基于準(zhǔn)則的戰(zhàn)斗機(jī)大迎角飛行品質(zhì)分析

惠少輝

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

在小迎角區(qū)域，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行品質(zhì)的研究已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)姆e累，美軍標(biāo)MIL-STD-1797 對(duì)該區(qū)域的飛行品質(zhì)要求作出了明確的定義。而在大迎角區(qū)域，氣動(dòng)特性的變化使傳統(tǒng)的飛行品質(zhì)指標(biāo)如操縱期望參數(shù)（CAP），短周期阻尼比，頻域Neal-Smith 準(zhǔn)則等已經(jīng)不能完全適用，需要制定新的適用于大迎角飛行區(qū)域的相關(guān)品質(zhì)規(guī)范來(lái)評(píng)估和指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)。本文將從以下2 個(gè)方面介紹大迎角飛行品質(zhì)研究工作：大迎角飛行品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則和大迎角飛行品質(zhì)評(píng)估機(jī)動(dòng)動(dòng)作。用經(jīng)典的低階等效模型反映帶飛控系統(tǒng)飛機(jī)的大迎角動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)大迎角縱向頻率-阻尼比準(zhǔn)則和橫向滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)-滾轉(zhuǎn)角速率準(zhǔn)則，通過(guò)俯仰、滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)及縱橫向的大致截獲和跟蹤任務(wù)來(lái)確定飛機(jī)的品質(zhì)等級(jí)，并解釋在不同參數(shù)組合下的操縱特性。

1 大迎角縱向頻率-阻尼準(zhǔn)則分析

在大迎角區(qū)域內(nèi)，如果飛行器存在穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，在控制系統(tǒng)輔助下，飛機(jī)在駕駛員操縱頻帶范圍內(nèi)，也應(yīng)該具有理想的低階頻率響應(yīng)特性，因此可以用經(jīng)典的低階等效模型反映帶飛控系統(tǒng)飛機(jī)的大迎角動(dòng)力學(xué)特性如圖1 所示。

圖1 縱向模態(tài)響應(yīng)

通過(guò)俯仰機(jī)動(dòng)及大迎角捕獲、跟蹤等任務(wù)的模擬，可以確定低階等效系統(tǒng)的飛行品質(zhì)等級(jí)，對(duì)應(yīng)于完成任務(wù)的難易程度和工作負(fù)荷，從而近似地評(píng)估高階系統(tǒng)的飛行品質(zhì)等級(jí)。

1.1 縱向階躍響應(yīng)及捕獲、跟蹤任務(wù)

通過(guò)選取縱向二階操縱響應(yīng)特性，簡(jiǎn)要介紹不同頻率和阻尼比組合對(duì)俯仰機(jī)動(dòng)及大迎角縱向捕獲、跟蹤動(dòng)作完成情況影響的評(píng)價(jià)方法。滾轉(zhuǎn)操縱指令和偏航操縱指令的時(shí)間常數(shù)設(shè)為常值。因?yàn)楫?dāng)不同的頻率阻尼比組合難以控制、靈敏或者操縱遲緩時(shí)，難以進(jìn)行追蹤及捕獲任務(wù)，所以先采用階躍信號(hào)來(lái)進(jìn)行不同組合的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比，然后挑選合適的頻率-阻尼比組合來(lái)完成縱向捕獲、跟蹤任務(wù)，最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果完成與準(zhǔn)則的對(duì)比。

首先進(jìn)行其在不同頻率-阻尼比組合下的階躍響應(yīng)，在1 s 時(shí)拉桿，持續(xù)1 s，第2 s 時(shí)桿恢復(fù)到中立位置，其不同頻率-阻尼比組合動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2—圖6 所示。

圖2 頻率阻尼比分別為3.0 rad/s、1 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖3 頻率阻尼比分別為2.5 rad/s、0.8 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖4 頻率阻尼比分別為2.3 rad/s、1.4 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖5 頻率阻尼比分別為1.5 rad/s、1 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)俯仰機(jī)動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 頻率阻尼比分別為0.3 rad/s、1.2 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

1.2 縱向評(píng)價(jià)結(jié)果與準(zhǔn)則的對(duì)比

完成上述縱向俯仰和截獲及跟蹤任務(wù)后，查看表1 中的評(píng)價(jià)及縱向截獲、跟蹤任務(wù)的庫(kù)伯-哈珀評(píng)價(jià)，對(duì)比麥道公司建議的大迎角縱向飛行品質(zhì)等級(jí)及評(píng)價(jià)。如圖7、8 所示，方塊代表試驗(yàn)點(diǎn)，可以看出在不同的頻率阻尼比組合下，表1 中的評(píng)價(jià)基本和縱向跟蹤、捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)相對(duì)應(yīng)。尤其是在設(shè)定的頻率阻尼比下，縱向跟蹤、捕獲分別滿足適當(dāng)和滿意的要求，如果依據(jù)傳統(tǒng)的MIL-STD-1797《軍用標(biāo)準(zhǔn)——有人駕駛飛行器飛行品質(zhì)》，操縱的品質(zhì)評(píng)價(jià)明顯和實(shí)際評(píng)價(jià)不相符，但和麥道公司建議的大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)良好吻合。這也很好地初步驗(yàn)證了大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)劃分的合理性。

表1 俯仰機(jī)動(dòng)結(jié)果

圖7 縱向跟蹤飛行品質(zhì)等級(jí)及駕駛員評(píng)價(jià)

圖8 縱向截獲飛行品質(zhì)等級(jí)及駕駛員評(píng)價(jià)

2 大迎角橫向滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)-滾轉(zhuǎn)角速率準(zhǔn)則分析

同縱向一樣，橫向也采用經(jīng)典的低階等效模型來(lái)反映帶飛控系統(tǒng)飛機(jī)的大迎角動(dòng)力學(xué)特性。如圖9 所示。

圖9 滾轉(zhuǎn)模態(tài)響應(yīng)

對(duì)于橫向，指令繞速度軸的滾轉(zhuǎn)角速率，一階操縱響應(yīng)特性，下文將簡(jiǎn)要介紹不同滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合對(duì)滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)及大迎角捕獲、跟蹤動(dòng)作完成情況影響的評(píng)價(jià)方法。

2.1 橫向階躍響應(yīng)及捕獲、跟蹤任務(wù)

因?yàn)楫?dāng)不同的滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合難以協(xié)調(diào)滾轉(zhuǎn)、操縱靈敏或者遲緩時(shí)，難以進(jìn)行追蹤及捕獲任務(wù)，所以先采用階躍信號(hào)來(lái)進(jìn)行不同組合的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比，然后挑選合適的滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合來(lái)完成橫向捕獲、跟蹤任務(wù)，最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果完成與準(zhǔn)則的對(duì)比。

首先進(jìn)行其在不同滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)-滾轉(zhuǎn)角速率組合下的階躍響應(yīng)，在1 s 時(shí)右壓桿到底，持續(xù)5 s，第6 s桿恢復(fù)到中立位置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖10、11 所示。

圖10 時(shí)間常數(shù)和角速率分別為1.5 s 和118°/s 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2.2 橫向評(píng)價(jià)結(jié)果與準(zhǔn)則的對(duì)比

完成上述橫向滾轉(zhuǎn)和截獲及跟蹤任務(wù)后，查看表2 中的評(píng)價(jià)及橫向截獲、跟蹤任務(wù)的庫(kù)伯-哈珀評(píng)價(jià)，對(duì)比麥道公司建議的橫向飛行品質(zhì)等級(jí)及評(píng)價(jià)。如圖12、圖13 所示，方塊代表試驗(yàn)點(diǎn)，與表2 對(duì)比可以看出在不同的滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合下，基本和圖中的橫向跟蹤、捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)及評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。特別是在設(shè)定的滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合下，橫向跟蹤、捕獲分別滿足滿意和適中的庫(kù)伯-哈珀等級(jí)要求，模擬結(jié)果的品質(zhì)等級(jí)和傳統(tǒng)的MIL-STD-1797《軍用標(biāo)準(zhǔn)——有人駕駛飛行器飛行品質(zhì)》與大迎角下的橫向跟蹤與捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)都吻合得很好。這也初步看出，MIL-STD-1797《軍用標(biāo)準(zhǔn)——有人駕駛飛行器飛行品質(zhì)》和大迎角下的橫向跟蹤與截獲飛行品質(zhì)等級(jí)具有很好的一致性。

圖11 時(shí)間常數(shù)和角速率分別為1.0 s 和94°/s 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖13 橫向跟蹤飛行品質(zhì)范圍

滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)結(jié)果

圖12 橫向截獲飛行品質(zhì)范圍

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大迎角飛行品質(zhì)，分為縱橫向，運(yùn)用大迎角飛行品質(zhì)準(zhǔn)則來(lái)分析大迎角特性。縱向采用了大迎角頻率-阻尼準(zhǔn)則來(lái)分析，通過(guò)加入基于任務(wù)的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)內(nèi)容——縱向跟蹤及捕獲，綜合俯仰動(dòng)態(tài)響應(yīng)和縱向跟蹤及捕獲來(lái)評(píng)價(jià)縱向飛行品質(zhì)的同時(shí)，驗(yàn)證不同頻率阻尼比組合的操縱特性及品質(zhì)邊界。結(jié)果表明，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)和麥道公司建議的大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質(zhì)等級(jí)吻合得很好。橫向采用橫向滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)-滾轉(zhuǎn)角速率準(zhǔn)則來(lái)分析評(píng)價(jià)，同樣的，可綜合橫向動(dòng)態(tài)響應(yīng)和橫向跟蹤及截獲任務(wù)來(lái)評(píng)價(jià)橫向飛行品質(zhì)，并驗(yàn)證不同滾轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)角速率組合的操縱特性及品質(zhì)邊界，最終確定大迎角縱橫向的品質(zhì)等級(jí)區(qū)域。