基于飞行参数的某型飞机反螺旋特性分析

王书强, 明磊, 李颂, 吴高龙, 刘秀娟

(空军航空大学 航空理论系, 吉林 长春 130022)

基于飞行参数的某型飞机反螺旋特性分析

王书强, 明磊, 李颂, 吴高龙, 刘秀娟

(空军航空大学 航空理论系, 吉林 长春 130022)

关于某型飞机正飞螺旋特性的研究已经比较充分,但对其反螺旋的认识还十分缺乏。以该型飞机一起反螺旋飞行事故中记录的主要飞行参数为依据,通过计算反螺旋动态参数,分析了该型飞机的反螺旋特性。研究结果表明，该型飞机的反螺旋属于稳定的陡直振荡反螺旋。所提出的螺旋特性的推算方法为利用飞行参数研究和分析反螺旋特性提供了理论依据,对于准确判断及正确处置螺旋、保证飞行安全具有理论指导意义。

反螺旋; 飞行参数; 参数推算

0 引言

螺旋属于非常规飞行状态,对螺旋特性的认识和掌握,有助于飞行员在发生螺旋时能快速准确地判断飞机的状态,从而实施正确的操纵,改出螺旋,保证飞行安全,否则将危及飞行安全,甚至造成机毁人亡[1]。某型飞机由于加装了迎角、过载限制系统,一般飞行状态下不会进入螺旋状态,但是在复杂条件下,如果飞行员没有正确判断飞机的状态而操纵错误,就有可能使飞机进入螺旋状态。某型飞机不仅可能发生正飞螺旋,在一定的飞行状态下还可能进入倒飞螺旋(也称为反螺旋)。由于该型飞机的发动机安装在飞机的腹部,飞机在倒飞，特别是在倒飞状态下发生失速和螺旋时,通常会出现发动机停车现象。因此,该型飞机未系统地进行过反螺旋试飞,只进行了相关的风洞试验和理论分析[2]。通过对各种文献数据库的深入检索,也没有找到该型飞机反螺旋的其他相关文献。由此看来,对该型飞机反螺旋特性的理论研究还十分缺乏,有必要对其进行深入的研究分析,而利用飞行参数进行研究是一个十分有效的途径。本文依据该型飞机一起反螺旋飞行事故的主要飞行参数,运用飞机螺旋动力学分析方法[3],对其反螺旋的动态特点进行了数值推算和理论分析,所得出的结论对于飞行员认识和掌握反螺旋特性具有一定的借鉴意义。

1 反螺旋动态参数的推算

表征飞机反螺旋动态特性的参数主要有:迎角、侧滑角、俯仰角、倾斜角、旋转1圈所需时间及下降高度、绕机体轴的旋转角速度等。从某型飞机飞行参数中可得到侧滑角、俯仰角、倾斜角、旋转1圈所需时间及下降高度等数据。由于该型飞机飞行参数中迎角值的输出范围是-4°～+46°,迎角小于-4°时,飞行数据记录仪没有记录相应的迎角值,因此,需要采用理论方法推算飞机的迎角值。此外,飞机绕机体轴的旋转角速度也需要推算得出。

1.1 迎角值的推算方法

首先,将飞行参数中的表速换算成真速。真、表速之间的换算可查该型飞机的真、表速换算表[4],或者利用下式进行计算:

(1)

式中,Vb为表速;ρ0,ρH分别为海平面标准大气密度和实际飞行高度(H)大气的密度。ρH值可利用下式算得:

ρH=1.225×(1-0.0000225577H)4.225588

(2)

其次,计算反螺旋下滑角。根据飞行参数中高度值随时间的变化,可算得反螺旋中飞机的下降速率(Vy),再按照下式可求得飞机的下滑角:

θ=arcsin (Vy/V)

(3)

最后,推算迎角。飞机的下滑角是相对于地面轴系的,而迎角是气流轴系与机体轴系之间的一个角度,要推算迎角的值,就需要进行坐标轴系的变换[5],具体方法是:以飞行速度为中介,建立气流坐标轴系中飞行速度(Va)与地面坐标轴系中飞行速度(Vg)之间的关系,进而确立迎角(α)与倾斜角(γ)、俯仰角(ϑ)、侧滑角(β)、下滑角(θ)之间的关系。Va与Vg之间的关系如下式所示:

(4)

式中,Lgb,Lba分别为机体轴系与地面轴系、气流轴系与机体轴系之间的转换矩阵。

(5)

(6)

sin ϑ cosαcosβ-cos ϑ cosγsinαcosβ-

cos ϑ sinγsinβ=sinθ

(7)

在γ,ϑ,β,θ均为已知的情况下,根据式(7)即可求得飞机的迎角。

1.2 旋转角速度推算方法

(8)

图1 地面坐标轴系与机体坐标轴系之间的关系Fig.1 Relationship between the ground axes system and the body axes system

2 数据分析

2.1 原始数据分析

飞行数据记录仪记录的数据显示,飞机于2 903 s进入反螺旋,至2 959 s结束,即飞机反螺旋经历时间为56 s。为了便于说明问题,将反螺旋开始的时间记为0 s,结束时间为56 s。主要飞行参数ψ,ϑ,γ和β随时间的变化曲线如图2所示。根据偏航角的变化可以判定,该型飞机此次反螺旋共经过了2圈又110°。

图2 部分飞行参数时间历程Fig.2 Variation of some flight parameters with time

从图2中可以看出:反螺旋第1圈用时29 s,下降高度为1 720 m,平均俯仰角为16.6°,特别是俯仰角由4°逐渐变化为-30°,由上仰转为下俯,并逐渐趋于稳定;反螺旋第2圈用时14 s,下降高度为1 030 m,俯仰角变化范围为-22°～-45°,平均俯仰角为-32.2°,其它动态参数的振荡幅度较反螺旋第1圈小;反螺旋第3圈只转过了110°左右,共用时13 s,而且在第3圈开始后第6 s、第7 s,前、后舱飞行员相继跳伞,飞机的各操纵面处于松浮状态。综合来看,反螺旋第2圈的参数变化相对稳定。

2.2 推算数据分析

按照反螺旋动态参数的推算方法,通过对反螺旋中的迎角和绕机体轴旋转角速度进行推算,得到相应参数的时间变化曲线,如图3、图4所示。

根据飞机反螺旋动态的特点,特别是反螺旋中旋转角速度的变化特点[7],并结合反螺旋第2圈参数的变化情况,可知该型飞机此次反螺旋过程中飞机表现为右偏(ωy<0)、左滚(ωx<0)、上仰转动(ωz<0),符合飞机反螺旋中参数变化的一般规律,说明推算出的数据是合理的,并且迎角和旋转角速度的变化相对比较稳定,可以作为分析反螺旋特性的依据。

图3 反螺旋中迎角随时间的变化Fig.3 Variation of AOA with time in converse spin

图4 反螺旋中旋转角速度随时间的变化Fig.4 Variation of angular speed with time in converse spin

2.3 数据统计分析

通过对该型飞机反螺旋第2圈中主要飞行参数原始数据和理论推算数据进行综合统计分析(见表1),可以看出:反螺旋中飞机持续右偏(ωy<0)、左滚(ωx<0)、内侧滑(β>0),符合稳定右反螺旋条件;平均俯仰角小于-30°、下降率在58～80 m/s之间,符合陡直反螺旋规律;平均迎角为-46.3°,迎角在-39°～-62°之间振荡,振荡幅度为±18°,说明反螺旋是振荡型的[8]。

表1 反螺旋第2圈主要飞行参数Table 1 Primary flight parameters during the second circle of converse spin

根据飞行参数原始数据和理论推算数据的综合统计分析,按照螺旋的分类方法[8],可以得出以下结论:该型飞机此次发生的反螺旋是右偏、左滚、以偏为主的稳定陡直振荡右反螺旋。

3 结束语

利用本文提出的方法得到的结论是合理可信的,可以作为飞行员判断飞机反螺旋动态的依据。无论是飞行参数原始数据还是理论推算数据,其变化规律都符合反螺旋的一般特征。另外,虽然飞行参数原始数据存在一定的误差,以及反螺旋中飞行员也没有像正常螺旋中固定杆、脚蹬位置,这些会影响到反螺旋的动态特性,但其动态变化规律仍可以作为飞行员判断飞机是否进入反螺旋、并实施正确操纵的理论依据。

该型飞机此次反螺旋是右偏、左滚、以偏为主的稳定陡直振荡右反螺旋,该反螺旋形态可能只是该型飞机反螺旋所有形态的一种。因为该型飞机的正飞螺旋有三种表现形态:陡螺旋、平螺旋和“落叶飘”式螺旋。由此可推测该型飞机反螺旋也有可能存在其它形态,不过是否存在其他形态的反螺旋、反螺旋动态特性如何,还需要进一步的理论研究和试飞验证。

本文采用基于飞行参数相关数据分析飞机螺旋运动特性的方法,是一个综合分析非常规飞行状态飞机运动特性的有效方法,可利用该方法研究飞机的其他运动特性。

该型飞机反螺旋仍是一个需要进行全面、深入研究的空白领域。下一步需要做的工作一方面是可以通过理论研究,从理论上切实搞清楚反螺旋的进入机理、动态特性和正确的改出动作;另一方面是在理论研究取得一定成果的基础上,组织实施反螺旋试飞,进一步验证反螺旋的动态特性。通过理论研究和试飞验证为飞行员预防飞机进入反螺旋,特别是意外进入反螺旋时能够准确判断、正确处置、保证安全打下基础。

[1] 王书强,刘永学.某歼击机尾旋进入特性数值分析[J].空军航空大学学报,2011,4(3):24-27.

[2] 李中华.某型飞机失速螺旋特点及处置方法[J].航空杂志,2008,(6):16-18.

[3] 科契克 Μ Γ.飞机螺旋动力学[M].北京:蓝天出版社,1978:37-39.

[4] 金长江,范立钦.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1990:58-70.

[5] 方振平,陈万春,张曙光.航空器飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:16-22.

[6] 胡兆丰,何植岱,高浩.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1985:27-28.

[7] 钟日超.后掠翼飞机失速与螺旋若干问题的理论研究[M].北京: 蓝天出版社,1982:114-124.

[8] 杨永华,徐邦年.作战飞机的失速螺旋气动惯性旋转[M].北京:蓝天出版社,1996:65-123.

Analysisofconversespincharacteristicsaboutacertainaircraftbasedonflightparameters

WANG Shu-qiang, MING Lei, LI Song, WU Gao-long, LIU Xiu-juan

(Aviation Theory Department, Air Force Aviation University, Changchun 130022, China)

A certain aircraft’s normal spin characteristics are fully understood by us, but the knowledge about the converse spin characteristics is quite less. In this paper, taking the flight parameters recorded by the flight data recorder during one converse spin accident as the basis, a method to extrapolate converse spin flight parameters was put forward using the spin dynamics basic theory and the converse spin characteristics were analyzed. The results show that the form of the aircraft’s converse spin is a one with stable and steep oscillation. The parameters extrapolation method in this work provides theoretical basis to research the converse spin characteristics using the flight parameters data. In addition, the results are of directive significance for pilots to judge the converse spin exactly and then handle it correctly.

converse spin; flight parameters; parameters extrapolation

V212.1; V328.3

A

1002-0853(2013)06-0501-03

2013-02-22;

2013-06-08; < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2013-10-22 14:15

国家自然科学基金青年基金资助(61102120)

王书强(1966-),男,河南偃师人,副教授,研究方向为飞行动力学。

(编辑：姚妙慧)