1、大气运动对盘旋性能试飞的影响 蒙泽海 中国飞行试验研究院飞机所 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实际问题, 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。试飞数据处理结果表明, 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; 作者简介：蒙泽海 (1978-) , 男, 贵州独山人, 高级工程师, 硕士, 研究方向为飞机基本性能试飞技术。收稿日期：2017-08-01Influence of atmosp
2、heric motion on circling performance flight testMENG Ze-hai Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE; Abstract： For the problem of mechanical energy conversion caused by atmospheric motion during circling performance flight tests, the influence of atmosphere motion during circling flight test
3、s was studied, and a data reduction method of circling performance flight tests was proposed, which could be used for eliminating atmosphere motion interference by design data. The actual flight test results show that the method could effectively improve the accuracy of the data-processing results,
4、and it also important for guiding the analysis of similar flight test issues.Keyword： steady circling; atmospheric motion; energy conversion; Received： 2017-08-010 引言稳定盘旋是指飞机在水平平面内持续改变飞行方向, 而高度、速度保持不变的一种曲线运动。作为飞机机动性能的一个重要试飞科目, 衡量飞机盘旋性能的指标主要有盘旋半径、盘旋过载及盘旋时间等。该科目的试飞结果直接反映了飞机在较大迎角下阻力与可用推力的平衡关系。盘旋性能的优劣直接
5、反映了战斗机在作战过程中持续机动及获取指向优势的能力。在战斗机进行中低空盘旋性能试飞时, 由于飞机的盘旋角速率较大, 在有较明显大气运动的情况下, 飞机动能存在明显的周期性变化;此外, 由于在试飞过程中试飞员承受的过载较大, 试飞动作持续的时间相对于对称拉起、特技、收敛盘旋等机动更长, 动作完成的质量往往不高, 获取的参数波动较大, 而且试飞数据可能由于机动过程中飞机绕流复杂程度的增加产生较大失真, 导致事后数据处理存在较大误差。在试飞中, 上述因素如果不加以详细考虑, 很可能导致飞行试验结果准确性降低, 获取的飞机稳定盘旋试飞结果显著偏离飞机的实际性能。在现有的飞机稳定盘旋性能确定方法中,
6、除理论计算方法1外, 飞行试验确定方法仅针对飞机的重量及发动机推力偏差进行修正2-4, 并没有针对大气运动的数据修正方法, 在试飞中由大气运动引起的偏差并未得到有效消除。本文针对歼击类飞机稳定盘旋科目试飞中由于大气运动引起的实际试飞结果异常展开讨论, 通过分析大气运动对飞机盘旋性能实际试飞结果的影响规律, 提出了一种可有效减小盘旋性能试飞中大气运动引起的结果误差的数据修正方法, 对该类试飞科目的数据分析处理具有一定的参考价值。1 飞机盘旋性能在静止大气条件下, 当飞机在水平平面内运动, 且飞机的运动为无侧滑、等速盘旋时, 引入近似条件 TW=Tcos (+ T) , T 和 TW为发动机推力和
7、推力分量。此时动力学方程5可写为:式中:L 为升力; 为滚转角; 为偏航角。定义正常盘旋的盘旋半径为 R, 则式 (2) 可改写为:当发动机推力 T 的分量 TW等于飞机的阻力 D 时, 飞机可保持飞行状态, 可得盘旋半径 R、盘旋时间 Ti和盘旋角速率 分别为:式 (4) 式 (6) 为飞机盘旋性能计算的基本公式。2 大气运动对盘旋性能的影响2.1 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
8、大气水平运动的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。在进行水平稳定盘旋时, 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
9、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。图1 为飞机在两种不同大气运动条件下的稳定盘旋试飞情况。图 1 不同大气运动条件下的盘旋试飞结果 Fig.1 Circling flight test results under different atmospheric motion conditions 下载原图在实际飞行中, 飞机的地速 Vg为真空速 V 与风速 VW之和, 表明飞机真空速与地速的差值反映了风速的大小。图 1 所示的两次试飞
10、, 真空速与地速存在较大差异, 也间接反映了大气运动对机动过程中飞机状态的保持和试验结果的影响。2.2 大气运动对盘旋性能试飞的影响分析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, 如图 2 所示。图 2 速度矢量分析图 Fig.2 Analysis of velocity vector 下载原图通过图 2 速度矢量分析图, 利用几何关系式建立地速表达式:当飞机在静止大气中进行等高、等真空速盘旋时, V w=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, V g也在持续的变换。相对于惯性坐标系, 飞机
11、在进行加速或减速运动, 此时飞机的惯性加速度 a0, 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, 通过飞机动力学分析, 建立飞机水平无侧滑飞行时动力学方程如下:进而飞机的阻力可表示为:式中: 为飞机的惯性加速度。通过升力系数 C L可以得到飞机机体轴系法向过载表达式为: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 n z的变化。引入 Hp=5 km, 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, 利用式 (6) 、式 (7) 、式 (10) 和式 (11) , 以飞机逆风状态为起始点展开随时间推进的
12、连续计算, 得到计算结果如图 3 所示。图 3 理论计算结果 Fig.3 Theoretical calculation results 下载原图图 3 理论计算结果 Fig.3 Theoretical calculation results 下载原图从图 3 可以看出, 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。而在实际的稳定盘旋过程中, 由于试飞员在承受较大法向过载的过程中无法快速完成飞机姿态调整以适应
13、飞机惯性加速度的变化, 因此无法完成高度及速度相对比较稳定的盘旋。图 1 中的试飞结果也真实地反映了实际试飞中风场对试飞状态的影响。2.3 试飞结果的处理由图 3 还可以看出, 在试飞员稳定保持高度及速度的情况下, 可真实反映飞机稳定盘旋过载的试飞数据位于飞机正逆风和顺风状态;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。由于稳定盘旋试飞的目的是检验飞机在某状态的升/阻力与全机可用推力的平衡关系, 与试验的过程无关, 因此可针对稳定盘旋试飞的某一瞬时状态 (设
14、 Hp, Ma 为常数) 对数据展开分析。利用式式 (6) 、式 (7) 、式 (10) 和式 (11) 的可参照设计值, 按如下步骤进行近似计算:(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 C D1和升力系数 C L1;(2) 建立方程 q C DS=D+ma, 其中:D=q C D1S, 求取 C D;(3) 通过 C D反查升力系数 C L, 求取升力系数的差值 C L;(4) 由 C L, 可通过 n z= (Lsin) /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 n z的修正量, 可进一步提高数
15、据处理结果的可信度。3 试飞结果分析针对图 1 的试飞数据, 采用本文方法对数据进行处理, 结果如图 4 所示。图 4 稳定盘旋试飞数据处理结果 Fig.4 Data-processing results of steady circling flight test 下载原图图 1 表明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;而从图 4 中可以看出, 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。4 试飞建议综上所述, 给出试飞建议如下:(
16、1) 选择合适的试验条件。由图 3 可以看出, 随着水平风速的增大, 在采用本文方法进行数据的处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。在采用本文方法进行数据处理时, 由于 n x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
17、行考核。(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6;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
18、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 23 次迭代进一步修正飞机的迎角。5 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。从本文的分析可以看出, 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应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.
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