微下击暴流突发状况下Cessna-C310起飞仿真测试∗

赵平文 赵鑫业 孙光明 梁海明

（1.92060部队 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院 大连 116018）（3.海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

微下击爆流又称微爆流（Microburst）是一种局部性的下沉气流，气流到达地面后会产生一股与龙卷风破坏力相约的直线风（straight-linewinds）向四方八面扩散［1～3］（如图1所示）。低空风切变造成的多起空难事故表明，微下击暴流对飞机的起飞和着陆都有着极大的危害，已造成人员和财产的重大损失，而且，它对飞机运动的不利影响已大大超过了具有熟练驾驶技术的飞行员实际控制飞机的能力。大量的统计资料显示，风切变的危害主要发生在300m以下的低空起飞或进场着陆阶段［2，4］。

文献［6］从流体动力学的角度研究了下击暴流特性，但没有分析其对飞机造成的危险程度；文献［7］仿真分析了微下击暴流的水平风的变化规律，没有考虑垂直风的影响作用［8］。Cessna-C310（如图2所示）是一种美国产六座双引擎的单机翼飞机。本文假设C310飞机起飞时在铅垂平面内飞行，通过数值仿真研究，对飞机穿越微下击暴流模型的响应特性以及影响因素进行了分析。

2 JSBSim飞行动力学模型框架

飞行仿真是飞行器型号设计与飞行试验的重要辅助手段，一般包括视景仿真、动力学模型与飞控仿真、仪表显示及操纵控制台等子系统。飞行动力学模型与飞控系统为飞行仿真的核心部分，负责根据操纵输入与环境参数更新飞行器状态。JSB⁃Sim模型是一个开源的、多平台支持、由数据驱动的通用飞行动力学模型。主要功能是根据飞行控制模块输入的数据对飞行器的空气动力特性进行计算，解算飞行器的六自由度运动方程以及对因大气环境变化、飞行器起落架、襟翼收放等［9］。

JSBSim主要运行流程如图3所示，首先创建仿真管理类实例FGFDMEexc，接着加载飞机模型，之后加载输入、大气、飞行控制、推进等各类模型并初始化。大气类可以计算基本属性，包括压力、密度、温度，大气属性值在仿真运行每一帧都计算一遍。JSBSim中的函数规范非常强大和通用，允许通过配置文件定义代数函数，其语法规则类似MathML（Mathematical Markup Language，数学标记语言），配置文件中北风向速度计算函数代码片段如图4所示。

3 微下击暴流模型

本文采用简化的无环境风场作用的对称微下击暴流模型，微下击暴流的风场强度主要体现在水平和垂直方向的风速上。假定微下击暴流的水平速度Vx和垂直速度Vy仅与水平距离x有关，则称Vx，y=f（x）为微下击暴流的一维模型。若假定水平速度Vx和垂直速度Vy与水平距离x和垂直距离y有关，则称Vx，y=f（x，h）为微下击暴流的二维模型［8，10］。本文只对无环境风场作用的对称微下击暴流线进行了初步模拟，假定飞机初始航向为正北方，忽略风力扰动，微下击暴流北风向与下风向的速度曲线分别如图5、图6所示，北风向风力由无增至最大，到微下击暴流中心是减弱为0，离开中心后转为南风向至最大值，微下击暴流下风向则由0增至最大值，之后减弱。

4 仿真实验

在JSBSim飞行仿真系统中运行C310飞机的飞行脚本，仿真时间为0～100s，脚本概述如下：C310飞机初始在机场准备起飞，在0.25s启动引擎，并设置初始航向，启动方向保持自动控制功能，预计在高度大于50ft后收回起落架、在空速超过145ft/s后设定飞行高度为1000ft；微下击暴流在0.25s突然出现在飞机起飞的跑道空域。

用实验数据来建立微下击暴流的模糊逻辑模型，并检验模型的正确性和辨识方法的可行性实验结果。仿真实验结果如下：设定微下击暴流的最大风速分别为3、4、5、6（ft/s），飞行地面高度曲线如图7所示，最大风速为6 ft/s时，飞机在升至1000ft后调整至平飞后时出现下坠。攻角曲线图如图8所示，可见自动驾驶的高度保持器即使最大限度地调整了攻角，依然无法阻止飞机出现下坠，飞机升力和上升阻力曲线图分别如图9、图10所示。

在地球质心坐标系（ECEF）中，飞机北方向和下方向速度曲线如图11、图12所示。

C310飞机起落架主要包括一个前起落架（NOSE）和两个后起落架（一左一右，LEFT、RIGHT）。从飞机引擎启动，到飞机滑行离开地面，前起落架接触地面时间为18.1s，右起落架为18.68s，左起落架为18.72s，以前起落架为例，观察其受力情况，其压缩力和州滚转力曲线如图13、图14所示，可见微下击暴流最大速度变化对起落架受力影响不大，对其造成物理性损伤的可能性较小。

5 结语

本文研究了固定翼飞机起飞过程中突然遭遇微下击暴流情形下的飞行特性以及飞机轨迹的变化规律，以Cessna-C310飞机为例，测试了飞机在起飞过程中突遇微下击暴流的可抗风场强度，并给出了各种飞行状态轨迹曲线，为相关领域的研究提供了有益的参考。在对该机型的飞行仿真中可见［11］，当存在文中所述的微下击暴流风场时，当微下击暴流最大风速为6 ft/s以上时，无法完成飞行任务，从而说明了微下击暴流对飞行仿真影响的严重性。另外，本文只对无环境风场作用的对称微下击暴流进行了初步模拟，对环境风切变场中的非对称微下击暴流［12］的结构和演变特征的准确数值模拟及在此风场环境下的飞行起飞测试仍然是一个急待解决的问题。

［1］百度百科.微下击暴流［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/link?url=O1PrJtb0kFREi53tnCSiW fHxBjhlmkexmDaowng qu1Ug7YTYgsxHCcUi2pv-Kn4uif2GH5uQWaDDKrrGU8 Cx_q，2016-06-04.

［2］周娜，刘昶，尹江辉.飞机穿越微下击暴流风场进场着陆运动特性［J］.飞行力学，2001，19（1）：33-37.

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