國外空中加油受油機操縱品質試飛技術綜述

作者簡介：李雅靜（1985-），女，碩士，高級工程師。研究方向為飛行品質試飛。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.007

摘? 要：針對飛機執行軟式空中加油任務時飛行品質試飛及評價方法缺失的問題，搜集國外文獻，結合實際空中加油試飛，分解空中加油任務得到加油不同階段飛行品質關注重點。針對性提出加油任務相關的操縱品質試飛及評價方法，改進加油模態飛行控制律，改善飛行品質、尾流場操縱品質檢查、空中加油任務閉環操縱品質評價等，對我國空中加油飛行品質試飛及評價具有較大參考價值。

關鍵詞：軟式空中加油；操縱品質；尾流場試驗；閉環任務品質評價；受油機

中圖分類號：V212.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0029-05

Abstract： In response to the issue of the lack of flight quality test and evaluation methods for aircraft performing soft aerial refueling missions， it is necessary to collect foreign literature and combine it with actual aerial refueling test flights. By breaking down the aerial refueling mission， the focus points for flight quality during different refueling stages can be identified. Specific methods for handling quality test and evaluation related to the refueling mission can be proposed， such as improving the flight control laws for the refueling mode to enhance flight quality， conducting wake field handling quality checks， and developing a closed-loop handling quality evaluation for the aerial refueling mission. These measures are of significant reference value for the test and evaluation of flight quality in aerial refueling in China.

Keywords： soft aerial refueling; handling qualities; wake field experiment; closed-loop mission quality evaluation; receiver aircraft

空中加油受油機飛行品質是決定加油任務能否順利完成的關鍵因素。戰斗類飛機作為受油機，由于飛機本身機動特性較強，完成受油任務相對容易。而對于大型受油機，如運輸類飛機，機動能力差是完成空中受油任務的最大障礙，要設計出具有怎樣的機動能力的飛機才能夠滿足空中受油任務是大型飛機設計試驗中面臨的難題[1]。目前中華人民共和國國家軍用標準（簡稱“國軍標”）缺乏對空中受油飛行品質的分析手段和經驗，美軍標的MIL-STD-1797A中只有少量的加油對接任務[2]，我國國軍標GJB 185—86《有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質》中對于加油任務只定義了A種飛行階段中部分開環指標[3]，難以對現有飛機受油飛行品質進行準確分析，不能很好地指導飛行品質設計及面向加油任務的飛行試驗設計。

飛機在加油過程中的操縱性、穩定性評價十分重要，是關乎加油成敗的最關鍵因素，亟待研究。本文通過研究國外相關試飛及評價技術，總結得到能指導后續空中加油任務的飛行品質試飛方法和評價方法。

空中加油時受油機需要進行的飛行品質試飛內容主要包括3個方面：一是受油包線確定及操縱特點檢查；二是尾流場影響檢查；三是對接及保持時閉環飛行品質評定。本文將從這3個方面開展受油機執行加油任務飛行品質研究。

1? 大型受油機加油飛行控制系統改進

為了提升飛機作為受油機執行受油任務的飛行品質，多數帶控制增穩系統的飛機或是電傳飛機會適應性更改控制律。受油機進行受油一般有如下控制要求[4-5]。

一是單獨的加油狀態開關；

二是增加穩定性，克服加油機氣流干擾；

三是在一定范圍和時間內，能夠保持穩定的姿態角；

四是加油過程中，受油機一旦遭遇敵情或險情，來不及斷開加油狀態開關時，可通過增大駕駛桿的操作量恢復對飛機的正常操縱。

參考文獻[6]介紹了C-17A運輸機作為受油機的飛行控制系統的最新更新。飛行控制升級是針對過去飛行員在完成空中加油任務方面存在一些困難而進行的，旨在通過改善飛機響應特性和可預測性來提高任務期間的飛機操縱品質，同時盡量減少飛行員誘發振蕩。

1.1? 三軸操縱改進

為改善C-17A在空中加油過程中的操縱品質和反應特性，對空中加油模式的傳統控制律進行了修改，以減少俯仰、滾轉、推力軸的關鍵飛行員飛行頻率的動態時延。3個軸都采用了復雜、獨特的非線性控制律?？罩屑佑湍Ｊ娇刂坡稍O計修改的目標包括提高操縱品質、降低飛行員誘發振蕩（PIO）敏感性、減少對接斷開次數、更容易接近與對接、降低受油機與加油機機組人員的工作負荷水平和降低飛行事故的可能性，并縮短了訓練時間和飛行小時，用于精確操縱、空中加油跟蹤任務。俯仰軸通過升降舵控制執行精確的俯仰角跟蹤。橫向利用差動副翼精確跟蹤滾轉角和航向變化。這有助于飛行員更容易、更精確地控制方位角的微小變化。對偏航軸空中加油模式控制律進行了優化，以最小化轉彎時的側滑量。

1.2? 推力軸改進

傳統的C-17A空中加油模式沒有控制律來幫助飛行員控制相對于加油機的前/后位置。飛行員通過調節發動機電子計算機使用的節流閥改變發動壓力比（EPR），從而改變推力。發動機響應中存在大量的時間延遲，這導致飛機向前向后移動的操縱品質差，如飛行員給出 3級品質和嚴重的PIO趨勢評價。飛機推力響應延遲大，需要進行更改，使用小幅襟翼、擾流板實現快速減速，利用小幅度的氣動增阻，實現對飛機前后移動的精確跟蹤，新的推力軸（前/后平移運動）控制律的主要特點是為了改善傳統飛機的操縱品質。

1.3? 改進結果

飛行試驗過程中，飛行品質及PIO評價使用的是庫伯哈珀評分和PIOR評分準則，飛行試驗結果是總體為1級良好的操縱品質，飛行員沒有進一步改進的要求。由于對俯仰、滾轉、推力軸進行了廣泛、復雜、創新的控制律更改，所有設計目標都得到了滿足。飛行員感覺到幾乎沒有延遲，這使得響應特性在所有3個軸上都比傳統的更可預測和可控，且沒有PIO趨勢。

2? 國外軟式加油操縱品質試飛技術

2.1? 加油包線確定

加油機的加油包線和受油機加油包線重疊的部分，即為兩型飛機加油包線，主要是高度速度包線，一般情況下，速度越大，錐套越穩定，需要關注受油機在加油機尾流中的加速能力，即發動機推力是否足夠；速度越小，錐套穩定性越差，不利于加油對接，具體包括以下2點。

第一，確定完成空中加油的飛行高度和速度范圍，應根據在加油開始和結束階段加油機需用和可用推力的曲線與受油機類似曲線的綜合分析來進行。利用剩余推力，2架飛機以初始的和接近最后的重量完成對接時能進行足夠的機動飛行，并且在加油過程中萬一出現脫開時也能進行機動飛行。

第二，選擇能進行空中加油的高度、速度范圍的第2個條件是“加油管-加油錐套”系統在氣流中的穩定性。利用伴隨飛機借助于攝影和觀察加油管在氣流中的動態的方法，評定出“加油管-加油錐套”系統的穩定性。這樣的伴隨飛機也可以是進行試驗用的受油機。同時檢查加油機自動駕駛儀調整的正確性。如果自動駕駛儀的縱向通道調整得不好，則會引起加油錐的上下擺動，因而很難或者甚至不可能在空中與其對接。

2.2? 受油機受尾流場影響試飛方法

尾流測量飛行試驗的目的是確定每個加油位置后面的安全加油區范圍，評估加油機的流場及可能對安全或加油能力產生負面影響的任何相互作用。

尾流場探索順序[7]適用于機翼吊艙和中心線加油平臺。是在不同的縱向距離探索尾流場影響可接受的方框區域。其中探索程序確定初始位置，從初始位置向上、向左、向右區域開展尾流特性探索。如為確定加油機附近是否存在可接受的尾跡湍流區域，以便執行空中加油任務，評估了加油機對其后面位置的2架受油機的影響[7]。試驗結果表明在測試的區域和條件下，加油機中心線和翼尖位置的尾流中存在一個受油機飛行品質可接受的區域，以便受油機執行空中加油任務，同時也給出了加油過程中尾流場檢查飛行的試飛流程。

2.2.1? 評估方法

會合后，受油機移動到右側或左側觀察位置，該位置至少為一個加油機機翼長度，略低于加油翼尖。在加油機中心線的尾部和每個翼尖的加油吊艙位置進行試驗。評估的位置包括預對接位置、輸油區、非輸油區。受油機在每個位置進行“方框評估”，如圖1所示。飛行員通過操縱品質評級（HQR）評估了其在“方框”中的每個點保持±1.5 m（足夠的）或±0.9 m（需要的）穩定飛機位置的能力，方框邊界定義為當到達HQR 7或需要過大的橫向或方向控制位移來保持位置或者飛機配平在任何軸上達到飽和。記錄如下信息。

1）受油機和加油機的指示空速、高度、重量；

2）加油機機組人員，評估空氣湍流；

3）受油機HQR和定性評論；

4）受油機飛機副翼、方向舵、俯仰配平（如適用）及控制輸入的數值/方向和功率要求。

圖1? 機翼尾流場探索方框1

2.2.2? 具體測試程序

選擇不同高度、不同速度、不同加油機重量狀態下，以左翼預對接位置為例，進行如下程序。

左側機翼的預對接位置定義為加油機機翼后緣30.5 m后，與左側吊艙加油管線一致，并有12.2 m的下降距離。一旦建立在預對接位置，受油機將按照如下所述執行方框評估。

1）爬升9.1 m（低于加油機機翼3.0 m），然后返回到預對接位置。

2）向左移動3.4 m（這使受油機與左翼尖對齊），然后返回到預對接位置。

3）向預對接位置右側移動3.4 m，并返回到預對接位置。

4）向預對接位置左側移動3.4 m，爬升9.1 m，穩定，下降9.1 m，然后返回預對接位置。

5）向預對接位置右側移動3.4 m，爬升9.1 m，穩定，下降9.1 m，返回預對接位置。

6）通過向左移動3.4 m，爬升9.1 m，穩定，向右移動3.4 m，穩定，向右移動額外3.4 m，穩定，下降9.1 m，通過向左移動3.4 m回到預對接位置，形成一個矩形方框。

2.2.3? 評價方法及試驗中止標準

1）操縱品質評級（HQR）用于評估與定位和保持受油機在加油機后方穩定位置相關的性能和工作量。飛行員HQR與飛行員自身的可接受性評估有關。如果遇到飛行員誘發振蕩（PIO），則使用PIO評級量表。飛行員的任務是在加油機后面的不同位置保持±1.5 m（期望的）或±0.9 m（足夠的）的穩定飛機位置。

2）在加油機尾流內或附近的所有機動過程中，受油機的飛行員注意到是否存在操縱品質異常。測試點中止標準為HQR評分7，或者當需要過大的橫向或方向控制位移來保持位置，或者當飛機配平在任何軸上飽和。

3）從加油機對稱面到翼尖的水平截面范圍，檢查受油機相對于加油機的允許機動空域。在確定水平截面空域的過程中，由于加油機尾流對受油機機翼的影響，受油機會產生滾轉，所以受油機的飛行員應確定克服此種滾轉所需的操縱機構行程。

2.3? 閉環任務飛行品質試飛及評價

為評估縱向閉環操縱品質、完善MIL-STD-1797A飛行品質標準，美國航空航天局計劃對3個空中加油任務關聯的動作進行分析研究[8]，目的是確定評估飛機閉環空中加油任務操縱品質的最佳任務。

測試計劃評估了3項候選任務：對接任務，錐套跟蹤任務，錐套瞄準指向任務。測試中，對3項任務進行了評估比較，確定錐套跟蹤任務被認為是評估閉環操縱品質的最佳方法。

具體任務描述如下。

2.3.1? 對接任務

1）任務描述：①從預對接位置（在錐套后面3.0～4.6 m處，加油探頭垂直和水平對齊）確定3～5節的接近率，并嘗試對接。如果連接成功，穩定約30 s，然后建立3～5節的分離率，脫離并返回預對接位置。重復該任務至少6次，然后給出Cooper-Harper（CH）評分和飛行員誘發振蕩（PIO）等級。②從4.6 m處接近，嘗試對接。如果接近率超過5節，則中止嘗試。如果探管尖端通過錐套的外邊緣或出現危險情況，則中止對接嘗試并返回預對接位置。由于湍流引起的瞬時錐套偏移導致的中止嘗試將不占試驗次數。

2）性能標準：①標準1期望的。在至少50%的嘗試中，在不接觸錐套邊緣的情況下進行對接。沒有PIO趨勢。②標準2足夠的。在至少50%的嘗試中完成對接。

2.3.2? 錐套跟蹤任務

1）任務描述（圖2）：將探頭穩定在錐套后1.8～3.0 m處。從這個位置開始，將探頭保持在錐套邊緣內至少20 s，使用錐套的中心作為瞄準點。重復這項任務至少3次。給出CH評分和PIO評級。

（b）? 駕駛艙視角

圖2? 錐套跟蹤任務示意圖

2）性能標準：①標準1期望的。將探頭保持在目標位置的±1/2個錐套半徑范圍內，包括垂直和橫側向。不得與錐套接觸（除非錐套突然移動是由油輪或外部影響引起的），沒有PIO趨勢。②標準2足夠的。將探頭保持在目標位置的一個錐套半徑內，垂直和橫向。不得與錐套接觸（除非錐套突然移動是由加油機或外部影響引起的）。

2.3.3? 錐套瞄準任務

1）任務描述：在探頭穩定在距離錐套1.8～3.0 m的位置后，快速（在1 s內）將錐套重新定位在錐套的頂部邊緣，并穩定5 s。然后，快速（在2 s內）將探頭重新定位在錐套底部邊緣，并穩定5 s。最后，快速將探頭重新定位到錐套中心（1 s內）。給出CH評分和PIO評級。

2）性能標準：①標準1期望的。將探頭保持在所需位置的±1/2個錐套半徑范圍內，包括垂直和橫側方向。不得與錐套接觸（除非錐套突然移動是由加油機或外部影響引起的）。沒有PIO趨勢。②標準2足夠的。將探頭保持在所需位置的±1個錐套半徑范圍內，包括垂直和橫側方向。不得與錐套接觸（除非錐套突然移動是由加油機或外部影響引起的）。

經過不同飛行員執行動作后進行打分和任務評述，錐套跟蹤任務被認為是評估閉環操縱品質的最佳方法，但由于其無法給出距錐套1.5 m范圍內可能遇到的頭波效應的情況，因此，應結合錐套跟蹤任務和加油對接任務，以全面評估空中加油任務中的閉環操縱品質。

（b）? 駕駛艙視角

圖3? 錐套瞄準任務示意圖

3? 空中加油過程中的品質評價

空中加油過程飛行品質試飛要分階段進行，具體包括如下4個過程。

3.1? 遠距到近距編隊飛行時

飛行員要確定加油對接的機動過程中動力裝置的工作狀態和發動機所需的轉速變化范圍，飛行員從初始狀態向加油錐套靠近，以便評定出加油錐套對受油機機身氣流特性的影響，同時評定受油機機身前部對加油錐穩定性的影響。

遠距到近距直到對接過程中檢查受油機受尾流場影響。

3.2? 在靠近加油錐套的密集編隊過程中

評價操縱特性，例如對于有些大型飛機，利用小的往復操縱來操縱受油機，尤其是在俯仰系統，否則可能會引起受油機縱向擺。

當空中加油系統的飛行試驗在雙人駕駛的飛機上進行時，則應該明確飛行員之間的責任分工，并準備好必要的指令和報告，以便保證機組人員之間有最大程度上的相互理解和協同動作。

3.3? 在預對接到對接過程中

受油機飛行員要評價對接過程中小幅操縱飛機時飛機的PIO特性，可以使用閉環任務飛行品質及評價方法。

關注油門操縱對飛機3軸的影響，因為不同類型的受油機在靠近加油錐的過程中會改變自身的縱向平衡，尤其是對于螺旋槳發動機的飛機。

3.4? 在編隊飛行進行空中加油時

應根據加油機的位置來保持受油機的位置。

在加油輸油過程中，允許在一定的距離、高度上有限的機動。隨著受油機飛行重量的增加，飛行員應增大動力裝置的推力，評定使用油門桿操縱時所必需的工作轉速和必需的推力變化。

4? 結論

本文總結了國外固定翼飛機軟式空中加油技術，包括大型受油機空中加油飛行控制系統改進、尾流場檢查試飛方法、空中加油操縱品質試飛方法及評價技術，為我國固定翼飛機空中加油試飛及受油模態控制律設計提供了參考。

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