仅油门控制试飞仿真研究

肖 华

(中国飞行试验研究院 中航工业飞行仿真航空科技重点实验室，陕西 西安710089)

0 引言

由液压系统完全失效(Total Loss of Hydraulic，TLOH)导致的飞行控制完全失效(Total Loss of Flight Control，TLOFC)并不意味着飞机真正的完全失去控制，对现代的多发大型飞机而言，利用油门的增减和差动控制依然可以实现对飞机一定的控制能力，且有可能实现安全着陆。

1989年，麦道公司的DC-10三引擎商务飞机由于机尾引擎失效导致丧失全部的舵面控制功能从而坠毁，但惊奇的是飞行员使用仅油门控制(TOC)实现了对飞机的部分控制功能，一直飞行了44 min，直到该飞机尝试在Iowa州Sioux市机场着陆时才失去控制。由于飞行员的出色表现，虽然飞机坠毁在跑道上，但全机296名乘客中181人得到生还［1］。

2003年，DHL的空客300B4在巴格达国际机场外被地对空导弹击中，左侧机翼的损伤导致飞控系统失效。由于飞行员对Sioux市坠机事件很熟悉，他依靠TOC使飞机实现了安全着陆［2］。

虽然由于TLOH导致的TLOFC非常罕见，但是由于后果严重，依然引起了美国NASA Dryden飞行研究中心和相关试飞机构的重视，为验证在TLOH条件下，使用TOC后商务机的控制能力，先后对C-17，B737，B747，B757，B767，B777，MD-11，A300-600及A320飞机进行了各种飞行条件和构型的TOC飞行试验［3］。

国内的TOC试飞研究尚属空白，TOC飞行原理、驾驶技术、评价方法及TOC仿真模拟技术均有待突破。本文探讨了TOC飞行原理，完成了典型的通用四发大型运输机TOC仿真模型，设计了爬升和改平、转弯及着陆三个典型试验点，给出了相应的评价方法，最后邀请多名试飞员在试飞模拟器上开展了TOC模拟试验，验证了TOC飞行原理，给出了不同试验点的试验结果、驾驶方法和品质评价，并展望了下一步的研究方向。

1 TOC飞行原理

TLOH意味着飞机所有由液压操控的舵面完全失效，由于大型机一般都没有安装备份电动作动器且自身具备静稳定性，此时，TOC成为飞行员操控飞机一种可行的途径。

1.1 TOC横航向控制原理

TOC利用左右发动机油门的差动控制实现横航向控制，这种差动推力控制对所有的多发飞机都是有效的。问题是，TOC利用差动推力进行航向控制的时候往往会产生附加的滚转力矩。对于后掠翼飞机来说，滚转力矩与机翼后掠角和升力的平方成正比。垂尾在TOC航向控制的时候也可能会产生滚转力矩，飞机滚转的方向与偏航方向通常一致，这就致使飞机在TOC航向控制飞行时会伴随同方向的滚转。对飞行员来说，适当的油门差动操纵就可以让飞机朝期望的方向进行转弯。

1.2 TOC纵向控制原理

对于常见的下单翼吊装发动机布局的飞机而言，推力增加将产生抬头俯仰力矩，从而增加迎角并爬升;反之，飞机下降。由于推力变化会引起飞机迎角、航迹角、升力、阻力同时发生变化，总俯仰力矩也受发动机离轴力矩、升力和阻力力矩的影响，加之飞机本体荷兰滚、纵向长周期模态影响等多方面的原因，因此TOC纵向控制比横航向控制更困难。

1.3 TOC速度控制与着陆

增减油门可轻易实现加减速，同时伴随着航迹升降。爬升和改平阶段的TOC对速度控制没有严格的要求，但是TOC进场和着陆就要求把飞机速度控制在可接受的范围内。速度过大的着陆会损伤飞机的结构，速度过低则会降低飞机的稳定性。着陆阶段放下的起落架和襟副翼会增加低头力矩，TOC模式下，增加推力去平衡低头力矩，就会导致速度增加从而无法安全着陆。

商务机可通过消耗燃油来轻易地减轻飞机的重量，也可以通过移动乘客或行李来实现飞机重心的移动(A320把最后三排的乘客移到前排可以将重心前移12%［3］)。后移重心可产生抬头力矩，直接增加飞机的迎角、升力和阻力，此时就可以通过TOC减少推力把速度降低到安全着陆的范围内。减重可以降低飞机的失速速度，增加失速安全边界。

2 TOC仿真建模

本文对高级模拟器的动力学仿真模型中的气动特性模块、飞控模块和发动机模块进行了改写，以支持TOC地面飞行仿真试验。

2.1 气动特性和飞控模块

飞机正常飞行时，杆舵操纵有效，计算各舵面偏转产生的力和力矩;当模拟TOC试验时，气动力模型中所有舵偏量为触发TOC时的当前值，而飞控模块编写了相应的切换控制逻辑指令。

2.2 发动机模块

依据各发动机安装位置、安装角度和油门输入位置，独立仿真4台发动机在给定飞行状态(速度、高度)下的推力T(T1～T4)和力矩MT(MT1～MT4)，计算剩余油量，以及由此产生的飞机质量、惯矩和重心的变化。

3 TOC仿真试验

模拟器训练对提高飞行员TOC飞行能力具有显著的效果［4］。为验证飞机在爬升和改平、转弯及着陆三个阶段中突发TLOH后的TOC飞行品质，并探索相应的驾驶技术，在一台带运动平台的高级试飞模拟器上开展了地面仿真试验，邀请了资深飞行员参与试验，这些飞行员均没有TOC飞行经验。

品质评价采用库珀-哈珀方法，而任务难度以试验开始后飞行员开始介入操纵、达到操纵目标所用的时间和油门杆操纵频率进行评估。

3.1 TOC爬升与改平

试验环境为:标准大气、无风、场高0 m。

初始条件为:2 650 m稳定平飞、襟翼偏转0°、起落架收起、大重量、空速128 m/s、升降速度0 m/s、侧滑角 0°。

任务要求:触发TLOH故障后，飞行员使用TOC实现10 m/s的爬升后立即进入TOC改平。

试验机有4个油门杆，其中“一发”、“二发”、“三发”和“四发”分别对应控制左侧外、左侧内、右侧内、右侧外吊装的4个发动机。仿真结果见图1～图4。图中，LT为油门杆位移;φ，θ，ψ为机体坐标轴系下的滚转角、俯仰角和偏航角;Wg为地轴系下飞机的爬升率。

图1 左侧油门控制指令Fig.1 Left throttle control command

图2 右侧油门控制指令Fig.2 Right throttle control command

图3 姿态角曲线Fig.3 Attitude angle curves

图4 高度和爬升率曲线Fig.4 Altitude and climbing rate curves

综合分析图1、图2可知，外侧两个油门杆始终微调就足以修正航向，飞行员驾驶负荷较小;而内侧两个油门在开始阶段满推以快速达到10 m/s爬升率，随后飞行员不断反复调整输入以实现平飞，油门杆输入幅值虽然趋于递减，但操纵频率基本不变，表明飞行员驾驶负荷较大。由图3可知，由于操纵负荷过大，飞行员忽略了对ψ的修正，飞机出现了持续偏航。图4给出了飞机从平飞到10 m/s爬升、再到平飞的高度变化和飞机爬升率的变化，其间一直存在不同程度的超调和波动。

该试验用时25 s达到10 m/s的爬升目标，随后转入改平，在150 s时基本达到爬升率为0 m/s的目标，并稳定保持100 s，操纵品质评价为7级。

3.2 TOC转弯

初始条件同上，触发TLOH故障后，飞行员使用TOC控制飞机转向90°并保持。仿真结果见图5～图8。

图5 左侧油门控制指令Fig.5 Left throttle control command

图6 右侧油门控制指令Fig.6 Right throttle control command

图7 姿态角曲线Fig.7 Attitude angle curves

图8 高度和爬升率曲线Fig.8 Altitude and climbing rate curves

综合分析图5、图6可知，初始一发油门由一个长阶跃输入形成差动偏航力矩，飞机右滚右偏下降，偏航60°后转为改出操纵，由四发油门的6个脉冲输入以改平飞机姿态并保持当前航向。由图7可知，ψ由50°平滑增加到140°，油门差动也引起φ的先增后减。图8给出了油门差动偏航期间的飞机高度变化和爬升率的变化。

该试验用时120 s达成目标，品质评价为5级。

3.3 TOC着陆

飞机稳定平飞在跑道端头10 km处，高度500 m，襟翼偏转27°、起落架放下、中重量、速度78 m/s。飞机安全着陆的下沉速率必须小于5 m/s。仿真结果见图9～图12。

综合分析图9、图10可知，由于着陆需要同时完成稳定下降速率、对准跑道并控制飞机降落在跑道端头三项任务，从始至终，两个外侧油门都需要不断小幅脉冲操纵来修正航向，而内侧两个油门也需要不断调整推力来控制飞机的下沉速率，飞行员操纵负荷非常大。

图9 左侧油门控制指令Fig.9 Left throttle control command

图10 右侧油门控制指令Fig.10 Right throttle control command

图11 姿态角曲线Fig.11 Attitude angle curves

图12 高度和爬升率曲线Fig.12 Altitude and climbing rate curves

由图11可知，φ，θ及ψ均在小范围内波动，保持良好。由图12可以看出，飞机持续下滑并着陆，初始时飞机以－7 m/s左右的速率下降高度，末期下降速率稳定在－3 m/s左右，满足安全着陆条件。

该试验用时140 s达成目标，品质评价为8级。

此试验由于难度大，重复进行了多次，开始阶段很少有飞行员能控制飞机成功着陆，后来通过估算和讨论，优化了操纵技术。为了控制飞机落点在跑道端头，需要飞机以平均下沉速率－3 m/s持续下降，所以需要先期控制飞机下沉速率到－7 m/s，然后再以－2.5 m/s为目标控制飞机下降速率，才能为着陆时飞机“拉飘”操纵留下足够的余量。

由于飞机的大重量、大惯量和发动机响应延迟，TOC驾驶技术的重要特征就是精确预判，提前输入恰当的指令，因此充分的模拟器训练是提高飞行员TOC飞行能力的关键。

4 结束语

TLOFC虽然罕见，但是由于其严重的危害，受到欧美试飞机构的高度重视并广泛地开展了大量的试飞研究和演示验证。本文构造了TOC地面仿真试验环境，通过大量的模拟试验和仿真分析，探索了典型的四发大型运输机的TOC驾驶方法和评价方法，可有力地支持未来相关的试飞应用和飞行员训练。以后的研究重点是TLOH故障条件下的安全飞行包线、TOC着陆导引方法、TOC驾驶员操纵负荷，以及重量、重心对TOC飞行品质与安全裕度的影响等问题。

［1］ Anonymous.Aircraft accident report——united airlines flight 232，McDonnell douglas DC-10-10，Sioux gateway airport［R］.NTSB/AAR-PB90-910406，1990.

［2］ Lemaignan Benoit.Flying with no flight controls:handling qualities analyses of the baghdad event［R］.AIAA-2005-5907，2005.

［3］ Frank W，Burcham Jr.Richard stevens and ronald broderick.manual throttles-only control effectiveness for emergency flight control of transport aircraft［R］.AIAA-2009-7088，2009.

［4］ Darren SCole.Throttles only control of an aircraft:a proposed method to measure training effects on mental workload and spare mental capacity［R］.Reno N V:Society of Flight Test Engineers，2006.