大气运动对飞机盘旋性能试飞的影响

大气运动对飞机盘旋性能试飞的影响

韩丽

沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳110850

摘要：针对盘旋性能试飞时大气运动引起的飞机机械能量转换的问题，对飞机盘旋过程中大气运动的影响展开了研究，提出了一种在盘旋性能试飞数据分析时，利用设计数据进行差量修正来消除大气运动干扰的方法。试飞结果表明，该方法可有效提高数据处理结果的精度，对同类试飞问题的分析具有一定的指导意义。

关键词：稳定盘旋；大气运动；能量转换

飞机的机动性，是指飞机改变飞行速度、高度以及飞行方向的能力。从能量的角度上考虑，机动性实际上就是飞机快速地获得和失去能量，从一种“能级”改变到另一种“能级”的能力。按照航迹的特点划分，机动性可分为铅垂平面内的机动飞行，水平面内的机动飞行和空间机动飞行。飞机的机动性有着很重要的战术价值，因此为飞机性能指标的重要组成部分。

水平面内的机动飞行中，稳定盘旋的性能（包括盘旋半径和盘旋一周所需的时间）是衡量飞机方向机动性的主要指标。一般情况下，测定飞机的稳定盘旋性能主要是使用直接盘旋法，因为稳定盘旋要求在盘旋的过程中必须保持高度、速度、迎角、倾斜角和侧滑角不变，所以在实际的试飞中很难做到真正的稳定盘旋动作。特别是在超音速大过载的状态下，一般的稳定盘旋并不能做到稳定盘旋一周。本文从能量的角度出发，分析了使用能量法测定飞机稳定盘旋性能的可行性，同时使用某型飞机的真实数据进行了计算验证。

1大气运动对盘旋性能的影响

1.1风场的影响

在设计阶段，进行飞机盘旋性能计算采用的计算条件为理想大气条件，即静止的国际标准大气条件。而实际试飞及飞行中，大气的运动是复杂多变的，这会对飞机的稳定盘旋机动产生显著的影响，主要表现在以下几个方面：

（1）大气水平运动。在有明显大气水平运动情况下的稳定盘旋过程中，由于飞机航向的持续变化，在高度、空速保持过程中飞机的地速会产生周期性的变化，进而影响飞行员对飞机状态的保持和关键飞行参数的获取，是影响稳定盘旋试飞最主要的因素之一。

（2）水平风梯度。水平风梯度的影响与大气水平运动类似，风梯度的影响会由于飞机动能变化进而影响到稳定盘旋参数的准确获取。

（3）大气垂直运动。在水平稳定盘旋时，大气的垂直运动会导致飞机在风轴系中的飞行轨迹呈类似于螺旋线状态，飞机此时的受力平衡状态与稳定盘旋存在差异，导致试飞结果偏离飞机的实际能力。对于具有较强机动能力的歼击类飞机，进行盘旋机动时所需的空域通常较小，机动区域内的水平风梯度及大气的垂直运动对飞行影响较小，主要影响为局部大气的水平稳定运动。由于飞机在稳定盘旋试飞时进行剧烈切割风场运动，飞机的动能因受到水平风的影响而剧烈变化，进而影响到飞机稳定盘旋性能。

1.2大气运动对盘旋性能试飞的影响

根据风轴系和惯性坐标系的运动关系，建立飞机在有风条件下稳定盘旋时的速度矢量分析图当飞机在静止大气中进行等高、等速盘旋时，Vw=0，Vg=V，飞机可保持稳定盘旋；而当存在大气的水平运动时，随着飞机盘旋过程中航向的持续变化，Vg也在持续的变换。相对于惯性坐标系，飞机在进行加速或减速运动，此时飞机的惯性加速度a≠0，飞机的动能会存在周期性的变化。

为了分析加速度变化对飞机盘旋过载的影响可以看出，当飞机进行水平盘旋机动时，惯性加速度的变化会引起飞机法向过载nz的变化。引入Hp=5km，Ma=0.85的计算条件，且在盘旋过程中假设这两个参数为常数、发动机状态恒定，以飞机逆风状态为起始点展开随时间推进的连续计算在进行高度及速度保持的稳定盘旋过程中，当水平风速为0时，飞机在高度、速度稳定的条件下可建立稳定的盘旋过载；当试验区域存在大气的水平运动，理想操纵情况下进行稳定盘旋时，飞机惯性加速度和法向过载随着飞机的航向变化呈周期性变化。

1.3试飞数据的处理

但在实际试飞中无法准确地确定飞机运动与风场的关系，须从惯性坐标系入手分析飞机的能量状态，在数据处理时引入惯性加速度变化量对实测盘旋过载进行修正，以准确地确定飞机的实际盘旋能力。

（1）通过查设计的升阻极曲线，获取该瞬时盘旋过载对应的阻力系数CD1和升力系数CL1；

（2）建立方程qCDS=D+ma，其中：D=qCD1S，求取CD；

（3）通过CD反查升力系数CL，求取升力系数的差值ΔCL；

（4）由ΔCL，可通过Δnz=（ΔLsin）/m求出近似的飞机盘旋过载修正量（风轴系）。通过引入以上计算，在试飞结果中加入与惯性加速度相关的过载Δnz的修正量，可进一步提高数据处理结果的可信度。

2试飞结果及分析

飞机的飞行速度及盘旋过载存在较大波动，盘旋过载与速度关系的规律性较差，飞机的盘旋性能难以准确确定；

在引入惯性坐标系加速度的修正量后，各状态点盘旋过载相对比较集中，试飞结果规律性较好，符合飞机的飞行性能在各试飞状态点唯一的一般性规律。

3试飞建议

综上所述，给出试飞建议如下：

3.1选择合适的试验条件

理时引入的气动设计数据越大，从试飞验证设计的角度来看，试飞结果的可信度就会越低。因此，在试飞过程中应尽量避免在大气运动剧烈的天气开展稳定盘旋试飞。

此外，对于运输类飞机，尽管飞机的机动性相对较差，切割风场的速度较慢，但由于其考核指标相对较低（一般考核的滚转角为30°），且飞机的单位剩余推力也较小，稳定盘旋时惯性量引起的相对误差比较大。由于nx为相对小量，直接使用可能会带来较大误差，因此针对运输类飞机的盘旋性能试飞应尽量在接近理想大气条件下进行考核。

3.2修正关键参数

在实际试飞中，由于过载传感器是以飞机的纵轴为基准安装在飞机的重心处，因而得到的飞机三向过载均为飞机机体轴系过载。在进行盘旋性能计算时，须对过载进行从机体轴系到风轴系的转换；飞机的迎角是坐标系转换过程中的一个关键参数，因此迎角的准确与否将直接影响到飞机盘旋过载数据最终处理的准确性。由于在稳定盘旋时飞机处于较大迎角状态，且飞行状态在持续地调整，导致飞机机身的绕流复杂程度加剧，局部迎角不可避免地产生一定程度的失真。原迎角的稳态校准曲线可能无法准确地对迎角进行校准，直接采用经稳态校准后的迎角会导致过载在风轴上的投影产生较大误差。因此，在数据处理前应对比设计数据，进行迎角的检查确认，在偏差较大的情况下可利用飞机的法向过载确定飞机的升力系数，通过2～3次迭代进一步修正飞机的迎角。

结束语

本文通过对气流和惯性坐标系下的运动参数展开分析，研究了大气运动对飞机盘旋飞行状态保持的影响，确定了大气运动对试飞结果影响的消除方法，并结合试飞对该方法进行了验证和分析。可以看出，由于大气运动在实际飞行中的客观存在，飞机在保持飞行状态进行切割或穿越不同风场的运动过程中飞机的动能会发生明显变化，需要在试飞数据分析中充分考虑该变化对试飞结果的影响，才能保证试飞结果能准确反映飞机的实际飞行能力。

参考文献：

[1]方振平．航空飞行器飞行动力学［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2005：102-114．

[2]性能课题组．飞机飞行试验手册：第一册［M］．北京：第三机械工业部第六二八研究所，1976：96-97．