地效飞机耗油质量特性随迎角变化简易算法研究

邬恒 彭平

摘 要：针对地效飞机设计初期燃油质量特性与耗油曲线程序设计较为复杂、软件测量较为耗时、重复工作量大等问题，为简化计算和减轻工作量，引入一种基于程序设计的简易算法，并以某地效飞机为例进行计算。计算结果标明，该方法真实可靠、計算精度高，能够满足飞机设计对耗油质量特性随迎角变化计算数据的精度要求。

关键词：地效飞机；耗油质量特性；简易算法

中图分类号：V272 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0073-02

飞机飞行重量是由空机重量、燃油和载重组成的，随着飞机飞行时间、姿态的变化，飞机的重量、重心及转动惯量也是变化的。对于一架定型的飞机而言，飞机的空重基本不变，载重中可消耗载荷（弹药、灭火用水等）变化是一种时段性的变化，唯有燃油是持续性的、随时间而变化的。由此，为了计算飞机在空中飞行的质量特性是否满足飞机操稳性能的要求，燃油随迎角变化的质量特性计算就显得尤为重要了。

由于燃油的油箱外形随着在飞机上安装位置的限制是千变万化的，外形复杂，其所载燃油的质量特性也随其变化。本方法的目的是根据所布置油箱及总载油量的大小，计算在不同飞机迎角、不同油面高度下油箱中载油量的重量、重心及自身惯量矩。方法设计力求简单明了，程序设计代码量少，并能满足计算精度要求。

1 油箱构型及参数

要计算燃油随迎角变化的质量特性，必须要知道油箱的具体构型，下面参考某地效飞机的油箱外形，这里油箱外形是由平面构成的，对于不同的油箱布置，油箱外形也可以由曲面构成。

在船身左右侧各布置一载油量约为0.08吨的贮油箱，贮油箱最大载油量0.16吨。右侧贮油箱外形及典型油面见图1所示。设计时仅考虑一侧油箱，因另一侧油箱对称，对整个油箱的质量特性采用数学叠加方法计算。

2 模型建立

2.1 建立油箱边界曲面方程

要求出图1中的油箱载油量，必须首先求出边界曲面所围的体积，对于整个油箱满油情况下，燃油体积由上顶面、下底面和周围边界面所组成，考虑到燃油耗油随迎角变化，油箱在高度方向受水平油面的限制，那么，把水平油面作为高度方向的燃油界面之一。这样组成油箱燃油界面的平面（或曲面）分别为上顶面、下底面、周围边界面和水平油面。

油箱的俯视图如图2所示，参见图2，在平面坐标系中，已知点的坐标（）。各个面的方程根据各点的坐标确定，如两点的直线方程：

，，

设

于是的直线方程：；

两点的直线方程。

2.2 油面角（）的定义

考虑到飞机抬头（或低头）飞行时，油面与平面有一个夹角，这个角定义为油面角。规定飞机抬头时的油面角为正，飞机低头时的油面角为负。油面角与船体坐标平面的关系由油箱安装角确定。

2.3 油面方程及高度参数

油箱坐标系原点在船体坐标系下的坐标是：

。

点在油箱坐标系中的坐标是：

。

点在油箱坐标系中的坐标是：

。

点在油箱坐标系中的坐标是：

。

点在油箱坐标系中的坐标是：

。

参见图1、如图3所示，当>0时，将点的坐标减去点的坐标除以整数，表示将油箱宽度沿方向分成了等份；同样将点的坐标减去点的坐标除以整数，表示将油箱高度沿方向分成了等份；用公式表示为：

（1）

（2）

于是，从点到点可得等间距点（）的坐标。

同理，当<0时，用、两点来计算最低和最高油面，其余讨论与前面的讨论相同。

由图3，根据直线的角系数方程得油面的方程为：

（3）

式中：为纵坐标截距；

为斜率（或角系数），。

由（3）式得：

（4）

这样，当给定了油面角和点（），则油面的高度参数就确定了。

3 程序结构

3.1 油面高度参数子程序

计算油面高度参数的子程序，包含主程序调用语句和一个子程序。将油箱宽度和高度划分为段，宽度和高度方向微元用表示。用条件语句判断油面角若大于零，由右向左计算，由下向上计算；若小于零，由左向右计算，由下向上计算，计算结果存储于数组元素中，存储于数组元素中。油面高度参数存储于数组中。油面高度参数计算是为质量特性计算中的油面方程求解提供参数值。

3.2 质量特性计算子程序

本子程序解决在不同油面角和不同油面高度下燃油质量特性数据的计算问题，程序包括主程序调用语句和一个子程序，结构如下：

（1）通过调用子程序计算出油面高度参数；

（2）根据已给出的计算出，有了，加上油面角，油面方程即为：；

（3）用判断语句和赋值语句列出3.3.1节所给出的条件、特征尺寸和重心；

（4）调用质量特性数据叠加程序和移轴程序，计算不同油面角和不同油面高度下燃油质量特性数据。其中，∑。

3.3 质量特性叠加、移轴及坐标转换子程序

对于质量特性数据叠加、移轴及坐标转换子程序，由于它们的程序结构与公式结构基本相同，仅增加一些程序说明、判断及循环语句等，这里不再进行详细描述。

4 计算误差分析

编制计算程序以某地效飞机为例进行计算，其油箱布置示意图如图4所示。

经与CATIA测量值进行对比进行误差分析，如表1所示。

5 结语

通过前面分析计算，本方法设计合理，计算数据真实可靠精度较高，满足飞机设计对耗油质量特性随迎角变化计算数据的精度要求。