飛機方向舵故障建模與側風著陸仿真

祝秋婷

摘 要：我國計算機與數控技術的不斷發展，讓制造行業發生了翻天覆地的變化，新一輪的技術戰爭已經打響。飛機已經成為人民出行的重要交通工具，飛機的安全關系著乘客的生命財產，是不容忽視的事情。本篇文章就主要講述基于飛機原有的風動技術下根據CFD數據建立的上下方向舵的浮動，停滯以及脫落等故障的數學模型。根據飛機方向舵可能產生的故障對在風機模擬器上進行各種模擬實驗，主要是進行側風著陸的仿真模擬實驗，以此來驗證模型是否安全可靠，以及模型降落的準確程度，來得到和實際側風想吻合的故障模型。最后在詳細的探討在方向舵的故障因素下，導致側風著陸的安全性與需要駕駛人員承擔的負荷。

關鍵詞：故障建模；側風著陸；仿真；駕駛員負荷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.189

0 引言

飛機故障無論大小，都會對乘坐人員的生命財產造成損失，在各種飛機事故中，飛機操作系統的故障導致的飛機事故占到了大多數，比如，在以色列的一架飛機上，在進行試駕的時候由于飛行員在飛機飛行的過程中想要加大油門讓飛機提速，達到飛機的平衡讓它平穩降落但是由于提速過快，受到風的阻力太大，從而導致飛機的右側機翼被折斷，產生飛行事故。從這個事故中我們可以看出飛機在進行操作的時候如果操作面發生故障或者脫落是十分危險的，因此研究飛機操縱面的故障和脫落情況就顯得尤為重要。

1 方向舵故障分類與建模

在飛機進行飛行動力的建模時我們必須依靠大量的數據來支持，比如最常見的方法就是風洞數據的采集。但是這種方法往往花費的時間長，成本高。相比較之下，進行故障建模時需要的數據就比較少，如果只是為了風洞建模的需要就進行風洞試驗就有點得不償失了。發生這種情況的主要原因一般是飛機的故障類型多，理論的分析比較困難，又不可能不斷的去進行試驗，因為一次試驗的成本是高昂的。由于各種原因導致我們幾部不可能得到很真實有效的故障數據模型。如今科學技術已經十分發達，很多的故障模型研究人員都已經建立了自己比較簡單的數據模型，以此來進行理論基礎的試驗。這種研究的難度比較小。本篇文章主要是針對已經有了的CFD方法進行數據分析，根據以前的數據模型來建立相對比較準確的方向舵數據模型，通過不同的種類對不同程度的飛機故障進行分析，建立飛機方向舵等故障的動力模型，以此來證明模型的準確性，在這個基礎上探討駕駛員在方向舵脫落狀態下進行側風飛行以及安全著陸的壓力負荷。

（1）方向舵故障分類與建模。 方向舵主要是分為上下兩個部分，本文我們主要研究上下方向的方向舵遇到松浮，卡滯和脫落的幾種故障分析。

方向舵脫落和飛機的質量，飛行控制系統的原理以及起落時的壓力等有關系，這些因素我們都是可以通過建模來解決的，采用飛機飛行的真實數據，來建立方向舵缺失，衡航向氣動力損失，而且航向的操縱功能喪失。

氣動力的數據就是飛機的基本飛行數據，在這種情況下，飛機的飛行狀態為一個數學線性函數，為式中Ci0（a，b，c）是飛機的基本氣動參數。Cics（a，b，c）為操控界面的氣動系數，Cim（m）是飛機在運行過程中引起的參數的變動情況，Cige是飛機運行過程中由于飛行引起的氣動系統，Cicf是飛機進行結構運動的時候引起的氣動系數，Cies是由飛機的外掛物件所引起的飛機運行參數的變動，Cioc是除了飛機的方向舵和其他操作系統引起的飛機氣動系數。

在飛機運行的整個過程中，氣動力是通過非線性的系數來表示的，這個系數包括飛機的升力系數，阻力系數，側立系數，以及偏航力系數等。氣動系數一般就是指在飛機的飛行狀態下，飛機的各個角度旋轉所發生的函數變化，一般是指飛機的方向舵發生脫落故障時，各個飛行指數的增量。

在方向舵發生偏轉的時候氣動系數的增加指數為零。表明飛機的方向舵發生卡滯事故的時候，方向舵是一個可以引起氣動系數的常數。也就是說飛機的方向舵發生浮動故障。這種故障的偏離角度幾乎是側滑角度，可以用公式表示，在此公式中Ci0（a，b，m）是兩個不同機動系數的指數。K1是氣動系數的基本參數，k2是方向舵的轉動引起的氣動變化因子。

（2）靜力系數。本文主要是建立在空氣動力學說的動力數據上，這部分數據都是對已經通過的信息進行測試的。當方向舵脫落時就會引起氣動系數的變化，這種變化主要是通過CFD的測試方法取得的。把原機和方向舵脫落的飛機進行三維系數的對比，通過對比可以得出CFD求解器中的動力差與方向舵脫落時的動力損失相比較。然后利用ANSYS，ICEM，CFD等的軟件進行排版，做到對機身的加密保護。

（3）方向舵脫落對偏航阻尼的影響。如果空氣流是從正面滑流過機尾的，那么Bvt大于0.這種情況下如果受到機翼的融合旋渦的影響，這是機身就會發生側偏離，偏離角度用表示，那么傾斜速度就是用oy表示，就是正數。可以用公式

2 人在環的側風著陸仿真及駕駛員負荷分析

受到方向舵脫落的限制，由于橫向的靜穩定系數降低，方向舵在脫落后受到飛機在側風的影響下要比沒有脫落的飛機系數高的多，也就是會反應更加強烈，本文所選的研究目標參數為飛機的抗側風能力為30kn當時的風向為90度，試驗表明在30kn的時候由于受到風速影響較大，風機的航線不能受到正常的控制，也就是在風速一定的時候風機要采用側滑的方法。

駕駛員的俯仰，滾轉，偏航操縱的密度是由在30kn的時候側風的影響下進行的，而原來的飛機則是采用修正的航向來飛行的，這時方向舵的超控速度加快，小幅度滾轉操縱增多。

3 結論

本篇文章以其中的一個機型作為研究對象，從不同的方面反映了飛機的控制性能，當飛機發生方向舵的脫落時，飛機可以用以下方法進行安全著陸，首先把自己的航向，法向以及側風時進行坡度轉變，然后用方向回舵讓飛機側滑和保持一定的坡度，然后通過小幅度旋轉，同時協調操作桿與油門進行平穩的下滑。

參考文獻：

[1]雒東超，袁東，劉超，王文星.飛機方向舵故障建模與側風著陸仿真[J].飛行力學，2016（06）：82-85.

[2]王學.載人飛船回收著陸系統可靠性研究[D].國防科學技術大學，2010.