基于準則的戰斗機大迎角飛行品質分析

惠少輝

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

在小迎角區域，國內外對飛行品質的研究已經有了相當的積累，美軍標MIL-STD-1797 對該區域的飛行品質要求作出了明確的定義。而在大迎角區域，氣動特性的變化使傳統的飛行品質指標如操縱期望參數（CAP），短周期阻尼比，頻域Neal-Smith 準則等已經不能完全適用，需要制定新的適用于大迎角飛行區域的相關品質規范來評估和指導飛機設計。本文將從以下2 個方面介紹大迎角飛行品質研究工作：大迎角飛行品質評估準則和大迎角飛行品質評估機動動作。用經典的低階等效模型反映帶飛控系統飛機的大迎角動力學特性，根據大迎角縱向頻率-阻尼比準則和橫向滾轉時間常數-滾轉角速率準則，通過俯仰、滾轉機動及縱橫向的大致截獲和跟蹤任務來確定飛機的品質等級，并解釋在不同參數組合下的操縱特性。

1 大迎角縱向頻率-阻尼準則分析

在大迎角區域內，如果飛行器存在穩定的運動，在控制系統輔助下，飛機在駕駛員操縱頻帶范圍內，也應該具有理想的低階頻率響應特性，因此可以用經典的低階等效模型反映帶飛控系統飛機的大迎角動力學特性如圖1 所示。

圖1 縱向模態響應

通過俯仰機動及大迎角捕獲、跟蹤等任務的模擬，可以確定低階等效系統的飛行品質等級，對應于完成任務的難易程度和工作負荷，從而近似地評估高階系統的飛行品質等級。

1.1 縱向階躍響應及捕獲、跟蹤任務

通過選取縱向二階操縱響應特性，簡要介紹不同頻率和阻尼比組合對俯仰機動及大迎角縱向捕獲、跟蹤動作完成情況影響的評價方法。滾轉操縱指令和偏航操縱指令的時間常數設為常值。因為當不同的頻率阻尼比組合難以控制、靈敏或者操縱遲緩時，難以進行追蹤及捕獲任務，所以先采用階躍信號來進行不同組合的動態響應對比，然后挑選合適的頻率-阻尼比組合來完成縱向捕獲、跟蹤任務，最后根據評價結果完成與準則的對比。

首先進行其在不同頻率-阻尼比組合下的階躍響應，在1 s 時拉桿，持續1 s，第2 s 時桿恢復到中立位置，其不同頻率-阻尼比組合動態響應如圖2—圖6 所示。

圖2 頻率阻尼比分別為3.0 rad/s、1 的動態響應

圖3 頻率阻尼比分別為2.5 rad/s、0.8 的動態響應

圖4 頻率阻尼比分別為2.3 rad/s、1.4 的動態響應

圖5 頻率阻尼比分別為1.5 rad/s、1 的動態響應俯仰機動結果見表1。

圖6 頻率阻尼比分別為0.3 rad/s、1.2 的動態響應

1.2 縱向評價結果與準則的對比

完成上述縱向俯仰和截獲及跟蹤任務后，查看表1 中的評價及縱向截獲、跟蹤任務的庫伯-哈珀評價，對比麥道公司建議的大迎角縱向飛行品質等級及評價。如圖7、8 所示，方塊代表試驗點，可以看出在不同的頻率阻尼比組合下，表1 中的評價基本和縱向跟蹤、捕獲飛行品質等級相對應。尤其是在設定的頻率阻尼比下，縱向跟蹤、捕獲分別滿足適當和滿意的要求，如果依據傳統的MIL-STD-1797《軍用標準——有人駕駛飛行器飛行品質》，操縱的品質評價明顯和實際評價不相符，但和麥道公司建議的大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質等級良好吻合。這也很好地初步驗證了大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質等級劃分的合理性。

表1 俯仰機動結果

圖7 縱向跟蹤飛行品質等級及駕駛員評價

圖8 縱向截獲飛行品質等級及駕駛員評價

2 大迎角橫向滾轉時間常數-滾轉角速率準則分析

同縱向一樣，橫向也采用經典的低階等效模型來反映帶飛控系統飛機的大迎角動力學特性。如圖9 所示。

圖9 滾轉模態響應

對于橫向，指令繞速度軸的滾轉角速率，一階操縱響應特性，下文將簡要介紹不同滾轉時間常數和滾轉角速率組合對滾轉機動及大迎角捕獲、跟蹤動作完成情況影響的評價方法。

2.1 橫向階躍響應及捕獲、跟蹤任務

因為當不同的滾轉時間常數和滾轉角速率組合難以協調滾轉、操縱靈敏或者遲緩時，難以進行追蹤及捕獲任務，所以先采用階躍信號來進行不同組合的動態響應對比，然后挑選合適的滾轉時間常數和滾轉角速率組合來完成橫向捕獲、跟蹤任務，最后根據評價結果完成與準則的對比。

首先進行其在不同滾轉時間常數-滾轉角速率組合下的階躍響應，在1 s 時右壓桿到底，持續5 s，第6 s桿恢復到中立位置，動態響應如圖10、11 所示。

圖10 時間常數和角速率分別為1.5 s 和118°/s 時的動態響應

2.2 橫向評價結果與準則的對比

完成上述橫向滾轉和截獲及跟蹤任務后，查看表2 中的評價及橫向截獲、跟蹤任務的庫伯-哈珀評價，對比麥道公司建議的橫向飛行品質等級及評價。如圖12、圖13 所示，方塊代表試驗點，與表2 對比可以看出在不同的滾轉時間常數和滾轉角速率組合下，基本和圖中的橫向跟蹤、捕獲飛行品質等級及評價結果相對應。特別是在設定的滾轉時間常數和滾轉角速率組合下，橫向跟蹤、捕獲分別滿足滿意和適中的庫伯-哈珀等級要求，模擬結果的品質等級和傳統的MIL-STD-1797《軍用標準——有人駕駛飛行器飛行品質》與大迎角下的橫向跟蹤與捕獲飛行品質等級都吻合得很好。這也初步看出，MIL-STD-1797《軍用標準——有人駕駛飛行器飛行品質》和大迎角下的橫向跟蹤與截獲飛行品質等級具有很好的一致性。

圖11 時間常數和角速率分別為1.0 s 和94°/s 時的動態響應

圖13 橫向跟蹤飛行品質范圍

滾轉機動結果見表2。

表2 滾轉機動結果

圖12 橫向截獲飛行品質范圍

3 結束語

本文針對大迎角飛行品質，分為縱橫向，運用大迎角飛行品質準則來分析大迎角特性。縱向采用了大迎角頻率-阻尼準則來分析，通過加入基于任務的飛行品質評價內容——縱向跟蹤及捕獲，綜合俯仰動態響應和縱向跟蹤及捕獲來評價縱向飛行品質的同時，驗證不同頻率阻尼比組合的操縱特性及品質邊界。結果表明，對試驗點的評價等級和麥道公司建議的大迎角下縱向跟蹤與捕獲飛行品質等級吻合得很好。橫向采用橫向滾轉時間常數-滾轉角速率準則來分析評價，同樣的，可綜合橫向動態響應和橫向跟蹤及截獲任務來評價橫向飛行品質，并驗證不同滾轉時間常數和滾轉角速率組合的操縱特性及品質邊界，最終確定大迎角縱橫向的品質等級區域。