固定翼飞机的飞行品质分析

固定翼飞机的飞行品质分析 张津赦 朝阳市第一高级中学 摘 要： 总结国内外固定翼飞机的研究情况, 以 F16 为研究对象建立飞行动力学模型, 对样例机进行配平, 所得结果定性上合理。基于 MIL-F-8785C 进行飞行品质分析, 结果表明该机型在算例范围内飞行品质很好, 纵向长周期飞行品质都为 1级, 横向荷兰滚飞行品质都为 2 级, 但随着速度的增大稳定性减弱。关键词： 飞行动力学; 配平; 飞行品质; 稳定性; 0 引言固定翼飞机速度快、机动性高、安全舒适, 在民用、商用、农用、军用领域应用广泛, 其飞行品质越来越受到各国航空公司、航空技术人员、及军事人员的重视。固定翼飞机飞行品质的研究, 对于飞机安全性能的提升、飞行各阶段飞行任务的完成具有重要的衡量作用1。高金源等阐述了飞机的飞行品质及其评价准则与评估技术, 以及人机闭环特性、起飞着陆、大迎角飞行特性及品质评价2。张雅妮等对电子飞控飞机的飞行品质适航验证进行了研究3。以 F16为研究对象进行飞机建模, 根据美国的 MIL-F-8785C 品质规范对所研究的对象进行分析。1 模型1.1 全量方程组见式 (1) 其中, u F, vF, wF, pF, qF, rF分别为飞机机体 3 个方向的速度、角速度, , , 分别为滚转角、俯仰角、偏航角, X F, YF, ZF, LF, MF, NF分别为飞机 3个方向的气动力、气动力矩, l XX, lYY, lZZ为飞机的转动惯量, l XZ为飞机惯性积1.2 状态方程1.2.1 纵向状态方程横纵向状态方程形式都为 , 其中, y 为扰动状态变量, u 为控制量, 纵向状态变量 ylon=u F, w F, q F, , 纵向控制变量 ulon= T, e, 因此纵向状态方程中的状态矩阵 Alon和控制矩阵 Blon分别表示为式 (2) 、式 (3) 。其中, m G为飞机质量, T为油门开度, e为升降舵操纵量。1.2.2 横向状态方程横向状态变量 ylat=v F, p F, r F, , 控制变量 ulat= a, r, 因此横向状态方程中的状态矩阵 Alat和控制矩阵 Blat分别表示为式 (4) 、式 (5) 。其中, a为副翼操纵量, R为方向舵操纵量;下标为零的都表示平衡位置的量。2 飞机配平本文研究的配平条件为:定直平飞, 速度 v 为 190 m/s, 高度 h 为 10 000 m, 从纵向来看, 各状态量除了 v, 迎角 和俯仰角 以外都是 0, 得配平方程式 (6) 。其中, 为平均气动弦长, X ac为气动焦点位置, X cg为重心位置。求得的配平结果为:=6.3996, a=-0.54961, =0.42586。为了更形象的表示这些量的变化情况, 给出 3 个量随着速度增加的配平曲线 (图 1) 。由图 1 (a) 可以看出, 迎角随着速度的增大而减小, 图 1 (b) 表明升降舵随着速度的增大而增大, 图 1 (c) 表明油门随着速度的增大而减小。3 品质分析3.1 特征根的求解首先求出纵向的状态矩阵和控制矩阵:从而可以求出纵向特征根为:两对都为共轭特征根, 而且实数部分都为负, 所以纵向模态稳定, 第一对为短周期模态, 第二对为长周期模态。同理, 求出横航向特征根为:同样, 从实数部分可以看出, 横航向模态稳定, 第一个特征根表示荷兰滚模态, 第二个表示滚转模态, 第三个表示螺旋模态。3.2 飞行品质分析参照有人驾驶飞机飞行品质标准 MIL-8-8785C 分析 F16 战斗机的飞行品质。按照对飞行品质要求, 本文对 5 个工况下纵向长周期模态进行分析得到飞行品质评级如图 2 所示。由图 2 可知, 随着前飞速度的增加, 阻尼比减小、自振频率增大, 飞行品质均为 2 级。参考对纵向长周期模态的分析, 对 5 个工况下荷兰滚模态进行分析得到飞行品质评级 (图 2) 。4 结论首先建立飞机的动力学模型和品质分析模型, 然后建立稳定性分析模型, 得到解耦的横纵向状态矩阵和特征根。最后评价飞机的飞行品质。希望本文的研究能为后续的研究积累一些经验, 尽快使我国能够脱离欧美的标准体系, 研究出适合我国的飞行品质标准。图 1 计算结果 下载原图图 2 F16 战斗机飞行品质 下载原图参考文献1盛蔚, 刘志彬, 向建德.无人机短周期飞行品质评估与在线优化方法J.计算机仿真, 2017, 34 (1) :79-83. 2高金源, 李陆豫, 冯亚昌.飞机飞行品质M.北京:国防工业出版社, 2003. 3张雅妮, 李岩, 金镭.电子飞控飞机的飞行品质适航验证J.飞行力学, 2012 (2) :117-120.