側滑角對橫航向控制律設計影響分析

鄒俊俊，翁雪花，肖成方，張羽白

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

通過研究國外飛機側滑角的應用情況，我們發現，大部分西方的三、四代飛機均會將側滑角信號引入飛控系統進行控制律設計，改善飛機的橫航向飛行品質，美國“超級大黃蜂”資料顯示，側滑角信號是設計防偏離控制律的關鍵因素，在大迎角下通過將側滑角和側滑角速率信號輸送到副翼和差動平尾來對側滑角和側滑角速率進行直接控制，進而實現較好的抗偏離特性。 歐洲“臺風”戰斗機和意大利M-346 教練機的機頭側面和下方裝有四個多功能探頭，可測得多余度的側滑角信號，并將側滑角引入飛控系統以改善飛機橫航向特性，實現指令和控制側滑角等功能。

目前國內部分飛機雖然安裝了側滑角傳感器，但由于測量的準確性或者余度問題，真正引入飛控系統用于控制律設計的卻很少，但側滑角對于橫航向飛行品質的作用是至關重要的，因此本文基于某型飛機平臺研究側滑角對于飛機抗偏離特性的影響，將側滑角信號引入飛控系統進行橫航向控制律設計，并對傳統橫航向控制律和引入側滑角信號的控制律進行仿真對比分析。

1 側滑角對飛機偏離特性的影響

以某型飛機為例，研究其本體氣動特性可知，在大迎角下出現大側滑角時橫航向不穩定，因此可引入側滑角反饋限制大迎角滾轉時的側滑角。

本節對比分析飛機本體氣動和引入側滑角反饋后的抗偏離特性，飛機引入側滑角反饋的橫航向控制律設計簡圖如圖1 所示。

圖1 引入側滑角反饋的橫航向控制律簡圖

側滑偏離參數：

橫側操縱偏離參數（LCDP）：

單獨操縱副翼：

操縱副翼以及與側滑角成比例的方向舵：

按規定格式繪制判據曲線，如圖2 所示，圖中各區域含義如下：

A 區：無偏離。

B 區：輕度的初始偏航發散，接著是反向滾轉（輕度滾轉偏離）；低尾旋敏感區。

C 區：中度的初始偏航發散，接著是反向滾轉（中度滾轉偏離）；中尾旋敏感區。

D 區：強烈偏航發散以及反向滾轉；高尾旋敏感度。

計算飛機本體氣動特性和引入側滑角反饋后飛機的各穩定判據參數，畫出相關判據對比圖，如圖3和圖4 所示。

圖3 空中階段LCDP 曲線對比

圖4 著陸階段LCDP 曲線對比

從以上計算結果可知，空中階段和著陸階段飛機本體的LCDP1 曲線中均存在部分狀態點進入輕度偏離敏感區，而引入側滑角反饋的LCDP2 曲線中所有狀態點均處于無偏離區，改善了飛機的抗偏離特性。故引入側滑角反饋可有效降低飛機大迎角下的偏離敏感性。

2 引入側滑角的橫航向控制律設計

傳統橫航向控制律使用副翼-方向舵交聯控制方法，通過此方法控制滾轉過程中的側滑角，但效果有限，特別在中小速度時飛行員反映滾轉時滾轉角速率很不均勻，滾轉忽快忽慢，且滾轉時法向過載和迎角變化范圍較大，飛行員反映很不舒服。 這是由于滾轉過程中產生較大側滑角，并且會出現有利側滑和不利側滑交替的情況， 進而產生非期望的滾轉和偏航；同時由于未引入側滑角信號，航向只能通過側向過載反饋來間接控制側滑角，無法達到精確控制，易產生橫航向剩余響應。

為解決上述問題，本節將側滑角信號引入飛控系統進行橫航向控制律設計，改善飛機的橫航向特性，并進行仿真對比分析。

2.1 控制律設計

傳統的橫航向控制律設計使用側向過載反饋加副翼-方向舵交聯控制方法，控制律簡圖如圖5 所示。將側滑角信號引入后，直接利用方向舵控制側滑角，設計理念為：運用比例積分控制原理通過腳蹬位移指令側滑角，并引入偏航角速率反饋改善荷蘭滾阻尼特性，同時在比例積分控制后加入側滑角反饋改善荷蘭滾特性，去掉傳統橫航向控制律的副翼-方向舵交聯和側向過載反饋，控制律簡圖如圖6 所示。

圖5 傳統橫航向控制律簡圖

圖6 引入側滑角的橫航向控制律簡圖

2.2 仿真結果

根據2.1 節的橫航向控制律設計原理在六自由度非線性模型中進行仿真分析，在5km，0.4M 狀態點平飛，分別在橫向、航向上給定一個4s 的滿桿/滿腳蹬方波輸入，傳統橫航向響應和引入側滑角信號后橫航向響應的仿真對比曲線見圖7 和圖8。

圖7 橫向壓桿50mm 仿真對比曲線

圖8 腳蹬位移50mm 仿真對比曲線

由上述仿真對比曲線可以得出以下結論：

1） 圖7 中，在壓滿桿連續滾轉中，相較于傳統橫航向控制律設計，引入側滑角反饋后，滿桿滾轉時側滑角有明顯的減小，同時帶來了滾轉角速率、法向過載和迎角特性的改善， 滾轉角速率變化更加均勻，法向過載和迎角的變化范圍也有所減小。

2） 圖8 中， 傳統橫航向控制律在進行滿腳蹬操縱時，迎角、法向過載和俯仰角速率變化量較大，側滑角、側向過載和滾轉角速率有較大超調和振蕩，響應不均勻，腳蹬回中后側滑角無法及時回零，導致出現不希望的橫航向剩余響應；引入側滑角反饋并通過方向舵控制側滑角的方式， 在進行滿腳蹬操縱時迎角、法向過載和俯仰角速率變化量大幅減小，航向響應平滑無超調，腳蹬回中后，側滑角很快回零，消除了不希望的剩余振蕩。

3 結 論

本文將側滑角引入飛控系統進行偏離特性和尾旋敏感特性分析，經對比發現，將側滑角引入橫航向控制律可以降低飛機的偏離敏感度，提高飛機在大迎角下的操縱安全性。

同時，設計了引入側滑角的橫航向控制律，對比分析與傳統橫航向控制方法的區別，通過六自由度仿真對比，發現引入側滑角的橫航向控制律能夠有效地減小中小速度下壓桿滾轉時的側滑角， 以及法向過載和迎角的變化范圍，明顯減小蹬舵后的剩余響應，很大程度上改善了橫航向的響應特性，提高了飛行品質。