飛機的縱向靜穩(wěn)定性及其試飛技術(shù)研究

袁廣田 張聰 岳耀斌

摘? 要：文章通過理論推導，給出飛機按速度的縱向靜穩(wěn)定性和按過載的縱向靜穩(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)，供在實際試飛中借鑒。分析表明：飛機按速度的縱向靜穩(wěn)定性一般弱于按過載的縱向靜穩(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是否滿足要求;后者一般使用縱向階躍法判斷飛機是否滿足要求。

關(guān)鍵詞：飛行試驗;靜穩(wěn)定性;試飛技術(shù)

中圖分類號：V217.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

飛機在大氣中飛行的過程中，經(jīng)常會受到各種不可預測的運動，如大氣擾動、發(fā)動機推力脈動、飛行員無意識的動桿等。這些擾動都會使飛機的飛行狀態(tài)發(fā)生改變。因此，必須研究學習飛機在受到擾動后，自動恢復原狀態(tài)的能力，即飛機的穩(wěn)定性問題。通常稱飛機飛行狀態(tài)及受擾前飛機平衡狀態(tài)為配平狀態(tài)，因此穩(wěn)定性問題就是研究飛機在配平狀態(tài)受到外界擾動而偏離平衡狀態(tài)時，飛機自身能否有力矩產(chǎn)生使之回到原配平狀態(tài)的能力。通常為了研究問題方便，在飛機飛行動力學中常將穩(wěn)定性分為靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性兩大類[1]。

動穩(wěn)定性實質(zhì)是真正的飛機穩(wěn)定性。它是指飛機在配平狀態(tài)下受到擾動，擾動消失后，飛機自身能恢復原平衡狀態(tài)的能力。所謂靜穩(wěn)定性則是指飛機在配平狀態(tài)下受到擾動，擾動消失瞬間，飛機自動恢復原平衡狀態(tài)的趨勢。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，不一定具有動穩(wěn)定性，但是通常靜穩(wěn)定性是飛機動穩(wěn)定性的前提，特別是靜穩(wěn)定性與相應(yīng)的飛機靜操縱性具有密不可分的關(guān)系。因此，討論飛機的靜穩(wěn)定性，亦具有非常重要的意義。而飛機的三向靜穩(wěn)定性中，縱向靜穩(wěn)定性是最為重要的，因此，本文重點對于飛機的縱向靜穩(wěn)定性及其試飛技術(shù)進行討論。

1 縱向靜穩(wěn)定性

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

1.1 按過載靜穩(wěn)定性

按過載靜穩(wěn)定性是指飛機在配平狀態(tài)下受到擾動，在擾動過程中，飛機速度始終保持不變，過載隨迎角偏離原配平狀態(tài)而變化，在擾動消失瞬間，飛機自動恢復原平衡狀態(tài)的趨勢。如果有自動恢復原配平迎角的趨勢，則稱飛機具有按過載的靜穩(wěn)定性。因為按過載靜穩(wěn)定性的條件是速度不變，因此按過載的靜穩(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，引起過載變化后，勢必影響阻力變化，但擾動初期，速度變化不大可以忽略。

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

1.2 按過載靜穩(wěn)定性的影響因素

1.2.1?在飛機飛行過程中，對重心位置的變化，必須引起足夠重視。特別是轟炸機，由于機身較長，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，某型轟炸機的重心位置變化范圍為20.7%Ca～33.7%Ca（Ca，平均氣動弦）。33.7%Ca重心位置已相當靠后，如果在飛機后部裝載過多，就會使按過載靜穩(wěn)定性降低過多，從而會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也會出現(xiàn)類似的問題。

1.2.2 飛行馬赫數(shù)

超聲速飛機比亞聲速飛機的按過載穩(wěn)定性有明顯增強。這是因為超過臨界馬赫數(shù)后，隨著馬赫數(shù)增大，焦點位置急劇后移。在重心位置不變的情況下，飛機的按過載靜穩(wěn)定性增加。

1.2.3 大迎角

在中小迎角，飛機的氣動焦點位置變化范圍較小，所以一般在進行分析和工程中，認為其位置是不變的。但在大迎角，由于飛機機翼表面存在較大區(qū)域的流動分離，飛機的氣動焦點位置會產(chǎn)生較大的前移量，導致飛機的縱向力矩曲線向上彎曲（如圖1所示），使mzα>0，飛機失去按過載的縱向靜穩(wěn)定性。某些后掠翼飛機，因為采用翼刀等措施，延緩了飛機機翼上表面的流動分離，使這種情況有所改善。但是，有些飛機因為采取措施不夠有力，例如轟某型飛機，后掠角較大，翼刀卻較低，這種現(xiàn)象仍然嚴重存在。除了上述因素外，影響飛機按過載靜穩(wěn)定性的還有飛機的彈性變形、地面效應(yīng)、發(fā)動機工作狀態(tài)等因素。

1.3 按速度的縱向靜穩(wěn)定性

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

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

假定定載擾動使飛機速度增大，為了保持定載，飛機的Cy下降（dCy<0）。如果，飛機具有按速度的縱向靜穩(wěn)定性，即（■）■<0，則dmz>0，該力矩力圖使飛機增大迎角，減小速度，飛機具有恢復原平衡狀態(tài)的趨勢，即具有速度穩(wěn)定性。反之，如果飛機是按速度靜不穩(wěn)定的，即（■）■>0，則dmz<0，該力矩力圖使飛機迎角減小，速度繼續(xù)增加，沒有回到原配平速度點的趨勢，所以該飛機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，飛機的按速度靜穩(wěn)定性比按過載靜穩(wěn)定性弱。

2 飛機縱向靜穩(wěn)定性試飛方法

2.1 按過載的縱向靜穩(wěn)定性

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

縱向階躍法要求飛行員快速拉桿或推桿，使飛機具有一定的縱向輸入，并且保持該縱向輸入3～5s，使飛機法向過載穩(wěn)定在某一數(shù)值，如圖2，圖3所示。若飛機具有按過載的靜穩(wěn)定性，則飛行員為保持穩(wěn)定的法向過載，必須具有一個持續(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作初始參數(shù)與過載穩(wěn)定時刻的參數(shù)（圖2，圖3中虛線所示），計算出ΔFe/Δny、ΔDe/Δny以測定飛機按過載的縱向穩(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，該試飛動作執(zhí)行過程中，穩(wěn)定的法向過載和縱向輸入是關(guān)鍵。穩(wěn)定盤旋法與縱向階躍法執(zhí)行過程不同，但是對于參數(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，要求在過載恒定（通常為1）的條件下測定，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飛行包線左邊界穩(wěn)定平飛，加速到飛機包線右邊界，再從飛機右邊界穩(wěn)定平飛，減速到飛機左邊界。試飛過程中盡量保持法向過載為1，且加減速過程中，不能改變飛機調(diào)效機構(gòu)位置。飛行品質(zhì)試飛中，平飛加減速對于發(fā)動機的狀態(tài)沒有要求，其他試飛科目如飛行性能，會對發(fā)動機狀態(tài)有所要求。在飛機加速過程中，飛行員推桿;減速過程中，飛行員拉桿則說明飛機具有按速度的靜穩(wěn)定性。試飛工程師通過繪制縱向桿力、縱向桿位移、飛機迎角隨速度的變化曲線判斷飛機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，從飛機的左邊界到飛機的右邊界選擇5～8個速度點，每個速度點穩(wěn)定平飛一段時間。使飛機的法向過載、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平飛段穩(wěn)定數(shù)據(jù)，繪制出圖3，判斷飛機是否具有按速度的縱向靜穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文首先介紹了飛機兩種縱向靜穩(wěn)定性的概念，分析了按過載縱向靜穩(wěn)定性的影響因素，并分析兩種縱向靜穩(wěn)定性的關(guān)系，進而給出兩種縱向靜穩(wěn)定性的試飛方法及試飛過程中需注意的關(guān)鍵參數(shù)，以供參考。

參考文獻：

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

[3]方振平.飛機飛行動力學[M].北京航空航天大學出版社，2005.