大型飞机在风切变环境中飞行安全尺度分析

武虎子, 耿建中, 罗振谊, 唐长红

(中航工业西安飞机设计研究所 总体气动设计研究所, 陕西 西安 710089)

大型飞机在风切变环境中飞行安全尺度分析

武虎子, 耿建中, 罗振谊, 唐长红

(中航工业西安飞机设计研究所 总体气动设计研究所, 陕西 西安 710089)

基于低空风切变对飞行安全的影响,对大型飞机在风切变环境中的飞行安全尺度进行了详细分析。主要从风切变能量水平和飞行安全尺度进行比较,从而可以评估风切变的危险程度,而风切变的危险程度主要从风切变危险尺度和速度危险尺度来衡量。风切变危险程度如果达到飞机飞行安全尺度边界,飞机则会发出告警提示。飞行员根据告警提示采用相应的操纵方法避免危险的发生,从而提高飞机的飞行安全性。

风切变; 飞行安全; 能量水平; 安全尺度

0 引言

低空风切变对飞机的飞行安全造成严重的威胁,主要的表现形式是飞机的轨迹严重偏离预定轨迹、飞行高度的急剧损失等。所以提高飞机的飞行安全就要克服上述困难,维持既定航迹和飞行高度,是飞机设计者必须考虑的实际问题。

国外很多学者也在这方面开展了大量的研究工作。文献[1]对微下击暴流的能量水平及对飞机的影响进行了相关研究。文献[2]研究了下击暴流的危险性指数及建模过程。文献[3-4]在风切变危险尺度及飞行安全尺度方面做了大量的研究工作。本文在已有研究的基础上,详细地从飞机的最小使用速度、最大着陆速度以及风切变的能量因子几个方面对飞机的飞行安全尺度进行了研究,并且针对某型运输机给出了相应的结论,以便为其他飞机设计提供理论依据。

1风切变危险尺度

1.1 风切变尺度因子的推导

当不计飞机转动运动的能量时,按地面坐标系,飞机的总能量可定义为:

(1)

则飞机的能量高度为:

(2)

能量高度表征了动能全部转化为位能时飞机所具有的高度,即飞机的能量水平。能量变化率表征了飞机的能量变化,由式(2)得到:

dHk/dt=dH/dt+(Vk/g)dVk/dt

(3)

风切变中飞行时的需用推力涉及飞机抵抗风切变的能力,在小角度假设下,需用推力表达式为:

T=mdVk/dt+D+mgγ-Lαw

(4)

则单位飞机质量所需要的推力为:

(5)

式中,αw为考虑风切变后的迎角。

又有:

dH/dt=Vkγ

(6)

综上可知:

dHk/dt=[(T-D)/(mg)+nzαw]Vk

(7)

而αw的表达式为:

αw=-(uwgγ+wwg)/V

(8)

则有:

(9)

式中,Fk为风切变对飞机能量特性的影响,称为风切变指数。

从上面的式子可以看出,飞机要保持能量不变,则必须满足:

T=D+Fkmg

(10)

由于风切变指数Fk是nz,γ,V,uwg,wwg的函数,即使可以保证飞行参数保持不变,但是还取决于风速的变化,所以风切变中,必须根据风速的变化来实时调节飞机的推力,直到发动机的可用推力不满足维持飞机能量状态不变时,则飞机性能将会下降。

1.2 风切变尺度因子的简化

(11)

当Fk>0时,风切变引起飞机性能下降;当Fk<0时,风切变改善飞机的性能。

这里给出大型喷气运输机的一些统计结果如下:

0.1<(T-D)/(mg)<0.3

(12)

(13)

|wwg/V|≤0.25

(14)

若飞机具有一定的抗风切变能力,即:

|Fk|≤|F0|

(15)

飞机在飞行包线内的每一点上所具有的剩余功率是一定的,当风切变对能量的需求超过飞机性能所允许的范围,无法再维持飞机正常飞行所需要的能量水平时,就意味着飞机不再抗拒风切变的影响,其后果可能是灾难性的。

图1 风切变尺度等位图Fig.1 Equipotential contours of windshear scale

通过以上分析,只要机载前视式雷达探测到水平风加速度和垂直风,即可解算出风切变危险尺度,然后再和飞机的加速和爬升能量进行比较,就可以避免飞机发生灾难。

2 飞行速度危险尺度

2.1 最小使用速度限制

在遭遇风切变时,导致飞机迎角过大的风速有两种可能:(1)垂直向上的气流使飞机的迎角被动增大;(2)在风切变作用下,空速减小导致升力不足,驾驶员主动拉杆使迎角增大。

当飞机遭遇向上的气流时,驾驶员可主动推杆减小迎角而使飞机不进入危险状态,因此这种风切变对飞行安全性的影响可以轻易消除。当风切变使飞机的空速减小导致升力不足(油门不变)时,驾驶员增加迎角会出现两种可能的结果:(1)拉杆过大,导致飞机失速;(2)保持迎角在较大值但不失速,飞机因升力不足高度持续损失。这两种结果对飞行安全的影响都是不可接受的。

文献[5]中规定:对于现有的大气条件和飞机构型,飞机的性能显著降低(不能平飞),则认为风切变对飞行安全构成威胁。

危险尺度判据为:V

2.2 最大着陆速度限制

在飞机进近着陆过程中,对最大着陆速度有限制[6]:VLlim=V*+10.3,其中V*为基准着陆速度。当飞机遭遇风切变后,驾驶员使用加油门的操纵策略时,其必须关注飞机的地速变化情况。如果飞机穿越风切变后的地速大于速度VLlim,则飞机有冲出跑道的危险,即驾驶员不可继续着陆而需立即复飞。

3 飞行安全尺度

飞机在低空风切变中的飞行安全尺度可以由风切变的危险尺度和速度危险尺度两部分构成。在低空着陆进近段,还包括最大着陆速度限制。

当探测到的风切变达到上述两种危险性尺度判据的任意一条时视其达到安全尺度的边界,飞机系统会发出告警信息,飞行员则要采取相应的操纵策略来控制飞机安全飞行。

4 计算仿真

4.1 仿真参数设置

表1给出了计算仿真的飞机参数。

表1 飞机参数设置Table 1 Plane’s parameter

4.2 仿真结果与分析

图2和图3给出了质量为145 000 kg时的飞机风切变危险尺度因子随速度的变化曲线和临界危险尺度因子时刻的飞机推力占最大推力的比值曲线。从图2中可以看出,速度越大,危险尺度因子越小,这说明速度越大时,飞机所具有的能量就越大,这样抵抗风切变的能力就大,所以需要的动力补充就小,故Fk就小;同时,在相同飞行速度下,高度越高,Fk越小,这是因为高度越高,就有足够的势能可以改变为动能,这样为飞机抵抗风切变提供了一部分转化能量,飞机需要的补充能量就会变小,换句话说,飞机只需要稍微增加动力就可以抵抗风切变,所以风切变尺度因子小。由图3可知,速度越大时,飞机的动力就会越大;高度越高,飞机的动能越大,在遭遇相同强度风切变时,飞机补充的能量就会变小。

图4和图5给出了质量为130 000 kg时的飞机风切变危险尺度因子随速度的变化曲线和临界危险尺度因子时刻的飞机推力占最大推力的比值曲线。曲线的变化规律同图2和图3,所不同的是,质量越小,在相同高度和相同速度下Fk变大,因为在相同动力的情况下,飞机的质量越小,飞机加速度就会变大,这样飞机的动能就会增大,故而飞机的能量就高,依据计算公式,明显可以看出,危险尺度因子就会变大。在相同的最大推力下,飞机质量越小,飞机增加剩余推力裕度就越大,飞机的飞行安全性就越高。图6为风切变临界危险尺度曲线。

图2 质量为145 000 kg时的风切变危险尺度因子Fig.2 Windshear scale factor of danger (m=145 000 kg)

图3 质量为145 000 kg时的动力比值Fig.3 Ratio of power (m=145 000 kg)

图4 质量为130 000 kg时的风切变危险尺度因子Fig.4 Windshear scale factor of danger (m=130 000 kg)

图5 质量为130 000 kg时的动力比值Fig.5 Ratio of power (m=130 000 kg)

图6 风切变临界危险尺度曲线Fig.6 Windshear critical scale of danger

由图6可知,当垂直风速和水平风速加速度的比值如果落在直线上方,飞机的性能就会逐渐下降,反之,飞机的性能就会改善。

5 结论

综上分析可得出以下结论:

(1)在相同最大推力下,飞机飞行速度越大,风切变危险尺度因子越小;

(2)在相同最大推力下,飞机飞行速度越大,飞机抵抗低空风切变的剩余推力余量越小;

(3)在相同最大推力和相同速度下,飞机高度越高,风切变危险尺度因子越小,抵抗低空风切变的剩余推力余量越小;

(4)当风切变的垂直风速和水平风速加速度的比值大于8.3时,飞机性能肯定会下降;比值如果小于5.8时,飞机性能肯定会得到改善。

[1] Kioumars Najmabadi. Statistic evaluation of performance indices of microburst-generated wind effect on airplane flight[R]. Washington:Boeing Commercial Airplane Company Seattle, 1987.

[2] Fujita T T.Microbursts as anavivtion wind shear hazard[C]//AIAA 19th Aerospace Sciences Meeting. Missouri Louis,1981:1-10.

[3] 金长江,张洪,朱仁标,等.低空风切变危险尺度研究[J].航空学报,1992,13(10):481-486.

[4] 肖业伦,金长江.大气扰动中的飞行原理[M].北京:国防工业出版社,1993.

[5] 中国航空工业总公司.HB 7582-98 民用航空器机载风切变系统最低性能要求[S].北京:航空工业总公司301所和607所,1998.

[6] Federal Aviation Administration.AFS-205 Windshear training aid,example windshear training program[S].USA,FAA,1987.

Analysisofflightsafetyscaleinwindshearforlargeaircraft

WU Hu-zi, GENG Jian-zhong, LUO Zhen-yi, TANG Chang-hong

(General Configuration and Aerodynamic Design Institute, AVIC Xi’an Aircraft Design Institute, Xi’an 710089, China)

The flight safety scale in low altitude windshear is analyzed based on the effect of low altitude windshear in flight safety in the detail. The danger level of windshear can be evaluated by comparing the energy level and flight safety scale. The danger level of the windshear is mainly measured from the danger scale of windshear and velocity. If the danger level of windshear reaches the boundary of flight safety scale, a warning signal will be givenk. The pilot will take corresponding measures according to the warning signal to prevent the dangerous situation, therefore, thus improving the flight safety.

windshear; flight safety; energy level; safety scale

V212.1; V249.1

A

1002-0853(2013)04-0305-03

2012-11-30;

2013-05-02; < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2013-06-06 12:25

武虎子(1981-)，男, 陕西富平人,工程师,博士研究生,研究方向为飞机操稳特性与飞行控制。

(编辑：方春玲)