大氣紊流對運輸機顛簸影響分析

徐彥軍，王 瑞

(海軍航空兵學院飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125001)

運輸機在中、高空遇大氣擾動，就會引起顛簸。當大氣擾動強烈、飛行員處置不當時，顛簸會加劇甚至危及飛行安全。此種情況應該引起有關人員的關注。某支線運輸飛機的巡航飛行高度屬于大氣紊流較強的區(qū)間，本文以此型飛機為例，對于一定大氣紊流條件下飛機的響應情況進行數(shù)值仿真分析，以幫助飛行員對于顛簸飛行有更為清晰的認識。

1 大氣紊流引起的飛機顛簸

不規(guī)則的擾動氣流(大氣紊流)是形成飛機顛簸的主要原因。飛機在飛行中，由于遇到了時大時小的上升、下降氣流或水平氣流對飛機的沖擊，使飛機的升力發(fā)生不規(guī)則的變化，從而造成飛機的顛簸、搖擺、以及局部抖動等現(xiàn)象，這就是飛機顛簸。

雖然顛簸時的飛行狀態(tài)有著種種變化，但是多數(shù)飛行員主要是依據(jù)垂直方向上顛簸的劇烈程度來估計顛簸強度的。因此，飛機的法向過載n的均方差是衡量顛簸強度的重要參數(shù)。大量的統(tǒng)計及實驗數(shù)據(jù)表明:當σn=0.2時，飛行員會感到操縱飛機不舒服;當σn=0.5時，則操縱飛機已相當困難。一般規(guī)定，σn=0.2是弱顛簸與中度顛簸的分界，σn=0.5是中、強顛簸的分界線，σn=1時，則為極強顛簸。

2 大氣紊流條件下的數(shù)值仿真分析

2.1 仿真模型的建立

飛機的運動方程采用建立在航跡軸系的縱向小擾動方程［1］，將其寫成標準的矩陣形式為

式(1)中:狀態(tài)向量x=［ΔV Δα Δq Δθ］，分別為飛行速度、迎角、俯仰角速度和俯仰角的變化量;輸出向量y=［Δh Δn Δq Δθ］，分別為高度 、法向過載、俯仰角速度和俯仰角的變化量;控制向量u=［δeuWwW］，分別代表升降舵偏轉角、切向和法向的風速分量;A，B，C和 D為常值矩陣。

飛機的基準運動為在一定高度的等速平飛，紊流飛行中假設飛行員不實施操縱，當考慮飛機自動駕駛儀影響時，飛機的縱向飛控系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 飛機的縱向飛控系統(tǒng)方框圖

圖1中的大氣紊流為Dryden模型［2］，是用白噪聲生成器信號經轉化而形成的。紊流強度是超越概率的函數(shù)。本算例采用的紊流強度為σw=3 m/s，σw為紊流速度的均方差，其超越概率為10-3，這表明飛行中遇到這樣紊流強度情況是可能的。反饋通道的參數(shù)包括俯仰角、俯仰角速度、高度差和高度變化量。

圖2、圖3分別為大氣紊流模型的切向和法向速度在紊流區(qū)內的變化情況，由于高空大氣的各向同性假設，沿飛行速度方向紊流的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與法向是一樣的。

圖2 水平大氣紊流

圖3 垂直大氣紊流

2.2 計算分析

下面利用上述仿真模型針對自動駕駛儀開通和斷開兩種情況進行數(shù)字仿真計算，分析紊流引起顛簸后飛機兩個最關鍵的參數(shù)，過載和高度的變化。飛行高度3000 m，飛行真速400 km/h時飛機經歷40 km紊流區(qū)。

圖4為接通縱向自動駕駛儀回路時飛機的法向過載響應。圖5為斷開縱向自動駕駛儀回路時飛機的法向過載響應。在此紊流強度和飛行速度下，飛機在紊流中基本處于輕度顛簸狀態(tài)。

利用公式

計算圖4、圖5兩種情況法向過載的均方差σn，結果是與斷開自動駕駛儀相比，自動駕駛儀接通會使法向過載的均方差σn增加21%。

運輸類飛機大多在亞音速范圍飛行，具有良好的操、穩(wěn)特性，因此，一般并不加裝增穩(wěn)系統(tǒng)，其加裝的自動駕駛儀具有航跡保持和姿態(tài)保持的功能。由于沒有迎角(過載)反饋，自動駕駛儀的開通并沒有使飛機的穩(wěn)定性得到增強，飛機受到風(特別是垂直風)擾動時，其自身保持迎角(過載)的能力也沒有加強，因此，其法向過載的均方差不會減小。如果飛機遇到的紊流強度比較弱，利用自動駕駛儀飛行員可以很容易地在紊流前后保持飛機的航跡和姿態(tài)。但如果遇到強烈的顛簸，考慮自動駕駛儀對飛機的顛簸并沒有明顯的抑制作用，并且考慮到大氣紊流頻率范圍的不規(guī)則性，為了避免造成危險過載，必須斷開自動駕駛儀。這里強調一點，對于帶有自動增穩(wěn)功能的現(xiàn)代高速作戰(zhàn)飛機來講，其自動增穩(wěn)系統(tǒng)對于大氣紊流具有明顯的抑制作用。

圖4 自動駕駛儀開通時的過載

圖5 自動駕駛儀斷開時的過載

下面再來討論紊流中飛行高度的變化，一般飛機在一定高度飛行時其自動駕駛儀的高度保持狀態(tài)通路是打開的，這種情況下飛機顛簸過程中的高度變化幅度并不大(圖6)，發(fā)生顛簸時，常感到的是飛機的“抖動”或“振蕩”。計算表明:在自動駕駛儀的高度保持狀態(tài)通路斷開，紊流區(qū)內飛行員不及時調整飛機姿態(tài)的情況下，飛機通過40 km的紊流區(qū)后，其高度可能偏離進入高度數(shù)10 m(圖7)。如果紊流范圍較大的話，飛機高度變化的范圍會更大。曾經發(fā)生過民航客機在太平洋上空遇到強烈紊流，偏離航線高度數(shù)千米的狀況。因此，在遇到較強大氣擾動，斷開自動駕駛儀的情況下，飛機顛簸時，飛行員應注意觀察飛機高度的變化。

圖6 自動駕駛儀接通時的高度變化

圖7 自動駕駛儀斷開時的高度變化

3 結束語

顛簸對于飛機的儀表指示、飛行員操縱飛機、飛機結構、飛行員完成飛行任務均有不同程度的影響。有關飛機在飛行中發(fā)生強烈顛簸情況的發(fā)生大都是由于各種氣象原因引起的強烈大氣擾動作用的結果。結合前面算例分析，建議在遇到顛簸時采取如下措施:

1)運輸機本身具有較好縱向和側向穩(wěn)定性，加之擾動氣流的變化具有較大的隨機性，不易把握，所以在輕度的顛簸氣流中飛行，只需要握桿、抵舵，靠飛機本身的穩(wěn)定性和自動駕駛儀來保持飛行狀態(tài)。

2)遇到強烈的顛簸氣流，必須斷開自動駕駛儀，以免造成危險過載。當飛機姿態(tài)或航跡變化較大時，應適當修正，修正操縱動作要柔和，因為擾動氣流很不規(guī)則，粗猛和過于緊張的操縱動作很可能產生不良結果。

3)采用適當?shù)乃俣取Ｓ娠w行動力學理論可知，垂直于飛行速度方向的法向氣流速度對飛行的影響最大。飛行速度越大，飛機法向過載的變化越大，飛機的顛簸強度也隨之增強。

4)不要在中等顛簸以上的擾動氣流中飛行，應適當?shù)母淖兏叨群秃骄€，避開或脫離顛簸區(qū)。有關飛行資料表明［3］，顛簸區(qū)厚度800 m以下占多數(shù)，水平范圍以60～80 km居多。一般飛行應在低空向上脫離;在高空向下脫離;在云中或云旁應迅速脫離云體。

［1］肖業(yè)倫.航空航天器運動的建模［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］肖業(yè)倫，金長江.大氣擾動中的飛行原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1993.

［3］航空氣象學［M］.中國人民解放軍空軍司令部出版，1991.

［4］程釗，于方圓.受油機擾動特性的建模與仿真［J］.兵工自動化，2013(10):8-11.