涡轮螺旋桨飞机单双发停车续航性能分析研究

陕西飞机工业集团飞机设计研究院,陕西 汉中 723213

1.概述

涡轮螺旋桨发动机由于自身所具有的经济性、安全性、适用于中速长距离飞行等一系列的优势，被用于运输机、海岸巡逻机和反潜机中。飞机在执行任务过程中可能出现发动机停车的情况，会导致飞机不能安全返场，甚至出现更为严重的情况，造成严重损失。本文从某一典型任务剖面出发，对飞机在执行任务过程中出现的单双发停车时的续航性能进行了计算、对比和分析。

2.数学模型

续航性能是指飞机持续航行的能力，主要包括航程和航时。

飞行剖面是由爬升、巡航、下降等各个阶段组合而成。

巡航段的航程、航时占总航程、航时的主要部分。飞机巡航时，认为每一瞬间都满足等速水平直线飞行的运动方程。在此基础上，计算巡航段的航程和航时的公式为：

其中，m1、m2分别为巡航段起点和终点时的飞机质量，qkm为公里耗油量；qh 为小时耗油量。飞机的小时耗油量qh和公里耗油量qkm 根据平飞条件及耗油率可得:

其中，pxy为平飞需用拉力，p为平飞可用拉力，Q 为阻力(单发停车考虑舵偏阻力和顺桨阻力，对称双发停车只考虑顺桨阻力)，K 为升阻比，G 为飞行重量，qN为耗油率，V 为飞行速度。

3.实例分析

本文通过某一具体任务剖面来对飞机单双发停车的续航性能进行分析研究。

3.1 任务剖面描述

任务剖面是由若干飞行任务阶段组成,是任务特性的具体体现和标志,集中说明了飞机在执行一次飞行任务中,从离开基地,执行任务到返回原基地着陆—称为“半径型”,或从离开基地，执行任务到另一基地着陆—称为“非半径型”，所表现出一组飞行性能的综合能力。本文所采用的任务剖面属于“半径型”，即从基地出发，爬升到高空以较大的速度进行巡航，至低空执行巡逻任务，在执行任务末期，发动机出现了单台或双台停车，飞机以不小于作战半径的距离进行返场，具体如图1所示。

在执行任务过程中，随着时间的推移，飞机燃油储备量降低，飞机返场能力下降，因此在执行任务末期出现发动机停车为飞机安全返场能力最低点。本文计算了执行规定任务时间时发动机停车这种最严酷状态下飞机返场的可能性。

返场可行性评判标准：

安全返场的评判标准按航程不小于作战半径；

一旦出现发动机停车情况飞机应当立即返航。

3.2 续航性能计算

根据剖面要求，对某涡桨类飞机的单双发停车返场能力进行计算，主要考虑的因素如下：

a）使用空重：A、B,且B＞A；

b）单发停车：临界发动机停车顺桨；

c）双发停车：对称发动机停车顺桨；

图1

d）考虑顺桨阻力及舵偏阻力；

e)功率限制：发动机最大允许功率为额定状态。

本文以如下四种状态进行表示，分别为A/单发、B/单发、A/双发、B/双发。通过计算可知，在作战区域执行了规定的任务航时后且耗尽备份油的情况下，A/单发、A/双发、B/双发状态时的航程不小于作战半径，可安全返场；而B/单发状态的航程小于作战半径，不能返场（见图2）。

对返场能力进行分析，可以得出以下结论：A 重量时的续航性能优于B 重量；双发停车时的续航性能要优于单发停车时的续航性能。

图2

3.3 续航性能分析

3.3.1 重量对续航性能的影响

飞机巡航时，认为每一瞬间都满足等速水平直线飞行的运动方程，由公式（1）、（2）可以看出，在巡航时始终保持qkm 和qh 最小，就可以得到L 和T 最大值。

由于使用空重B 较A 有所增加，使得载油量减少，续航性能有所降低。飞机平均巡航重量增加（载货重量相同）使飞机需用功率和耗油量增加，导致航程航时减小。

3.3.2 发动机状态对续航性能的影响

当飞机临界发动机停车顺桨时，为纠偏需要蹬舵、压盘，产生了舵偏阻力；同时螺旋桨还产生顺桨阻力。计算时考虑了这两种阻力，致使在相同条件下飞机的阻力增加，导致油门处于较大状态；飞机巡航速度也相应改变。综合以上两种因素，最终使飞机单发停车的航程、航时相对四发正常巡航时缩短。

与临界发动机停车不同的是，对称双发停车后不考虑舵偏阻力，由于两台发动机停止工作引起的耗油减少量大于因发动机停车带来的阻力增加而引起的耗油增加量，最终导致续航性能相对单发停车的续航性能有增加的趋势，如图3所示。

图3

4 结语

综合以上计算分析，可得以下结论：

a)飞机出现发动机停车现象时,处于大油门状态巡航；

b)临界发动机停车时的续航性能相对四发正常续航性能稍有降低；飞机在执行剖面任务过程中当执行作战任务末时出现临界发动机停车情况，A/单发状态时可安全返航(单发停车并耗尽备份油续航距离不小于作战半径)；而B/单发状态时在执行完作战任务的情况下不能完成安全返场，只能在作战任务完成之前完成安全返场；

c)飞机在执行剖面任务过程中当执行作战任务未出现对称发动机停车情况，可安全返航(对称发动机停车并耗尽备份油续航距离不小于作战半径)。

[1]1987 飞行力学杂志社飞机飞行性能计算手册

[2]GJB 34A-2012 有人驾驶飞机(固定翼)飞行性能和图表资料

[3]AircraftPerformanceAndDesign John D.Anderson，Jr

[4]Airplane Aerodynamics and Performance Dr.Jan Roskam

[5]Flight Performance of Aircraft S.K.Ojha