民用飛機失速試飛研究

摘 要：該文在失速基本原理的基礎上，研究了現代高性能民用飛機的失速告警系統的原理和實現方式，然后通過對民機設計特點的分析，并結合實際試飛數據，討論了影響飛機失速速度和失速特性的因素。

關鍵詞：民機 失速 超臨界機翼

中圖分類號：V32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

飛機失速是飛機迎角超過臨界迎角，機翼升力面出現嚴重的氣流分離，導致飛機升力驟然下降，阻力急劇增大的現象，具體表現為飛機失去控制，自動進入滾轉或飄擺狀態，高度急劇降低，進而造成飛機失事。

在危及飛行安全的各種因素中，失速一直是對飛行安全產生重要影響的因素之一。為保證飛行安全，美國聯邦航空局對如何進行失速試飛有非常明確的條款要求。

1 失速的基本原理

失速產生于機翼表面發生氣流分離時，氣流分離通常開始于機翼后緣并且隨著迎角的增大而增加。在機翼氣流分離前，升力系數（CL）隨著迎角是線性增加的。隨著機翼氣流產生分離，升力曲線開始彎曲，斜率減小，線性變差，最終CL隨著迎角增加反而降低。

此時氣流分離區已擴大至很大范圍，升力不再隨迎角增加，飛機進入失速狀態，飛機的操縱性能極大地減弱甚至喪失，飛行高度急劇下降。

2 失速前的警告

失速告警是飛機接近失速時向飛行員和飛控系統發出警告和控制信息，其目的是在失速前提供一個充足的裕度，是飛行員和飛控系統及時操縱飛機，使飛機恢復到正常飛行狀態，避免進入失速，保證飛行安全。現代民用飛機失速告警一般有如下幾種形式：

（1）平顯上會有俯仰姿態限制符號和紅色速度帶。

（2）音響和燈光告警，裝有抖桿器的飛機會使駕駛桿抖動，同時斷開自動駕駛儀。

（3）裝有推桿器的飛機，如飛機迎角繼續增大，會自動推桿使飛機低頭防止失速。

3 失速特性影響因素研究

3.1 平尾影響

平尾經常會被安裝在垂尾的頂部，這樣的“T”型布局可以提高飛機的橫航向穩定性，而不需要使用更大的垂尾。但是它對于飛機的失速特性的影響都是負面的。

“T”型平尾可能完全處于飛機機翼的下洗流的影響范圍之外，因此飛機失速時引起的下洗流丟失不會改變平尾作用力，導致飛機機頭上揚。很多具有“T”型尾翼的飛機在進入失速時會出現明顯的機頭上揚。避免這種問題的出現通常有兩種方法：一種是保持飛機前重心，這將降低飛機縱向操縱效率，使飛機不能達到危險迎角（見圖1）。

當飛機減速時，飛行員會在飛機機翼氣流分離前，達到飛機升降舵的后操縱極限。這將降低飛機的機動能力，但可以避免危險的失速特性。另一種方法是安裝推桿器，它可以獲得飛機迎角信息并在一個預先設定的迎角值推桿以降低飛機迎角，避免飛機進入失速。

3.2 超臨界機翼

為了提高巡航效率，現代運輸類飛機機翼通常采用超臨界機翼。與傳統翼型相比，超臨界翼型有較大的前緣半徑，翼型中部上表面曲率減小，顯得比較平直，而翼型后部有較大的后加載。超臨界翼型的特有形狀使得飛機具有更高的臨界馬赫數和更大的超臨界馬赫數適用范圍，對高速飛行有利。但與傳統翼型相比，如果沒有前緣裝置，“超臨界翼型”在低速飛行（臨近失速）時會出現突然的前緣氣流分離。

傳統翼型機翼上表面氣流分離通常從后緣開始，逐步向前發展；“超臨界翼型”的氣流分離則會在機翼前緣突然發生而使整個機翼上表面陷入分離區，機翼突然失去升力，如圖2所示。因此，采用超臨界機翼的飛機在失速前機翼一般沒有明顯抖動，超過臨界迎角后，升力系數突然降低，進入失速。

3.3 減速率和推力影響

減速率和推力對失速速度和失速特性都有影響，通常減速率越高，推力越大，失速速度越小。這是因為高的減速率可以使飛機在失速前的速度減少的更多，而發動機推力在垂直方向的分量可以補償部分飛機的所需升力。然而失速速度越小往往意味著飛機的失速特性越差。首先，低的失速速度意味著飛行員在失速時操縱飛機改出的操縱能力更小（舵面的動壓小）。下表1中為某型飛機失速速度和失速特性隨減速率和推力變化的數據。從表中可以看出，相同的推力下，減速率增大，飛機的失速速度明顯減小，失速后飛機的滾轉角變化顯著增加，失速特性變差；同樣的，相同的減速率下，推力增大，飛機的失速速度減小，失速后飛機的滾轉角變化增加，失速特性變差。

4 結語

現代高性能民用飛機為了追求巡航效率，失速特性都不太好，但普遍采用失速告警系統，能夠保障飛行安全。在進行民機試飛時，需要綜合考慮影響飛機失速特性的設計特點，制定符合機型特征的試飛方案。

參考文獻

[1]Anderson，John D.，Jr.，Fundamentals of Aerodynamics，2nd ed.，McGraw-Hill Book Company，New York，1991.

[2]Perkins，C.D.，and Hage，R.E.，Airplane Performance，Stability and Control，John Wiley Sons，New York，1949.

[3]徐華舫.空氣動力學基礎[M].北京：國防工業出版社，1980.

[4]方振平，陳萬春，張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]施永毅.民用飛機的失速預防和失速深失速特性的改善[M].北京：國防工業出版社，2001.