考慮地面效應(yīng)的超低空空投載機(jī)縱向穩(wěn)定性評估方法

雒東超 張曉敏 王文星 石佳雨

摘? 要：地面效應(yīng)引起的鏡像渦系對超低空空投任務(wù)影響顯著，文章在分析地面效應(yīng)對某運(yùn)輸機(jī)縱向氣動特性影響的基礎(chǔ)上，研究了地面效應(yīng)對某運(yùn)輸機(jī)靜、動穩(wěn)定性的影響。基于Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)，推導(dǎo)了保證執(zhí)行超低空空投任務(wù)的載機(jī)其穩(wěn)定飛行的縱向氣動導(dǎo)數(shù)范圍。仿真驗證結(jié)果表明，文章研究結(jié)論對提出執(zhí)行超低空空投載機(jī)的任務(wù)性能指標(biāo)和制定載機(jī)操縱品質(zhì)指標(biāo)具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：超低空空投;氣動特性;地面效應(yīng);縱向穩(wěn)定性

中圖分類號：V212.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）24-0011-04

Abstract： The mirror vortex system caused by the ground effect has a significant influence on the ultra-low altitude airdrop mission. Based on the analysis of the influence of the ground effect on the longitudinal aerodynamic characteristics of a transport aircraft， the influence of the ground effect on the static and dynamic stability of a transport aircraft is studied. Based on the Routh-Hurwitz stability criterion， the longitudinal aerodynamic derivative range of the aircraft carrying out the ultra-low altitude airdrop mission is derived. The simulation results show that the conclusion of this paper has important reference value for carrying out the task performance index of the ultra-low altitude aircraft and establishing the control quality index of the aircraft.

Keywords： ultra-low altitude airdrop; aerodynamic characteristics; ground effect; longitudinal stability

超低空空投是指利用降落傘等動力減速器在超低空（3～10m）將重型武器裝備、給養(yǎng)等空投至指定區(qū)域[1]，是提高現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下作戰(zhàn)能力的必要手段[1]。

由于超低空空投過程是在極低的高度上進(jìn)行，地面效應(yīng)產(chǎn)生的鏡像渦系對載機(jī)氣動特性影響顯著[2]。且當(dāng)距離地面較近時，載機(jī)穩(wěn)定性將嚴(yán)重惡化，危及飛行安全[2-3]。因此，有必要深入研究地面效應(yīng)影響下的載機(jī)縱向穩(wěn)定性的評估方法[2-3]。目前，國內(nèi)外對地面效應(yīng)的研究主要集中在地效引起的氣動力理論計算[4-5]和近地飛行時穩(wěn)定性分析[6-7]，而較少關(guān)注地面效應(yīng)對超低空空投過程的影響[3]。國內(nèi)部分學(xué)者考慮了飛行高度對空投載機(jī)的作用，從而在超低空空投過程仿真模型加入了地面效應(yīng)[8-9]。通過對貨物移動引起的載機(jī)慣性張量和地面效應(yīng)的實變等效，得到氣動參數(shù)的不確定性，并設(shè)計了超低空空投縱向反步滑模控制律[10]。上述文獻(xiàn)[8-10]并未針對地面效應(yīng)對空投任務(wù)性能以及載機(jī)動力學(xué)特性的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文研究了考慮地面效應(yīng)作用的載機(jī)超低空空投動力學(xué)特性，評估載機(jī)的縱向穩(wěn)定性，以高度模態(tài)為主要研究對象，提出了飛行品質(zhì)指標(biāo)，并進(jìn)行了仿真驗證。

1 考慮地面效應(yīng)的空投載機(jī)縱向動力學(xué)特性

地面效應(yīng)對超低空飛行的載機(jī)縱向氣動力及力矩的影響主要由以下三部分組成：附著渦引起的升力系數(shù)變化、自由渦引起的升力系數(shù)變化、平尾的升力與下洗角變化[3，6，7]。

1.1 升力系數(shù)隨附著渦變化規(guī)律

附著渦引起的升力系數(shù)變化ΔCL表示為：

1.2 升力系數(shù)隨自由渦變化規(guī)律

無地面效應(yīng)時，升力系數(shù)CL表示為：

2 超低空空投載機(jī)縱向穩(wěn)定性評估方法

2.1 靜穩(wěn)定性評估方法

縱向靜穩(wěn)定性主要指俯仰靜穩(wěn)定性，采用靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)Cmα來衡量[5]。對于超低空空投載機(jī)，由于存在地效作用，因此主要考慮高度靜穩(wěn)定性，即當(dāng)飛機(jī)定直平飛時，飛行高度受擾后，其具有恢復(fù)原高度的趨勢（Static Height Stability，HS）[7]。

2.2 動穩(wěn)定性評估方法

3 地效作用下的超低空空投過程仿真

在牽引傘和貨物干擾力共同作用下，飛行員需要操作駕駛桿縱向位移，以保持飛機(jī)俯仰姿態(tài)穩(wěn)定。由于國內(nèi)關(guān)于重裝空投的品質(zhì)指標(biāo)研究較少，因此本文從載機(jī)響應(yīng)特性定量地分析空投過程地效對載機(jī)穩(wěn)定性的影響。

3.1 地效作用下的升降舵操縱效能

選取h=100m、V=100/m·s-1與h=10m、V=100/m·s-1兩個狀態(tài)點(diǎn)載機(jī)升降舵操縱效能進(jìn)行仿真分析。得到載機(jī)在有地效和無地效情況下的響應(yīng)如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示地效降低了載機(jī)升降舵效能，這對于空投任務(wù)安全性是極為不利的。因為在牽引階段，為了使貨物離機(jī)瞬間，載機(jī)可以快速爬升，飛行員需要較大操縱量，并且速度較快的縱向操縱。