空滑迫降模擬試飛方法研究

段義乾，秦俊生，徐王強

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引 言

空滑迫降是發(fā)動機停車或發(fā)生故障時保證飛機安全的應(yīng)急措施，這不僅是對飛行員駕駛技術(shù)的考驗，更是對其心理的考驗，一旦迫降失敗，很可能發(fā)生重大事故[1]。飛行迫降的成功與否，在心理上取決于飛行員是否具有處置空中特情的思想準備，在技術(shù)上取決于飛行員是否具有處置空中特情的經(jīng)驗和能力，而這些又與飛行員是否掌握了相應(yīng)的迫降理論知識和模擬訓(xùn)練的經(jīng)驗密切相關(guān)[2]。

考慮到發(fā)動機停車風(fēng)險，在模擬訓(xùn)練中常采用發(fā)動機慢車來模擬停車情況，結(jié)合打開減速板增加阻力的形式，進行模擬空滑迫降試飛[3]。模擬空滑迫降能夠 “逼真模擬” 發(fā)動機停車的真實情況的前提在于達到相近的 “空滑比” ，即飛機能用相似的軌跡傾角下滑進場著陸。當發(fā)動機慢車推力與減速板增加阻力不匹配時，模擬的空滑比與理論空滑比將存在一定的差值，進而導(dǎo)致采用該方法模擬的空滑迫降過程不夠真實。因此，在實際工程應(yīng)用中采用上述方法來模擬空滑迫降時，需提前進行理論分析，計算發(fā)動機油門的大小以保證模擬空滑比與理論無動力空滑比保持一致。本文以某型飛機為例，提出了一種模擬空滑迫降的飛行試驗方法。

1 無動力空滑參數(shù)計算

飛機空滑迫降過程可以分解為無動力直線下滑和無動力轉(zhuǎn)彎兩個過程。

對于無動力直線下滑，應(yīng)盡可能使用最大空滑比，即單位垂直高度損失能獲得的最大水平飛行距離，確保飛機盡可能滑至機場。因此，首先必須確定飛機的最佳空滑比和下滑速度。

對于無動力轉(zhuǎn)彎下滑，應(yīng)在已確定的下滑速度下，使180°轉(zhuǎn)彎的高度損失盡可能小，同時滿足飛行員視場和操縱要求。因此，需要確定飛機的轉(zhuǎn)彎坡度、轉(zhuǎn)彎半徑及180°轉(zhuǎn)彎的高度損失。

1.1 無動力直線下滑參數(shù)計算

飛機直線下滑時的縱向運動平衡方程為：

式中，P 為發(fā)動機推力，θ 為軌跡傾角，D 為阻力，L 為升力，α 為迎角，φp為推力作用線與飛機迎角基準線之間的夾角。發(fā)動機停車后推力為零，根據(jù)式（1）可得停車后的空滑比：

最佳空滑比和下滑速度確定方法為：給定飛機下滑速度，通過飛機的縱向運動平衡方程求出各速度下的升阻比，即空滑比，對比得出最佳空滑比，以及最佳空滑比對應(yīng)的下滑速度。

某型飛機在空中出現(xiàn)發(fā)動機停車時，其襟翼偏度存在兩種狀態(tài)，分別對這兩種狀態(tài)進行計算，空滑比隨表速變化曲線如圖1 所示。由圖1 可知，兩種狀態(tài)的最佳空滑比分別為6.77 和9.19，對應(yīng)的表速和下滑軌跡傾角分別為330km/h、370km/h 和9.4°、6.8°。

圖1 空滑比隨表速變化曲線

1.2 無動力轉(zhuǎn)彎參數(shù)計算

轉(zhuǎn)彎過程可近似認為穩(wěn)定盤旋下降過程，其運動方程[4]為：

式中，γ 為坡度，R 為半徑。

下降速率：Vy=Vsinθ；

一般情況下，飛機在空滑過程中，會采用直線下滑段的下滑速度進行轉(zhuǎn)彎。采用已確定的空滑速度，給定轉(zhuǎn)彎坡度γ，通過運動方程，即可以求出無動力轉(zhuǎn)彎180°過程各參數(shù)，可以得到高度損失最小的坡度。最終將轉(zhuǎn)彎坡度確定，還需要考慮到飛行員視角和駕駛技術(shù)難度，并兼顧高度損失。

不同坡度下轉(zhuǎn)彎180°損失高度如圖2 所示，根據(jù)計算結(jié)果可以得到，高度損失最小的坡度應(yīng)在50°～55°。但是考慮到飛行員視角和駕駛技術(shù)難度，并兼顧高度損失，最終將轉(zhuǎn)彎坡度確定為30°[5]，兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎180°損失高度分別為967m 和883m。

圖2 不同坡度下轉(zhuǎn)彎180°損失高度

2 空滑迫降的模擬方法

2.1 空滑迫降的模擬原理

空滑迫降的物理描述可視為飛機失去動力后在飛行員的操縱下進行著陸的過程，整個過程相對于飛機的運動特性來說是一個長時間尺度的運動過程。因此，飛行員在操縱飛機進行空滑迫降時主要關(guān)注的是慢變量即飛行高度、飛行速度和運動軌跡等，而不太關(guān)注飛行迎角、俯仰角等快變量[1]。

在飛行試驗中，我們可通過調(diào)整發(fā)動機油門，并配以打開減速板增加阻力的方式使得飛機的模擬空滑迫降的下滑軌跡與其無動力空滑迫降的下滑軌跡保持一致，進而保證其他空滑迫降關(guān)鍵參數(shù)如180°轉(zhuǎn)彎損失高度等也保持一致。即可認為該次飛行試驗較好地模擬了飛機無動力空滑迫降的過程。

2.2 模擬空滑迫降策略

考慮到發(fā)動機慢車時實際有一定推力，而且發(fā)動機停車后還存在額外的風(fēng)車阻力，因此一般采用放減速板抵消發(fā)動機推力、模擬風(fēng)車阻力的方式進行模擬空滑迫降驗證。在飛機構(gòu)形相同時，模擬空滑迫降接近真實發(fā)動機停車后的無動力空滑迫降的條件是，減速板的阻力減去發(fā)動機慢車推力，近似等于發(fā)動機停車后的風(fēng)車阻力。

某型飛機減速板的阻力、發(fā)動機慢車推力和發(fā)動機停車后的風(fēng)車阻力間的關(guān)系如圖3 所示，由于減速板的阻力系數(shù)較大，減速板的阻力減去發(fā)動機慢車推力，仍遠大于發(fā)動機停車后的風(fēng)車阻力。因此，在飛機構(gòu)形相同時，采用放減速板的方式不能模擬真實空滑迫降。

圖3 減速板的阻力、發(fā)動機慢車推力和停車后的風(fēng)車阻力間的關(guān)系

某型飛機，由于發(fā)動機停車后，前后襟翼不能正常偏轉(zhuǎn)，處于故障狀態(tài)。其中，在正常情況下，其襟翼無法偏至和狀態(tài)1 相同的偏度。在模擬空滑迫降時，還存在因構(gòu)形帶來的升阻特性的差異，如圖4 所示。僅通過判斷減速板的阻力、發(fā)動機慢車推力和停車后的風(fēng)車阻力間的關(guān)系，不能確定其是否能模擬真實空滑迫降。因此，需要通過對模擬空滑迫降的 “空滑比” 進行計算，通過與無動力空滑迫降的空滑比進行計算，來判斷其是否能模擬真實空滑迫降。

模擬空滑飛機下滑速度取無動力空滑的下滑速度，求出慢車狀態(tài)下的 “空滑比” 。取發(fā)動機推力為慢車狀態(tài)推力，根據(jù)式（1）可得 “空滑比” ：

圖4 狀態(tài)1 發(fā)動機停車與模擬空滑時兩種構(gòu)形升阻差異

根據(jù)無動力空滑計算確定的飛機最佳空滑比對應(yīng)的下滑速度，插值出飛機慢車推力，通過飛機的縱向運動平衡方程求出對應(yīng)的 “空滑比” 。

某型飛機不同狀態(tài)下，模擬空滑與真實空滑的 “空滑比” 對比如表1 所示。由于減速板的阻力系數(shù)較大，減速板的阻力減去發(fā)動機慢車推力，仍遠大于發(fā)動機停車后的風(fēng)車阻力，因此對于狀態(tài)2，模擬空滑的 “空滑比” 遠小于真實空滑的空滑比。采用放減速板的方式不能模擬狀態(tài)2 的真實空滑迫降，若需要模擬，可采用增加發(fā)動機推力的方式。對于狀態(tài)1，模擬空滑的 “空滑比” 接近真實空滑的空滑比，可以采用放減速板的方式進行模擬。

表1 模擬空滑與真實空滑的 “空滑比” 對比

2.3 飛行試驗驗證

基于本文所建立的空滑迫降模擬方法，以某型飛機為對象，開展了模擬空滑迫降科目飛行試驗，基于飛行試驗結(jié)果，計算得到了模擬空滑迫降的關(guān)鍵參數(shù) “空滑比” 與 “轉(zhuǎn)彎180°損失高度” ，并將其與理論無動力空滑迫降的空滑參數(shù)進行了對比。對比結(jié)果如表2 所示。

表2 模擬空滑飛行試驗結(jié)果

由表2 可知，對于狀態(tài)1，采用發(fā)動機慢車并打開減速板的方法進行了模擬空滑迫降飛行試驗。通過飛行試驗計算的模擬空滑比、轉(zhuǎn)彎180°損失高度與理論計算得到的基本一致，且與無動力空滑迫降的關(guān)鍵參數(shù)誤差較小。對于狀態(tài)2，分別采用了 “發(fā)動機慢車并打開減速板” 與 “發(fā)動機0.3 最大并打開減速板” 的方法開展了模擬空滑迫降飛行試驗。結(jié)果表明，采用發(fā)動機慢車方法時，雖然通過飛行試驗計算得到的空滑關(guān)鍵參數(shù)與理論模擬空滑關(guān)鍵參數(shù)結(jié)論基本一致，但與理論無動力空滑迫降關(guān)鍵參數(shù)有較大的差異，而加大推力后，通過飛行試驗與理論計算得到的模擬空滑參數(shù)與無動力空滑參數(shù)誤差保持在2%內(nèi)。

上述試驗結(jié)果與理論計算的對比也即證明了本文所提出的模擬無動力空滑迫降方法是正確可行的。

3 結(jié) 論

本文以某型飛機為例，通過對無動力空滑迫降參數(shù)和模擬空滑 “空滑比” 的計算與對比，分析了對于某型飛機采用放減速板的方式進行模擬空滑迫降飛行試驗的可行性。試驗結(jié)果表明：某型飛機停車后，存在兩種構(gòu)形狀態(tài)，對于狀態(tài)1，采用慢車放減速板模擬空滑迫降的方式可行；對于狀態(tài)2，采用慢車放減速板模擬空滑迫降的方式不可行，若要模擬，需增加發(fā)動機推力。