加装吊舱对飞机操稳特性的影响及其尺寸界定

颜凯, 郝琳召, 张锋

(中国飞行试验研究院 试验机设计改装研究部, 陕西 西安 710089)



加装吊舱对飞机操稳特性的影响及其尺寸界定

颜凯, 郝琳召, 张锋

(中国飞行试验研究院 试验机设计改装研究部, 陕西 西安 710089)

摘要:在机身等部位加装吊舱会导致飞机气动外形发生变化,为保证飞行安全,需要评估吊舱对飞机操稳特性的影响。通过CFD方法计算了某型飞机在加装不同尺寸吊舱下的气动特性,在原型机基础上通过增量法建立飞机飞行动力学模型,以必要的操稳特性指标为依据,评估加装吊舱对原型机操稳特性的影响,并结合飞行品质标准及飞机使用限制,给出了吊舱尺寸界限。结果表明,加装吊舱对原型机短周期模态、螺旋模态、定常直线平飞和俯仰拉升时的操纵有一定的影响,依据影响绘制尺寸界定区域图可为飞机改装提供依据。

关键词:气动增量; 操稳特性; 尺寸界定; 飞机改装

0引言

在航空设备的研制过程中,由于设备性能的估算涉及到许多未知因素,最终的性能必须通过试验和试飞来评估[1]。在进行试飞评估时,需要将航空设备加装到飞机上合适的位置以保证设备性能的试验要求，由于受到结构限制,通常会在飞机上加装外挂吊舱。吊舱装机会对载机气动特性产生影响[2-4],引起飞机操稳特性的变化。为了保证飞行安全,获得飞机加装外挂后的安全使用条件,需要评估外挂物对飞机操稳特性的影响。

本文以某型运输机为研究对象,在机身两侧增加不同尺寸的吊舱。以原型机气动特性为基础,通过CFD方法计算增加不同尺寸吊舱后飞机的气动特性,在此基础上建立原型机及增加吊舱后飞机的飞行动力学模型。选取必要的、影响飞行安全的操纵性、稳定性指标,计算飞机的操稳特性,评估增加不同尺寸的吊舱对原型机操稳特性的影响。在此基础上,结合飞行品质相关规范以及飞机使用限制,给出吊舱尺寸界限,可为以后的飞机改装和试飞提供参考。

1加装吊舱的飞机动力学建模

选取某型运输机为研究对象,机长33.6 m,翼展38 m,平均气动弦长3.45 m。如图1所示,吊舱加装位置位于机身中后部,前整流罩为椭圆型,后整流罩为抛物线型,深色部分为所加装的吊舱,吊舱特征尺寸用当量直径Dd和长度L表示。

图1　吊舱布局图Fig.1　Pod layout

考虑飞行品质计算需要,飞机飞行动力学模型包括:本体几何质量特性、地效、发动机模型、气动模型。根据动量和动量矩定理,飞机六自由度动力学方程组为:

(1)

式中:m为飞机质量;V为飞机空速;ω为飞机绕体轴系角速度;h为飞机总动量矩;Fall为飞机受到的合力;Mall为飞机受到的合力矩。

飞机气动力、力矩由两部分构成:原型机气动力、力矩以及加装吊舱后引起的飞机气动力、力矩增量[4]。

(2)

式中:[D0,C0,L0]T,[L0,M0,N0]T为原型机气动力和力矩;[ΔD,ΔC,ΔL]T,[ΔL,ΔM,ΔN]T为加装吊舱引起的飞机气动力和力矩增量。

通过增量表示飞机气动特性在试飞中被证明是行之有效的,能够获得加装吊舱后飞机较为准确的气动模型[4-5]。以式(1)为基础,采用小扰动理论对方程组进行线化,研究加装吊舱对飞机操稳特性的影响,进而根据飞行品质规范及飞机使用限制,给出吊舱尺寸界限。

2飞机纵向操稳特性

2.1纵向静稳定性

计算后重心状态飞机加装吊舱纵向静稳定性的变化,结果如图2所示。

从计算结果可以看出,飞机纵向静稳定性略有减小,这是由于机身两侧加装的吊舱对机翼流场几乎没有影响,仅使机身局部流场发生变化,全机气动焦点前移。

图2　加装吊舱对飞机纵向静稳定性影响Fig.2　Aircraft’s longitudinal static stability with pods

2.2纵向模态特性

纵向运动模态包括短周期模态和长周期模态。纵向模态特性评估公式为:

(3)

(4)

式中:ωsp,ζsp为短周期模态无阻尼自振频率和阻尼比;ωp,ζp为长周期模态无阻尼自振频率和阻尼比。

通过式(3)计算飞机加装不同尺寸吊舱后的短周期模态阻尼比,结果如图3所示。计算结果表明,加装吊舱后飞机短周期模态阻尼比略有增加,在0.47～0.65之间,均在1级飞行品质范围内。

图3　短周期模态阻尼比Fig.3　Damping ratio of the short period mode

原型机长周期模态特性位于3级飞行品质范围内。通过式(4)评估长周期模态特性的变化,计算结果如图4所示。

计算结果表明,飞机加装吊舱后长周期模态阻尼比增加。根据GJB 185-1986飞行品质规范标准,考虑长周期模态阻尼比要求,得出飞机加装的吊舱尺寸界限如下:吊舱当量直径0.6 m,长度12 m时,长周期模态特性位于2级飞行品质范围内;吊舱当量直径1.6 m,长度10 m时,长周期模态特性位于1级飞行品质范围内。

图4　长周期模态阻尼比Fig.4　Damping ratio of the long period mode

2.3纵向操纵特性

考虑纵向典型运动,如定常直线平飞、俯仰拉升运动。定常直线平飞按如下公式配平:

(5)

配平结果如图5所示。

图5　飞机定常直线平飞配平结果Fig.5　Trim results of steady level flight

为保留一定的操作裕度,升降舵偏角不能超过±20°。计算结果表明:升降舵偏角在使用范围内;试验机低速运动舵偏效能不足,为保证升降舵有足够的操纵效能,吊舱当量直径不得超过1.6 m,长度不得超过12 m。

评估飞机俯仰拉升运动用∂δe/∂nn表示:

(6)

∂δe/∂nn<0符合驾驶员正常操纵习惯。过小的∂δe/∂nn容易引起大的法向过载;过大的∂δe/∂nn则限制了飞行器的机动能力。根据飞行品质规范评估吊舱尺寸界限,结果如图6所示。

综上所述，糖尿病并发肺结核诊断实行CT检查的效果显著，能充分发挥CT检查多样性的作用，大大提高干酪样病变及空洞形成的诊断检出率，值得在临床领域中使用及推广。

图6　 ∂δe/∂nn随马赫数的变化Fig.6　Variation of ∂δe/∂nn with Ma

计算结果表明:加装吊舱后,∂δe/∂nn数值增大;当吊舱当量直径为1.0 m,长度为10 m时,飞行品质降级。

3飞机横航向操稳特性

3.1横航向静稳定性

横航向静稳定性计算结果如图7所示。

图7　横航向静稳定性Fig.7　Lateral-directional static stability

加装吊舱后,飞机横向静稳定性降低,航向静稳定性增加。其主要原因是由于加装的吊舱位于机身尾部,对机身尾部流场影响较大,改变了试验机舱门两侧鼓包的尾涡能量[8-9],使得试验机偏航力矩导数增大,滚转力矩导数减小。

3.2横航向模态特性

横航向模态包括滚转模态、荷兰滚模态和螺旋模态。横航向模态特性评估公式如下:

(7)

(8)

(9)

根据式(8)计算飞机荷兰滚模态特性,结果如图8所示。

图8　飞机荷兰滚模态特性Fig.8　Dutch-roll mode characteristic

计算结果表明,飞机在低空和巡航高度的阻尼比略有下降。根据飞行品质规范,加装吊舱后飞机荷兰滚模态特性均在1级品质范围内,加装吊舱没有引起明显的飞行品质降级。

根据式(9)计算飞机螺旋模态特性,计算结果如图9所示。

图9　飞机螺旋模态特性Fig.9　Spiral mode characteristic

计算结果表明:加装吊舱后飞机螺旋模态特性略有下降。起降阶段,原型机位于1级飞行品质范围内;吊舱当量直径0.6 m,长度8 m时,下降到2级飞行品质;吊舱当量直径1.6 m,长度12 m时,下降到3级飞行品质。巡航阶段,原型机位于1级飞行品质范围内。吊舱当量直径1.6 m,长度12 m时,下降到2级飞行品质。

3.3横航向操纵特性

计算定常直线侧滑飞行、定常协调转弯、滚转运动的舵面需求。

飞机进行定常直线侧滑飞行的配平公式为:

(10)

根据式(10),计算结果如图10所示。

图10　定常直线侧滑飞行配平结果Fig.10　Trim results of steady sideslip flight

计算结果表明:随着吊舱尺寸增加,受方向舵舵效限制的最大侧滑角减小,加装吊舱后飞机定常直线侧滑飞行能力下降。原型机副翼舵效不能满足试验机以最大侧滑角作定常直线侧滑飞行时的操纵需求,加装吊舱后,正是由于最大侧滑角减小,飞机作定常直线侧滑飞行所需副翼舵效降低,当吊舱当量直径1.6 m,长度8 m时,副翼舵效能够全部满足需求。

飞机从水平定常直线平飞转入定常协调转弯时,法向过载为:nn=1/cosμ,μ为航迹滚转角。一方面要平衡过载增量Δnn=nn-1产生的气动力矩,另一方面要平衡角速度引起的气动力矩,于是有:

(11)

其中:

根据式(11),计算飞机从定常直线平飞转入定常协调转弯状态的舵面偏度。计算结果表明,飞机加装吊舱后舵面偏转与原型机差别很小。这是由于横航向气动力矩增量主要由角速度引起,而在机身部位加装吊舱对飞机横航向阻尼导数影响很小[7]。

由于吊舱对副翼附近流场几乎没有干扰,对方向舵附近流场干扰也非常小,飞机加装吊舱后横航向操纵导数与原型机基本相同。飞机加装吊舱前后横航向气动力矩增量、操纵导数基本相同,综合作用下飞机加装吊舱后定常协调转弯操纵与原型机基本一致。

对于飞机的滚转运动,按照单自由度滚转近似运动,动力学方程为:

(12)

根据上面的分析,飞机在机身后部加装吊舱对滚转阻尼导数、滚转操纵导数几乎没有影响,加装吊舱后滚转操纵性能与原型机基本相同,计算结果也表明加装吊舱对飞机滚转操纵性能几乎没有影响。

4吊舱尺寸界定

综合吊舱对飞机纵向操稳特性、横航向操稳特性的影响,吊舱尺寸界定如图11～图13所示。

图11　考虑稳定性的吊舱尺寸界定Fig.11　Pod’s dimensional limits with stability considered

可以看出:受长周期模态飞行品质影响,在深灰色区域，全包线满足1级飞行品质要求;在浅灰色区域，包线部分区域满足2级飞行品质要求;在白色区域,包线部分区域满足3级飞行品质要求。

图12　考虑纵向操纵性的吊舱尺寸界定Fig.12　Pod’s dimensional limits with longitudinal controllability considered

在图12中,受定直平飞和拉升运动操纵性限制,在白色区域,全包线范围内定直平飞和拉升运动均满足操纵性要求;在浅灰色区域,定直平飞全包线范围内满足操纵性要求,拉升运动包线局部范围受限;在深灰色区域,定直平飞和拉升运动包线范围局部受限。

图13　考虑横航向操稳特性的吊舱尺寸界定Fig.13　Pod’s dimensional limits lateral-directional 　　controllability and stability considered

横航向吊舱尺寸受螺旋模态和定常直线侧滑平飞限制。在图13中,区域①螺旋模态为1级飞行品质,定直侧滑平飞全包线使用受限;区域②螺旋模态为2级飞行品质,定直侧滑平飞全包线使用受限;区域③螺旋模态为2级飞行品质,定直侧滑平飞全包线满足要求;区域④螺旋模态为3级飞行品质,定直侧滑平飞全包线满足要求。

5结束语

本文将加装吊舱后飞机气动模型分为原型机与加装吊舱后的增量两部分,通过CFD方法计算飞机气动特性,在此基础上进行飞行动力学建模，选取必要的操稳特性指标,评估加装吊舱对飞机操稳特性的影响。计算结果表明:在机身中后段加装吊舱,飞机纵向长周期模态出现品质降级,纵向定常直线平飞操纵效能下降,拉升运动时的纵向操纵效能下降;横航向螺旋模态出现品质降级,定常直线侧滑飞行由于能够保持侧滑飞行的最大侧滑角下降,副翼操纵效能变得能够满足包线使用要求。根据吊舱尺寸对飞机操稳特性的影响,绘制了吊舱的尺寸界定图,可为该型飞机的改装提供参考。

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(编辑：崔立峰)

Influence of pod on controllability and stability of aircraft and its dimensional limits

YAN Kai, HAO Lin-zhao, ZHANG Feng

(Experimental Aircraft Design and Modification Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

Abstract:Installing pods in fuselage and other parts will cause the change of aircraft’s aerodynamic shape, it’s necessary to evaluate the influence of pod on maneuverability and stability of aircraft to ensure flight safety. In the paper, the aerodynamic characteristics of an aircraft with pods of different sizes were calculated using CFD, the flight dynamic model was established based on the prototype with incremental method. Then the influence was evaluated based on the essential subjects of maneuverability and stability, the pod’s dimensional limits were given by combining the flying quality specification with the influence. The results show that the short period mode, the spiral mode, the control in steady level flight and pitch-up maneuvers are all influenced with pods installed. The figures for dimensional limits plotted according to the influence could provide the basis for further modification of aircraft.

Key words:aerodynamic increment; controllability and stability; dimensional limits; aircraft modification

中图分类号：V212.1

文献标识码：A

文章编号：1002-0853(2016)01-0072-05

作者简介:颜凯(1988-)，男，江苏淮安人，助理工程师，硕士，研究方向为试验机设计改装、飞行性能/品质和飞行控制。

收稿日期:2015-06-15;

修订日期:2015-09-14; 网络出版时间:2015-10-30 08:57