強滑流影響下渦槳飛機橫航向飛行特性分析

耿延升，趙 彥，耿建中

（中國航空工業(yè)集團公司第一飛機設(shè)計研究院，西安 陜西 710089）

渦槳發(fā)動機由于燃油效率高，適用于中低速、長航時的飛機［1］。某渦槳飛機起飛場長要求嚴格，且在起飛階段的爬升率要大，導(dǎo)致起飛拉力需求較大。大拉力、緊湊氣動布局下，螺旋槳對飛機氣動特性產(chǎn)生顯著的影響。螺旋槳引起的氣流加速、旋轉(zhuǎn)等效應(yīng)對處于后方的機翼、尾翼有顯著的影響，使飛機在對稱飛行狀態(tài)下也會產(chǎn)生側(cè)力和偏航力矩，全機橫航向靜穩(wěn)定性也會出現(xiàn)惡化［2］。受滑流影響氣動特性發(fā)生惡化，進而對飛機的飛行特性產(chǎn)生影響，耦合側(cè)風(fēng)、發(fā)動機失效等其他因素，對起飛的安全性構(gòu)成嚴重威脅。

譙裕青等人［3］研究了多發(fā)螺旋槳飛機建模方法及單發(fā)停車后的飛行特性。樂挺等人［4］研究了某型螺旋槳飛機近地飛行地效影響下的橫航向穩(wěn)定性。劉嘉等人［5］研究了某型渦槳飛機近地飛行時的靜穩(wěn)定性和模態(tài)特性。馬坤等人［6］研究了垂直突風(fēng)對螺旋槳飛機穩(wěn)定性和迎角裕度的影響。上述文獻只是研究了單發(fā)、地效、突風(fēng)等因素下與正常情況的渦槳飛機的響應(yīng)變化，尚未系統(tǒng)地研究滑流耦合上述因素對渦槳飛機橫航向飛行特性的影響。

本文首先分析了不同滑流強度對渦槳飛機起飛狀態(tài)下橫航向氣動特性的影響；隨后考慮滑流影響建立了渦槳飛機非線性動力學(xué)模型，分別研究了側(cè)風(fēng)、單發(fā)失效情況下滑流效應(yīng)對渦槳飛機飛行特性的影響，給出了示例飛機的橫航向運動規(guī)律和兩種情況下舵面的操作建議。

1 滑流對橫航向氣動特性的影響

示例飛機的外形如圖1所示，由于起飛爬升率大，相比一般渦槳飛機，示例飛機槳盤面積較大，起飛拉力大，發(fā)動機同向旋轉(zhuǎn)時滑流效應(yīng)強烈，而滑流使得飛機呈現(xiàn)非對稱的橫航向氣動特性。

工程上一般用無量綱拉力系數(shù)Tc代表滑流強度，圖2-3為飛機起飛構(gòu)型下無動力狀態(tài)、不同拉力系數(shù)（Tc=0、0.2、0.45）的側(cè)力、偏航系數(shù)試驗數(shù)據(jù)。從中可以看出：

（1）在無動力狀態(tài)下，側(cè)力系數(shù)隨側(cè)滑角增大而減小，偏航力矩系數(shù)隨側(cè)滑角增大而增大。零側(cè)滑時，側(cè)力系數(shù)和偏航力矩系數(shù)為0。

（2）滑流影響下，CY，β絕對值相比無動力狀態(tài)增大，側(cè)力曲線更加陡峭。CN，β絕對值相比無動力狀態(tài)減小，偏航力矩曲線更加平緩，且線性度變差。零側(cè)滑時，側(cè)力系數(shù)CY>0，偏航力矩系數(shù)CN<0?？傮w而言，飛機的航向特性變差。

由于CN，β減小，飛機航向靜穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致飛機橫航向運動響應(yīng)更加劇烈，給飛機操縱帶來風(fēng)險。

2 飛行力學(xué)仿真模型

給定飛機初始狀態(tài)和操縱面規(guī)律，通過龍格-庫塔法求解機體坐標系下飛機運動的控制方程［7-8］，可得到示例飛機的運動響應(yīng)。具體方程如下：

其中，F(xiàn)T為發(fā)動機推力，此處假定推力線平行飛機縱軸且對稱面的投影通過重心，忽略螺旋槳徑向力和帶來的力矩。Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz為氣動力和氣動力矩在機體軸系下的投影，可通過氣動力數(shù)據(jù)庫插值得到。

3 仿真驗證與分析

3.1 仿真條件

側(cè)風(fēng)和發(fā)動機失效是低高度飛行事故的主要原因，會使飛機出現(xiàn)側(cè)滑、姿態(tài)滾轉(zhuǎn)和航跡偏移，而威脅飛機安全。本仿真實驗分別研究了側(cè)風(fēng)、單發(fā)失效等情況下，有、無滑流對渦槳飛機橫航向特性的影響。仿真初始條件定義如下：

（1）初始飛行速度為232 km/h，初始航跡角為3.5°；（2）發(fā)動機拉力系數(shù)Tc為0.105；（3）初始高度為180 m；（4）側(cè)風(fēng)速度為6 m/s和12.8 m/s。

3.2 側(cè)風(fēng)響應(yīng)分析

t=1 s時分別施加v1=6 m/s和12.8 m/s的側(cè)風(fēng)，圖4-8給出了主要橫航向參數(shù)隨時間的變化曲線，圖例中的Tc代表有滑流影響。從中可以看出：

（1）t=1 s后，在正側(cè)風(fēng)作用下，飛機出現(xiàn)負側(cè)滑，由于本體具有橫向穩(wěn)定性和航向穩(wěn)定性，飛機隨之出現(xiàn)右滾轉(zhuǎn)和左偏航趨勢，隨后滾轉(zhuǎn)角和偏航角出現(xiàn)振幅逐漸減小的振蕩，大約10 s后收斂，側(cè)滑角衰減到約為0，滾轉(zhuǎn)角和偏航角收斂至常值。

（2）滑流影響下，滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)角速度峰值更大一些。滑流影響下CN，β減小，“風(fēng)標”效應(yīng)減弱，穩(wěn)定后的偏航角更小。此時，需要協(xié)調(diào)操縱飛機的副翼和方向舵，使飛機回歸至初始航向并消除滾轉(zhuǎn)。

3.3 單發(fā)失效響應(yīng)分析

研究單發(fā)失效停車時，t=1 s后左發(fā)失效，0或2 s后失效發(fā)動機順槳，順槳后風(fēng)車帶來的阻力和阻力矩消失，發(fā)動機失效2.5 s后駕駛員向右壓桿使副翼偏轉(zhuǎn)7°來糾正飛機姿態(tài)。圖9-13給出了主要橫航向參數(shù)隨時間的變化曲線，圖例中0和2 s分別代表失效瞬間順槳和失效2 s后順槳，Tc代表有滑流影響。從中可以看出：

（1）左發(fā)失效后，由于右發(fā)推力和左發(fā)風(fēng)車阻力產(chǎn)生的偏航力矩，飛機出現(xiàn)右側(cè)滑和左滾轉(zhuǎn)，隨后，由于右壓桿的操作，滾轉(zhuǎn)運動得到了抑制，側(cè)滑角也趨于穩(wěn)定。整個過程中，飛機在緩慢地向左偏航運動。

（2）滑流加劇了左發(fā)失效引起的橫航向運動。盡管穩(wěn)定后的側(cè)滑角基本相同，但受滑流影響，飛機穩(wěn)定前的側(cè)滑角峰值增大約3°，滾轉(zhuǎn)角峰值可增大10°～15°，偏航角變化也更快，橫航向特性發(fā)生極大惡化，對副翼的操縱效能提出了更高要求。

（3）失效發(fā)動機的順槳時間對橫航向運動影響也很大，計算表明，更長的順漿時間導(dǎo)致飛機的運動和姿態(tài)變化更為劇烈，側(cè)滑角、姿態(tài)角和角速度的峰值均會增大，側(cè)滑角峰值增大約3°，滾轉(zhuǎn)角峰值增大約10°，順槳時間過長對起飛安全產(chǎn)生嚴重威脅。

4 結(jié) 論

本文研究了強滑流對渦槳飛機氣動力和飛行特性的影響，并進行了滑流作用下側(cè)風(fēng)和單發(fā)失效的仿真分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）渦槳飛機的滑流對橫航向氣動力產(chǎn)生了較大影響，減小了航向靜穩(wěn)定性和偏航力矩曲線的線性度，同時使飛機零側(cè)滑時產(chǎn)生負的偏航力矩和正的側(cè)力。

（2）在側(cè)風(fēng)情況下，滑流對氣動力的影響使飛機的橫航向響應(yīng)變差，滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)角速度振蕩峰值更大，會增加飛行員的駕駛負擔(dān)，需要在控制律設(shè)計中加以解決。

（3）在單發(fā)失效情況下，有無滑流對仿真結(jié)果的影響很大，滑流使飛機的側(cè)滑角峰值增大約3°，滾轉(zhuǎn)角峰值增大10°～15°，偏航運動也更加劇烈，橫航向特性發(fā)生很大惡化，需要更大幅度的副翼操縱和小心操作才能糾正滑流帶來的不利影響。因此，在氣動布局和操穩(wěn)設(shè)計時應(yīng)予以重點關(guān)注。