基于准则的战斗机大迎角飞行品质分析

惠少辉

（中国飞行试验研究院，西安 710089）

在小迎角区域，国内外对飞行品质的研究已经有了相当的积累，美军标MIL-STD-1797 对该区域的飞行品质要求作出了明确的定义。而在大迎角区域，气动特性的变化使传统的飞行品质指标如操纵期望参数（CAP），短周期阻尼比，频域Neal-Smith 准则等已经不能完全适用，需要制定新的适用于大迎角飞行区域的相关品质规范来评估和指导飞机设计。本文将从以下2 个方面介绍大迎角飞行品质研究工作：大迎角飞行品质评估准则和大迎角飞行品质评估机动动作。用经典的低阶等效模型反映带飞控系统飞机的大迎角动力学特性，根据大迎角纵向频率-阻尼比准则和横向滚转时间常数-滚转角速率准则，通过俯仰、滚转机动及纵横向的大致截获和跟踪任务来确定飞机的品质等级，并解释在不同参数组合下的操纵特性。

1 大迎角纵向频率-阻尼准则分析

在大迎角区域内，如果飞行器存在稳定的运动，在控制系统辅助下，飞机在驾驶员操纵频带范围内，也应该具有理想的低阶频率响应特性，因此可以用经典的低阶等效模型反映带飞控系统飞机的大迎角动力学特性如图1 所示。

图1 纵向模态响应

通过俯仰机动及大迎角捕获、跟踪等任务的模拟，可以确定低阶等效系统的飞行品质等级，对应于完成任务的难易程度和工作负荷，从而近似地评估高阶系统的飞行品质等级。

1.1 纵向阶跃响应及捕获、跟踪任务

通过选取纵向二阶操纵响应特性，简要介绍不同频率和阻尼比组合对俯仰机动及大迎角纵向捕获、跟踪动作完成情况影响的评价方法。滚转操纵指令和偏航操纵指令的时间常数设为常值。因为当不同的频率阻尼比组合难以控制、灵敏或者操纵迟缓时，难以进行追踪及捕获任务，所以先采用阶跃信号来进行不同组合的动态响应对比，然后挑选合适的频率-阻尼比组合来完成纵向捕获、跟踪任务，最后根据评价结果完成与准则的对比。

首先进行其在不同频率-阻尼比组合下的阶跃响应，在1 s 时拉杆，持续1 s，第2 s 时杆恢复到中立位置，其不同频率-阻尼比组合动态响应如图2—图6 所示。

图2 频率阻尼比分别为3.0 rad/s、1 的动态响应

图3 频率阻尼比分别为2.5 rad/s、0.8 的动态响应

图4 频率阻尼比分别为2.3 rad/s、1.4 的动态响应

图5 频率阻尼比分别为1.5 rad/s、1 的动态响应俯仰机动结果见表1。

图6 频率阻尼比分别为0.3 rad/s、1.2 的动态响应

1.2 纵向评价结果与准则的对比

完成上述纵向俯仰和截获及跟踪任务后，查看表1 中的评价及纵向截获、跟踪任务的库伯-哈珀评价，对比麦道公司建议的大迎角纵向飞行品质等级及评价。如图7、8 所示，方块代表试验点，可以看出在不同的频率阻尼比组合下，表1 中的评价基本和纵向跟踪、捕获飞行品质等级相对应。尤其是在设定的频率阻尼比下，纵向跟踪、捕获分别满足适当和满意的要求，如果依据传统的MIL-STD-1797《军用标准——有人驾驶飞行器飞行品质》，操纵的品质评价明显和实际评价不相符，但和麦道公司建议的大迎角下纵向跟踪与捕获飞行品质等级良好吻合。这也很好地初步验证了大迎角下纵向跟踪与捕获飞行品质等级划分的合理性。

表1 俯仰机动结果

图7 纵向跟踪飞行品质等级及驾驶员评价

图8 纵向截获飞行品质等级及驾驶员评价

2 大迎角横向滚转时间常数-滚转角速率准则分析

同纵向一样，横向也采用经典的低阶等效模型来反映带飞控系统飞机的大迎角动力学特性。如图9 所示。

图9 滚转模态响应

对于横向，指令绕速度轴的滚转角速率，一阶操纵响应特性，下文将简要介绍不同滚转时间常数和滚转角速率组合对滚转机动及大迎角捕获、跟踪动作完成情况影响的评价方法。

2.1 横向阶跃响应及捕获、跟踪任务

因为当不同的滚转时间常数和滚转角速率组合难以协调滚转、操纵灵敏或者迟缓时，难以进行追踪及捕获任务，所以先采用阶跃信号来进行不同组合的动态响应对比，然后挑选合适的滚转时间常数和滚转角速率组合来完成横向捕获、跟踪任务，最后根据评价结果完成与准则的对比。

首先进行其在不同滚转时间常数-滚转角速率组合下的阶跃响应，在1 s 时右压杆到底，持续5 s，第6 s杆恢复到中立位置，动态响应如图10、11 所示。

图10 时间常数和角速率分别为1.5 s 和118°/s 时的动态响应

2.2 横向评价结果与准则的对比

完成上述横向滚转和截获及跟踪任务后，查看表2 中的评价及横向截获、跟踪任务的库伯-哈珀评价，对比麦道公司建议的横向飞行品质等级及评价。如图12、图13 所示，方块代表试验点，与表2 对比可以看出在不同的滚转时间常数和滚转角速率组合下，基本和图中的横向跟踪、捕获飞行品质等级及评价结果相对应。特别是在设定的滚转时间常数和滚转角速率组合下，横向跟踪、捕获分别满足满意和适中的库伯-哈珀等级要求，模拟结果的品质等级和传统的MIL-STD-1797《军用标准——有人驾驶飞行器飞行品质》与大迎角下的横向跟踪与捕获飞行品质等级都吻合得很好。这也初步看出，MIL-STD-1797《军用标准——有人驾驶飞行器飞行品质》和大迎角下的横向跟踪与截获飞行品质等级具有很好的一致性。

图11 时间常数和角速率分别为1.0 s 和94°/s 时的动态响应

图13 横向跟踪飞行品质范围

滚转机动结果见表2。

表2 滚转机动结果

图12 横向截获飞行品质范围

3 结束语

本文针对大迎角飞行品质，分为纵横向，运用大迎角飞行品质准则来分析大迎角特性。纵向采用了大迎角频率-阻尼准则来分析，通过加入基于任务的飞行品质评价内容——纵向跟踪及捕获，综合俯仰动态响应和纵向跟踪及捕获来评价纵向飞行品质的同时，验证不同频率阻尼比组合的操纵特性及品质边界。结果表明，对试验点的评价等级和麦道公司建议的大迎角下纵向跟踪与捕获飞行品质等级吻合得很好。横向采用横向滚转时间常数-滚转角速率准则来分析评价，同样的，可综合横向动态响应和横向跟踪及截获任务来评价横向飞行品质，并验证不同滚转时间常数和滚转角速率组合的操纵特性及品质边界，最终确定大迎角纵横向的品质等级区域。