微下擊暴流突發狀況下Cessna-C310起飛仿真測試?

趙平文 趙鑫業 孫光明 梁海明

（1.92060部隊 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院 大連 116018）（3.海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

微下擊爆流又稱微爆流（Microburst）是一種局部性的下沉氣流，氣流到達地面后會產生一股與龍卷風破壞力相約的直線風（straight-linewinds）向四方八面擴散［1～3］（如圖1所示）。低空風切變造成的多起空難事故表明，微下擊暴流對飛機的起飛和著陸都有著極大的危害，已造成人員和財產的重大損失，而且，它對飛機運動的不利影響已大大超過了具有熟練駕駛技術的飛行員實際控制飛機的能力。大量的統計資料顯示，風切變的危害主要發生在300m以下的低空起飛或進場著陸階段［2，4］。

文獻［6］從流體動力學的角度研究了下擊暴流特性，但沒有分析其對飛機造成的危險程度；文獻［7］仿真分析了微下擊暴流的水平風的變化規律，沒有考慮垂直風的影響作用［8］。Cessna-C310（如圖2所示）是一種美國產六座雙引擎的單機翼飛機。本文假設C310飛機起飛時在鉛垂平面內飛行，通過數值仿真研究，對飛機穿越微下擊暴流模型的響應特性以及影響因素進行了分析。

2 JSBSim飛行動力學模型框架

飛行仿真是飛行器型號設計與飛行試驗的重要輔助手段，一般包括視景仿真、動力學模型與飛控仿真、儀表顯示及操縱控制臺等子系統。飛行動力學模型與飛控系統為飛行仿真的核心部分，負責根據操縱輸入與環境參數更新飛行器狀態。JSB?Sim模型是一個開源的、多平臺支持、由數據驅動的通用飛行動力學模型。主要功能是根據飛行控制模塊輸入的數據對飛行器的空氣動力特性進行計算，解算飛行器的六自由度運動方程以及對因大氣環境變化、飛行器起落架、襟翼收放等［9］。

JSBSim主要運行流程如圖3所示，首先創建仿真管理類實例FGFDMEexc，接著加載飛機模型，之后加載輸入、大氣、飛行控制、推進等各類模型并初始化。大氣類可以計算基本屬性，包括壓力、密度、溫度，大氣屬性值在仿真運行每一幀都計算一遍。JSBSim中的函數規范非常強大和通用，允許通過配置文件定義代數函數，其語法規則類似MathML（Mathematical Markup Language，數學標記語言），配置文件中北風向速度計算函數代碼片段如圖4所示。

3 微下擊暴流模型

本文采用簡化的無環境風場作用的對稱微下擊暴流模型，微下擊暴流的風場強度主要體現在水平和垂直方向的風速上。假定微下擊暴流的水平速度Vx和垂直速度Vy僅與水平距離x有關，則稱Vx，y=f（x）為微下擊暴流的一維模型。若假定水平速度Vx和垂直速度Vy與水平距離x和垂直距離y有關，則稱Vx，y=f（x，h）為微下擊暴流的二維模型［8，10］。本文只對無環境風場作用的對稱微下擊暴流線進行了初步模擬，假定飛機初始航向為正北方，忽略風力擾動，微下擊暴流北風向與下風向的速度曲線分別如圖5、圖6所示，北風向風力由無增至最大，到微下擊暴流中心是減弱為0，離開中心后轉為南風向至最大值，微下擊暴流下風向則由0增至最大值，之后減弱。

4 仿真實驗

在JSBSim飛行仿真系統中運行C310飛機的飛行腳本，仿真時間為0～100s，腳本概述如下：C310飛機初始在機場準備起飛，在0.25s啟動引擎，并設置初始航向，啟動方向保持自動控制功能，預計在高度大于50ft后收回起落架、在空速超過145ft/s后設定飛行高度為1000ft；微下擊暴流在0.25s突然出現在飛機起飛的跑道空域。

用實驗數據來建立微下擊暴流的模糊邏輯模型，并檢驗模型的正確性和辨識方法的可行性實驗結果。仿真實驗結果如下：設定微下擊暴流的最大風速分別為3、4、5、6（ft/s），飛行地面高度曲線如圖7所示，最大風速為6 ft/s時，飛機在升至1000ft后調整至平飛后時出現下墜。攻角曲線圖如圖8所示，可見自動駕駛的高度保持器即使最大限度地調整了攻角，依然無法阻止飛機出現下墜，飛機升力和上升阻力曲線圖分別如圖9、圖10所示。

在地球質心坐標系（ECEF）中，飛機北方向和下方向速度曲線如圖11、圖12所示。

C310飛機起落架主要包括一個前起落架（NOSE）和兩個后起落架（一左一右，LEFT、RIGHT）。從飛機引擎啟動，到飛機滑行離開地面，前起落架接觸地面時間為18.1s，右起落架為18.68s，左起落架為18.72s，以前起落架為例，觀察其受力情況，其壓縮力和州滾轉力曲線如圖13、圖14所示，可見微下擊暴流最大速度變化對起落架受力影響不大，對其造成物理性損傷的可能性較小。

5 結語

本文研究了固定翼飛機起飛過程中突然遭遇微下擊暴流情形下的飛行特性以及飛機軌跡的變化規律，以Cessna-C310飛機為例，測試了飛機在起飛過程中突遇微下擊暴流的可抗風場強度，并給出了各種飛行狀態軌跡曲線，為相關領域的研究提供了有益的參考。在對該機型的飛行仿真中可見［11］，當存在文中所述的微下擊暴流風場時，當微下擊暴流最大風速為6 ft/s以上時，無法完成飛行任務，從而說明了微下擊暴流對飛行仿真影響的嚴重性。另外，本文只對無環境風場作用的對稱微下擊暴流進行了初步模擬，對環境風切變場中的非對稱微下擊暴流［12］的結構和演變特征的準確數值模擬及在此風場環境下的飛行起飛測試仍然是一個急待解決的問題。

［1］百度百科.微下擊暴流［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/link?url=O1PrJtb0kFREi53tnCSiW fHxBjhlmkexmDaowng qu1Ug7YTYgsxHCcUi2pv-Kn4uif2GH5uQWaDDKrrGU8 Cx_q，2016-06-04.

［2］周娜，劉昶，尹江輝.飛機穿越微下擊暴流風場進場著陸運動特性［J］.飛行力學，2001，19（1）：33-37.

［3］?zdemir E T，Deniz A.A Case Study Of TheWetMicro?burst On August 2，2011 At Esenboga International Air?port（LTAC）［C］//Xxxii Ostiv Congress，Leszno，Po?land，30 July-6 August.2014.

［4］馬駿，孫秀霞，董文瀚.基于JSBSim的運輸機重裝空投飛行仿真系統［J］.2012，29（10）：65-68.

［5］Wikipedia.Microburst［EB/OL］.https：//en.wikipedia.org/wiki/Microburst，2016-06-04.

［6］Kordi B，Traczuk G，Kopp G A.Effects ofwind direction on the flight trajectories of roof sheathing panels under high winds［J］.Wind and Structures，2010，13（2）：145-167.

［7］F?rt?n E，Güler?，Akdag SA.Investigation ofwind shear coefficients and their effecton electricalenergy generation［J］.Applied Energy，2011，88（11）：4097-4105.

［8］劉小洋，黃賢英.機載氣象雷達風切變下飛機著陸性能分析［J］.計算機仿真，2014，31（7）：45-48.

［9］Jon S.Berndt.JSBSimReferenceManual［M］.2011.

［10］ C.J.Johny， V.S.Prasad， S.K.Singh， et al.Short-range prediction and monitoring of downbursts over Indian region［C］//SPIE Asia-Pacific Remote Sens?ing.International Society for Optics and Photonics，2016.

［11］Kim，J.P.Evaluation ofUnmanned Aircraft Flying Quali?ties Using JSBSim，Master’s thesis，Air Force Institute ofTechnology，W right-Patterson Air Force Base，Ohio［J］.2016.

［12］陶楊，韓維，吳亮.虛擬時變微下擊暴流的數值仿真方法［J］. 應用力學學報，2014（6）：847-852.