民机横航向稳定性飞行试验与评定方法研究

孙康宁, 陆正杰, 张景亭

(1.中国飞行试验研究院 试飞员学院, 陕西 西安 710089;2.西北大学 信息科学与技术学院, 陕西 西安 710127;3.中国人民解放军 空军试飞局， 陕西 西安 710089)



民机横航向稳定性飞行试验与评定方法研究

孙康宁1, 陆正杰2, 张景亭3

(1.中国飞行试验研究院 试飞员学院, 陕西 西安 710089;2.西北大学 信息科学与技术学院, 陕西 西安 710127;3.中国人民解放军 空军试飞局， 陕西 西安 710089)

摘要:根据适航条款的要求,归纳出民机横航向稳定性的试飞要点。对国产某型支线客机的横航向稳定特性进行了评定研究,提出了合适的飞行试验方法,并进行了飞行试验评定。试验结果表明,该试验方法所验证的本体阻尼特性满足适航审定的最低要求,而且通过自动偏航阻尼器的增稳作用,飞行品质有显著提升,飞行员更易于完成横航向控制的飞行任务。

关键词:适航审定; 横航向稳定性; 飞行试验

0引言

国内之前的运输类飞机定型试飞工作中,主要依托GJB 185-86对飞机进行试验考核。但民机的飞行任务、飞行包线、运营环境等与军用飞机有较大的不同,横航向稳定性考核内容和试飞方法也与军机有较大区别。民航适航管理条例也对此提出了特殊的适航审定要求,因此针对适航审定试飞的工作需要,开展民机的横航向稳定性试验及评定方法研究具有非常重要的意义。

本文首先研究分析了CCAR-25中有关横航向稳定性要求的条款;然后,针对国产某型支线客机,利用其设计数据对一系列典型飞行状态的操稳特性进行分析,提出横航向稳定性适航审定试飞的方法。通过飞行试验中的驾驶体会、评述与事后数据分析,表明该机的横航向稳定性符合适航要求。本文的研究工作可为今后民机适航取证相关工作提供参考。

1适航条款的理解

根据CCAR-25-R4第25.177条对横向和航向静稳定性的要求[1],结合文献[2-3]，对于横航向稳定性试飞工作,主要应注意以下两点:

(1)对于横航向静稳定性试飞,采用协调侧滑动作进行检查,关注脚蹬力与侧滑角、侧向过载和方向舵偏度的梯度关系是否满足相关适航条款的要求,产生滚转的方向与蹬脚蹬方向是否一致,是否满足正的横向稳定性要求。

(2)对于横航向动稳定性试飞,利用脉冲、倍脉冲动作激发荷兰滚模态,满意的响应要求是1～2个周期内振荡迅速消失,即受到重阻尼。如果持续振荡,则振荡不应发散,且纠偏后荷兰滚模态能快速收敛。

2横航向稳定性分析

2.1横航向静稳定性

航向静稳定性又称风标稳定性,是指飞机产生侧滑时能自动恢复到指向风来向的趋势,通常用Nβ来表示:

(1)

横向静稳定性通常称为上反角效应,用Lβ表示:

(2)

在飞行试验中,横航向静稳定性用协调侧滑特性表示,航向静稳定性是脚蹬力、方向舵偏角随侧滑角变化的函数,稳定的航向稳定性要求左方向舵偏度和左脚蹬力产生右侧滑角,反之亦然。横向静稳定性是飞机对侧滑的滚转趋势,稳定的横向稳定性要求左副翼下偏和驾驶盘右偏产生右侧滑角,反之亦然。表1为某型支线客机横航向静稳定性数据。

表1　横航向静稳定性数据

2.2横航向动稳定性

横航向动稳定性包含滚转、荷兰滚和螺旋模态。所研究的该型飞机发动机在后机身吊挂,T尾布局,相较于常规布局飞机荷兰滚阻尼较小。通过增大垂尾面积和采用较小的机翼上反角得到可接受的本体荷兰滚阻尼特性[4]。

表2为该机横航向动稳定性设计数据。主要包括自然频率ωnd、荷兰滚模态阻尼比ζd、滚转模态时间常数TR和螺旋模态倍幅时间T2。

表2　横航向动稳定性数据

3飞行试验评定

3.1横航向静稳定性

实际的飞行试验表明,协调侧滑动作时注意事项有以下几点[5]:

(1)为了准确地保持航向,可在远处选一个明显目标(如清晰可见的云朵),这样比单纯的依靠仪表指示飞行简单、准确。

(2)进入侧滑时,要杆舵协调、动作柔和。当出现偏差需要修正和调整时,杆舵不要同时动。较好的做法是以脚蹬位置不动,修正驾驶盘的位置,这样飞机状态的变化比较平稳。

(3)保持稳定直线侧滑飞行的关键是飞行轨迹和方向保持不变,即偏航速率为0。阶梯操纵法要求在每个稳定飞行段保持飞行轨迹方向不变,但不必每个稳定飞行段都保持相同航向。

(4)改出侧滑时,应保持好航向,防止松舵过早、过快,使飞机的航向变化过大。更要防止回杆、回舵过快,造成飞机过度振荡,延长了飞机恢复稳定状态的时间,降低了试飞效率。

(5)在部分荷兰滚模态阻尼频率较小的构型下,在进入和改出侧滑时,要严防速率过快或动作幅值过大,以防飞机进入荷兰滚振荡。

以巡航构型为例,该构型下各个速度的定常直线侧滑表现出一致的规律性[6]:

(1)在定常直线侧滑飞行过程中,无特殊的驾驶技巧就能平稳地过渡到其他飞行状态。

(2)整个侧滑角范围内,感觉操纵量、操纵力线性关系较明显,没有操纵力反向,符合正常操纵规律;直至蹬满舵的角度为止,方向舵脚蹬力都在可以接受的范围内，且无反逆现象。

(3)整个侧滑角范围内,滚转操纵力和脚蹬操纵力不存在过度的摩擦力。

(4)增加方向舵偏度时引起侧滑角增加,在定常直线侧滑飞行中,副翼和方向舵操纵行程和操纵力基本上稳定地正比于侧滑角。

图1为协调侧滑试飞操纵动作与运动响应曲线。

图1　协调侧滑试飞操纵动作与运动响应Fig.1　Response curves of coordinated sideslip

3.2横航向动稳定性

荷兰滚模态飞行试验首先应激发飞机的固有频率,从而确定合适的蹬舵速度。方向舵扫频时分别用较慢频率、中等频率和快频率进行扫频动作,摸索到飞机的固有振荡频率大约在0.25～0.50 Hz(一个完整的倍脉冲周期需要),在这个频率上飞机响应有略微的“反操纵”现象。在合适的蹬舵速度附近,太快则能量小,不易激起飞机的扰动运动,太慢则激起的频率范围很窄。

确定蹬舵速度后,需确定合适的操纵输入量。为了体会飞机的动态响应和探索合适的输入量,先以很小的幅度倍脉冲方向舵,结果由于动作量过小,飞机受到的干扰过小,飞机只是微略晃动一下,几乎没有其他类似的振荡响应;再以满行程幅度倍脉冲方向舵,结果动作量过大,使飞机姿态变化偏离平衡位置过大,飞机的状态发生了很大的改变,甚至有进入复杂状态的趋势,必须马上手动制止,得不到满意的扰动运动。

经过几次尝试之后发现,蹬舵量为1/4到1/2全行程的范围是比较合适的,飞机的状态响应在飞行员意料中和可控范围内,振荡比较均匀，并且清晰可辨。

相同构型下,偏航阻尼器(YD)接通时能感受到很强烈的阻尼,偏航阻尼器断开时飞机才会随着输入开始振荡,特别是在襟翼4卡位时,飞机呈现出近似中立稳定的持续性振荡,需介入操纵动作消除振荡,实现稳定飞行。

振荡过程中由于螺旋模态影响,每个构型下飞机的倾斜角可能向一个方向增大,但增大的幅值不会很大,而且随时间的推移增幅变化量也不大,在可控范围之内。

振荡的同时飞机会伴随产生俯仰变化,即抬头或低头现象。在此过程中,在不干扰横侧振荡运动的前提下,采取了对俯仰运动干扰的办法,即用手指在驾驶盘中央位置轻轻抵住或勾住的办法抑制俯仰变化。

在飞机的振荡过程中,通过飞机的坡度变化量来判读飞机的振荡幅值和振荡次数。倍脉冲输入时,输入幅值较大,相应的荷兰滚初始振荡幅值就大(坡度大),反之亦然。通过计数飞机往左侧或右侧滚转至最大值的次数,统计飞机振荡的周期。襟翼在巡航构型下,偏航阻尼器断开时通过仪表和外界变化、人体感受很容易能判知到飞机振荡的收敛过程;起飞构型下在振荡13个周期内通过坡度变化值判知出收敛趋势;着陆构型下计数15个周期以上飞行员没判知出收敛趋势,在15～20个周期内用横侧操纵驾驶盘的方法人工干预荷兰滚振荡,很容易改出振荡模式,飞机进入平稳飞行。

图2和图3为着陆构型下(起落架放下、襟翼40°)飞机的响应曲线。

图2　偏航阻尼器接通时的时间历程曲线Fig.2　Response with YD on

图3　偏航阻尼器断开时的时间历程曲线Fig.3　Response with YD off

可以看出:对于偏航阻尼器接通的情况,由于此状态下的荷兰滚阻尼比很大,振荡迅速收敛,满足大纲要求[6-7];当偏航阻尼器断开时,滚转、偏航方向响应均呈现持续振荡,但根据图3所示,该振荡没有持续发散,呈缓慢收敛,通过人工干预操纵可改出振荡模式,进入平稳飞行,因此该状态下动稳定性也满足适航条款要求。

4结束语

本文的研究工作表明,良好的气动布局和操纵系统设计可以使民机获得满意的横航向静稳定性。通过偏航阻尼器的设计,有效增加荷兰滚模态阻尼比,可以获得满意的动稳定性。在断开偏航阻尼器后,如果荷兰滚振荡接近中立稳定,不继续发散,且辅助操纵可以消除荷兰滚振荡,那么横航向动稳定也满足适航条款要求。

参考文献：

[1]CAAC.运输类飞机适航标准CCAR-25-R4[S].北京:中国民航总局,2011.

[2]杨建忠.运输类飞机适航要求解读(第3卷):设计与构造[M].北京:航空工业出版社,2013.

[3]修忠信.运输类飞机合格审定飞行试验指南[M].上海:上海交通大学出版社,2013.

[4]丁兴国,陈昌荣.民航运输机飞行性能与计划[M].北京:清华大学出版社,2012.

[5]周自全.飞行试验工程[M].北京:航空工业出版社,2010.

[6]FAA.适航咨询通告FAR/JAR 25.671[S].北京:中国民航总局,2002.

[7]王立新.适航性条例、飞行品质规范和设计准则[J].飞行力学,2000,18(2):1-4.

(编辑：任亚超)

Research on the method of flight test and evaluation for lateral and directional stability of civil aircraft

SUN Kang-ning1, LU Zheng-jie2, ZHANG Jing-ting3

(1.Test Pilot School, CFTE, Xi’an 710089, China;2.Information Science and Technology Institute, Northwestern University,Xi’an 710127, China;3.Air Force Flight Test Bureau of the PLA, Xi’an 710089, China)

Abstract:Key points for lateral and directional stability of civil aircraft are summarized according to the requirements of airworthiness regulations. Lateral and directional stability of a domestic regional jet aircraft was evaluated and studied, proper flight test methods were presented and evaluated through flight test. Flight test results show that the experimental method of otology damping characteristics meet the minimum standards for airworthiness certification. The flying quality has been significantly increased through the stability augmentation of automatic yaw dampers, and it is easier for the pilot to complete the flight mission for lateral and directional control.

Key words:airworthiness certification; lateral-directional stability; flight test

中图分类号：V217

文献标识码：A

文章编号：1002-0853(2016)01-0082-03

作者简介:孙康宁(1984-)，男，甘肃静宁人，试飞员，主要从事民用飞机、直升机科研试飞工作。

收稿日期:2015-06-30;

修订日期:2015-10-13; 网络出版时间:2015-11-13 14:45