軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能設計的分析

夏明　朱文蘭

[摘? ? 要]文章介紹軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能的主要設計思路，并從高原典型機場運力的優(yōu)化設計、動力裝置與飛機氣動外形一體化設計、起飛襟翼狀態(tài)的優(yōu)化設計、高原輪胎與剎車裝置的設計等方面入手，闡述飛機高溫高原性能優(yōu)化設計的主要方案內容，并結合試飛試驗確定相應優(yōu)化方案的實效性。

[關鍵詞]渦槳運輸機;高溫高原場景;性能設計

[中圖分類號]V271.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]This article introduces the main design ideas for high-temperature plateau performance of military medium-sized turboprops， from the optimization design of the typical plateau airport capacity， the integrated design of the power plant and the aircraft aerodynamic shape， the optimization design of the take-off flap state， the plateau tires and Starting with the design of the brake device， the main program content of the optimization design of the aircraft's high temperature plateau performance is explained， and the actual effect of the corresponding optimization program is determined in combination with the flight test.

[Keywords]turboprop;high temperature plateau scene;performance design

中型渦槳運輸機在運輸物資方面發(fā)揮著重要作用，在軍用物資運輸領域得到廣泛應用，為了促使其更加適應高溫高原運輸場景，需要落實對飛機性能的優(yōu)化設計。

1 軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能的主要設計思路分析

在展開對軍用中型渦槳運輸機的高溫高原性能的優(yōu)化設計過程中，著重依托對高溫高原機場環(huán)境典型特征的分析，確定中型渦槳運輸機的飛行性能與氣動特性、動力性能、起飛重量之間的關聯性，并以此為依據形成優(yōu)化設計方案。中型渦槳運輸機飛行性能主要包括：飛機的起降揚長、爬升率、航程、速度-高度范圍等。對于高溫高原機場環(huán)境來說，其海拔相對較高，所以存在著氣壓偏低、輻射熱高、空氣密度小等特點，在這樣的環(huán)境條件下，中型渦槳運輸機發(fā)動機在實際運行中所發(fā)揮出的真實性能水平偏低，發(fā)動機動力下降，難以滿足軍用中型渦槳運輸機實際的運輸能力以及航程航時的要求。

換言之，在典型高溫高原環(huán)境條件下，中型渦槳運輸機的性能面臨著更大考驗，必須要優(yōu)化設計相應場景下的中型渦槳運輸機性能參數，包括運輸能力、起降性能、爬升性能等，同時還要對起落架輪胎系統、動力裝置等進行改進設計，以提高軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能。實踐中，在展開對軍用中型渦槳運輸機起飛與降落性能的優(yōu)化設計中，需要著重考量高原機場環(huán)境下對于飛機起飛、降落限制重量的要求。其中，飛機的起飛限制重量主要受海拔高度、場溫、氣壓、發(fā)動機性能等的影響。在展開對軍用中型渦槳運輸機爬升性能的優(yōu)化設計中，需要著重考量升限與爬升梯度，對飛機越障能力以及起飛限重進行優(yōu)化設計，以提高飛機的爬升性能。通常情況下，軍用中型渦槳運輸機在起飛階段的最小爬升梯度需要滿足以下參數要求：在第一階段，爬升梯度滿足0.5%;在第二階段，爬升梯度滿足3%;在第三階段，爬升梯度滿足1.7%[1]。

另外，受到高溫高原機場特殊環(huán)境條件的影響，在開展軍用中型渦槳運輸機的性能優(yōu)化設計中還要同時引入對飛機剎車效率的優(yōu)化提高，以此保證軍用中型渦槳運輸機的降落過程始終保證在正常、安全水平。

2 軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能具體設計方案

2.1 高溫高原典型機場運力優(yōu)化設計

就國內現有的中型運輸機來看，其在高溫高原環(huán)境中普遍難以發(fā)揮出較為理想的性能，即高溫高原性能相對較差。這種性能低主要集中在以下幾方面：在高溫高原環(huán)境條件下，中型運輸機的起飛限重呈現出較低水平，載貨容量不理想，且續(xù)航能力也有待進一步優(yōu)化，綜合而言，其作為運輸機的基本作用并沒有得到最大程度的發(fā)揮，因此展開高溫高原典型機場運力的優(yōu)化設計是必然選擇。

通過分析我國高溫高原地區(qū)的機場與航線要求，并切實參考中型運輸機在高溫高原環(huán)境下的能力短板進行優(yōu)化，在提升中型運輸機發(fā)動機最大功率的基礎上，增加高溫高原機場環(huán)境下中型運輸機的起飛限重，以實現對軍用中型渦槳運輸機作戰(zhàn)半徑的提高。在高溫條件下，中型渦槳運輸機中的發(fā)動機會表現出明顯的功率衰減情況，參考臨界發(fā)動機停車的實際情況，對中型渦槳運輸機發(fā)動機的功率提升展開研究，保證發(fā)動機運行切實滿足高溫高原運力需求，并實現對中型渦槳運輸機發(fā)動機潛能的最大程度開發(fā)，促使軍用中型渦槳運輸機在典型高溫高原機場環(huán)境下的起飛限重呈現出明顯上升的趨勢。依托這種運力提升設計在軍用渦槳中型運輸機開發(fā)制造中的應用，在航程一定的條件下，可以促使軍用中型渦槳運輸機的載貨量增加;在載貨量一定的條件下，可以促使軍用中型渦槳運輸機的航程增加。

2.2 動力裝置與飛機氣動外形一體化設計

在典型的高溫高原機場場景中，中型渦槳運輸機所面對的最明顯問題為飛機動力、起降性能相對較弱，動力裝置與中型渦槳運輸機的匹配程度直接影響飛機性能的發(fā)揮，情況嚴重時甚至會導致中型渦槳運輸機性能的嚴重損失。同時，螺旋槳結構與發(fā)動機結構之間的匹配程度也會對軍用中型渦槳運輸機的動力特性造成影響，基于這樣的情況，需要在展開軍用中型渦槳運輸機高溫高原性能設計時，引入動力裝置與飛機氣動外形一體化設計內容。

在此過程中，對中型渦槳運輸機進入藏區(qū)（高原場景）后實際高溫高原的性能需求進行分析，結合總體設計方案，完成對中型渦槳運輸機的發(fā)動機功率、螺旋槳效率、耗油率等參數的確定，同時設置合理的發(fā)動機加速/減速性能指標、發(fā)動機性能包線，具體包括：運輸機發(fā)動機的當量功率耗油率、螺旋槳效率、發(fā)動機的減速性、起飛最大當量功率、高溫高原環(huán)境下的最大當量功率、發(fā)動機使用包線、地面場景下運輸機由慢車到起飛狀態(tài)的時間長度、在空中場景下運輸機由空中慢車到起飛狀態(tài)的時間長度[2]。

在此基礎上，結合對中型渦槳運輸機尾容量的優(yōu)化設計，促使飛機的方向舵面積、垂尾面積、尾力臂增大，以此實現對橫航向穩(wěn)定性以及方向舵實際運行效率的提升，體現出對最小操縱速度、橫航向穩(wěn)定匹配特性、起飛著陸抗側風能力以及螺旋槳法向匹配要求的切實需求。另外，依托對副翼極限偏轉角度的增大，達到提升副翼實際運行效率的效果，由此完成在動力提升條件下，解決中型渦槳運輸機方向舵效率以及副翼效率偏低、航向穩(wěn)定性不理想等問題。

2.3 起飛襟翼狀態(tài)的優(yōu)化設計

展開對軍用中型渦槳運輸機的高溫高原性能優(yōu)化設計的過程中，需要從飛行性能以及安全性能這兩方面入手，解決中型渦槳運輸機典型高溫高原機場環(huán)境條件下起飛爬升梯度不理想的問題。為了實現這一目標，應當展開對軍用中型渦槳運輸機起飛襟翼狀態(tài)的優(yōu)化設計，到達進一步完善、更新軍用中型渦槳運輸機起飛使用程序以及特征速度的效果。

實踐中，對差異性襟翼條件下的氣動力以及中型渦槳運輸機的起飛安全水平展開綜合性分析，著重明確襟翼偏度對起飛、起飛-爬升性能的影響情況與敏感程度，由此確定出中型渦槳運輸機起飛的襟翼構型最優(yōu)設計方案，實現對軍用中型渦槳運輸機離地速度的提升。結合對操作程序的優(yōu)化調整，促使單發(fā)停車條件下中型渦槳運輸機的安全起飛余量呈現出增大的趨勢，并同時使得飛機的爬梯速度至少提升0.5%，推動典型高溫高原場景下軍用中型渦槳運輸機的起飛爬升梯度、限重以及起飛越障能力有所增大?？傮w而言，依據優(yōu)化飛機的升阻比、最大升力系數、起飛揚長以及離地速度，可以構建中型渦槳運輸機襟翼構型的最優(yōu)化模型，以此達到提高典型高溫高原機場條件下軍用中型渦槳運輸機限重的效果。

2.4 高原輪胎與剎車裝置的優(yōu)化設計

在典型高溫高原機場條件下，軍用中型渦槳運輸機在起飛與降落（著陸）的過程中所產生的真空速度遠遠高于平原條件下的起降真空速度，因此在展開軍用中型渦槳運輸機的高溫高原性能優(yōu)化設計的過程中，就需要引入對高原輪胎與剎車裝置的設置。在此過程中，需要切實參考中型渦槳運輸機在起飛以及降落過程中可能出現的接地速度、離地速度、最大剎車速度，形成高原輪胎與剎車裝置的設計指標，并保證這樣的設計可以滿足典型高溫高原場景下軍用中型渦槳運輸機在起飛與降落的過程中所產生的真空速度更大的現實需求。實踐中，需要落實優(yōu)化設計的指標如下：運輸機的剎車摩擦系數、輪胎及起降架的最大速度、降落過程中的剎車速度、中止起飛過程中的剎車速度、正常情況下的降落剎車速度、降落過程中的剎車距離[3]。

保持原有中型渦槳運輸機起落架的基礎性結構不變，加設緩沖結構，并將原有的機輪變更為無內胎的鋁合金結構;變更原有鋼剎車結構為碳盤剎車結構;加設電子防滑裝置。根據這樣的優(yōu)化設計，能夠確保中型渦槳運輸機的起落裝置切實滿足最大重量情況下中型渦槳運輸機的起飛與降落需求。在典型高溫高原場景下，這樣的起落裝置設置也能夠滿足軍用中型渦槳運輸機大噸位起飛實際需求。在這樣的優(yōu)化設計中，由于引入了碳/陶剎車盤以及電子防滑裝置，使得中型渦槳運輸機的降落滑跑距離大幅縮短，提升了飛機的剎車效率，也達到提高中型渦槳運輸機降落性能、中止起飛性能的效果。結合低壓無內胎輪胎的配合使用，降低了中型渦槳運輸機在實際起飛滑跑中發(fā)生輪胎爆破的概率，并將輪胎的額定速度提升至少20%，最終實現對典型高溫高原場景下，軍用中型渦槳運輸機起飛、降落限制重量的上限大幅度提高。

3 性能試驗與成效分析

對完成優(yōu)化設計的軍用中型渦槳運輸機展開試飛檢驗，驗證其性能是否達到預設標準、整個飛行過程是否安全。試飛與演示飛行活動中，經過優(yōu)化設計的軍用中型渦槳運輸機在極具挑戰(zhàn)性的高山環(huán)境中成功展示了其高溫高原性能，其提高了起飛著陸限制重量的上限;縮短了降落滑跑的距離;能夠以極低的運營成本在高溫高原機場運行，可以成為發(fā)展中國支線連通的完美現代解決方案。從其他性能的角度來看，該運輸機配備所需導航性能（RNP-AR）0.3/0.3技術，能夠提供0.3海里的導航精度，在起飛和著陸階段提供更精確的導航，高溫高原機場運行優(yōu)勢明顯[4]。

總體而言，經過優(yōu)化設計的軍用中型渦槳運輸機能夠在“高溫高原”和復雜地形的條件下展現出卓越的多功能性和高溫高原性能。

4 結束語

綜上所述，在高溫高原機場環(huán)境下，難以滿足對于軍用中型渦槳運輸機在實際運行中的運輸能力以及安全性的要求，必須要進行優(yōu)化設計。通過落實高原典型機場運力的優(yōu)化設計、動力裝置與飛機氣動外形一體化設計、起飛襟翼狀態(tài)的優(yōu)化設計、高原輪胎與剎車裝置的設計，強化了軍用中型渦槳運輸機的高溫高原性能，提升了飛機在高溫高原場景下的運行安全性與功能性。

參考文獻

[1] 李紀永，馬陽，徐銳，等.某微型渦槳發(fā)動機動力渦輪葉片斷裂失效分析[J].質量與可靠性，2020（6）：23-28.

[2] 王利敏，張彥軍.滑流對渦槳飛機進氣道氣動性能影響的研究[J].航空工程進展，2020，11（3）：360-369.

[3] 王利敏，張彥軍，米百剛，等.渦槳飛機發(fā)動機進氣道排除異物特性數值研究[J].航空工程進展，2020，11（2）：264-271，278.

[4] 田樂，張韓濤.某型渦槳發(fā)動機起動轉速懸掛故障分析[J].山東工業(yè)技術，2018（15）：31.