地效飛機耗油質量特性隨迎角變化簡易算法研究

鄔恒 彭平

摘 要：針對地效飛機設計初期燃油質量特性與耗油曲線程序設計較為復雜、軟件測量較為耗時、重復工作量大等問題，為簡化計算和減輕工作量，引入一種基于程序設計的簡易算法，并以某地效飛機為例進行計算。計算結果標明，該方法真實可靠、計算精度高，能夠滿足飛機設計對耗油質量特性隨迎角變化計算數(shù)據(jù)的精度要求。

關鍵詞：地效飛機；耗油質量特性；簡易算法

中圖分類號：V272 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0073-02

飛機飛行重量是由空機重量、燃油和載重組成的，隨著飛機飛行時間、姿態(tài)的變化，飛機的重量、重心及轉動慣量也是變化的。對于一架定型的飛機而言，飛機的空重基本不變，載重中可消耗載荷（彈藥、滅火用水等）變化是一種時段性的變化，唯有燃油是持續(xù)性的、隨時間而變化的。由此，為了計算飛機在空中飛行的質量特性是否滿足飛機操穩(wěn)性能的要求，燃油隨迎角變化的質量特性計算就顯得尤為重要了。

由于燃油的油箱外形隨著在飛機上安裝位置的限制是千變萬化的，外形復雜，其所載燃油的質量特性也隨其變化。本方法的目的是根據(jù)所布置油箱及總載油量的大小，計算在不同飛機迎角、不同油面高度下油箱中載油量的重量、重心及自身慣量矩。方法設計力求簡單明了，程序設計代碼量少，并能滿足計算精度要求。

1 油箱構型及參數(shù)

要計算燃油隨迎角變化的質量特性，必須要知道油箱的具體構型，下面參考某地效飛機的油箱外形，這里油箱外形是由平面構成的，對于不同的油箱布置，油箱外形也可以由曲面構成。

在船身左右側各布置一載油量約為0.08噸的貯油箱，貯油箱最大載油量0.16噸。右側貯油箱外形及典型油面見圖1所示。設計時僅考慮一側油箱，因另一側油箱對稱，對整個油箱的質量特性采用數(shù)學疊加方法計算。

2 模型建立

2.1 建立油箱邊界曲面方程

要求出圖1中的油箱載油量，必須首先求出邊界曲面所圍的體積，對于整個油箱滿油情況下，燃油體積由上頂面、下底面和周圍邊界面所組成，考慮到燃油耗油隨迎角變化，油箱在高度方向受水平油面的限制，那么，把水平油面作為高度方向的燃油界面之一。這樣組成油箱燃油界面的平面（或曲面）分別為上頂面、下底面、周圍邊界面和水平油面。

油箱的俯視圖如圖2所示，參見圖2，在平面坐標系中，已知點的坐標（）。各個面的方程根據(jù)各點的坐標確定，如兩點的直線方程：

，，

設

于是的直線方程：；

兩點的直線方程。

2.2 油面角（）的定義

考慮到飛機抬頭（或低頭）飛行時，油面與平面有一個夾角，這個角定義為油面角。規(guī)定飛機抬頭時的油面角為正，飛機低頭時的油面角為負。油面角與船體坐標平面的關系由油箱安裝角確定。

2.3 油面方程及高度參數(shù)

油箱坐標系原點在船體坐標系下的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

參見圖1、如圖3所示，當>0時，將點的坐標減去點的坐標除以整數(shù)，表示將油箱寬度沿方向分成了等份；同樣將點的坐標減去點的坐標除以整數(shù)，表示將油箱高度沿方向分成了等份；用公式表示為：

（1）

（2）

于是，從點到點可得等間距點（）的坐標。

同理，當<0時，用、兩點來計算最低和最高油面，其余討論與前面的討論相同。

由圖3，根據(jù)直線的角系數(shù)方程得油面的方程為：

（3）

式中：為縱坐標截距；

為斜率（或角系數(shù)），。

由（3）式得：

（4）

這樣，當給定了油面角和點（），則油面的高度參數(shù)就確定了。

3 程序結構

3.1 油面高度參數(shù)子程序

計算油面高度參數(shù)的子程序，包含主程序調用語句和一個子程序。將油箱寬度和高度劃分為段，寬度和高度方向微元用表示。用條件語句判斷油面角若大于零，由右向左計算，由下向上計算；若小于零，由左向右計算，由下向上計算，計算結果存儲于數(shù)組元素中，存儲于數(shù)組元素中。油面高度參數(shù)存儲于數(shù)組中。油面高度參數(shù)計算是為質量特性計算中的油面方程求解提供參數(shù)值。

3.2 質量特性計算子程序

本子程序解決在不同油面角和不同油面高度下燃油質量特性數(shù)據(jù)的計算問題，程序包括主程序調用語句和一個子程序，結構如下：

（1）通過調用子程序計算出油面高度參數(shù)；

（2）根據(jù)已給出的計算出，有了，加上油面角，油面方程即為：；

（3）用判斷語句和賦值語句列出3.3.1節(jié)所給出的條件、特征尺寸和重心；

（4）調用質量特性數(shù)據(jù)疊加程序和移軸程序，計算不同油面角和不同油面高度下燃油質量特性數(shù)據(jù)。其中，∑。

3.3 質量特性疊加、移軸及坐標轉換子程序

對于質量特性數(shù)據(jù)疊加、移軸及坐標轉換子程序，由于它們的程序結構與公式結構基本相同，僅增加一些程序說明、判斷及循環(huán)語句等，這里不再進行詳細描述。

4 計算誤差分析

編制計算程序以某地效飛機為例進行計算，其油箱布置示意圖如圖4所示。

經(jīng)與CATIA測量值進行對比進行誤差分析，如表1所示。

5 結語

通過前面分析計算，本方法設計合理，計算數(shù)據(jù)真實可靠精度較高，滿足飛機設計對耗油質量特性隨迎角變化計算數(shù)據(jù)的精度要求。