飞机着陆下沉速度的间接控制方法

汪文君 蒋启登 杨全伟 李志蕊

摘要：着陆试验中，飞行员需要操纵飞机以要求的下沉速度着陆，但飞行员座舱内不显示下沉速度。考虑到飞机速度与下沉速度之间的关系，探索了一种通过平显的飞机速度大小和方向间接控制下沉速度的方法。首先分析了平显的飞机速度方向与真实速度方向之间的关系式，并针对着陆状态对该关系式进行了简化处理，得出了接地时的关系式;然后利用某型飞机着陆的数据，识别了接地时关系式中的系数，并将识别出来的关系式应用于该型飞机着陆试验中。试飞结果表明，该方法能让飞行员凭借平显的飞机速度大小和方向间接量化判断下沉速度的大小，实现了下沉速度的控制从经验式到量化式的转变，明显提高了下沉速度的控制精度，降低了着陆试验的风险。

关键词：强度试飞;着陆试验;下沉速度;飞机速度;速度方向

中图分类号：V217+.32 文献标识码：A

起落架强度试飞的目的是检查起落架结构的强度和刚度，着陆试验是其中的重要试飞科目。与正常着陆过程中拉飘飞机以较小的下沉速度着陆不同，强度试飞中的着陆试验要求飞行员操纵飞机以要求的大下沉速度着陆，是国军标规定的复杂和风险科目。

目前，着陆过程中飞行员所看到的仪器和设备不能直接帮助他及时准确地看到下沉速度的大小，更多的是依靠飞行员的经验判断下沉速度的大小。通常，通过下沉速度由小到大的着陆试飞训练，培养飞行员判断下沉速度大小的经验并摸索下沉速度大小与飞机纵向杆量的关系。但是训练的飞行员经验容易受外界因素的影响而出现偏差，如天气情况，导致下沉速度判断不准确;此外着陆过程中，飞机杆量均是输入参数，很难得出飞机纵向杆量与下沉速度的一一对应关系。这些因素导致着陆试验时下沉速度易超过任务要求甚至超出飞机使用限制，为试验增加了风险。

本文从飞机平显（HUD）显示信息人手，提出了飞行员通过平显的飞机速度大小和方向间接控制下沉速度的方法。考虑到平显的飞机速度方向是通过迎角传感器测量的迎角和陀螺仪测量的姿态角相减得到的，分析了由于迎角传感器的机械零位和固有动特性、安装支杆和机体弹性变形、当地气流方向受飞机外形影响与前方气流方向的差别、飞机俯仰运动和地面效应等产生的迎角测量误差对速度方向的影响并进行了修正。

1 平显的飞机速度方向

平显为飞行员提供了飞机的基本飞行信息，包括高度、速度、迎角和姿态角等。在着陆过程中还会提供迎角指示符、下滑道指针和航向信标台指针等信息，以辅助飞行员着陆，某飞机着陆状态下的平显如图1所示。

实际飞行中，飞行员还可通过平显获得飞机速度大小及其方向，并通过发动机推力和纵向杆量等控制飞机速度及其方向。其中，平显的飞机速度方向是由迎角传感器测量的迎角α和陀螺仪测量的姿态角θ相减得到的，计算公式见式（1）：

γ=α-θ（1）其中，姿态角的测量通常比较准确，可认为平显的飞机速度方向的测量误差主要受迎角的测量精度影响。

通常，飞机的迎角是通过流向传感器测量的。常见的流向传感器是风标式，采用可以在测量范围内自由旋转、具有对称翼剖面的风标来测量迎角，一般传感器安装在机头前方的刚性支杆上，可测量当地的迎角。飞行中，迎角传感器直接测得的是安装位置处当地的气流迎角，其测量结果通常存在各种误差，主要包括：

（1）传感器机械零位误差;

（2）传感器固有动特性引起的误差;

（3）安装支杆和机体弹性变形引起的误差;

（4）飞机俯仰运动引起的附加速度导致的误差;

（5）因当地气流方向受飞机外形影响与前方气流方向的差别而引起的误差;

（6）地面效应引起的误差。

当飞机的飞行高度在飞机翼展范围内时，飞机距离地面的高度在飞机翼展范围内，地面效应影响开始出现，距离地面越近影响越明显。由于地面效应改变了整个飞机的压力场，包括迎角传感器安装位置处，从而影响了迎角测量精度。

飞机飞行中，上述误差会使迎角传感器测量的迎角与飞机的真实迎角产生明显差别，从而导致平显的飞机速度方向与真实的飞机速度方向产生明显差别。为了确定平显的飞机速度方向与真实飞机速度方向，就必须对平显的飞机速度方向进行校准，以获得平显的飞机速度方向与真实速度方向之间的关系。

1.1 平显的和真实的飞机速度方向关系式

迎角传感器装在飞机上后，会经过地面标定和联试，通常可以消除机械零位偏差和传感器固有动特性引起的误差。

考虑到当地气流方向受飞机外形影响与前方气流方向的差别、飞机俯仰运动引起的附加速度、安装支杆和机体弹性变形、地面效应影响因素，平显的飞机速度方向与真实速度方向之间的关系[1]可描述如下：式中：γ_HUD为飞行员平显的飞机速度方向;γ₀为因迎角和俯仰角等测量误差产生的常数修正项;γ为实际速度方向;k为气动影响系数，表示为，是当地气流方向受飞机外形影响与前方气流方向的差别引起的影响;q为飞机俯仰角速率;l为迎角传感器安装位置距离飞机重心的纵向距离;V为飞机速度;f（h，γ）为因地面效应[2，3]产生的修正项，可分解为速度方向为零时的修正项和速度方向γ产生的修正项：

f（h，γ）=f（h，γ=0）+φ（h）γ（3）式中：φ（h）为因地面效应和速度方向产生的修正项，是飞机平均气动弦长距离地面高度的函数，受飞机翼展、面积等因素的影响。

1.2 接地时的关系式

飞机降落着陆是指飞机从着陆安全高度下滑过渡到地面滑跑、直至完全停止的整个减速运动过程，一般可以分为5个阶段：下滑段、拉平段、平飘段、接地和着陆滑跑段。飞机拉平后，飞机经历平飘、飘落接地。从中可以看出，飞机接地时：

（1）飞机重心过载n_z≈1，安装支杆和机体弹性变形引起的误差：

（2）飞行高度h=0，地面效应产生的修正項：f（h，γ）=f（h=0，γ=0）+φ（h=0）γ;

（3）飛机的俯仰角速率很小，由俯仰角速率引起的速度方向偏差很小，即ql/V很小。

将以上三个条件带入式（2）和式（3），得到飞机接地时的平显的飞机速度方向和真实速度方向的关系：

将式中不随真实速度方向变化的量合并处理，可以得出：式中：γ_h，r=0=γ₀+f（h=0，γ=0）;k_h=0=k_γ+φ（h=0）。

2 着陆下沉速度的控制

2.1 飞机速度与着陆下沉速度的关系

飞机着陆时，着陆下沉速度与飞机速度和速度方向存在以下关系：

V_Z=Vsin（γ）（7）

从式（7）可以看出，通过控制飞机速度的大小和方向可达到间接控制着陆下沉速度的目的。其中平显的飞机速度大小与真实的飞机速度大小基本一致，而平显的飞机速度方向与真实的飞机速度方向差异明显，需要根据式（6）进行修正。

根据式（7）可以推导出飞机速度方向与着陆下沉速度和飞机速度大小的关系：

γ=arcsin（V_Z/V）（8）

2.2 着陆下沉速度控制

基于平显速度的飞机着陆下沉速度控制方法的思路是：基于着陆下沉速度与飞机速度的关系，确定目标着陆下沉速度和飞机速度大小所对应的飞机真实速度方向;基于飞机平显的飞机速度方向与真实速度方向的关系，确定飞机真实速度方向所对应的平显飞机速度方向;飞机员操纵飞机以要求的速度大小和平显的飞机速度方向着陆，从而达到间接控制飞机着陆下沉速度的目的。

具体流程如下：

（1）收集至少三架次的飞机着陆数据，应包括着陆时的下沉速度、飞机速度大小、迎角和姿态角等数据;

（2）根据着陆数据，按式（1）计算每个架次着陆时的平显的飞机速度方向，按式（8）计算每个架次着陆时的真实速度方向;

（3）根据着陆数据，运用最小二乘法识别式（6）中的系数γ_h，r=0和k_h=0;

（4）根据前期飞行着陆数据确定飞机着陆速度的大小，根据下一阶段的着陆下沉速度试飞目标和飞机着陆速度的大小，计算真实速度方向;

（5）计算真实速度方向对应的平显的飞机速度方向;

（6）飞机员操纵飞机以要求的速度大小和平显的飞机速度方向着陆。

3 应用实例

某飞机设计定型需进行起落架强度试飞，着陆试验是其中的重要试飞科目，为了控制着陆试验风险，飞机进行最大下沉速度着陆试验前，进行了多架次小下沉速度着陆试验，以训练飞行员、收集相同着陆重量和着陆构型下的着陆数据。飞机的着陆下沉速度、飞机速度以及根据式（1）和式（8）计算的平显飞机速度方向和真实飞机速度方向见表1。

将着陆时平显的飞机速度方向和真实速度方向代入式（9），用最小二乘法识别出式中的系数γ_h，r=0和k_h=0，具体如式（10）、识别精度如图2所示。

γ_HUD≈1.86+1.23γ（10）

下一架次目标着陆下沉速度3.0m/s，飞机速度大小取前期飞行员训练的平均值340km/h;根据式（8）可计算出真实的飞机速度方向为1.82°;根据识别的式（10）可以计算出平显的飞机速度方向为4.10°。

飞行员操纵飞机以速度340km/h和平显的飞机速度方向4.10°着陆，即可控制飞机以下沉速度3.0m/s着陆。飞机着陆时，按正常下滑要求下滑，下滑至高度10m时，平稳操纵飞机纵向杆量以调整飞机的平显的飞机速度方向至要求值，着陆过程中避免剧烈操纵飞机，导致飞机产生较大的俯仰运动;降落至高度1m时，地面效应[4～7]影响较大，需要飞行员纵向推杆以平衡增加的升力，保持飞机以要求的速度方向着陆。

飞行员按要求实施后，平显的飞机速度方向为3.94°，与计算的4.10°相差3.9%。具体实施情况和飞行操纵如图3所示，从图中可看出着陆速度为335km/h，下沉速度为2.96m/s，与要求的3.0m/s相差1.3%。着陆过程中为克服地面效应引起的升力增量需要纵向推杆与规划的一致。

4 结束语

本文基于着陆下沉速度与飞机速度的关系、平显的飞机速度方向与真实速度方向的关系，研究了通过平显的飞机速度大小和方向间接控制下沉速度的方法，试飞结果表明该方法提高了下沉速度的控制精度，降低了着陆试验的风险。研究结果对着陆试飞技术和方法的研究具有重要参考价值。

参考文献

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