基于飛行參數的某型飛機反螺旋特性分析

王書強, 明磊, 李頌, 吳高龍, 劉秀娟

(空軍航空大學 航空理論系, 吉林 長春 130022)

基于飛行參數的某型飛機反螺旋特性分析

王書強, 明磊, 李頌, 吳高龍, 劉秀娟

(空軍航空大學 航空理論系, 吉林 長春 130022)

關于某型飛機正飛螺旋特性的研究已經比較充分,但對其反螺旋的認識還十分缺乏。以該型飛機一起反螺旋飛行事故中記錄的主要飛行參數為依據,通過計算反螺旋動態參數,分析了該型飛機的反螺旋特性。研究結果表明，該型飛機的反螺旋屬于穩定的陡直振蕩反螺旋。所提出的螺旋特性的推算方法為利用飛行參數研究和分析反螺旋特性提供了理論依據,對于準確判斷及正確處置螺旋、保證飛行安全具有理論指導意義。

反螺旋; 飛行參數; 參數推算

0 引言

螺旋屬于非常規飛行狀態,對螺旋特性的認識和掌握,有助于飛行員在發生螺旋時能快速準確地判斷飛機的狀態,從而實施正確的操縱,改出螺旋,保證飛行安全,否則將危及飛行安全,甚至造成機毀人亡[1]。某型飛機由于加裝了迎角、過載限制系統,一般飛行狀態下不會進入螺旋狀態,但是在復雜條件下,如果飛行員沒有正確判斷飛機的狀態而操縱錯誤,就有可能使飛機進入螺旋狀態。某型飛機不僅可能發生正飛螺旋,在一定的飛行狀態下還可能進入倒飛螺旋(也稱為反螺旋)。由于該型飛機的發動機安裝在飛機的腹部,飛機在倒飛，特別是在倒飛狀態下發生失速和螺旋時,通常會出現發動機停車現象。因此,該型飛機未系統地進行過反螺旋試飛,只進行了相關的風洞試驗和理論分析[2]。通過對各種文獻數據庫的深入檢索,也沒有找到該型飛機反螺旋的其他相關文獻。由此看來,對該型飛機反螺旋特性的理論研究還十分缺乏,有必要對其進行深入的研究分析,而利用飛行參數進行研究是一個十分有效的途徑。本文依據該型飛機一起反螺旋飛行事故的主要飛行參數,運用飛機螺旋動力學分析方法[3],對其反螺旋的動態特點進行了數值推算和理論分析,所得出的結論對于飛行員認識和掌握反螺旋特性具有一定的借鑒意義。

1 反螺旋動態參數的推算

表征飛機反螺旋動態特性的參數主要有:迎角、側滑角、俯仰角、傾斜角、旋轉1圈所需時間及下降高度、繞機體軸的旋轉角速度等。從某型飛機飛行參數中可得到側滑角、俯仰角、傾斜角、旋轉1圈所需時間及下降高度等數據。由于該型飛機飛行參數中迎角值的輸出范圍是-4°～+46°,迎角小于-4°時,飛行數據記錄儀沒有記錄相應的迎角值,因此,需要采用理論方法推算飛機的迎角值。此外,飛機繞機體軸的旋轉角速度也需要推算得出。

1.1 迎角值的推算方法

首先,將飛行參數中的表速換算成真速。真、表速之間的換算可查該型飛機的真、表速換算表[4],或者利用下式進行計算:

(1)

式中,Vb為表速;ρ0,ρH分別為海平面標準大氣密度和實際飛行高度(H)大氣的密度。ρH值可利用下式算得:

ρH=1.225×(1-0.0000225577H)4.225588

(2)

其次,計算反螺旋下滑角。根據飛行參數中高度值隨時間的變化,可算得反螺旋中飛機的下降速率(Vy),再按照下式可求得飛機的下滑角:

θ=arcsin (Vy/V)

(3)

最后,推算迎角。飛機的下滑角是相對于地面軸系的,而迎角是氣流軸系與機體軸系之間的一個角度,要推算迎角的值,就需要進行坐標軸系的變換[5],具體方法是:以飛行速度為中介,建立氣流坐標軸系中飛行速度(Va)與地面坐標軸系中飛行速度(Vg)之間的關系,進而確立迎角(α)與傾斜角(γ)、俯仰角(?)、側滑角(β)、下滑角(θ)之間的關系。Va與Vg之間的關系如下式所示:

(4)

式中,Lgb,Lba分別為機體軸系與地面軸系、氣流軸系與機體軸系之間的轉換矩陣。

(5)

(6)

sin ? cosαcosβ-cos ? cosγsinαcosβ-

cos ? sinγsinβ=sinθ

(7)

在γ,?,β,θ均為已知的情況下,根據式(7)即可求得飛機的迎角。

1.2 旋轉角速度推算方法

(8)

圖1 地面坐標軸系與機體坐標軸系之間的關系Fig.1 Relationship between the ground axes system and the body axes system

2 數據分析

2.1 原始數據分析

飛行數據記錄儀記錄的數據顯示,飛機于2 903 s進入反螺旋,至2 959 s結束,即飛機反螺旋經歷時間為56 s。為了便于說明問題,將反螺旋開始的時間記為0 s,結束時間為56 s。主要飛行參數ψ,?,γ和β隨時間的變化曲線如圖2所示。根據偏航角的變化可以判定,該型飛機此次反螺旋共經過了2圈又110°。

圖2 部分飛行參數時間歷程Fig.2 Variation of some flight parameters with time

從圖2中可以看出:反螺旋第1圈用時29 s,下降高度為1 720 m,平均俯仰角為16.6°,特別是俯仰角由4°逐漸變化為-30°,由上仰轉為下俯,并逐漸趨于穩定;反螺旋第2圈用時14 s,下降高度為1 030 m,俯仰角變化范圍為-22°～-45°,平均俯仰角為-32.2°,其它動態參數的振蕩幅度較反螺旋第1圈小;反螺旋第3圈只轉過了110°左右,共用時13 s,而且在第3圈開始后第6 s、第7 s,前、后艙飛行員相繼跳傘,飛機的各操縱面處于松浮狀態。綜合來看,反螺旋第2圈的參數變化相對穩定。

2.2 推算數據分析

按照反螺旋動態參數的推算方法,通過對反螺旋中的迎角和繞機體軸旋轉角速度進行推算,得到相應參數的時間變化曲線,如圖3、圖4所示。

根據飛機反螺旋動態的特點,特別是反螺旋中旋轉角速度的變化特點[7],并結合反螺旋第2圈參數的變化情況,可知該型飛機此次反螺旋過程中飛機表現為右偏(ωy<0)、左滾(ωx<0)、上仰轉動(ωz<0),符合飛機反螺旋中參數變化的一般規律,說明推算出的數據是合理的,并且迎角和旋轉角速度的變化相對比較穩定,可以作為分析反螺旋特性的依據。

圖3 反螺旋中迎角隨時間的變化Fig.3 Variation of AOA with time in converse spin

圖4 反螺旋中旋轉角速度隨時間的變化Fig.4 Variation of angular speed with time in converse spin

2.3 數據統計分析

通過對該型飛機反螺旋第2圈中主要飛行參數原始數據和理論推算數據進行綜合統計分析(見表1),可以看出:反螺旋中飛機持續右偏(ωy<0)、左滾(ωx<0)、內側滑(β>0),符合穩定右反螺旋條件;平均俯仰角小于-30°、下降率在58～80 m/s之間,符合陡直反螺旋規律;平均迎角為-46.3°,迎角在-39°～-62°之間振蕩,振蕩幅度為±18°,說明反螺旋是振蕩型的[8]。

表1 反螺旋第2圈主要飛行參數Table 1 Primary flight parameters during the second circle of converse spin

根據飛行參數原始數據和理論推算數據的綜合統計分析,按照螺旋的分類方法[8],可以得出以下結論:該型飛機此次發生的反螺旋是右偏、左滾、以偏為主的穩定陡直振蕩右反螺旋。

3 結束語

利用本文提出的方法得到的結論是合理可信的,可以作為飛行員判斷飛機反螺旋動態的依據。無論是飛行參數原始數據還是理論推算數據,其變化規律都符合反螺旋的一般特征。另外,雖然飛行參數原始數據存在一定的誤差,以及反螺旋中飛行員也沒有像正常螺旋中固定桿、腳蹬位置,這些會影響到反螺旋的動態特性,但其動態變化規律仍可以作為飛行員判斷飛機是否進入反螺旋、并實施正確操縱的理論依據。

該型飛機此次反螺旋是右偏、左滾、以偏為主的穩定陡直振蕩右反螺旋,該反螺旋形態可能只是該型飛機反螺旋所有形態的一種。因為該型飛機的正飛螺旋有三種表現形態:陡螺旋、平螺旋和“落葉飄”式螺旋。由此可推測該型飛機反螺旋也有可能存在其它形態,不過是否存在其他形態的反螺旋、反螺旋動態特性如何,還需要進一步的理論研究和試飛驗證。

本文采用基于飛行參數相關數據分析飛機螺旋運動特性的方法,是一個綜合分析非常規飛行狀態飛機運動特性的有效方法,可利用該方法研究飛機的其他運動特性。

該型飛機反螺旋仍是一個需要進行全面、深入研究的空白領域。下一步需要做的工作一方面是可以通過理論研究,從理論上切實搞清楚反螺旋的進入機理、動態特性和正確的改出動作;另一方面是在理論研究取得一定成果的基礎上,組織實施反螺旋試飛,進一步驗證反螺旋的動態特性。通過理論研究和試飛驗證為飛行員預防飛機進入反螺旋,特別是意外進入反螺旋時能夠準確判斷、正確處置、保證安全打下基礎。

[1] 王書強,劉永學.某殲擊機尾旋進入特性數值分析[J].空軍航空大學學報,2011,4(3):24-27.

[2] 李中華.某型飛機失速螺旋特點及處置方法[J].航空雜志,2008,(6):16-18.

[3] 科契克 Μ Γ.飛機螺旋動力學[M].北京:藍天出版社,1978:37-39.

[4] 金長江,范立欽.飛行動力學[M].北京:國防工業出版社,1990:58-70.

[5] 方振平,陳萬春,張曙光.航空器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:16-22.

[6] 胡兆豐,何植岱,高浩.飛行動力學[M].北京:國防工業出版社,1985:27-28.

[7] 鐘日超.后掠翼飛機失速與螺旋若干問題的理論研究[M].北京: 藍天出版社,1982:114-124.

[8] 楊永華,徐邦年.作戰飛機的失速螺旋氣動慣性旋轉[M].北京:藍天出版社,1996:65-123.

Analysisofconversespincharacteristicsaboutacertainaircraftbasedonflightparameters

WANG Shu-qiang, MING Lei, LI Song, WU Gao-long, LIU Xiu-juan

(Aviation Theory Department, Air Force Aviation University, Changchun 130022, China)

A certain aircraft’s normal spin characteristics are fully understood by us, but the knowledge about the converse spin characteristics is quite less. In this paper, taking the flight parameters recorded by the flight data recorder during one converse spin accident as the basis, a method to extrapolate converse spin flight parameters was put forward using the spin dynamics basic theory and the converse spin characteristics were analyzed. The results show that the form of the aircraft’s converse spin is a one with stable and steep oscillation. The parameters extrapolation method in this work provides theoretical basis to research the converse spin characteristics using the flight parameters data. In addition, the results are of directive significance for pilots to judge the converse spin exactly and then handle it correctly.

converse spin; flight parameters; parameters extrapolation

V212.1; V328.3

A

1002-0853(2013)06-0501-03

2013-02-22;

2013-06-08; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-10-22 14:15

國家自然科學基金青年基金資助(61102120)

王書強(1966-),男,河南偃師人,副教授,研究方向為飛行動力學。

(編輯：姚妙慧)