飛機著陸下沉速度的間接控制方法

汪文君 蔣啟登 楊全偉 李志蕊

摘要：著陸試驗中，飛行員需要操縱飛機以要求的下沉速度著陸，但飛行員座艙內不顯示下沉速度。考慮到飛機速度與下沉速度之間的關系，探索了一種通過平顯的飛機速度大小和方向間接控制下沉速度的方法。首先分析了平顯的飛機速度方向與真實速度方向之間的關系式，并針對著陸狀態對該關系式進行了簡化處理，得出了接地時的關系式;然后利用某型飛機著陸的數據，識別了接地時關系式中的系數，并將識別出來的關系式應用于該型飛機著陸試驗中。試飛結果表明，該方法能讓飛行員憑借平顯的飛機速度大小和方向間接量化判斷下沉速度的大小，實現了下沉速度的控制從經驗式到量化式的轉變，明顯提高了下沉速度的控制精度，降低了著陸試驗的風險。

關鍵詞：強度試飛;著陸試驗;下沉速度;飛機速度;速度方向

中圖分類號：V217+.32 文獻標識碼：A

起落架強度試飛的目的是檢查起落架結構的強度和剛度，著陸試驗是其中的重要試飛科目。與正常著陸過程中拉飄飛機以較小的下沉速度著陸不同，強度試飛中的著陸試驗要求飛行員操縱飛機以要求的大下沉速度著陸，是國軍標規定的復雜和風險科目。

目前，著陸過程中飛行員所看到的儀器和設備不能直接幫助他及時準確地看到下沉速度的大小，更多的是依靠飛行員的經驗判斷下沉速度的大小。通常，通過下沉速度由小到大的著陸試飛訓練，培養飛行員判斷下沉速度大小的經驗并摸索下沉速度大小與飛機縱向桿量的關系。但是訓練的飛行員經驗容易受外界因素的影響而出現偏差，如天氣情況，導致下沉速度判斷不準確;此外著陸過程中，飛機桿量均是輸入參數，很難得出飛機縱向桿量與下沉速度的一一對應關系。這些因素導致著陸試驗時下沉速度易超過任務要求甚至超出飛機使用限制，為試驗增加了風險。

本文從飛機平顯（HUD）顯示信息人手，提出了飛行員通過平顯的飛機速度大小和方向間接控制下沉速度的方法。考慮到平顯的飛機速度方向是通過迎角傳感器測量的迎角和陀螺儀測量的姿態角相減得到的，分析了由于迎角傳感器的機械零位和固有動特性、安裝支桿和機體彈性變形、當地氣流方向受飛機外形影響與前方氣流方向的差別、飛機俯仰運動和地面效應等產生的迎角測量誤差對速度方向的影響并進行了修正。

1 平顯的飛機速度方向

平顯為飛行員提供了飛機的基本飛行信息，包括高度、速度、迎角和姿態角等。在著陸過程中還會提供迎角指示符、下滑道指針和航向信標臺指針等信息，以輔助飛行員著陸，某飛機著陸狀態下的平顯如圖1所示。

實際飛行中，飛行員還可通過平顯獲得飛機速度大小及其方向，并通過發動機推力和縱向桿量等控制飛機速度及其方向。其中，平顯的飛機速度方向是由迎角傳感器測量的迎角α和陀螺儀測量的姿態角θ相減得到的，計算公式見式（1）：

γ=α-θ（1）其中，姿態角的測量通常比較準確，可認為平顯的飛機速度方向的測量誤差主要受迎角的測量精度影響。

通常，飛機的迎角是通過流向傳感器測量的。常見的流向傳感器是風標式，采用可以在測量范圍內自由旋轉、具有對稱翼剖面的風標來測量迎角，一般傳感器安裝在機頭前方的剛性支桿上，可測量當地的迎角。飛行中，迎角傳感器直接測得的是安裝位置處當地的氣流迎角，其測量結果通常存在各種誤差，主要包括：

（1）傳感器機械零位誤差;

（2）傳感器固有動特性引起的誤差;

（3）安裝支桿和機體彈性變形引起的誤差;

（4）飛機俯仰運動引起的附加速度導致的誤差;

（5）因當地氣流方向受飛機外形影響與前方氣流方向的差別而引起的誤差;

（6）地面效應引起的誤差。

當飛機的飛行高度在飛機翼展范圍內時，飛機距離地面的高度在飛機翼展范圍內，地面效應影響開始出現，距離地面越近影響越明顯。由于地面效應改變了整個飛機的壓力場，包括迎角傳感器安裝位置處，從而影響了迎角測量精度。

飛機飛行中，上述誤差會使迎角傳感器測量的迎角與飛機的真實迎角產生明顯差別，從而導致平顯的飛機速度方向與真實的飛機速度方向產生明顯差別。為了確定平顯的飛機速度方向與真實飛機速度方向，就必須對平顯的飛機速度方向進行校準，以獲得平顯的飛機速度方向與真實速度方向之間的關系。

1.1 平顯的和真實的飛機速度方向關系式

迎角傳感器裝在飛機上后，會經過地面標定和聯試，通常可以消除機械零位偏差和傳感器固有動特性引起的誤差。

考慮到當地氣流方向受飛機外形影響與前方氣流方向的差別、飛機俯仰運動引起的附加速度、安裝支桿和機體彈性變形、地面效應影響因素，平顯的飛機速度方向與真實速度方向之間的關系[1]可描述如下：式中：γ_HUD為飛行員平顯的飛機速度方向;γ₀為因迎角和俯仰角等測量誤差產生的常數修正項;γ為實際速度方向;k為氣動影響系數，表示為，是當地氣流方向受飛機外形影響與前方氣流方向的差別引起的影響;q為飛機俯仰角速率;l為迎角傳感器安裝位置距離飛機重心的縱向距離;V為飛機速度;f（h，γ）為因地面效應[2，3]產生的修正項，可分解為速度方向為零時的修正項和速度方向γ產生的修正項：

f（h，γ）=f（h，γ=0）+φ（h）γ（3）式中：φ（h）為因地面效應和速度方向產生的修正項，是飛機平均氣動弦長距離地面高度的函數，受飛機翼展、面積等因素的影響。

1.2 接地時的關系式

飛機降落著陸是指飛機從著陸安全高度下滑過渡到地面滑跑、直至完全停止的整個減速運動過程，一般可以分為5個階段：下滑段、拉平段、平飄段、接地和著陸滑跑段。飛機拉平后，飛機經歷平飄、飄落接地。從中可以看出，飛機接地時：

（1）飛機重心過載n_z≈1，安裝支桿和機體彈性變形引起的誤差：

（2）飛行高度h=0，地面效應產生的修正項：f（h，γ）=f（h=0，γ=0）+φ（h=0）γ;

（3）飛機的俯仰角速率很小，由俯仰角速率引起的速度方向偏差很小，即ql/V很小。

將以上三個條件帶入式（2）和式（3），得到飛機接地時的平顯的飛機速度方向和真實速度方向的關系：

將式中不隨真實速度方向變化的量合并處理，可以得出：式中：γ_h，r=0=γ₀+f（h=0，γ=0）;k_h=0=k_γ+φ（h=0）。

2 著陸下沉速度的控制

2.1 飛機速度與著陸下沉速度的關系

飛機著陸時，著陸下沉速度與飛機速度和速度方向存在以下關系：

V_Z=Vsin（γ）（7）

從式（7）可以看出，通過控制飛機速度的大小和方向可達到間接控制著陸下沉速度的目的。其中平顯的飛機速度大小與真實的飛機速度大小基本一致，而平顯的飛機速度方向與真實的飛機速度方向差異明顯，需要根據式（6）進行修正。

根據式（7）可以推導出飛機速度方向與著陸下沉速度和飛機速度大小的關系：

γ=arcsin（V_Z/V）（8）

2.2 著陸下沉速度控制

基于平顯速度的飛機著陸下沉速度控制方法的思路是：基于著陸下沉速度與飛機速度的關系，確定目標著陸下沉速度和飛機速度大小所對應的飛機真實速度方向;基于飛機平顯的飛機速度方向與真實速度方向的關系，確定飛機真實速度方向所對應的平顯飛機速度方向;飛機員操縱飛機以要求的速度大小和平顯的飛機速度方向著陸，從而達到間接控制飛機著陸下沉速度的目的。

具體流程如下：

（1）收集至少三架次的飛機著陸數據，應包括著陸時的下沉速度、飛機速度大小、迎角和姿態角等數據;

（2）根據著陸數據，按式（1）計算每個架次著陸時的平顯的飛機速度方向，按式（8）計算每個架次著陸時的真實速度方向;

（3）根據著陸數據，運用最小二乘法識別式（6）中的系數γ_h，r=0和k_h=0;

（4）根據前期飛行著陸數據確定飛機著陸速度的大小，根據下一階段的著陸下沉速度試飛目標和飛機著陸速度的大小，計算真實速度方向;

（5）計算真實速度方向對應的平顯的飛機速度方向;

（6）飛機員操縱飛機以要求的速度大小和平顯的飛機速度方向著陸。

3 應用實例

某飛機設計定型需進行起落架強度試飛，著陸試驗是其中的重要試飛科目，為了控制著陸試驗風險，飛機進行最大下沉速度著陸試驗前，進行了多架次小下沉速度著陸試驗，以訓練飛行員、收集相同著陸重量和著陸構型下的著陸數據。飛機的著陸下沉速度、飛機速度以及根據式（1）和式（8）計算的平顯飛機速度方向和真實飛機速度方向見表1。

將著陸時平顯的飛機速度方向和真實速度方向代入式（9），用最小二乘法識別出式中的系數γ_h，r=0和k_h=0，具體如式（10）、識別精度如圖2所示。

γ_HUD≈1.86+1.23γ（10）

下一架次目標著陸下沉速度3.0m/s，飛機速度大小取前期飛行員訓練的平均值340km/h;根據式（8）可計算出真實的飛機速度方向為1.82°;根據識別的式（10）可以計算出平顯的飛機速度方向為4.10°。

飛行員操縱飛機以速度340km/h和平顯的飛機速度方向4.10°著陸，即可控制飛機以下沉速度3.0m/s著陸。飛機著陸時，按正常下滑要求下滑，下滑至高度10m時，平穩操縱飛機縱向桿量以調整飛機的平顯的飛機速度方向至要求值，著陸過程中避免劇烈操縱飛機，導致飛機產生較大的俯仰運動;降落至高度1m時，地面效應[4～7]影響較大，需要飛行員縱向推桿以平衡增加的升力，保持飛機以要求的速度方向著陸。

飛行員按要求實施后，平顯的飛機速度方向為3.94°，與計算的4.10°相差3.9%。具體實施情況和飛行操縱如圖3所示，從圖中可看出著陸速度為335km/h，下沉速度為2.96m/s，與要求的3.0m/s相差1.3%。著陸過程中為克服地面效應引起的升力增量需要縱向推桿與規劃的一致。

4 結束語

本文基于著陸下沉速度與飛機速度的關系、平顯的飛機速度方向與真實速度方向的關系，研究了通過平顯的飛機速度大小和方向間接控制下沉速度的方法，試飛結果表明該方法提高了下沉速度的控制精度，降低了著陸試驗的風險。研究結果對著陸試飛技術和方法的研究具有重要參考價值。

參考文獻

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