单航向爬升性能数据修正方法及应用

2022-03-29范祝彬

科技创新与应用 2022年7期

范祝彬

（中国商飞民用飞机试飞中心，上海 201323）

爬升性能是指飞机在实际大气环境中，其剩余推力转换高度的能力，是飞机一项重要的性能指标，包括爬升率、爬升梯度、爬升时间、油耗等。在飞机运营过程中，相应的数据通过飞行手册或者相应的性能分析软件给出。爬升性能试飞的目的是在真实飞行环境下进行飞行试验，通过试飞数据分析获取并验证飞机的极曲线，确定飞机的阻力特性，用于飞行手册及性能分析软件。同时根据CCAR25.119、121、123中爬升性能相关要求，向局方演示并表明在特定状态下，飞机的爬升梯度满足其最低要求[1]。

爬升性能试飞通常有“锯齿法”和“平飞加速法”两种[2]，其中“平飞加速法”试飞效率高，但是对于小速度区间、单发爬升及非巡航构型下具有局限性；“锯齿法”由于每次只能完成一个状态点的爬升率试验，其效率比平飞加速效率要低得多。“锯齿法”为了降低爬升过程中风梯度变化对结果的影响，采取相差180度两个相反航向爬升取平均值的方法，导致试飞效率较低。

本文研究了风梯度对爬升性能试飞方法的影响，提出了稳定爬升中风梯度影响修正方法，在“锯齿法”中仅用单航向爬升完成爬升性能试飞，降低由于时间及空间带来风速风向变化的影响，以实现提高试飞效率及试飞结果精度的目的。

1 理论基础

1.1 概述

飞机的爬升性能和飞机剩余推力直接相关，如图1所示。推力为给定状态下（最大爬升推力），发动机推力由发动机供应商通过飞行试验确定，给出对应不同高度、速度条件下的推力值。飞机的剩余推力是推力同阻力的差，在给定重量、高度、速度及飞机状态等条件，阻力可以通过极曲线获取。通过爬升性能的试飞，可以得到飞机在不同构型下的极曲线，随着飞机爬升性能各类参数计算的输入，特别是对于单发爬升性能，可以获取单发失效极曲线以及附加物阻力增量等气动特性数据[3]。

图1 爬升性能与剩余推力的关系

“锯齿法”是爬升性能试飞中常用的试飞方法。试飞时飞机从目标高度以下建立稳定爬升状态，保持稳定的推力、指示空速及航向，直到目标高度以上，高度带的宽度的选择同飞机的剩余推力（爬升率）大小有关，高度带宽度通常不超过2 000 ft，或者总的时间不超过2 min。

1.2 爬升性能数据处理方法

将稳定爬升飞机的受力情况分解到垂直剖面飞行航迹及垂直航迹方向上，如图2所示。

图2 飞机稳定爬升过程中受力图

进行受力平衡分析，公式如下：

假定发动机安装接近飞机的轴线，垂直航迹加速度为0，则公式（1）和（2）精简如下：

在稳定大气中，使用“锯齿法”时需要飞机保持表速及爬升推力，从初始高度爬升至目标高度，飞机航迹加速度为0，剩余推力转化为势能。由公式（4）可得到：

在性能数据处理中，需要得到CL及CD两个，分为由公式（3）和（5）可以得到：

2 风梯度的影响

2.1 环境风速风向的获取

当前民用飞机飞管计算机可以直接输出风速风向，在稳定飞行过程中精度是可靠的。若飞机没有飞管或者相应的构型不到位时，可以使用计算的方法，获取稳定爬升过程中环境的风速及风向，风速风向计算方法可以通过简单的矢量方程，结合坐标转换得到：

其中：Vg为飞行器相对于地面的速度，一般通过GNSS、差分GNSS或GNSS惯导融合系统测量；Vw为空气相对地面的速度，即风速；Va为飞行器相对于空气的速度。全静压系统测量出当量空速后，根据温度解算出真空速，再通过迎角、侧滑角换算到机体坐标系，然后使用3个姿态角换算到地面坐标系。

2.2 风梯度对爬升性能的影响

公式（4）是对惯性坐标系（即地面坐标系）成立，在“锯齿法”爬升过程中，若存在风梯度，则ax≠0，此时飞机的剩余推力做功除了转化为飞机的势能外，还改变了飞机的动能。假定飞机以稳定空速150 kn爬升，无风梯度条件下爬升率为1 500 ft/min；在风梯度为每1 000 ft变化10 kn条件下飞机实际爬升率偏离将达到15%。

为了降低试验空域内风速的影响，爬升性能试飞通常需要选取风速相当稳定的时段和区域开展，比如在早上或者平原地区。如图3所示是某飞机双航向爬升过程中，两个航向爬升率差异的百分比，从数据的离散性可以看出，风梯度对结果影响较大。

图3 某飞机双航向爬升试飞爬升率差异

在实际试飞过程中，单纯使用双向爬升，通过算数平均的方式消除风梯度的影响，需要两个方向飞行时风梯度一致。因此需要通过分析试验空域内风梯度变化情况，以确定试验是否有效。在试验空域内，实现完全无风梯度的情况是不可能的[4-5]，在风梯度相对稳定情况下，通过双向爬升方法可以消除风的影响。但是双航向爬升需要两个方向飞行时尽快通过同一空间剖面，随着时间的推移风梯度也可能发生变化，减少了有效的试验结果，试飞效率较低。