固定翼飛機機動性計算軟件設計與開發

屈高敏

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

固定翼飛機機動性計算軟件設計與開發

屈高敏

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

飛機機動性是固定翼飛機的重要戰術、技術指標,為了方便計算和分析，直觀顯示飛機機動性的計算結構設計，開發了飛機機動性能計算軟件。一是將平飛加速性能、上升性能和盤旋性能作為衡量飛機機動性能好壞的指標；二是基于標準exe工程，使用多層窗體和Adodc數據庫訪問技術，完成軟件編寫；三是用典型飛機的數據來驗證數學模型及軟件的合理性。

戰術指標；機動性能；計算軟件

機動性是飛機的重要戰術、技術指標，是指飛機在一定時間內改變飛行速度、飛行髙度和飛行方向的能力，相應地稱之為速度機動性、高度機動性和方向機動性。飛機改變一定速度、高度或方向所需的時間越短，飛機的機動性就越好。在空戰中，優良的機動性有利于獲得空戰的優勢[1]。對于飛機來說，在一定的時間內，如果飛機的飛行速度、高度和方向變化越大，就證明該飛機的機動性能良好。相對于飛機的其它性能，飛機的機動性可以說是非常重要[2]，尤其對于戰斗機等軍用飛機。當飛機在執行空中作戰任務時，良好的機動性大大提高了勝利的機率，而且可以對敵機進行有力打擊，迅速取得空戰優勢，減少人員和戰機損失。

由于飛機機動性能的計算比較復雜[3]，目前還未有簡潔直觀的飛機性能計算軟件，因此，研究開發一款專用的飛機性能計算軟件非常必要。

1 飛機通用機動性計算

1.1 飛機機動性影響因素

影響飛機機動性的兩大關鍵因素是翼載荷與推重比。一般來說，飛機的翼載荷越低，推重比越高，飛機的機動性就越強。此外，飛機在機動飛行時所受的載荷要比在水平直線穩定飛行時大好幾倍[4]。因此,在設計飛機時,必須考慮到飛機在各種飛行情況下，都要有足夠的強度和剛度，以保證飛行安全。

1.2 飛機機動性能指標的選取

選取合適的機動性能指標可以更好、更清晰地認識飛機的機動性能[5-6]。

(1)上升率：是飛機在提高飛行高度時單位時間內上升的垂直高度，它在數值上等于上升速度在垂直方向的分量。對于殲擊機來說，不僅要求它的飛行水平速度足夠快，它的垂直速度也要達到一定水平。空戰中，殲擊機需要在很短時間內迅速爬升到很高的高度，獲得高度優勢，才能對敵機進行有效打擊，否則就會錯失戰機，很難取得空戰優勢。

(2)穩定盤旋能力：主要與發動機的推力和機翼可能產生的最大升力系數有關。盤旋過載、盤旋半徑、盤旋周期、盤旋角速度的值是衡量盤旋性能的重要指標。為了提高飛行員的駕駛技術，在飛行訓練任務中就包含各種機動飛行，而且這些機動飛行大多與盤旋有關，比如S型轉彎、懶八字、急上升轉彎等等。由此可見，盤旋飛行是飛機在飛行過程中必不可少的部分，盤旋性能的計算是衡量飛機機動性不可缺少的因素。

(3)推重比：推重比一般是指發動機推力與飛機所受重力的比值。在實際飛行中，隨著高度、溫度等條件的變化，發動機的推力也將產生明顯的變化，即飛機的實際推重比是隨環境變化而不斷變化的。

(4)翼載：飛機重力和機翼面積的比值便是飛機的翼載。與其它機動性參數不同，它不是越大越好，也不是越小越好，對不同機型，有著不同的最適值。在飛機盤旋過程中，翼載與盤旋時的升力系數成正比，而升致阻力系數又和升力系數的平方成正比，所以翼載不能太大，否則阻力會變得很大，降低飛機的機動性；而在飛機平飛時，翼載又與飛行速度的平方成正比，要想加快飛行速度，必須有大翼載。因此，飛機在設計過程中必須針對這兩種情況進行折中處理，給出一個相對的最佳翼載。

綜合以上參數，考慮計算的難易程度、公式的適用性、實際工程中模型的簡化等問題后，采用水平加速時間來衡量飛機的水平加速性能，采用上升率來衡量飛機的上升性能，采用盤旋半徑、用盤旋周期和盤旋角速度來衡量飛機的穩定盤旋性能。

1.3 飛機機動性計算方法

1.3.1 飛機在垂直平面內的機動飛行

飛機在垂直平面內的機動飛行包括平飛加速、減速以及同時改變速度、高度的其它典型飛行動作，如俯沖、躍升等。考慮各方面原因，選取飛機的平飛加速性能和上升性能來計算。

1.3.2 平飛加速

平飛加速性能用來衡量飛機加速性能的好壞。飛機從一馬赫數加速到另一馬赫數所用的時間越短，則表明飛機的加速性能越好。

1.3.3 飛機上升

飛機的定常直線上升飛行與平飛不同的是航跡與地面有一個傾角。飛機在空中穩定上升時，受到4個力的作用：升力、重力、發動機推力、阻力。發動機推力不單單要克服直線運動中的阻力，還要克服飛機重力在航跡方向的分力。

1.3.4 穩定盤旋

穩定盤旋性能是指在保持速度和高度不變情況下的盤旋能力，主要與發動機的推力和機翼可能產生的最大升力系數有關。

飛機在空中做穩定盤旋時，受4個力作用(見圖1)：升力Y、重力G、推力P和阻力X。忽略發動機安裝角和飛機迎角(通常很小)，相關計算具體見參考文獻[5]、[6]。

圖1 穩定盤旋

2 軟件開發與研究

2.1 總體思路

根據需求設計軟件的開發流程圖，如圖2所示。

圖2 程序流程開發圖

軟件在編寫過程中，需進行大量數據庫的構建，用來存儲一些對比機型的基本數據，同時還將一些已知的，但會隨環境變化而變化的變量參數寫入專門的數據庫，如空氣密度、聲速等，以方便計算。在建立數據庫的同時，還為數據庫加入了添加、修改、刪除等功能，以滿足相關計算的需要。

2.2 程序開發

平飛加速時間計算界面可實現不同機型在不同高度時平飛加速時間的計算，將計算結果寫進數據庫后，可生成與其他機型的對比圖,如圖3、圖4所示。

圖3平飛加速時間計算窗體

圖4 變速度盤旋性能對比圖

數據庫的編寫使用了Listbox和Adodc兩個控件，其中Listbox控件用來顯示數據庫中的主鍵數據列表，將Listbox的Datasource鍵連接到相關的Adodc之后，Adodc控件就可將Access數據庫和Listbox連接在一起。

在本窗體中，關于穩定盤旋的計算分為三種情況：

(1)給定一個恒定不變的盤旋傾角，分別輸入一連串遞增或遞減的盤旋速度，將計算結果寫入數據庫后，分別生成盤旋過載、盤旋半徑、盤旋周期、盤旋角速度等隨速度變化的柱狀圖，進而可以得出隨盤旋速度變化等性能指標的變化規律。

(2)給定盤旋速度，輸入一系列遞增或遞減的盤旋傾角，將計算結果寫進對應的數據庫，分別生成盤旋過載、盤旋半徑、盤旋周期、盤旋角速度等隨盤旋傾角變化的柱狀圖，同樣可以得出隨盤旋傾角變化等性能指標的變化規律。

(3)第三種情況是在考慮相關限制因素的前提下，對某一飛機進行盤旋性能的計算，并可與其它機型進行對比，生成對比圖表。

MSchart控件是Microsoft Visual Basic 6.0編程軟件中的一個特別實用的圖表生成控件，它可以通過編寫相關代碼直接生成圖表，也可通過鏈接各種數據庫來生成；本軟件中的相關圖表，如各機型間的柱狀對比圖等都是通過MSchart控件連接數據庫生成的。

3 算例與分析

3.1 平飛加速時間計算

以F-16、殲-10和殲-11為例，先后輸入其基本數據，點擊計算，得出該機型從Ma1加速到Ma2所需時間，如表1、表2所示。

表1 平飛主要參數輸入

*注：和飛行高度相關的空氣密度和聲速的其它參數，在高度確定后可直接由數據庫給出；馬赫數Ma1和馬赫數Ma2對應的零升阻力系數和升致阻力因子也由所引數據庫對應給出

表2 平飛加速時間

由表2可知，F-16、殲-10和殲-11三種飛機從0.5Ma加速到0.6Ma所用時間不同，其中F-16和殲-10耗時較多，且所用時間相差不大，而殲-11較其它機型耗時較少。

從F-16和殲-10的對比可知，雖然這兩架飛機的各項基本參數大不相同，但在0.5Ma到0.6Ma這一加速區間，它們所用的時間卻很相近，而殲-11相比于F-16和殲-10耗時則明顯要少，這說明飛機的平飛加速性能不是由飛機的某一或某幾個基本參數決定的，即飛機的加減速性能取決于飛機的推重比以及升阻比，增加飛機的推重比和升阻比可改善加速性能。

3.2 上升率計算

以F-16、殲-10和殲-11為例，先后輸入其基本數據(同平飛參數輸入)，點擊計算，得出該機型在馬赫數Ma1時的上升率，如表3所示。

表3 上升率

由表3可知，在同一高度、同一上升速度的情況下，F-16和殲-10的上升率十分接近，但是殲-11的上升率卻遠大于F-16和殲-10，說明了飛機上升率的值不是由某一或某幾個參數決定的，參考平飛加速計算，爬升率也必定是由某些參數的比值決定的。

通過爬升率的計算可知，當爬升速度一定時，飛機的爬升率是由飛機剩余推力與重力的比值決定的，對其進行化簡，可得

結合飛機的平飛加速計算可得，飛機在垂直平面內的機動飛行性能取決于飛機的推重比(P/G)和升阻比K的值。

3.3 穩定盤旋計算

穩定盤旋計算分為三個部分：

(1)給定盤旋傾角，計算不同盤旋速度下的盤旋性能指標。給定盤旋傾角為30度，分別計算盤旋速度為200m/s、300m/s、400m/s、500m/s時，盤旋過載、盤旋半徑、盤旋周期、盤旋角速度的值。具體結果見圖4。

(2)給定盤旋速度，計算不同盤旋傾角下的盤旋性能指標。給定盤旋速度為200m/s，分別計算盤旋傾角為40度、60度、70度時，盤旋過載、盤旋半徑、盤旋周期、盤旋角速度的值(由于柱狀圖暫時不能顯示小數，所以選用跨度比較大三個角度來進行計算)。

由分析可知，在理想情況下，當傾角不變時，隨著盤旋速度的增大，飛機的盤旋過載不變，盤旋半徑、盤旋周期隨之增大，盤旋角速度隨之減小；當速度不變時，隨著盤旋傾角的增大，盤旋過載、盤旋角速度隨之增大，盤旋半徑、盤旋周期隨之減小。

在理想條件下，不考慮發動機等限制因素，上述結果是成立的，但在實際飛行中，飛機的盤旋能力要受到很多因素的限制，最主要的便是發動機的可用推力、飛機的結構強度和人的生理條件、失速邊界等因素的限制。

(3)給定過載和盤旋速度，計算某飛機能否正常盤旋，并計算其能穩定盤旋的最小盤旋半徑。分析可知，不同飛機在以相同飛行速度盤旋時，它們的最小盤旋半徑有一定的差異，盤旋半徑越小則說明盤旋能力越好。對于一架飛機來說，決定它盤旋性能好壞的因素有很多，它們之間的關系相對復雜。

4 結論

經過驗證，軟件編寫正確，在允許誤差范圍內。所開發的軟件能夠很好的應用不同機型、不同場景下的機動性能計算，并使用MSchart控件實現計算結果的可視化對比，所以本軟件具有良好的用戶交互性。同時，本軟件操作簡單，顯示界面簡潔明了，不具有很高的專業性，非專業人員也能輕松使用。

[1] LIU X F,CUI S M,GAO W F,et al.Software Development of On-Board Power Electronics Equipment Using Model-Based Design Methodology[J].Applied Mechanics & Materials,2014(494-495)：1524-1528.

[2] GUERRA E,ANICHE M.Chapter 9-Achieving Quality on Software Design through Test-driven Development[EB/OL].[2017-06-10].https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802301-3.00009-0.

[3] 褚雙磊,溫瑞英,王玉,等.飛機氣動性能輔助計算演示系統設計[J].實驗技術與管理,2017,34(2):140-143.

[4] 商重陽,高正紅.過載極曲線及其在比較飛機機動性中的應用[J].飛行力學,2002,20(2):15-18.

[5] 朱寶鎏,朱榮昌,熊笑非.作戰飛機效能評估[M].第2版.北京：航空工業出版社,2006:270-274.

[6] 方振平.航空飛行器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:102-116.

[責任編輯、校對：東艷]

Abstract：Aircraft maneuverability is an important tactical and technical index of fixed-wing aircraft.Aircraft maneuverability calculation software is developed for the sake of calculation and analysis as well as visual display of calculation structure.First of all,flat fly acceleration performance,rising performance,and hover performance are used as indicators to evaluate aircraft performance.Secondly,based on standard exe engineering,the software is programmed via the multi-layer form and Adodc database access technology.Finally,the rationality of the mathematical model and software is validated through data of typical aircrafts.

Keywords：tactical index;maneuver performance;calculation software

Design&DevelopmentofFixed-wingAircraftManeuverabilityCalculationSoftware

QVGao-min

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V249.1

A

1008-9233(2017)05-0037-05

2017-06-14

陜西省自然科學基金資助(2016JM1014)；陜西省教育廳自然科學基金資助(16JK1396)；通用航空工程技術中心建設基金(XHY-20120824)；校級科研基金(2017KY1229)

屈高敏(1990-)，女，陜西渭南人，助教，主要從事飛行器總體設計與系統仿真研究。