考虑地面效应的超低空空投载机纵向稳定性评估方法
2019-10-24雒东超张晓敏王文星石佳雨
雒东超 张晓敏 王文星 石佳雨
摘 要：地面效應引起的镜像涡系对超低空空投任务影响显著，文章在分析地面效应对某运输机纵向气动特性影响的基础上，研究了地面效应对某运输机静、动稳定性的影响。基于Routh-Hurwitz稳定性判据，推导了保证执行超低空空投任务的载机其稳定飞行的纵向气动导数范围。仿真验证结果表明，文章研究结论对提出执行超低空空投载机的任务性能指标和制定载机操纵品质指标具有重要参考价值。
关键词：超低空空投;气动特性;地面效应;纵向稳定性
中图分类号：V212.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0011-04
Abstract： The mirror vortex system caused by the ground effect has a significant influence on the ultra-low altitude airdrop mission. Based on the analysis of the influence of the ground effect on the longitudinal aerodynamic characteristics of a transport aircraft， the influence of the ground effect on the static and dynamic stability of a transport aircraft is studied. Based on the Routh-Hurwitz stability criterion， the longitudinal aerodynamic derivative range of the aircraft carrying out the ultra-low altitude airdrop mission is derived. The simulation results show that the conclusion of this paper has important reference value for carrying out the task performance index of the ultra-low altitude aircraft and establishing the control quality index of the aircraft.
Keywords： ultra-low altitude airdrop; aerodynamic characteristics; ground effect; longitudinal stability
超低空空投是指利用降落伞等动力减速器在超低空（3～10m）将重型武器装备、给养等空投至指定区域[1]，是提高现代高技术战争条件下作战能力的必要手段[1]。
由于超低空空投过程是在极低的高度上进行，地面效应产生的镜像涡系对载机气动特性影响显著[2]。且当距离地面较近时，载机稳定性将严重恶化，危及飞行安全[2-3]。因此，有必要深入研究地面效应影响下的载机纵向稳定性的评估方法[2-3]。目前，国内外对地面效应的研究主要集中在地效引起的气动力理论计算[4-5]和近地飞行时稳定性分析[6-7]，而较少关注地面效应对超低空空投过程的影响[3]。国内部分学者考虑了飞行高度对空投载机的作用，从而在超低空空投过程仿真模型加入了地面效应[8-9]。通过对货物移动引起的载机惯性张量和地面效应的实变等效，得到气动参数的不确定性，并设计了超低空空投纵向反步滑模控制律[10]。上述文献[8-10]并未针对地面效应对空投任务性能以及载机动力学特性的影响进行系统研究。
本文研究了考虑地面效应作用的载机超低空空投动力学特性，评估载机的纵向稳定性，以高度模态为主要研究对象，提出了飞行品质指标，并进行了仿真验证。
1 考虑地面效应的空投载机纵向动力学特性
地面效应对超低空飞行的载机纵向气动力及力矩的影响主要由以下三部分组成：附着涡引起的升力系数变化、自由涡引起的升力系数变化、平尾的升力与下洗角变化[3，6，7]。
1.1 升力系数随附着涡变化规律
附着涡引起的升力系数变化ΔCL表示为：
1.2 升力系数随自由涡变化规律
无地面效应时，升力系数CL表示为：
2 超低空空投载机纵向稳定性评估方法
2.1 静稳定性评估方法
纵向静稳定性主要指俯仰静稳定性，采用静稳定导数Cmα来衡量[5]。对于超低空空投载机，由于存在地效作用，因此主要考虑高度静稳定性，即当飞机定直平飞时，飞行高度受扰后，其具有恢复原高度的趋势（Static Height Stability，HS）[7]。
2.2 动稳定性评估方法
3 地效作用下的超低空空投过程仿真
在牵引伞和货物干扰力共同作用下，飞行员需要操作驾驶杆纵向位移，以保持飞机俯仰姿态稳定。由于国内关于重装空投的品质指标研究较少，因此本文从载机响应特性定量地分析空投过程地效对载机稳定性的影响。
3.1 地效作用下的升降舵操纵效能
选取h=100m、V=100/m·s-1与h=10m、V=100/m·s-1两个状态点载机升降舵操纵效能进行仿真分析。得到载机在有地效和无地效情况下的响应如图3所示。
仿真结果显示地效降低了载机升降舵效能，这对于空投任务安全性是极为不利的。因为在牵引阶段，为了使货物离机瞬间，载机可以快速爬升，飞行员需要较大操纵量，并且速度较快的纵向操纵。
