influencing factors of longitudinal static stability according to velocity and longitudinal static stability of the aircraft according to overload are given， the difference and relation between them are given， and then the flight test method and key parameters of longitudinal static stability are given for reference in practical flight test. The analysis shows that the longitudinal static stability of the aircraft according to the velocity is generally weaker than that of the longitudinal static stability according to the overload， and the flat flight acceleration and deceleration method can be used to judge whether the aircraft meets the requirements more efficiently in the former flight test. The latter generally uses the longitudinal step method to judge whether the aircraft meets the requirements.

Keywords： flight test; static stability; flight test technology

飛機(jī)在大氣中飛行的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到各種不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)，如大氣擾動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)、飛行員無(wú)意識(shí)的動(dòng)桿等。這些擾動(dòng)都會(huì)使飛機(jī)的飛行狀態(tài)發(fā)生改變。因此，必須研究學(xué)習(xí)飛機(jī)在受到擾動(dòng)后，自動(dòng)恢復(fù)原狀態(tài)的能力，即飛機(jī)的穩(wěn)定性問(wèn)題。通常稱飛機(jī)飛行狀態(tài)及受擾前飛機(jī)平衡狀態(tài)為配平狀態(tài)，因此穩(wěn)定性問(wèn)題就是研究飛機(jī)在配平狀態(tài)受到外界擾動(dòng)而偏離平衡狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)自身能否有力矩產(chǎn)生使之回到原配平狀態(tài)的能力。通常為了研究問(wèn)題方便，在飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)中常將穩(wěn)定性分為靜穩(wěn)定性與動(dòng)穩(wěn)定性兩大類[1]。

動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)是真正的飛機(jī)穩(wěn)定性。它是指飛機(jī)在配平狀態(tài)下受到擾動(dòng)，擾動(dòng)消失后，飛機(jī)自身能恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力。所謂靜穩(wěn)定性則是指飛機(jī)在配平狀態(tài)下受到擾動(dòng)，擾動(dòng)消失瞬間，飛機(jī)自動(dòng)恢復(fù)原平衡狀態(tài)的趨勢(shì)。因此靜穩(wěn)定性不是真正的穩(wěn)定性，具有靜穩(wěn)定性的飛機(jī)，不一定具有動(dòng)穩(wěn)定性，但是通常靜穩(wěn)定性是飛機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性的前提，特別是靜穩(wěn)定性與相應(yīng)的飛機(jī)靜操縱性具有密不可分的關(guān)系。因此，討論飛機(jī)的靜穩(wěn)定性，亦具有非常重要的意義。而飛機(jī)的三向靜穩(wěn)定性中，縱向靜穩(wěn)定性是最為重要的，因此，本文重點(diǎn)對(duì)于飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性及其試飛技術(shù)進(jìn)行討論。

1 縱向靜穩(wěn)定性

飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性主要研究飛機(jī)在配平狀態(tài)下的縱向俯仰力矩特性問(wèn)題。飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)性包括按過(guò)載的靜穩(wěn)定性和按速度的靜穩(wěn)定性。

1.1 按過(guò)載靜穩(wěn)定性

按過(guò)載靜穩(wěn)定性是指飛機(jī)在配平狀態(tài)下受到擾動(dòng)，在擾動(dòng)過(guò)程中，飛機(jī)速度始終保持不變，過(guò)載隨迎角偏離原配平狀態(tài)而變化，在擾動(dòng)消失瞬間，飛機(jī)自動(dòng)恢復(fù)原平衡狀態(tài)的趨勢(shì)。如果有自動(dòng)恢復(fù)原配平迎角的趨勢(shì)，則稱飛機(jī)具有按過(guò)載的靜穩(wěn)定性。因?yàn)榘催^(guò)載靜穩(wěn)定性的條件是速度不變，因此按過(guò)載的靜穩(wěn)定性又稱為定速穩(wěn)定性。

雖然定速是一種理想情況，迎角變化，引起過(guò)載變化后，勢(shì)必影響阻力變化，但擾動(dòng)初期，速度變化不大可以忽略。

飛機(jī)是否具有按過(guò)載的靜穩(wěn)定性，決定于飛機(jī)縱向力矩系數(shù)mz隨迎角α的變化特性，當(dāng)mzα<0時(shí)，飛機(jī)具有按過(guò)載的靜穩(wěn)定性;mzα>0時(shí)，飛機(jī)為按過(guò)載靜不穩(wěn)定的;而mzα=0時(shí)，飛機(jī)為中立穩(wěn)定。

1.2 按過(guò)載靜穩(wěn)定性的影響因素

1.2.1?在飛機(jī)飛行過(guò)程中，對(duì)重心位置的變化，必須引起足夠重視。特別是轟炸機(jī)，由于機(jī)身較長(zhǎng)，攜帶的燃料、彈藥較多，所以飛行中重心位置變化往往較大。例如，某型轟炸機(jī)的重心位置變化范圍為20.7%Ca～33.7%Ca（Ca，平均氣動(dòng)弦）。33.7%Ca重心位置已相當(dāng)靠后，如果在飛機(jī)后部裝載過(guò)多，就會(huì)使按過(guò)載靜穩(wěn)定性降低過(guò)多，從而會(huì)使飛行員不易掌握操縱量。燃油系統(tǒng)工作不正常，用油順序遭到破壞時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的問(wèn)題。

1.2.2 飛行馬赫數(shù)

超聲速飛機(jī)比亞聲速飛機(jī)的按過(guò)載穩(wěn)定性有明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)槌^(guò)臨界馬赫數(shù)后，隨著馬赫數(shù)增大，焦點(diǎn)位置急劇后移。在重心位置不變的情況下，飛機(jī)的按過(guò)載靜穩(wěn)定性增加。

1.2.3 大迎角

在中小迎角，飛機(jī)的氣動(dòng)焦點(diǎn)位置變化范圍較小，所以一般在進(jìn)行分析和工程中，認(rèn)為其位置是不變的。但在大迎角，由于飛機(jī)機(jī)翼表面存在較大區(qū)域的流動(dòng)分離，飛機(jī)的氣動(dòng)焦點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生較大的前移量，導(dǎo)致飛機(jī)的縱向力矩曲線向上彎曲（如圖1所示），使mzα>0，飛機(jī)失去按過(guò)載的縱向靜穩(wěn)定性。某些后掠翼飛機(jī)，因?yàn)椴捎靡淼兜却胧?，延緩了飛機(jī)機(jī)翼上表面的流動(dòng)分離，使這種情況有所改善。但是，有些飛機(jī)因?yàn)椴扇〈胧┎粔蛴辛?，例如轟某型飛機(jī)，后掠角較大，翼刀卻較低，這種現(xiàn)象仍然嚴(yán)重存在。除了上述因素外，影響飛機(jī)按過(guò)載靜穩(wěn)定性的還有飛機(jī)的彈性變形、地面效應(yīng)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等因素。

1.3 按速度的縱向靜穩(wěn)定性

在擾動(dòng)過(guò)程中，如果飛機(jī)在迎角變化的同時(shí)，速度也發(fā)生變化，但法向過(guò)載保持常數(shù)（通常取為1），這種擾動(dòng)稱為定載擾動(dòng)。

按速度的靜穩(wěn)定性是指飛機(jī)在配平狀態(tài)下受到定載擾動(dòng)，擾動(dòng)消失瞬間飛機(jī)自動(dòng)恢復(fù)原平衡狀態(tài)的趨勢(shì)。由于按速度靜穩(wěn)定性是在定載擾動(dòng)下的靜穩(wěn)定性，因此也稱為定載靜穩(wěn)定性[1]。

假定定載擾動(dòng)使飛機(jī)速度增大，為了保持定載，飛機(jī)的Cy下降（dCy<0）。如果，飛機(jī)具有按速度的縱向靜穩(wěn)定性，即（■）■<0，則dmz>0，該力矩力圖使飛機(jī)增大迎角，減小速度，飛機(jī)具有恢復(fù)原平衡狀態(tài)的趨勢(shì)，即具有速度穩(wěn)定性。反之，如果飛機(jī)是按速度靜不穩(wěn)定的，即（■）■>0，則dmz<0，該力矩力圖使飛機(jī)迎角減小，速度繼續(xù)增加，沒(méi)有回到原配平速度點(diǎn)的趨勢(shì)，所以該飛機(jī)不具有按速度的靜穩(wěn)定性。

1.4 兩種靜穩(wěn)定性的關(guān)系

即一般情況下，飛機(jī)的按速度靜穩(wěn)定性比按過(guò)載靜穩(wěn)定性弱。

2 飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性試飛方法

2.1 按過(guò)載的縱向靜穩(wěn)定性

按過(guò)載的縱向靜穩(wěn)定性最常用的試飛方法為縱向階躍法和穩(wěn)定盤(pán)旋法。

縱向階躍法要求飛行員快速拉桿或推桿，使飛機(jī)具有一定的縱向輸入，并且保持該縱向輸入3～5s，使飛機(jī)法向過(guò)載穩(wěn)定在某一數(shù)值，如圖2，圖3所示。若飛機(jī)具有按過(guò)載的靜穩(wěn)定性，則飛行員為保持穩(wěn)定的法向過(guò)載，必須具有一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的桿力輸入以保持桿位移不變。完成試飛后，試飛工程師選出試飛中階躍動(dòng)作初始參數(shù)與過(guò)載穩(wěn)定時(shí)刻的參數(shù)（圖2，圖3中虛線所示），計(jì)算出ΔFe/Δny、ΔDe/Δny以測(cè)定飛機(jī)按過(guò)載的縱向穩(wěn)定性，其中，F(xiàn)e為縱向操縱桿力，De為縱向操縱位移。因此，該試飛動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中，穩(wěn)定的法向過(guò)載和縱向輸入是關(guān)鍵。穩(wěn)定盤(pán)旋法與縱向階躍法執(zhí)行過(guò)程不同，但是對(duì)于參數(shù)的要求是相同的，同樣要求穩(wěn)定的縱向輸入和法向過(guò)載，試飛工程師的數(shù)據(jù)處理方法也相同，因此，此處不再贅述。

2.2 按速度的縱向靜穩(wěn)定性

按速度的縱向靜穩(wěn)定性，要求在過(guò)載恒定（通常為1）的條件下測(cè)定，所以試飛中常采用的方法是平飛加減速法和分段穩(wěn)定平飛法。

2.2.1 平飛加減速法

該方法要求飛行員從飛機(jī)飛行包線左邊界穩(wěn)定平飛，加速到飛機(jī)包線右邊界，再?gòu)娘w機(jī)右邊界穩(wěn)定平飛，減速到飛機(jī)左邊界。試飛過(guò)程中盡量保持法向過(guò)載為1，且加減速過(guò)程中，不能改變飛機(jī)調(diào)效機(jī)構(gòu)位置。飛行品質(zhì)試飛中，平飛加減速對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)沒(méi)有要求，其他試飛科目如飛行性能，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)有所要求。在飛機(jī)加速過(guò)程中，飛行員推桿;減速過(guò)程中，飛行員拉桿則說(shuō)明飛機(jī)具有按速度的靜穩(wěn)定性。試飛工程師通過(guò)繪制縱向桿力、縱向桿位移、飛機(jī)迎角隨速度的變化曲線判斷飛機(jī)是否具有按速度的縱向靜穩(wěn)定性（如圖4所示）。

2.2.2 分段穩(wěn)定平飛法

分段穩(wěn)定平飛法就是在某一飛行高度，從飛機(jī)的左邊界到飛機(jī)的右邊界選擇5～8個(gè)速度點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn)穩(wěn)定平飛一段時(shí)間。使飛機(jī)的法向過(guò)載、迎角、縱向桿位移、縱向桿力保持穩(wěn)定。試飛工程師選取每個(gè)平飛段穩(wěn)定數(shù)據(jù)，繪制出圖3，判斷飛機(jī)是否具有按速度的縱向靜穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了飛機(jī)兩種縱向靜穩(wěn)定性的概念，分析了按過(guò)載縱向靜穩(wěn)定性的影響因素，并分析兩種縱向靜穩(wěn)定性的關(guān)系，進(jìn)而給出兩種縱向靜穩(wěn)定性的試飛方法及試飛過(guò)程中需注意的關(guān)鍵參數(shù)，以供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]高浩，等.飛行動(dòng)力學(xué)飛機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性[D].西北工業(yè)大學(xué)，1991.

[2]陳廷楠，等.飛機(jī)飛行性能品質(zhì)與控制[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[3]方振平.飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2005.