大中型运输机横航向模态特性分析

贾艳丽 晏传银 陈微 陈莹

摘 要：本文重点对荷兰滚模态特性进行了研究，并提出了改进荷兰滚模态特性的方法。研究结果对改进改型机提高飞机的模态特性有一定的参考价值。

关键词：飞机；荷兰滚

飞机的横航向模态特性包括荷兰滚模态、滚转模态、螺旋模态。飞机在受到扰动后，横航向扰动运动的特点由这三个典型模态运动叠加而成。大中型运输机的滚转阻尼一般较大，滚转运动衰减很快，螺旋运动属于慢运动，驾驶员易于控制，只要发散不太快，一般是允许的。对于大中型飞机来说，螺旋模态不会影响飞机的飞行安全，研究的重点是荷兰滚模态，荷兰滚运动属于快运动，因此驾驶员不易控制，故不仅要求稳定，且需要保证较好的阻尼。因此本文仅对滚转模态荷兰滚模态进行介绍。

1 滚转模态

飞机的横航向小扰动运动方程组的特性方程中的大负实根所代表的运动模态为滚转模态。根据飞行力学原理，通过简化，忽略一些次要因素，得到滚转模态的简化公式：

由滚转模态的简化计算公式可以看出，飞机的滚转模态时间常数与飞机的滚转阻尼导数成反比。

2 荷兰滚模态

荷兰滚模态是有偏航、滚转和侧滑三个运动量同时存在的短周期振荡。形成原因如下：如果飞机受侧向扰动向右倾斜，必然产生右侧滑。由于飞机具有航向及横向静稳定性，这样在飞机上就同时产生两个力矩：一个是绕竖轴的偏航力矩，另一个是绕纵轴的滚转力矩，力图使飞机恢复到正常姿态。于是飞机就产生绕纵轴的滚转角速度和绕竖轴的偏航角速度，如果飞机存在这种情况，即滚转静稳定性远远大于偏航静稳定性，就会产生较小的偏航角速度和较大的滚转角速度，并且飞机在偏航运动中受到偏航阻尼力矩的阻碍，则飞机就会绕纵轴滚转，从右倾斜变为左倾斜，并产生左侧滑。这样飞机上又产生绕竖轴的偏航力矩和绕纵轴的滚转力矩，出于同样的原因，飞机在较大的滚转角速度和较小的偏航角速度下，绕纵轴滚转，左倾斜变为右倾斜。于是飞机就形成反复的振荡运动。

⑴国军标要求。GJB 185—1986中要求：由航向扰动输入引起的荷兰滚，其无阻尼自振频率ωnd、阻尼比ζd及阻尼ζdωnd应当大于下表中的最小值。在飞行中遇到的任何大小振荡，无论座舱操纵固持还是松浮，均应满足这些要求。

⑵参数分析。为了改善飞机的荷兰滚模态特性，需先对荷兰滚的计算公式进行分析。根据飞行力学原理，通过简化，忽略一些次要因素，可以得到荷兰滚模态的简化公式：

由简化公式可以看出：荷兰滚模态的无阻尼自振频率ωd与航向静稳定性导数成正比；阻尼比ξd则与 成反比，而与航向阻尼导数 和侧力导数 成正比；总阻尼ξdωd与 、 成正比。通过增大 可以增加无阻尼自振频率的值；通过减小 和增大 、 可以增加阻尼比的值；通过增大 、 可以增加总阻尼的值。

⑶改进措施。要想提高该飞机的荷兰滚模态的品质特性就要增大荷兰滚模态阻尼ζdωnd，使其满足GJB185-1986要求，可以通过增大航向阻尼导数 和侧力导数 来实现。在不改变气动布局的前提下，可以通过平尾加装端板和增加控制增稳系统来提高飞机的荷兰滚模态特性。

1）加装平尾端板，相当于增加了垂尾面积，使飞机的航向稳定性导数和航向阻尼导数，从而提高荷兰滚模态阻尼ζdωnd和阻尼比ζd。当然，平尾加装端板同时会带来额外的问题，造成大侧滑时航向静稳定性过大，导致航向操纵性降低，抗侧风能力下降。因此再设计时要考虑飞机飞机稳定性与操纵性的协调问题。

2）从飞行控制方面改进，在横航向操纵通道中增加控制增稳系统可以增加飞机的荷兰滚阻尼。主要是通过在系统中引入侧滑角和偏航角速率反馈来增大航向运动的固有频率和荷兰滚阻尼比。

为了改善某型飞机的荷兰滚模特特性，在飞机的横航向操纵系统中增加了控制增稳系统，飞机的阻尼比增加了70%，无阻尼自振频率ωnd增加了23%，总阻尼增加了将近一倍，使得某型中型运输机荷兰滚模态特性满足GJB 185—1986标准1的要求。

3 总结

飞机的横航向模态在飞机的飞行品质评定中具有特殊的意义，特别是荷兰滚模态，更是关系到飞机的飞行安全。因此，要特别注意使飞机的荷兰滚模态特性满足飞机安全使用和驾驶舒适性的要求。本文根据飞机横航向模态特性形成原因和影响因素，给出了如何提高飞机横航向模态特性的措施，对新设计飞机和改进改型飞机提高横航向模态特性具有一定的参考价值。