基于任務的飛機大迎角飛行品質評定準則

侯天俊，郭有光，王立新*

(1.北京航空航天大學 中法工程師學院，北京100191;2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100191)

隨著現代戰斗機機動性能的提高，原來盡可能避免進入的大迎角區，現已逐漸成為提高作戰效能頗有利用價值的空間［1］.這類高性能戰機多采用高增益的電傳飛行控制系統，如何準確地評定其大迎角的飛行品質顯得十分的必要與迫切.然而，常規飛行品質的評定準則是依據小迎角飛行試驗和數據制定的，并不完全適用于戰斗機大迎角飛行品質的評定［2-5］.

相比常規飛行品質評定方法，基于任務的飛行品質評定方法具有任務針對性和包線適應性，可以評定多軸耦合的飛行品質，因此能夠對飛機大迎角飛行特性做出較為準確的評估.但使用這種方法僅能夠評定任務完成的效果，不能有效地指導飛機飛行控制律的設計［6］.因此需要尋求通過這種方法所得到的飛行品質評定結果與高階閉環飛機特征參數之間的關系，形成飛機大迎角飛行品質的評定準則.

目前，對大迎角飛行品質評定準則的研究多集中于定性方面.文獻［4］針對某型飛機低階等效后的動態模型，從高階閉環飛機系統的縱向短周期阻尼與頻率、穩態軸滾轉速率和滾轉模態時間常數(Tr)出發，著重研究了60°迎角下飛機系統的參數與飛行員完成任務過程中的感受之間的關系.但尚未見有大迎角飛行品質的定量評定準則研究報道.

本文針對IV類高增益飛機，采用基于任務的大迎角飛行品質評定方法，通過模擬飛行試驗，研究了飛機大迎角飛行品質的評定新準則，并分析了新準則與常規評定準則不同的物理原因.

1 基于任務的大迎角飛行品質評定方法

基于任務的飛行品質評定方法主要依據特定機動任務的完成效果來評定飛機的飛行品質［7-8］.完成任務后，通過主觀評估和客觀評估對飛機的飛行品質進行評定.評定結果分為3個等級，表1列出了各飛行品質等級與任務適應性之間的關系［9-10］.

表1 基于任務的飛行品質評定等級Table 1 Flying qualities evaluated levels based on missions

1.1 飛行任務的選取

飛機飛行品質的評定應包含縱向、橫向和航向三軸飛行品質的評定.在大迎角飛行任務中，飛機主要作縱向大過載的拉起與橫滾的運動，極少進行偏航飛行，故不需考慮以航向運動為主的任務［11］.選取以下兩種針對IV型飛機“A種”飛行階段，操作難度適中、獲取數據方便的大迎角機動任務.

任務1 俯仰姿態捕獲與保持機動［10］.

該任務可以評定飛機的縱向飛行品質.任務開始時，在測試機前方1 km、上方600 m設置一架以空速130 m/s定直平飛的目標飛機，測試機保持和目標機相同速度.機動開始后飛行員使用縱向操縱桿盡快捕獲目標機.

任務2 大迎角滾轉與捕獲機動［6］.

該任務可以評定飛機的橫向飛行品質.任務開始時，首先設定地面路標作為航向目標，飛機初速度150 m/s，進行“破S”機動.滾轉為倒飛并拉桿到俯仰角θ=-90°+α，其中，α為測試迎角，此時速度矢量與地面垂直.達到上述條件以后，立即向左或向右壓滿桿進行最大滾轉機動，機動過程中盡量保持迎角不變.滾轉360°捕獲地面路標以捕獲初始航向，然后退出滾轉.

1.2 主觀評估

主觀評估需要有飛行員的參與，通過飛行員在任務完成后填寫庫珀-哈珀(Cooper-Harper)評分表對飛機飛行品質進行評定.評分表將飛機的飛行品質分為10個飛行員評價尺度，分別對應于3個評定等級.飛行員根據飛機在機動任務中的特性直接打分［12］.

1.3 客觀評估

客觀評估主要對飛行任務中所記錄的各項參數進行分析，根據特定的客觀評估標準得到對任務完成效果的評定.其中，比較重要的參數有密位數、捕獲時間、捕獲超調次數等.所謂密位數是指目標機到飛行員眼點的瞄準視線向量與機身坐標x軸(零密位視線)之間的夾角，單位為密位(mil)，密位與弧度的換算關系為:1 mil=2π/6400 rad.捕獲時間是指從開始機動到目標機第1次進入瞄準帶內的時間.捕獲超調次數的定義是在捕獲目標后目標機超出瞄準帶的次數.

表2和表3分別為所選取的兩種機動任務的客觀評估標準.

表2 俯仰姿態捕獲與保持機動客觀評定標準Table 2 Subjective evaluation standard of pitch attitude capture and hold maneuver

表3 大迎角滾轉與捕獲機動客觀評定標準Table 3 Subjective evaluation standard of high angle of attack roll and capture maneuver

在得到主觀評估和客觀評估的結果之后，兩種評估方法得到的最低品質等級即為該戰斗機的飛行品質等級.

1.4 評定示例

本文所研究的飛機為IV類高增益飛機，如殲擊機、戰術偵察機等.所針對的飛行階段為“A種”飛行階段，即要求急劇機動、精確跟蹤，如空戰、對地攻擊、空中加油等階段.以高增益飛機F16戰斗機為模型進行模擬試飛試驗［13-16］.

1.4.1 縱向飛行品質評定

測試機初始狀態為:初始速度130 m/s，初始高度7 km.俯仰姿態捕獲與保持機動過程中密位數隨時間的變化如圖1所示.

圖1 俯仰姿態捕獲與保持機動過程中密位數的變化Fig.1 Variation of mil error in pitch attitude capture and hold maneuver

如圖1所示，測試機在2 s之內捕獲了目標機，使目標機位于80mil以內，沒有超調.根據表2的客觀評定標準，客觀評定結果為1級.

完成模擬飛行任務后，飛機飛行品質的主觀評定結果如表4所示.依據飛行員評價尺度，可得主觀評定的結果為1級.

表4 縱向飛行品質主觀評估結果Table 4 Result of subjective evaluation of longitudinal flying quality

根據主觀評估和客觀評估結果，取最低飛行品質等級，可以得到算例飛機的大迎角縱向飛行品質等級為1級.

1.4.2 橫向飛行品質評定

測試機初始狀態如下:初始速度150 m/s，初始高度7 km，測試迎角為30°.

任務中飛機偏航角隨時間的變化如圖2所示(1°≈17.78 mil)，縱坐標ψ為偏航角.可以看出，測試機在28 s時成功捕獲偏航角，但在31 s時有一次超調.根據表3的客觀評定標準，客觀評定結果為2級.

圖2 大迎角滾轉與捕獲機動過程中偏航角的變化Fig.2 Variation of yaw angle in high angle of attack roll and capture maneuver

完成模擬飛行任務后，飛機飛行品質的主觀評定結果如表5所示.依據飛行員評價尺度，可得主觀評定的結果為2級.

表5 橫向飛行品質主觀評估結果Table 5 Result of subjective evaluation of lateral flying quality

根據主觀評估結果和客觀評估結果，取最低飛行品質等級，可以得到算例飛機的大迎角橫向飛行品質等級為2級.

2 大迎角飛行品質評定準則

對于常規響應類型的電傳操縱飛機，可通過低階等效法得到高階閉環飛機系統的參數，然后使用短周期操縱期望參數(Control Anticipate Parameter，CAP)準則和滾轉模態特性來評定飛機的縱向和橫向飛行品質.

通過對不同電傳操縱特性的飛機進行模擬試驗，再使用基于任務的飛行品質評定方法對試驗結果進行評定，便可建立大迎角狀態下戰斗機飛行品質的CAP準則和滾轉模態特性的品質評定邊界.

由于駕駛員通常不采用航向操縱來完成側滑角的高增益跟蹤與捕獲任務，因此，縱向和橫向飛行品質即可決定飛機的大迎角飛行品質.

2.1 縱向飛行品質評定準則邊界

在試驗中，保持高階閉環飛機系統橫向傳遞函數的參數不變，以30°為測試迎角，測試不同的短周期阻尼比ξsp和CAP參數的組合情形，并通過第1.1節所述的姿態捕獲與保持任務對其縱向飛行品質進行評定.表6給出了8種參數組合的品質評定結果.

表6 基于任務的縱向飛行品質評定方法與傳統評定方法的縱向飛行品質等級對比Table 6 Comparison of longitudinal flying qualities level between mission-oriented flying qualities evaluation method and conventional evaluation method

如表6所示，通過常規縱向飛行品質評定方法所得到的飛行品質等級與基于任務的縱向飛行品質評定方法所得到的飛行品質等級有所不同.試驗中繼續選取了CAP值在區間［0.1，10］內、ξsp在區間［0.1，10］內的400余種參數組合，對模型飛機進行基于任務的飛行品質評定，得到了如圖3中實線部分所示的曲線，該曲線即為基于任務的縱向飛行品質評定準則的邊界.圖3中虛線部分為常規方法的IV型飛機“A種”飛行階段的縱向飛行品質評定準則邊界.其中，較粗和較細的虛線分別為常規飛行品質的1級和2級評定準則，較粗和較細的實線分別為基于任務的飛行品質的一級和二級評定準則.

圖3 基于任務的飛機大迎角縱向飛行品質評定準則邊界Fig.3 Evaluation boundaries of mission-oriented longitudinal flying qualities criteria for high angle of attack aircraft

2.2 橫向飛行品質評定準則邊界

在試驗中，保持閉環飛機系統的縱向傳遞函數的參數不變，選取6個不同的Tr值進行模擬測試，并通過第1.1節所述的大迎角滾轉與捕獲任務對其橫向飛行品質進行評定，得到的評定結果如表7所示.

表7 基于任務的橫向飛行品質評定結果與傳統評定方法結果的橫向飛行品質等級對比Table 7 Comparison of lateral flying qualities level between mission-oriented flying qualities evaluation method and conventional evaluation method

通過圖3、表6和表7可以看出，通過常規評定方法所得到的飛行品質等級與基于任務的評定方法所得到的飛行品質等級有所不同.在區間［0.1，10］中取200個不同的Tr進行模擬試驗，得到的結果如表8所示，該表即為基于任務的橫向飛行品質評定邊界.表中第2列為常規方法的IV型飛機“A種”飛行階段的橫向飛行品質準則邊界.

表8 大迎角橫向飛行品質評定邊界Table 8 Evaluation boundaries of lateral flying qualities criteria for high angle of attack aircraft

3 不同飛行品質評定準則的對比分析

3.1 縱向飛行品質

根據表6，在ξsp=1的情況下，CAP=0.4時，基于任務的飛行品質評定等級低于常規飛行品質評定等級，CAP=5時，基于任務的飛行品質評定等級高于常規飛行品質評定等級.故適當增大CAP，可以提高大迎角飛行品質評定等級.在CAP=1的情況下，ξsp=0.5時，基于任務的飛行品質評定等級低于常規飛行品質評定等級，ξsp=1.5時，則得到相反的飛行品質評定等級.故適當增大ξsp也可以提高大迎角飛行品質評定等級.通過圖3中直觀的對比可以得到相同結論.

這是因為在大迎角狀態下捕獲目標通常需要飛行員做出較大的桿力/桿位移輸入.CAP參數的物理意義是單位桿力所產生的初始俯仰角加速度，與穩態飛行時產生單位過載所需桿力的乘積，故增大CAP參數的值意味著提高了桿力靈敏度，減小了單位過載桿力，有利于快速捕獲目標.而較大阻尼比可以防止因大幅操縱產生的振蕩響應.

文獻［4］給出了60°迎角下定性的縱向飛行品質評定準則.其分析指出，適當增大短周期頻率和短周期阻尼可以提高60°迎角下飛機的縱向飛行品質等級.而短周期頻率與初始俯仰角加速度呈正相關.因此，提高短周期頻率即意味著提高CAP參數，這與本文所得到的研究結果一致.

3.2 橫向飛行品質

根據表7，Tr=0.4時，基于任務的飛行品質評定等級低于常規飛行品質評定等級，而Tr=1.2和Tr=1.9時，基于任務的飛行品質評定等級均比常規飛行品質評定等級提高了一個等級.即適當地增大Tr可以得到更高的大迎角飛行品質評定等級.通過表8直觀的對比也可以得到相同的結論.

Tr的物理意義是達到穩態滾轉速率的時間，描述的是飛機的滾轉阻尼特性.飛機大迎角飛行時，存在空氣動力非線性和遲滯效應，若保持原有滾轉阻尼特性不變，則容易產生超調，會使飛行員難以準確地操縱滾轉運動.因此，較大的Tr可以減小桿力靈敏度，避免產生橫向的振蕩響應.

文獻［4］同時給出了60°迎角下定性的橫向飛行品質評定準則.其分析指出，適當增大滾轉阻尼可以提高飛機的60°迎角下飛機的橫向飛行品質等級.而Tr與滾轉阻尼正相關，故增大Tr可以使滾轉阻尼增大，從而提高飛機的橫向飛行品質等級.這與本文所得到的結果一致.

4 結論

1)由于飛行員通常不采用航向操縱來完成側滑角的高增益跟蹤與捕獲任務，因此，縱向和橫向飛行品質即可決定飛機的大迎角飛行品質.

2)相比傳統的飛機縱向飛行品質評定準則，大迎角縱向飛行品質評定準則要求適當增大高階閉環飛機系統的縱向短周期CAP參數與阻尼比.

3)相比傳統的飛機橫向飛行品質評定準則，大迎角橫向飛行品質評定準則要求適當增大高階閉環飛機系統的滾轉模態時間常數.

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