“速度低”告警速度的分析方法研究

蔣盼盼，楊昌發(fā)，江維，毛玥

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

現(xiàn)代飛機(jī)特別是現(xiàn)代高機(jī)動(dòng)性飛機(jī)其代表性的特點(diǎn)是有大量的各種各樣的飛行限制和使用限制[1]，常見的如迎角/過載限制和滾轉(zhuǎn)限制等，這些限制用于保障飛行安全，使飛機(jī)不容易出現(xiàn)失控狀態(tài)。但是當(dāng)飛機(jī)在進(jìn)行高俯仰姿態(tài)和低速度的倒飛飛行時(shí)，容易出現(xiàn)倒飛俯仰偏離，如經(jīng)常遇到的以很慢的速度過頂點(diǎn)的飛行。此外，當(dāng)飛行速度低于某個(gè)門限值且伴有突然的桿指令輸入時(shí)，正飛或倒飛俯仰偏離也可能發(fā)生，此時(shí)無論俯仰姿態(tài)如何。偏離意味著飛機(jī)失控、飛機(jī)處于危險(xiǎn)飛行狀態(tài)，為了避免低速度下的危險(xiǎn)情況發(fā)生，提高飛行安全性，希望飛機(jī)飛行狀態(tài)接近安全邊界時(shí)，有速度告警點(diǎn)，對(duì)飛行員發(fā)出明顯的信號(hào)提示，提醒飛行員立即采取改出措施[2]。為了確定速度告警點(diǎn)，本文對(duì) “速度低” 告警速度的分析方法進(jìn)行了研究。

1 “速度低” 告警應(yīng)用情況

在F-16C 飛機(jī)上有一個(gè) “速度低” 的語音告警，當(dāng)存在以下條件之一時(shí)，將在頭戴式耳機(jī)里聽見穩(wěn)定的 “速度低” 告警音：

1）當(dāng)起落架手柄在放下位或高度襟翼開關(guān)在EXTEND（延展）位置，攻角大于或等于15°。

2）起落架手柄在收上位且高度襟翼開關(guān)在NORM（正常）位置，空速和俯仰角組合落在告警音區(qū)域某一點(diǎn)上。

3）TFR（地形跟蹤雷達(dá)）工作且空速降到300 節(jié)以下（校準(zhǔn)空速或地速）。

對(duì)于第二個(gè)觸發(fā)條件中提到的告警音區(qū)域如圖1所示，當(dāng)空速和俯仰角組合落在區(qū)域中某一點(diǎn)上時(shí)，反映了飛機(jī)已處于一種邊界條件，如果繼續(xù)保持狀態(tài)不執(zhí)行改出操作，飛機(jī)將有可能出現(xiàn)偏離，所以在飛行過程中一旦觸發(fā) “速度低” 告警，應(yīng)立即采取改出措施。

2 分析方法概述

參考圖1 的 “速度低” 告警形式，即以俯仰角為變量給定 “速度低” 告警值，結(jié)合飛行力學(xué)理論，給出以下兩種分析方法。

2.1 分析方法一

基本思路：假設(shè)飛機(jī)在鉛垂面內(nèi)，以給定的飛機(jī)重量、給定的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，保持某個(gè)給定的俯仰角爬升，當(dāng)減速到某個(gè)速度值Vwarn 時(shí)，飛機(jī)開始出現(xiàn) “速度低” 告警語音，此后飛行員在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)該告警做出反應(yīng)并操縱改出，若飛行員未進(jìn)行反應(yīng)和改出操縱，則飛機(jī)繼續(xù)爬升減速，直到飛機(jī)達(dá)到限制攻角或限制速度，進(jìn)入不安全狀態(tài)。

圖1 “速度低” 告警

該分析方法使用的數(shù)學(xué)模型[3，4]如下：

式中：α、?、φp—分別為迎角、航跡傾斜角、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角，Cy、Cx—升力系數(shù)、阻力系數(shù)，G—飛機(jī)重量。

2.2 分析方法二

考慮到實(shí)際飛行中飛機(jī)可能帶有坡度，此時(shí)為了平衡重力分量，需要使用更大的迎角，相應(yīng)的阻力增加，在其他條件都相同的情況下，此時(shí)減速度會(huì)更大，用方法一獲得的速度告警值可能會(huì)偏小，因此考慮用保守的方法二進(jìn)行分析。

方法二的基本思路與方法一的區(qū)別如下：在整個(gè)飛行過程中使用限制迎角對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。

該分析方法使用的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：α、θ、φp—分別為迎角、航跡傾斜角、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角，Cy、Cx—升力系數(shù)、阻力系數(shù)，G—飛機(jī)重量。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過matlab 軟件建立兩種分析方法的仿真模型，并以某型飛機(jī)為例進(jìn)行仿真分析，其中方法一仿真條件設(shè)置為： 高度：5000m； 俯仰角：30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°； 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 狀 態(tài) (×最 大 狀 態(tài))：1，0.8，0.6，0.4，0.2；飛機(jī)重量：使用輕載構(gòu)型和重載構(gòu)型的典型重量；結(jié)束條件：達(dá)到相應(yīng)構(gòu)型的限制迎角或限制速度。計(jì)算歷程時(shí)間是根據(jù)模擬飛行時(shí)飛行員對(duì)告警做出反應(yīng)并操縱改出所需要的時(shí)間確定的。具體計(jì)算結(jié)果見圖2 和圖3。

方法二仿真條件與方法一的基本相同，區(qū)別在于仿真結(jié)束條件為達(dá)到輕載構(gòu)型或重載構(gòu)型的限制速度。具體計(jì)算結(jié)果見圖4 和圖5。

圖2 輕載構(gòu)型 “速度低告警” 速度值

圖3 重載構(gòu)型 “速度低告警” 速度值

圖4 輕載構(gòu)型 “速度低告警” 速度值

圖2～圖5 為速度提前量（以告警速度值與限制速度差量的形式給出）隨速度下降率變化曲線。由圖可知，在計(jì)算高度上，方法一計(jì)算的速度提前量集中在260km/h 之內(nèi)，方法二計(jì)算的速度提前量，除輕載構(gòu)型90°俯仰角的速度提前量外，集中在400km/h 之內(nèi)。相對(duì)方法一，方法二的計(jì)算結(jié)果更保守；圖中顯示，速度下降率增加，速度提前量也隨之增加，該結(jié)果符合飛行一般規(guī)律，合理可信。

圖5 重載構(gòu)型 “速度低告警” 速度值

4 與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)對(duì)比

本文針對(duì)速度下降率參數(shù)，在相同條件下，將兩種分析方法的理論計(jì)算值與實(shí)際飛行值進(jìn)行了對(duì)比，詳見表1 和圖6。

表1 速度下降率

圖6 與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)比較結(jié)果

從表1 及圖6 可以看出，方法一的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際飛行結(jié)果非常接近，只在大俯仰角情況下（＞80°）差距會(huì)大一些，當(dāng)俯仰角為90°時(shí)，方法一計(jì)算的速度下降率比相同條件下的實(shí)際飛行速度下降率小21%左右，此時(shí)計(jì)算得到的低速度告警值會(huì)偏小，安全性會(huì)差一些。方法二的計(jì)算結(jié)果在俯仰角不超過60°的情況下與實(shí)際情況接近，但由于仿真全程使用的是限制迎角對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，俯仰角超過60°之后結(jié)果就顯得比較保守，當(dāng)俯仰角為90°時(shí)，方法二計(jì)算的速度下降率比相同條件下的實(shí)際飛行速度下降率大91%左右，雖然安全性很好，但是限制了飛機(jī)在大俯仰角情況下的飛行能力。

5 結(jié) 語

本文通過研究 “速度低” 告警的實(shí)際應(yīng)用情況，運(yùn)用飛行力學(xué)理論，提出了兩種 “速度低” 告警速度的分析方法，闡述了其基本原理和計(jì)算方法，給出了數(shù)學(xué)模型，并基于某型機(jī)的氣動(dòng)、動(dòng)力等平臺(tái)，使用matlab軟件實(shí)現(xiàn)了兩種方法的仿真分析，從仿真曲線以及與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的對(duì)比情況可以看出，方法一的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)接近，僅在大俯仰角情況下（＞80°）存在一些差距，此時(shí)獲得的速度告警值偏小。方法二的計(jì)算結(jié)果在俯仰角不超過60°的情況下與實(shí)際情況接近，但俯仰角超過60°之后就顯得比較保守。兩種 “速度低” 告警速度的分析方法，可以滿足飛機(jī) “速度低” 告警系統(tǒng)開發(fā)的部分需求，可作為開展此方面深入研究的基礎(chǔ)。