地效飛機耗油質量特性隨迎角變化簡易算法研究

鄔恒 彭平

摘 要：針對地效飛機設計初期燃油質量特性與耗油曲線程序設計較為復雜、軟件測量較為耗時、重復工作量大等問題，為簡化計算和減輕工作量，引入一種基于程序設計的簡易算法，并以某地效飛機為例進行計算。計算結果標明，該方法真實可靠、計算精度高，能夠滿足飛機設計對耗油質量特性隨迎角變化計算數據的精度要求。

關鍵詞：地效飛機；耗油質量特性；簡易算法

中圖分類號：V272 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0073-02

飛機飛行重量是由空機重量、燃油和載重組成的，隨著飛機飛行時間、姿態的變化，飛機的重量、重心及轉動慣量也是變化的。對于一架定型的飛機而言，飛機的空重基本不變，載重中可消耗載荷（彈藥、滅火用水等）變化是一種時段性的變化，唯有燃油是持續性的、隨時間而變化的。由此，為了計算飛機在空中飛行的質量特性是否滿足飛機操穩性能的要求，燃油隨迎角變化的質量特性計算就顯得尤為重要了。

由于燃油的油箱外形隨著在飛機上安裝位置的限制是千變萬化的，外形復雜，其所載燃油的質量特性也隨其變化。本方法的目的是根據所布置油箱及總載油量的大小，計算在不同飛機迎角、不同油面高度下油箱中載油量的重量、重心及自身慣量矩。方法設計力求簡單明了，程序設計代碼量少，并能滿足計算精度要求。

1 油箱構型及參數

要計算燃油隨迎角變化的質量特性，必須要知道油箱的具體構型，下面參考某地效飛機的油箱外形，這里油箱外形是由平面構成的，對于不同的油箱布置，油箱外形也可以由曲面構成。

在船身左右側各布置一載油量約為0.08噸的貯油箱，貯油箱最大載油量0.16噸。右側貯油箱外形及典型油面見圖1所示。設計時僅考慮一側油箱，因另一側油箱對稱，對整個油箱的質量特性采用數學疊加方法計算。

2 模型建立

2.1 建立油箱邊界曲面方程

要求出圖1中的油箱載油量，必須首先求出邊界曲面所圍的體積，對于整個油箱滿油情況下，燃油體積由上頂面、下底面和周圍邊界面所組成，考慮到燃油耗油隨迎角變化，油箱在高度方向受水平油面的限制，那么，把水平油面作為高度方向的燃油界面之一。這樣組成油箱燃油界面的平面（或曲面）分別為上頂面、下底面、周圍邊界面和水平油面。

油箱的俯視圖如圖2所示，參見圖2，在平面坐標系中，已知點的坐標（）。各個面的方程根據各點的坐標確定，如兩點的直線方程：

，，

設

于是的直線方程：；

兩點的直線方程。

2.2 油面角（）的定義

考慮到飛機抬頭（或低頭）飛行時，油面與平面有一個夾角，這個角定義為油面角。規定飛機抬頭時的油面角為正，飛機低頭時的油面角為負。油面角與船體坐標平面的關系由油箱安裝角確定。

2.3 油面方程及高度參數

油箱坐標系原點在船體坐標系下的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

點在油箱坐標系中的坐標是：

。

參見圖1、如圖3所示，當>0時，將點的坐標減去點的坐標除以整數，表示將油箱寬度沿方向分成了等份；同樣將點的坐標減去點的坐標除以整數，表示將油箱高度沿方向分成了等份；用公式表示為：

（1）

（2）

于是，從點到點可得等間距點（）的坐標。

同理，當<0時，用、兩點來計算最低和最高油面，其余討論與前面的討論相同。

由圖3，根據直線的角系數方程得油面的方程為：

（3）

式中：為縱坐標截距；

為斜率（或角系數），。

由（3）式得：

（4）

這樣，當給定了油面角和點（），則油面的高度參數就確定了。

3 程序結構

3.1 油面高度參數子程序

計算油面高度參數的子程序，包含主程序調用語句和一個子程序。將油箱寬度和高度劃分為段，寬度和高度方向微元用表示。用條件語句判斷油面角若大于零，由右向左計算，由下向上計算；若小于零，由左向右計算，由下向上計算，計算結果存儲于數組元素中，存儲于數組元素中。油面高度參數存儲于數組中。油面高度參數計算是為質量特性計算中的油面方程求解提供參數值。

3.2 質量特性計算子程序

本子程序解決在不同油面角和不同油面高度下燃油質量特性數據的計算問題，程序包括主程序調用語句和一個子程序，結構如下：

（1）通過調用子程序計算出油面高度參數；

（2）根據已給出的計算出，有了，加上油面角，油面方程即為：；

（3）用判斷語句和賦值語句列出3.3.1節所給出的條件、特征尺寸和重心；

（4）調用質量特性數據疊加程序和移軸程序，計算不同油面角和不同油面高度下燃油質量特性數據。其中，∑。

3.3 質量特性疊加、移軸及坐標轉換子程序

對于質量特性數據疊加、移軸及坐標轉換子程序，由于它們的程序結構與公式結構基本相同，僅增加一些程序說明、判斷及循環語句等，這里不再進行詳細描述。

4 計算誤差分析

編制計算程序以某地效飛機為例進行計算，其油箱布置示意圖如圖4所示。

經與CATIA測量值進行對比進行誤差分析，如表1所示。

5 結語

通過前面分析計算，本方法設計合理，計算數據真實可靠精度較高，滿足飛機設計對耗油質量特性隨迎角變化計算數據的精度要求。