渦輪螺旋槳飛機單雙發停車續航性能分析研究

陜西飛機工業集團飛機設計研究院,陜西 漢中 723213

1.概述

渦輪螺旋槳發動機由于自身所具有的經濟性、安全性、適用于中速長距離飛行等一系列的優勢，被用于運輸機、海岸巡邏機和反潛機中。飛機在執行任務過程中可能出現發動機停車的情況，會導致飛機不能安全返場，甚至出現更為嚴重的情況，造成嚴重損失。本文從某一典型任務剖面出發，對飛機在執行任務過程中出現的單雙發停車時的續航性能進行了計算、對比和分析。

2.數學模型

續航性能是指飛機持續航行的能力，主要包括航程和航時。

飛行剖面是由爬升、巡航、下降等各個階段組合而成。

巡航段的航程、航時占總航程、航時的主要部分。飛機巡航時，認為每一瞬間都滿足等速水平直線飛行的運動方程。在此基礎上，計算巡航段的航程和航時的公式為：

其中，m1、m2分別為巡航段起點和終點時的飛機質量，qkm為公里耗油量；qh 為小時耗油量。飛機的小時耗油量qh和公里耗油量qkm 根據平飛條件及耗油率可得:

其中，pxy為平飛需用拉力，p為平飛可用拉力，Q 為阻力(單發停車考慮舵偏阻力和順槳阻力，對稱雙發停車只考慮順槳阻力)，K 為升阻比，G 為飛行重量，qN為耗油率，V 為飛行速度。

3.實例分析

本文通過某一具體任務剖面來對飛機單雙發停車的續航性能進行分析研究。

3.1 任務剖面描述

任務剖面是由若干飛行任務階段組成,是任務特性的具體體現和標志,集中說明了飛機在執行一次飛行任務中,從離開基地,執行任務到返回原基地著陸—稱為“半徑型”,或從離開基地，執行任務到另一基地著陸—稱為“非半徑型”，所表現出一組飛行性能的綜合能力。本文所采用的任務剖面屬于“半徑型”，即從基地出發，爬升到高空以較大的速度進行巡航，至低空執行巡邏任務，在執行任務末期，發動機出現了單臺或雙臺停車，飛機以不小于作戰半徑的距離進行返場，具體如圖1所示。

在執行任務過程中，隨著時間的推移，飛機燃油儲備量降低，飛機返場能力下降，因此在執行任務末期出現發動機停車為飛機安全返場能力最低點。本文計算了執行規定任務時間時發動機停車這種最嚴酷狀態下飛機返場的可能性。

返場可行性評判標準：

安全返場的評判標準按航程不小于作戰半徑；

一旦出現發動機停車情況飛機應當立即返航。

3.2 續航性能計算

根據剖面要求，對某渦槳類飛機的單雙發停車返場能力進行計算，主要考慮的因素如下：

a）使用空重：A、B,且B＞A；

b）單發停車：臨界發動機停車順槳；

c）雙發停車：對稱發動機停車順槳；

圖1

d）考慮順槳阻力及舵偏阻力；

e)功率限制：發動機最大允許功率為額定狀態。

本文以如下四種狀態進行表示，分別為A/單發、B/單發、A/雙發、B/雙發。通過計算可知，在作戰區域執行了規定的任務航時后且耗盡備份油的情況下，A/單發、A/雙發、B/雙發狀態時的航程不小于作戰半徑，可安全返場；而B/單發狀態的航程小于作戰半徑，不能返場（見圖2）。

對返場能力進行分析，可以得出以下結論：A 重量時的續航性能優于B 重量；雙發停車時的續航性能要優于單發停車時的續航性能。

圖2

3.3 續航性能分析

3.3.1 重量對續航性能的影響

飛機巡航時，認為每一瞬間都滿足等速水平直線飛行的運動方程，由公式（1）、（2）可以看出，在巡航時始終保持qkm 和qh 最小，就可以得到L 和T 最大值。

由于使用空重B 較A 有所增加，使得載油量減少，續航性能有所降低。飛機平均巡航重量增加（載貨重量相同）使飛機需用功率和耗油量增加，導致航程航時減小。

3.3.2 發動機狀態對續航性能的影響

當飛機臨界發動機停車順槳時，為糾偏需要蹬舵、壓盤，產生了舵偏阻力；同時螺旋槳還產生順槳阻力。計算時考慮了這兩種阻力，致使在相同條件下飛機的阻力增加，導致油門處于較大狀態；飛機巡航速度也相應改變。綜合以上兩種因素，最終使飛機單發停車的航程、航時相對四發正常巡航時縮短。

與臨界發動機停車不同的是，對稱雙發停車后不考慮舵偏阻力，由于兩臺發動機停止工作引起的耗油減少量大于因發動機停車帶來的阻力增加而引起的耗油增加量，最終導致續航性能相對單發停車的續航性能有增加的趨勢，如圖3所示。

圖3

4 結語

綜合以上計算分析，可得以下結論：

a)飛機出現發動機停車現象時,處于大油門狀態巡航；

b)臨界發動機停車時的續航性能相對四發正常續航性能稍有降低；飛機在執行剖面任務過程中當執行作戰任務末時出現臨界發動機停車情況，A/單發狀態時可安全返航(單發停車并耗盡備份油續航距離不小于作戰半徑)；而B/單發狀態時在執行完作戰任務的情況下不能完成安全返場，只能在作戰任務完成之前完成安全返場；

c)飛機在執行剖面任務過程中當執行作戰任務未出現對稱發動機停車情況，可安全返航(對稱發動機停車并耗盡備份油續航距離不小于作戰半徑)。

[1]1987 飛行力學雜志社飛機飛行性能計算手冊

[2]GJB 34A-2012 有人駕駛飛機(固定翼)飛行性能和圖表資料

[3]AircraftPerformanceAndDesign John D.Anderson，Jr

[4]Airplane Aerodynamics and Performance Dr.Jan Roskam

[5]Flight Performance of Aircraft S.K.Ojha