大型民用運輸機全發失效后的飛行品質研究

王斯財, 譙裕青, 廖海君

（中航通飛研究院有限公司 第一研究室, 廣東 珠海 519040）

大型民用運輸機全發失效后的飛行品質研究

王斯財, 譙裕青, 廖海君

（中航通飛研究院有限公司 第一研究室, 廣東 珠海 519040）

詳細論述了適航對民用大型運輸機全發失效后的操縱系統及飛行品質的基本要求,討論了全發失效后飛行品質的計算方法,并建立了飛機仿真模型。通過仿真計算和分析,驗證了某型飛機全發失效后的適航符合性。該項研究對今后同類飛機的初步設計及適航符合性研究具有一定的理論指導意義和實際的工程應用價值。

適航性; 民用; 運輸機; 全發失效; 飛行品質; 仿真

0 引言

隨著近年來我國民用飛機的發展,針對民用飛機的適航性問題,中國民用航空局頒布了《中國民用航空條例第25部（CCAR25-R4）》,其中CCAR25.671（d）條款的符合性對適航中的飛機進行了嚴格的規定,不僅要求飛機必須設計成在所有發動機失效的情況下仍可操縱,同時要求滿足一定的飛行品質要求。目前,采用飛行模擬試驗（MOC8）和試飛（MOC6）的方法驗證該條款的適航符合性漸趨成熟,但飛機在初步設計過程中,受數據缺乏等條件限制,無法根據設計階段的需要運用MOC8進行符合性分析,更無法運用MOC6進行符合性驗證。鑒于上述原因,本文以某型飛機為例,詳細論述了適航對民用大型運輸機全發失效后的操縱系統及飛行品質的基本要求,討論了全發失效后飛行品質的計算方法,并建立了飛機仿真模型。通過仿真計算和分析,驗證了某型飛機全發失效后的適航符合性,并為設計的優化提供了措施。該項研究對今后同類飛機的初步設計及適航符合性研究有著重要的意義。

1 適航條款要求

適航條款671（d）要求,“飛機必須設計成在所有發動機都失效的情況下仍可操縱,如果表明分析方法是可靠的,則可以通過分析來表明滿足本要求”[1-2]。

1.1 條款解釋

根據ARAC（Aviation Rulemaking Advisory Committee）對適航條款671（d）的解釋,飛機在全發失效后,仍應是可操縱的,且必須仍然具有足夠的操縱能力使飛機能完成進場及拉平著陸。

條款同時規定了機械操縱系統的飛機,系統的 功能與發動機無關,因此,全發停車時,對操縱系統無影響;對于具有帶動力的操縱系統,且有手動轉換的飛機,若動力源是由發動機帶動的液壓泵、冷氣泵或發電電源,則全發停車時,動力操縱系統全部失效,此時對飛機的操縱利用手工操控,即脫開動力操縱,改為機械操縱;對于具有帶動力的操縱系統且沒有手動轉換的飛機,利用備用動力源,此動力源相對發動機是獨立的[3]。

以某型飛機初步設計方案為例,在初步設計方案中,飛機具有帶動力的操縱系統且有手動轉換,動力源是由發動機帶動的液壓泵和發電電源,當全發停車時,動力操縱系統全部失效,此時對飛機的操縱利用手工操控脫開動力操縱,改為機械操縱,因此,四發失效后改機械操縱,其桿力特性為飛行員直接感受舵面的回力。

1.2 飛行品質要求

根據ARAC對CCAR25.671（d）的解釋,飛機全發故障后,在進場著陸時應滿足如下操縱能力要求:

（1）向左或向右均能維持30°的穩定轉彎;

（2）從30°坡度的定常轉彎中滾轉60°進入反向轉彎,所需滾轉時間不超過11 s;

（3）推桿獲得0.8的過載和拉桿獲得1.3的過載的縱向機動能力;

（4）水平著陸時,機翼具有抗10 kn、90°側風的能力（在離地面10 m的高度上進行測量）。

對于常規構型的飛機,采用所推薦的進近速度和操作程序穩定進場,不需要駕駛員特殊的駕駛技巧和體力進行著陸拉平機動,允許飛行員兩只手操縱時的短時操縱力達到CCAR25.143（c）規定的1.5倍[4]。因此,全發停車時應急情況下的飛行品質要求及設計指標見表1。

表1 全發停車后的飛行品質要求及設計指標Table 1 Requirements for flying qualities and the design indexes with all engines failed

注:舵面設計偏度分別為:升降舵[-25°,20°],副翼±25°,方向舵±25°。

2 計算方法

2.1 飛機動力學模型

根據對飛機全發停車后的機動能力及設計要求分析可知,飛機全發停車后的飛行品質計算可分別運用縱向三自由度方程、橫航向三自由度方程進行計算分析,也可以運用六自由度方程進行解算。本文考慮縱向與橫航向數據相互影響較大,因此,采用六自由度方程計算,具體方程如下[5-6]:

其中:

c5=（Iz-Ix）/Iy,c6=Ixz/Iy,c7=1/Iy

式中:Fx,Fy和Fz分別為氣動力和發動機拉力在機體坐標軸系內的投影之和;L,N和M分別為氣動力矩和發動機拉力在機體坐標軸系內產生的外力矩之和。

2.2 操縱桿力計算公式

由于示例飛機初步設計方案為在四發失效后,動力操縱系統全部失效,此時對飛機的操縱利用手工操控脫開動力操縱改為應急機械人工操縱,其桿力特性為飛行員直接感受舵面的回力,因此,主操縱桿力計算方法如下:

（1）縱向操縱桿力計算公式

ε=ε0+εαα,αpw=α+φpw-ε

Che=Che0+Che·αpwαpw+Che·δeδe+Che·δe·tδe·t

Fe=-keMhe

式中:αpw為平尾迎角;Che·αpw為升降舵鉸鏈力矩對平尾迎角的導數;Che·δe為升降舵鉸鏈力矩對升降舵偏度的導數;Che·δe·t為升降舵鉸鏈力矩對升降舵調整片偏度的導數;ke·t為升降舵隨動片與升降舵偏的隨動比;Fe為縱向桿力;ke為縱向操縱傳動系數;Mhe為升降舵的鉸鏈力矩。

（2）橫向操縱桿力計算公式

Cha=Cha0+Chaα+Cha·δaδa+Cha·δa·tδa·t

Fa=-kaMha

式中:Cha·δa為副翼鉸鏈力矩對副翼偏度的導數;Cha·δa·t為副翼鉸鏈力矩對副翼調整片偏度的導數;ka·t為副翼隨動片與副翼舵偏的隨動比;Fa為橫向桿力;ka為橫向操縱傳動系數;Mha為副翼的鉸鏈力矩。

（3）航向操縱力計算公式

Chr=Chr0+Chr·ββ+Chr·δrδr+Chr·δr·tδr·t

Fr=-krMhr

式中:Chr·δr為方向舵鉸鏈力矩對方向舵偏度的導數;Chr·δr·t為方向舵鉸鏈力矩對方向舵調整片偏度的導數;kr為航向操縱傳動系數;Fr為航向操縱力;kr·t為方向舵隨動片與方向舵偏的隨動比;Mhr為方向舵的鉸鏈力矩。

2.3 計算狀態

考慮到某型號飛機供油系統為“單組對單發,交輸供油”的供油方式,由供油系統故障導致全發停車的概率非常低,可忽略不計,由此可得出發動機全部失效可能是由于燃料耗盡導致的,因此,在計算分析時僅考慮飛機典型裝載零油時的重量。

飛機在初步設計過程中,對全發停車后的飛機進行飛行品質計算及適航符合性的初步評定時,均應選擇最臨界的狀態進行計算分析。經分析,某型號飛機的臨界狀態如表2所示。

3 數值仿真及分析

根據飛機機動形式,采用靜平衡的方法和閉環仿真的方法進行計算分析。

對于穩定轉彎和抗側風機動能力評估,采用靜平衡的方法,首先計算滿足該機動所需的操縱面偏度和操縱桿力,然后與表1中的設計偏度和桿力要求進行對比。如果飛機機動所需舵面偏度小于飛機設計舵偏,且操縱桿力小于表1中的桿力要求,則滿足適航符合性要求,否則不滿足。

根據表2中的計算狀態分析,對飛機30°坡度轉彎和飛機進場著陸時的抗側風能力進行了計算,結果如表3、表4所示。

表3 飛機30°坡度轉彎時的機動Table 3 Maneuver with a 30° steady banked turn

表4 飛機進場著陸抗10 kn、90°側風時的操縱Table 4 Control of aircraft approaching and landing against the crosswind of 10 knots and 90°

由表3可知,飛機在下滑和進場時,作30°坡度轉彎機動所需的舵面偏度均小于設計偏度,滿足設計要求;升降舵和副翼的操縱桿力均小于表1中的桿力指標要求,滿足設計要求,但方向舵操縱力過大,不滿足操縱要求。由表4可知,飛機在進場著陸時,抗10 kn、90°側風時的舵面偏度均小于設計偏度,滿足適航符合性要求;升降舵和副翼的操縱桿力均小于表1中的桿力要求,滿足設計要求,但方向舵操縱力過大,不滿足適航符合性要求。由舵面操縱桿力計算公式可知,方向舵操縱力過大,主要原因是方向舵鉸鏈力矩系數過大導致的。

對于滾轉機動和縱向機動能力評估,采用閉環仿真的方法。

向右滾轉60°的能力評估：首先根據給定的計算狀態配平飛機,然后按表1給定的最大桿力操縱副翼,使飛機向左滾轉30°,再迅速以最大桿力向右邊壓桿,使飛機從左向右滾轉,直至滾轉60°,記錄相關參數的時間歷程曲線;向左滾轉60°的能力評估流程與向右滾轉相似。仿真結果見圖1～圖4。 由圖1和圖2可知,在整個仿真過程中,桿力均以階躍的形式輸入,副翼以給定的設計偏轉速率進行偏轉,副翼的穩態偏度均為最大桿力對應的偏度。

圖1 副翼操縱桿力隨時間的變化曲線Fig.1 Time history of roll control force

圖2 副翼舵偏隨時間的變化曲線Fig.2 Time history of aileron deflection

圖3 滾轉角隨時間的變化曲線Fig.3 Time history of roll angle

圖4 滾轉角速度隨時間的變化曲線Fig.4 Time history of roll rate

由圖3可知,飛機在向左滾轉30°時,以最大桿力向右邊壓桿,使飛機向右滾轉60°所需時間為9.1 s,小于表1中規定的11 s,因此,滿足適航符合性要求。飛機在向右滾轉30°時,以最大桿力向左邊壓桿,飛機向左滾轉60°,所需時間為13.4 s,大于表1中規定的11 s,因此,不滿足適航對橫向滾轉機動能力的要求。同時,從圖2中可看出,橫向操縱以最大桿力向左邊壓桿,此時對應的副翼最大偏度為5.6°,遠小于設計偏度。由橫向桿力計算公式可知,橫向滾轉機動能力不滿足要求,主要原因是副翼鉸鏈力矩系數過大。

由圖4可知,首先以最大桿力向左壓桿,使飛機向左滾轉30°,然后以最大桿力向右邊壓桿,使飛機從左向右滾轉,直至滾轉60°。在此過程中,滾轉角速度也隨操縱桿力的方向先向左滾轉方向增大,向右壓桿后,滾轉角速度由向左滾轉的負值先增加至零,再繼續向右滾轉,滾轉角加速度也繼續向右增大,符合操縱規律。

拉升機動能力的評估：首先根據給定的計算狀態配平飛機,然后按表1給定的最大桿力拉桿,此時升降舵偏度為最大拉桿力所對應的偏度,直至穩定在某個過載或迎角,記錄相關參數的時間歷程曲線。

推桿機動能力的評估：首先根據給定的計算狀態配平飛機,然后按表1給定的最大桿力推桿,此時升降舵偏度為最大推桿力所對應的偏度,直至穩定在某個過載或迎角,記錄相關參數的時間歷程曲線,仿真結果見圖5～圖9。在整個仿真過程中,桿力均以階躍的形式輸入,升降舵以給定的設計偏轉速率進行偏轉（見圖5）。

由圖5可知,飛機縱向操縱以最大桿力拉桿,此時對應的舵偏度絕對值小于3.937°;以最大桿力推桿,此時對應的舵偏度小于4.39°,均遠小于設計偏度。由縱向桿力計算公式可知,縱向操縱的機動能力不能滿足要求,主要原因是升降舵鉸鏈力矩系數過大。

由圖7可知,在以給定的最大拉桿力操縱升降舵時,飛機最大過載能力為1.187,小于表1給定的1.3拉升機動能力要求,不能滿足適航要求;在以給定的最大推桿力操縱升降舵時,飛機推桿最大過載能力為0.866,大于表1給定的0.8推桿機動能力要求,不能滿足適航對縱向機動能力的要求。

由圖6～圖9可知,飛機在拉桿機動時,迎角和高度隨時間是逐漸增大的,速度是減小的,過載開始是減小,后面隨時間也是逐漸增大,并達到穩定過載,推桿時的迎角、高度、速度及過載隨時間的變化與拉桿時的相反,同時均符合一般機動規律。

綜上仿真分析可知,穩定轉彎機動和抗側風進場著陸時,方向舵操縱力過大,主要原因是方向舵鉸鏈力矩系數過大;飛機作向左滾轉60°的滾轉機動時,所需時間過長,不能滿足設計要求,主要原因是副翼鉸鏈力矩系數過大;飛機作拉桿和推桿機動時,只能作到1.187～ 0.866的過載,不能滿足適航符合性要求,主要原因是升降舵鉸鏈力矩系數過大。

圖5 升降舵隨時間的變化曲線Fig.5 Time history of elevator deflection

圖6 迎角隨時間的變化曲線Fig.6 Time history of angle-of-attack

圖7 縱向過載隨時間的變化曲線Fig.7 Time history of longitudinal load

圖8 高度增量隨時間的變化曲線Fig.8 Time history of height increment

圖9 速度增量隨時間的變化曲線Fig.9 Time history of velocity increment

針對當前的設計方案,升降舵、副翼和方向舵的操縱桿力均過大,不能完全滿足適航的要求。要解決上述問題,可采用如下幾種方法:（1）對舵面進行頭部修形;（2）在保證不產生過補償的前提下,盡可能采用大的軸補償;（3）增加隨動片效率或調整隨動比;（4） 采用彈簧補償片;（5） 采用操縱調整片的操縱方案;（6） 可考慮增加相對發動機獨立的備用動力源。

根據計算結果分析,桿力略超過設計要求的,可采用前3種方法或這3種方法的組合對舵面及隨動片進行調整,如示例飛機的副翼操縱可采用這種方案;對于示例飛機的升降舵和方向舵,操縱桿力遠大于設計要求,在不改變氣動布局的情況下,只能通過更改操縱方案或者進行操縱面補償的重新設計,即采用后3種方法。

4 結束語

本文首先針對CCAR25.671（d）條款的要求,詳細論述了民用大型運輸機全發失效后的操縱系統及飛行品質的適航符合性要求。然后討論了全發失效后飛行品質的計算方法。通過計算，分析了某型號飛機初步方案的適航符合性,并為該飛機在初步設計階段的方案改進提供了思路,同時,也為今后同類飛機的初步設計及適航符合性研究提供了參考。

[1] 中國民用航空局.CCAR25-R4 中國民用航空規章第25部:運輸類飛機適航標準[S].北京:中國民用航空局,2009.

[2] Federal Aviation Administration.FAR25 Airworthiness standards:transport category airplanes[S].Washington D.C.:Federal Aviation Administration,1968.

[3] 鄭作棣.運輸類飛機適航標準技術咨詢手冊[M].北京:航空工業出版社,1995:D35-D36.

[4] Federal Aviation Administration.AC25.671 Control system-general[S].Washington:Federal Aviation Administration,2001.

[5] Kinetic Bernard.Dynamics of flight:stability and control[M].New York:John Wiley and Sons,1996:93-120.

[6] 方振平,陳萬春,張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:174-183.

（編輯：姚妙慧）

Study on flying quality of large civil transport aircraft with all engines failed

WANG Si-cai, QIAO Yu-qing, LIAO Hai-jun

（The First Research Department, China Aviation Industry General Aircraft Institute Co. Ltd., Zhuhai 519040, China）

The paper is to give details about the airworthiness authority’s basic requirements for the control system and flying qualities of a large civil transport aircraft after all engines fail, discuss the calculating method for the flying quality after all engines fail, establish the aircraft simulation model and verify the airworthiness compliance after all engines fail through the simulation calculation and analysis, thus providing certain theoretical and practical value to the similar aircraft in the preliminary design and airworthiness conformity study in the future.

airworthiness; civil transport aircraft; all engines failed; flying quality; simulation

2014-08-15;

2014-12-03;

時間:2014-12-15 08:34

王斯財（1981-），男，江西贛州人，工程師，碩士，研究方向為飛行力學、飛行控制及飛行仿真。

V212.1; V328.3

A

1002-0853（2015）02-0097-05