固定翼飞机机动性计算软件设计与开发

屈高敏

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

固定翼飞机机动性计算软件设计与开发

屈高敏

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

飞机机动性是固定翼飞机的重要战术、技术指标,为了方便计算和分析，直观显示飞机机动性的计算结构设计，开发了飞机机动性能计算软件。一是将平飞加速性能、上升性能和盘旋性能作为衡量飞机机动性能好坏的指标；二是基于标准exe工程，使用多层窗体和Adodc数据库访问技术，完成软件编写；三是用典型飞机的数据来验证数学模型及软件的合理性。

战术指标；机动性能；计算软件

机动性是飞机的重要战术、技术指标，是指飞机在一定时间内改变飞行速度、飞行髙度和飞行方向的能力，相应地称之为速度机动性、高度机动性和方向机动性。飞机改变一定速度、高度或方向所需的时间越短，飞机的机动性就越好。在空战中，优良的机动性有利于获得空战的优势[1]。对于飞机来说，在一定的时间内，如果飞机的飞行速度、高度和方向变化越大，就证明该飞机的机动性能良好。相对于飞机的其它性能，飞机的机动性可以说是非常重要[2]，尤其对于战斗机等军用飞机。当飞机在执行空中作战任务时，良好的机动性大大提高了胜利的机率，而且可以对敌机进行有力打击，迅速取得空战优势，减少人员和战机损失。

由于飞机机动性能的计算比较复杂[3]，目前还未有简洁直观的飞机性能计算软件，因此，研究开发一款专用的飞机性能计算软件非常必要。

1 飞机通用机动性计算

1.1 飞机机动性影响因素

影响飞机机动性的两大关键因素是翼载荷与推重比。一般来说，飞机的翼载荷越低，推重比越高，飞机的机动性就越强。此外，飞机在机动飞行时所受的载荷要比在水平直线稳定飞行时大好几倍[4]。因此,在设计飞机时,必须考虑到飞机在各种飞行情况下，都要有足够的强度和刚度，以保证飞行安全。

1.2 飞机机动性能指标的选取

选取合适的机动性能指标可以更好、更清晰地认识飞机的机动性能[5-6]。

(1)上升率：是飞机在提高飞行高度时单位时间内上升的垂直高度，它在数值上等于上升速度在垂直方向的分量。对于歼击机来说，不仅要求它的飞行水平速度足够快，它的垂直速度也要达到一定水平。空战中，歼击机需要在很短时间内迅速爬升到很高的高度，获得高度优势，才能对敌机进行有效打击，否则就会错失战机，很难取得空战优势。

(2)稳定盘旋能力：主要与发动机的推力和机翼可能产生的最大升力系数有关。盘旋过载、盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速度的值是衡量盘旋性能的重要指标。为了提高飞行员的驾驶技术，在飞行训练任务中就包含各种机动飞行，而且这些机动飞行大多与盘旋有关，比如S型转弯、懒八字、急上升转弯等等。由此可见，盘旋飞行是飞机在飞行过程中必不可少的部分，盘旋性能的计算是衡量飞机机动性不可缺少的因素。

(3)推重比：推重比一般是指发动机推力与飞机所受重力的比值。在实际飞行中，随着高度、温度等条件的变化，发动机的推力也将产生明显的变化，即飞机的实际推重比是随环境变化而不断变化的。

(4)翼载：飞机重力和机翼面积的比值便是飞机的翼载。与其它机动性参数不同，它不是越大越好，也不是越小越好，对不同机型，有着不同的最适值。在飞机盘旋过程中，翼载与盘旋时的升力系数成正比，而升致阻力系数又和升力系数的平方成正比，所以翼载不能太大，否则阻力会变得很大，降低飞机的机动性；而在飞机平飞时，翼载又与飞行速度的平方成正比，要想加快飞行速度，必须有大翼载。因此，飞机在设计过程中必须针对这两种情况进行折中处理，给出一个相对的最佳翼载。

综合以上参数，考虑计算的难易程度、公式的适用性、实际工程中模型的简化等问题后，采用水平加速时间来衡量飞机的水平加速性能，采用上升率来衡量飞机的上升性能，采用盘旋半径、用盘旋周期和盘旋角速度来衡量飞机的稳定盘旋性能。

1.3 飞机机动性计算方法

1.3.1 飞机在垂直平面内的机动飞行

飞机在垂直平面内的机动飞行包括平飞加速、减速以及同时改变速度、高度的其它典型飞行动作，如俯冲、跃升等。考虑各方面原因，选取飞机的平飞加速性能和上升性能来计算。

1.3.2 平飞加速

平飞加速性能用来衡量飞机加速性能的好坏。飞机从一马赫数加速到另一马赫数所用的时间越短，则表明飞机的加速性能越好。

1.3.3 飞机上升

飞机的定常直线上升飞行与平飞不同的是航迹与地面有一个倾角。飞机在空中稳定上升时，受到4个力的作用：升力、重力、发动机推力、阻力。发动机推力不单单要克服直线运动中的阻力，还要克服飞机重力在航迹方向的分力。

1.3.4 稳定盘旋

稳定盘旋性能是指在保持速度和高度不变情况下的盘旋能力，主要与发动机的推力和机翼可能产生的最大升力系数有关。

飞机在空中做稳定盘旋时，受4个力作用(见图1)：升力Y、重力G、推力P和阻力X。忽略发动机安装角和飞机迎角(通常很小)，相关计算具体见参考文献[5]、[6]。

图1 稳定盘旋

2 软件开发与研究

2.1 总体思路

根据需求设计软件的开发流程图，如图2所示。

图2 程序流程开发图

软件在编写过程中，需进行大量数据库的构建，用来存储一些对比机型的基本数据，同时还将一些已知的，但会随环境变化而变化的变量参数写入专门的数据库，如空气密度、声速等，以方便计算。在建立数据库的同时，还为数据库加入了添加、修改、删除等功能，以满足相关计算的需要。

2.2 程序开发

平飞加速时间计算界面可实现不同机型在不同高度时平飞加速时间的计算，将计算结果写进数据库后，可生成与其他机型的对比图,如图3、图4所示。

图3平飞加速时间计算窗体

图4 变速度盘旋性能对比图

数据库的编写使用了Listbox和Adodc两个控件，其中Listbox控件用来显示数据库中的主键数据列表，将Listbox的Datasource键连接到相关的Adodc之后，Adodc控件就可将Access数据库和Listbox连接在一起。

在本窗体中，关于稳定盘旋的计算分为三种情况：

(1)给定一个恒定不变的盘旋倾角，分别输入一连串递增或递减的盘旋速度，将计算结果写入数据库后，分别生成盘旋过载、盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速度等随速度变化的柱状图，进而可以得出随盘旋速度变化等性能指标的变化规律。

(2)给定盘旋速度，输入一系列递增或递减的盘旋倾角，将计算结果写进对应的数据库，分别生成盘旋过载、盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速度等随盘旋倾角变化的柱状图，同样可以得出随盘旋倾角变化等性能指标的变化规律。

(3)第三种情况是在考虑相关限制因素的前提下，对某一飞机进行盘旋性能的计算，并可与其它机型进行对比，生成对比图表。

MSchart控件是Microsoft Visual Basic 6.0编程软件中的一个特别实用的图表生成控件，它可以通过编写相关代码直接生成图表，也可通过链接各种数据库来生成；本软件中的相关图表，如各机型间的柱状对比图等都是通过MSchart控件连接数据库生成的。

3 算例与分析

3.1 平飞加速时间计算

以F-16、歼-10和歼-11为例，先后输入其基本数据，点击计算，得出该机型从Ma1加速到Ma2所需时间，如表1、表2所示。

表1 平飞主要参数输入

*注：和飞行高度相关的空气密度和声速的其它参数，在高度确定后可直接由数据库给出；马赫数Ma1和马赫数Ma2对应的零升阻力系数和升致阻力因子也由所引数据库对应给出

表2 平飞加速时间

由表2可知，F-16、歼-10和歼-11三种飞机从0.5Ma加速到0.6Ma所用时间不同，其中F-16和歼-10耗时较多，且所用时间相差不大，而歼-11较其它机型耗时较少。

从F-16和歼-10的对比可知，虽然这两架飞机的各项基本参数大不相同，但在0.5Ma到0.6Ma这一加速区间，它们所用的时间却很相近，而歼-11相比于F-16和歼-10耗时则明显要少，这说明飞机的平飞加速性能不是由飞机的某一或某几个基本参数决定的，即飞机的加减速性能取决于飞机的推重比以及升阻比，增加飞机的推重比和升阻比可改善加速性能。

3.2 上升率计算

以F-16、歼-10和歼-11为例，先后输入其基本数据(同平飞参数输入)，点击计算，得出该机型在马赫数Ma1时的上升率，如表3所示。

表3 上升率

由表3可知，在同一高度、同一上升速度的情况下，F-16和歼-10的上升率十分接近，但是歼-11的上升率却远大于F-16和歼-10，说明了飞机上升率的值不是由某一或某几个参数决定的，参考平飞加速计算，爬升率也必定是由某些参数的比值决定的。

通过爬升率的计算可知，当爬升速度一定时，飞机的爬升率是由飞机剩余推力与重力的比值决定的，对其进行化简，可得

结合飞机的平飞加速计算可得，飞机在垂直平面内的机动飞行性能取决于飞机的推重比(P/G)和升阻比K的值。

3.3 稳定盘旋计算

稳定盘旋计算分为三个部分：

(1)给定盘旋倾角，计算不同盘旋速度下的盘旋性能指标。给定盘旋倾角为30度，分别计算盘旋速度为200m/s、300m/s、400m/s、500m/s时，盘旋过载、盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速度的值。具体结果见图4。

(2)给定盘旋速度，计算不同盘旋倾角下的盘旋性能指标。给定盘旋速度为200m/s，分别计算盘旋倾角为40度、60度、70度时，盘旋过载、盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速度的值(由于柱状图暂时不能显示小数，所以选用跨度比较大三个角度来进行计算)。

由分析可知，在理想情况下，当倾角不变时，随着盘旋速度的增大，飞机的盘旋过载不变，盘旋半径、盘旋周期随之增大，盘旋角速度随之减小；当速度不变时，随着盘旋倾角的增大，盘旋过载、盘旋角速度随之增大，盘旋半径、盘旋周期随之减小。

在理想条件下，不考虑发动机等限制因素，上述结果是成立的，但在实际飞行中，飞机的盘旋能力要受到很多因素的限制，最主要的便是发动机的可用推力、飞机的结构强度和人的生理条件、失速边界等因素的限制。

(3)给定过载和盘旋速度，计算某飞机能否正常盘旋，并计算其能稳定盘旋的最小盘旋半径。分析可知，不同飞机在以相同飞行速度盘旋时，它们的最小盘旋半径有一定的差异，盘旋半径越小则说明盘旋能力越好。对于一架飞机来说，决定它盘旋性能好坏的因素有很多，它们之间的关系相对复杂。

4 结论

经过验证，软件编写正确，在允许误差范围内。所开发的软件能够很好的应用不同机型、不同场景下的机动性能计算，并使用MSchart控件实现计算结果的可视化对比，所以本软件具有良好的用户交互性。同时，本软件操作简单，显示界面简洁明了，不具有很高的专业性，非专业人员也能轻松使用。

[1] LIU X F,CUI S M,GAO W F,et al.Software Development of On-Board Power Electronics Equipment Using Model-Based Design Methodology[J].Applied Mechanics & Materials,2014(494-495)：1524-1528.

[2] GUERRA E,ANICHE M.Chapter 9-Achieving Quality on Software Design through Test-driven Development[EB/OL].[2017-06-10].https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802301-3.00009-0.

[3] 褚双磊,温瑞英,王玉,等.飞机气动性能辅助计算演示系统设计[J].实验技术与管理,2017,34(2):140-143.

[4] 商重阳,高正红.过载极曲线及其在比较飞机机动性中的应用[J].飞行力学,2002,20(2):15-18.

[5] 朱宝鎏,朱荣昌,熊笑非.作战飞机效能评估[M].第2版.北京：航空工业出版社,2006:270-274.

[6] 方振平.航空飞行器飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:102-116.

[责任编辑、校对：东艳]

Abstract：Aircraft maneuverability is an important tactical and technical index of fixed-wing aircraft.Aircraft maneuverability calculation software is developed for the sake of calculation and analysis as well as visual display of calculation structure.First of all,flat fly acceleration performance,rising performance,and hover performance are used as indicators to evaluate aircraft performance.Secondly,based on standard exe engineering,the software is programmed via the multi-layer form and Adodc database access technology.Finally,the rationality of the mathematical model and software is validated through data of typical aircrafts.

Keywords：tactical index;maneuver performance;calculation software

Design&DevelopmentofFixed-wingAircraftManeuverabilityCalculationSoftware

QVGao-min

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V249.1

A

1008-9233(2017)05-0037-05

2017-06-14

陕西省自然科学基金资助(2016JM1014)；陕西省教育厅自然科学基金资助(16JK1396)；通用航空工程技术中心建设基金(XHY-20120824)；校级科研基金(2017KY1229)

屈高敏(1990-)，女，陕西渭南人，助教，主要从事飞行器总体设计与系统仿真研究。