自然風對飛機著陸的影響

蔣康博, 蒙澤海, 葉忱

(1.中國飛行試驗研究院 試飛員學院, 陜西 西安 710089;2.中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

0 引言

在實際飛行時,在目視飛行規則下,飛機在進入著陸航線后,當飛行員按無風條件進行正常的航線飛行時,受大氣運動的影響,飛機會逐漸偏離著陸航線;按目視飛行規則,在沒有明顯地標和地面引導的情況下,這種偏離會隨著時間的推移逐步加大,導致下滑道進入點顯著偏離理想位置點,造成飛行員在下滑道段需要進行較大的著陸糾偏修正,加大飛行員下滑道階段的修正操縱負擔,嚴重情況下會影響飛機的正常著陸。

針對在有較大自然風條件下的著陸航線的建立及著陸飛行的特點,本文通過計算分析著陸航線階段以及下滑段自然風對飛行航跡的影響,確定了在有較大自然風條件下不依賴地標或地面引導準確建立著陸航線以及在下滑道段修正偏流的方法,為飛機的安全著陸提供了理論依據。

1 基本關系式

根據飛機在航跡坐標系下的動力學方程[1],引入假設:sin(α+φp)≈0,cos(α+φp)≈1,sinβsinγ≈0,對方程進行簡化后得到:

(1)

在有風的情況下,飛機返場著陸。若以Vw表示風速,V表示飛機相對于大氣的速度,則飛機相對于地面的速度可表示為V+Vw。若風速為常值,根據空速的定義,飛機相對地面坐標系的運動方程[1]可表示為:

(2)

式中,Xd,Yd,Zd分別為飛機質心相對于地面坐標的相對位置;Vwx,Vwy,Vwz分別為風速相對于地面坐標系的三個分量。

2 自然風條件下航線飛行分析

2.1 自然風對航線的影響

在進入著陸航線后,若飛機在無風的條件下進行如圖1所示的小航線飛行,則可根據航線的寬度,利用飛機的動力學方程R=(mV2)/(Ysinγ)求解出飛機轉彎時的坡度[2],從而準確地建立著陸航線。

圖1 小著陸航線圖Fig.1 Narrow landing pattern

實際飛行中,在有較大自然風的條件下,若飛行員仍根據經驗建立轉彎坡度和三邊,受到自然風的影響,航線則會偏離原理想航線,并且隨著時間的推移,航線偏差會逐步增大[3],最終造成飛機顯著地偏離理想下滑道進入點。

以某型飛機為例,假設飛機的航線飛行速度及進場速度均為260 km/h,航線寬度為2 km,航線上風速為12 m/s,風向為45°,跑道方向為正北,該速度下著陸構型飛機的升力系數為0.85。若飛機嚴格按照無風條件進行航線飛行,利用式(2),通過對時間進行積分,可獲得在有較大自然風條件下的飛行航跡,如圖2所示。

通過計算可以得出,在有較大自然風且沒有明顯地標可供參照的情況下,若飛行員仍按照無風條件進行航線飛行,在四轉彎結束后,飛機偏離縱向理想點超過300 m,橫向偏差超過150 m,飛行員在進入下滑道后需要進行較大的高度及水平偏差修正,才能保證飛機準確地進入理想下滑道,完成著陸。

圖2 有自然風條件下的著陸航線示意圖Fig.2 Landing pattern with natural wind

2.2 航線偏差的修正方法

(3)

式中,ψw為風向;ψpd為下滑道方向。

在進行小著陸航線飛行時,根據航線飛行特點,可將航線分為5個階段,分別為一邊、一二轉彎、三邊、三四轉彎以及下滑道段。在不同的階段,飛行的航跡受到自然風的影響各不相同。如果飛行員在進行航線飛行時未進行偏流及逆風修正,那么在一邊、三邊及下滑道段飛行時飛機的航跡角就會偏離跑道方向(見圖2),且直線飛行段長度會發生變化,造成航線各參考點偏離理想航線點;在一二及三四轉彎時,受到偏流的影響,實際轉彎半徑會因偏流而發生改變,造成航線寬度變寬或變窄;在整個航線上,在直線段和轉彎過程中,隨著這些偏差的逐步積累,最終會造成航線顯著地偏離理想航線。

為減小自然風對航線飛行的影響,降低在著陸過程中大幅度的偏差修正帶來的風險,以機場塔臺作為參考點,分別針對航線飛行的不同階段展開分析,得到航線的飛行方法如下:

(1)在有偏流時,根據速度矢量分析及坐標轉換可知,當直線飛行段采用偏航法(也稱偏流法,直線飛行時飛機的航向指向偏流方向),即可保證飛機航跡方向與原目標航跡方向重合;在直線段縱向位置修正上,若一邊及三邊段以過塔臺側方為起點進行計時,假設過塔臺計時均為t,則可參考以下計算公式對計時進行調整。

Δt=t-Vt/(V+Vw) (4)

以2.1中假設的飛機參數為條件進行分析,若一邊及三邊段計時為40 s,通過計算可知,為保證飛機直線段長度,使飛機準確進入理想航線參考位置,逆風每增加1 m/s,航線一邊飛行時計時增加約0.5 s,三邊飛行計時相應減小約0.5 s。

(2)在進行航線轉彎段分析中,采用2.1中假設的飛機參數作為計算條件,利用式(1)和式(2),通過對有偏流情況下的航跡進行分析可知,為保證航線寬度,在進行一二轉彎時,下滑道方向左偏流每增加1°,飛機的轉彎坡度需減小0.5°;在進行三四轉彎時,下滑道方向左偏流每增加1°,飛機的轉彎坡度需增加0.5°。

(3)對于常規的矩形航線,二邊及四邊的航線部分修正方法與上述一邊及三邊的風場修正計算類似,其余航線階段修正風場的計算方法與上述修正方法相同。

3 著陸過程的偏流修正

當飛機在有較大偏流情況下進場著陸時,為保證飛行航跡的方向與跑道方向重合,飛行員通常會采用兩種典型的駕駛技術進行偏流修正,一種稱為偏航法,另一種稱為側滑法[4],兩種著陸方式如圖3所示。圖4為兩種著陸方式下飛機的受力平衡圖。

圖3 兩種側風著陸方式示意圖Fig.3 Two crosswind landing modes

圖4 兩種著陸方式下飛機的受力平衡圖Fig.4 Force-balance diagram in the two landing modes

在采用偏航著陸法進場著陸時,飛機進行的是無側滑飛行,且飛機的縱軸與跑道的中心線夾角為偏流角ψ′,因此偏航法通常也稱為偏流法。此時飛機在地軸系上的速度矢量方向與跑道方向重合,而飛機縱軸指向偏流角方向。這種著陸方法也是飛行員常用的著陸偏流修正方法。

在采用該種方式進行偏流修正時,飛機沒有側滑角,即無側向力。由于縱軸方向與跑道方向不一致,因此要求在主輪或者前輪接地前立即繞其偏航軸作旋轉運動,以保證飛機在前輪接地時,滑行方向與跑道方向一致。而在采用側滑法進場著陸時,飛機縱軸和跑道中心線在一個鉛垂面內,飛機以側滑角β=arcsin(Vw/V)飛行。飛機縱軸方向及航跡在地軸系上的投影方向與著陸跑道一致。由于受到側風的影響,飛機在不對稱流場中運動,因此飛機在下滑過程中存在側滑角。為了平衡橫向和航向穩定性力矩以及使飛機偏離跑道的側力,飛行員在進行相反方向蹬舵的同時,需將飛機向迎風方向傾斜一個角度γ′,其近似表示為:

在采用側滑法進行進場著陸時,由于飛機存在滾轉角,對于大翼展飛機,迎風側機翼離地較近,因此接地前需盡快改平飛機,防止該側機翼擦地。

無論采用偏航法還是側滑法,在進行大偏流著陸試驗前,需在理論上預測使用側滑法著陸時方向舵的抗側風能力。根據力的平衡關系,建立力矩平衡關系如下:

Cnββ=Cnδrδr

根據β=arcsin(Vw/V)關系式,可進行飛機抗側風能力的初步預測。

4 結束語

本文通過建立飛機的動力學方程,針對有較大自然風條件下航線的準確建立展開了探討,同時介紹了在側風條件下兩種下滑著陸方法。

通過引入算例,分析了在飛機航線建立過程中自然風對航線的影響,針對自然風的影響提出了航線飛行過程中自然風的修正方法。目前經過實際飛行驗證已經表明,在有較大自然風條件下,該方法可有效降低航線上的自然風對航線準確性的影響,對實際的航線飛行有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 常振亞,陳啟順,王子方,等.飛機飛行性能計算手冊[M].西安:飛行力學雜志社,1987:5-8.

[2] 金長江,范立欽.飛行動力學——飛機飛行性能計算[M].北京:國防工業出版社,1990:83-84.

[3] 張立彬,蘇勝昔.關于飛機側風著陸問題的分析[J].飛行力學,2002,20(4):51-55.

[4] 蔣康博,劉超,袁東.近艦區風場建模與著艦仿真分析[J].飛行力學,2010,28(6):11-15.