大中型運(yùn)輸機(jī)橫航向模態(tài)特性分析

賈艷麗 晏傳銀 陳微 陳瑩

摘 要：本文重點(diǎn)對(duì)荷蘭滾模態(tài)特性進(jìn)行了研究，并提出了改進(jìn)荷蘭滾模態(tài)特性的方法。研究結(jié)果對(duì)改進(jìn)改型機(jī)提高飛機(jī)的模態(tài)特性有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；荷蘭滾

飛機(jī)的橫航向模態(tài)特性包括荷蘭滾模態(tài)、滾轉(zhuǎn)模態(tài)、螺旋模態(tài)。飛機(jī)在受到擾動(dòng)后，橫航向擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)由這三個(gè)典型模態(tài)運(yùn)動(dòng)疊加而成。大中型運(yùn)輸機(jī)的滾轉(zhuǎn)阻尼一般較大，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)衰減很快，螺旋運(yùn)動(dòng)屬于慢運(yùn)動(dòng)，駕駛員易于控制，只要發(fā)散不太快，一般是允許的。對(duì)于大中型飛機(jī)來(lái)說(shuō)，螺旋模態(tài)不會(huì)影響飛機(jī)的飛行安全，研究的重點(diǎn)是荷蘭滾模態(tài)，荷蘭滾運(yùn)動(dòng)屬于快運(yùn)動(dòng)，因此駕駛員不易控制，故不僅要求穩(wěn)定，且需要保證較好的阻尼。因此本文僅對(duì)滾轉(zhuǎn)模態(tài)荷蘭滾模態(tài)進(jìn)行介紹。

1 滾轉(zhuǎn)模態(tài)

飛機(jī)的橫航向小擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程組的特性方程中的大負(fù)實(shí)根所代表的運(yùn)動(dòng)模態(tài)為滾轉(zhuǎn)模態(tài)。根據(jù)飛行力學(xué)原理，通過(guò)簡(jiǎn)化，忽略一些次要因素，得到滾轉(zhuǎn)模態(tài)的簡(jiǎn)化公式：

由滾轉(zhuǎn)模態(tài)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式可以看出，飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)與飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)成反比。

2 荷蘭滾模態(tài)

荷蘭滾模態(tài)是有偏航、滾轉(zhuǎn)和側(cè)滑三個(gè)運(yùn)動(dòng)量同時(shí)存在的短周期振蕩。形成原因如下：如果飛機(jī)受側(cè)向擾動(dòng)向右傾斜，必然產(chǎn)生右側(cè)滑。由于飛機(jī)具有航向及橫向靜穩(wěn)定性，這樣在飛機(jī)上就同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)力矩：一個(gè)是繞豎軸的偏航力矩，另一個(gè)是繞縱軸的滾轉(zhuǎn)力矩，力圖使飛機(jī)恢復(fù)到正常姿態(tài)。于是飛機(jī)就產(chǎn)生繞縱軸的滾轉(zhuǎn)角速度和繞豎軸的偏航角速度，如果飛機(jī)存在這種情況，即滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏航靜穩(wěn)定性，就會(huì)產(chǎn)生較小的偏航角速度和較大的滾轉(zhuǎn)角速度，并且飛機(jī)在偏航運(yùn)動(dòng)中受到偏航阻尼力矩的阻礙，則飛機(jī)就會(huì)繞縱軸滾轉(zhuǎn)，從右傾斜變?yōu)樽髢A斜，并產(chǎn)生左側(cè)滑。這樣飛機(jī)上又產(chǎn)生繞豎軸的偏航力矩和繞縱軸的滾轉(zhuǎn)力矩，出于同樣的原因，飛機(jī)在較大的滾轉(zhuǎn)角速度和較小的偏航角速度下，繞縱軸滾轉(zhuǎn)，左傾斜變?yōu)橛覂A斜。于是飛機(jī)就形成反復(fù)的振蕩運(yùn)動(dòng)。

⑴國(guó)軍標(biāo)要求。GJB 185—1986中要求：由航向擾動(dòng)輸入引起的荷蘭滾，其無(wú)阻尼自振頻率ωnd、阻尼比ζd及阻尼ζdωnd應(yīng)當(dāng)大于下表中的最小值。在飛行中遇到的任何大小振蕩，無(wú)論座艙操縱固持還是松浮，均應(yīng)滿(mǎn)足這些要求。

⑵參數(shù)分析。為了改善飛機(jī)的荷蘭滾模態(tài)特性，需先對(duì)荷蘭滾的計(jì)算公式進(jìn)行分析。根據(jù)飛行力學(xué)原理，通過(guò)簡(jiǎn)化，忽略一些次要因素，可以得到荷蘭滾模態(tài)的簡(jiǎn)化公式：

由簡(jiǎn)化公式可以看出：荷蘭滾模態(tài)的無(wú)阻尼自振頻率ωd與航向靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)成正比；阻尼比ξd則與 成反比，而與航向阻尼導(dǎo)數(shù) 和側(cè)力導(dǎo)數(shù) 成正比；總阻尼ξdωd與 、 成正比。通過(guò)增大 可以增加無(wú)阻尼自振頻率的值；通過(guò)減小 和增大 、 可以增加阻尼比的值；通過(guò)增大 、 可以增加總阻尼的值。

⑶改進(jìn)措施。要想提高該飛機(jī)的荷蘭滾模態(tài)的品質(zhì)特性就要增大荷蘭滾模態(tài)阻尼ζdωnd，使其滿(mǎn)足GJB185-1986要求，可以通過(guò)增大航向阻尼導(dǎo)數(shù) 和側(cè)力導(dǎo)數(shù) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不改變氣動(dòng)布局的前提下，可以通過(guò)平尾加裝端板和增加控制增穩(wěn)系統(tǒng)來(lái)提高飛機(jī)的荷蘭滾模態(tài)特性。

1）加裝平尾端板，相當(dāng)于增加了垂尾面積，使飛機(jī)的航向穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)和航向阻尼導(dǎo)數(shù)，從而提高荷蘭滾模態(tài)阻尼ζdωnd和阻尼比ζd。當(dāng)然，平尾加裝端板同時(shí)會(huì)帶來(lái)額外的問(wèn)題，造成大側(cè)滑時(shí)航向靜穩(wěn)定性過(guò)大，導(dǎo)致航向操縱性降低，抗側(cè)風(fēng)能力下降。因此再設(shè)計(jì)時(shí)要考慮飛機(jī)飛機(jī)穩(wěn)定性與操縱性的協(xié)調(diào)問(wèn)題。

2）從飛行控制方面改進(jìn)，在橫航向操縱通道中增加控制增穩(wěn)系統(tǒng)可以增加飛機(jī)的荷蘭滾阻尼。主要是通過(guò)在系統(tǒng)中引入側(cè)滑角和偏航角速率反饋來(lái)增大航向運(yùn)動(dòng)的固有頻率和荷蘭滾阻尼比。

為了改善某型飛機(jī)的荷蘭滾模特特性，在飛機(jī)的橫航向操縱系統(tǒng)中增加了控制增穩(wěn)系統(tǒng)，飛機(jī)的阻尼比增加了70%，無(wú)阻尼自振頻率ωnd增加了23%，總阻尼增加了將近一倍，使得某型中型運(yùn)輸機(jī)荷蘭滾模態(tài)特性滿(mǎn)足GJB 185—1986標(biāo)準(zhǔn)1的要求。

3 總結(jié)

飛機(jī)的橫航向模態(tài)在飛機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)定中具有特殊的意義，特別是荷蘭滾模態(tài)，更是關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。因此，要特別注意使飛機(jī)的荷蘭滾模態(tài)特性滿(mǎn)足飛機(jī)安全使用和駕駛舒適性的要求。本文根據(jù)飛機(jī)橫航向模態(tài)特性形成原因和影響因素，給出了如何提高飛機(jī)橫航向模態(tài)特性的措施，對(duì)新設(shè)計(jì)飛機(jī)和改進(jìn)改型飛機(jī)提高橫航向模態(tài)特性具有一定的參考價(jià)值。