地面效应对超低空空投任务性能的影响

刘 日，徐 明，刘永波，毛剑英，穆成新，李文斯

(空军哈尔滨飞行学院理论训练系，黑龙江 哈尔滨，150009)

运输机超低空空投主要用于重型装备的精确投放，是空投领域的一个重点和难点[1]。当前，国内外针对超低空空投问题的研究主要集中于动力学建模[2]、飞行控制律设计[3-4]及牵引系统研发[5]等，鲜有文献考虑地面效应对超低空空投任务性能的影响。

飞机近地飞行时，地面效应将对机翼和平尾的气流流动产生影响[6-8]，使飞机的升阻特性发生变化，如升力系数增大、阻力系数减小以及升阻比急剧升高。影响飞机运动系统稳定性的因素相对复杂，气动力和力矩系数与飞行高度密切相关[9]，文献[10]引入高度稳定性系数评价地面效应影响下的飞机纵向运动稳定性。文献[11-12]采用面元法研究了近地飞行时，地面效应引起的升力、阻力和俯仰力矩系数的变化规律，结果表明，升力系数和俯仰力矩系数均随飞行高度降低而增大，而阻力系数则随飞行高度降低而减小，研究飞机气动特性时，须考虑升力、阻力和俯仰力矩系数对高度的导数。文献[13-14]通过流体动力学数值计算的方法，研究了地面效应对飞机气动力和力矩系数的影响。Benedict等[15]基于涡格法以及非定常线性化理论假设，提出了地面效应影响下复杂构型气动导数的数值分析方法。综合上述研究表明，对于超低空重装空投改平与牵引阶段，由于地面效应影响，飞机纵向气动特性发生了较大改变，为保证空投任务安全性，需要深入分析地面效应影响下的空投过程任务性能。

由于不同气动布局、飞行状态及舵面设置等因素都能改变地面效应的影响，因此不同的载机和不同的空投任务受地面效应的影响各不相同。本文在对地面效应影响定性分析的基础上，以某型运输机为例，通过低阶等效的方法获得载机超低空空投过程的长、短周期模态特性，重点分析了地面效应对空投改平及牵引过程任务性能的影响。

1 地面效应对飞机动力学特性的影响

超低空飞行时，地面效应对飞机纵向气动力及力矩的影响主要由以下三部分组成：自由涡引起的升力系数变化、附着涡引起的升力系数变化和平尾的升力与下洗角变化。

以某型运输机为例，进行纵向动力学特性仿真的结果表明，在地面效应影响下，随着飞行高度降低，升力系数逐渐增大；同时，由于机翼升力增加、下洗角减小及平尾升力的增加，导致低头力矩增大，即俯仰静稳定性增强[9]。因此，当飞机超低空飞行时，由于地面效应的影响，升力系数和俯仰力矩系数对飞行高度的气动导数不能忽略，故传统小扰动模型“不考虑高度变化对气动力的影响”的假设将不成立。

由于地面效应影响，飞机纵向和横航向运动模型中增加了与飞行高度相关的气动导数，因此，纵向、横航向运动参数对基准运动的泰勒级数一阶展开与传统的线性化形式不同，且相应的小扰动方程也不同。

2 地面效应对改平阶段任务性能的影响

飞行品质是评价飞行任务执行好坏的重要指标。由于大型运输机的航迹改平为小迎角机动动作，适用于国家军用标准(GJB)飞行品质规范常规机动动作的评估标准，因此可通过分析地面效应对纵向机动特性的影响来评估地面效应对改平阶段任务性能的影响。本文以某型运输机为例，分析地面效应对空投改平阶段任务性能的影响。

2.1 模态分析

本文提出高度模态的飞行品质评估方法来分析地面效应的影响。考虑高度模态的飞机纵向小扰动运动状态方程为

(1)

式中：

横航向小扰动运动状态方程为

(2)

式中：

其中，ΔV、Δα、Δq、Δθ、ΔH、Δβ、Δp、Δr和Δφ分别表示速度、迎角、俯仰角速度、俯仰角、飞行高度、侧滑角、滚转角速度、偏航角速度和偏航角变化量；δe、δp、δa和δr依次为升降舵偏度、油门开度、副翼偏度和方向舵偏度；气动大导数XV、Xα、Xθ、XH、Xδe和Xδp分别表示速度、迎角、俯仰角、飞行高度、升降舵和油门变化引起的切向力增量所产生的加速度；ZV、Zα、ZH、Zδe和Zδp分别表示速度、迎角、飞行高度、升降舵和油门变化所产生的迎角变化率；MV、Mα、Mq、MH、Mδe和Mδp分别表示速度、迎角、俯仰角速度、飞行高度、升降舵和油门变化所产生的俯仰角加速度；Yβ、Yp、Yr和Yδr分别表示侧滑角、滚转角速度、偏航角速度和方向舵变化所产生的侧滑角变化率；Lβ、Lp、Lr、Lφ、Lδa和Lδr分别表示侧滑角、滚转角速度、偏航角速度、滚转角、副翼和方向舵变化所产生的滚转角加速度；Nβ、Np、Nr、Nφ、Nδa和Nδr分别表示侧滑角、滚转角速度、偏航角速度、滚转角、副翼和方向舵变化所产生的偏航角加速度。

与地面效应相关的气动大导数表达式如下

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

由表1和表2可见：①地面效应对长周期模态影响较大。在相同飞行高度下，地面效应改变了长周期模态的收敛特性；随着飞行高度的降低，长周期一对共轭复根逐渐向右半平面移动，高度模态特征根向左半平面移动，在飞行高度H介于15至20 m之间时存在一个临界的高度中性稳定点，当飞行高度小于这个临界高度时，长周期模态发散而高度模态收敛。②地面效应对短周期模态影响较小。在相同飞行高度下，地面效应使短周期阻尼比变小、自然频率变大，但变化幅度均不大。随着飞行高度下降，考虑地面效应影响时，短周期阻尼比减小、自然频率增大；不考虑地面效应影响时，纵向短周期阻尼比、自然频率均随飞行高度下降而增加。③地面效应对横航向模态影响较小。在相同飞行高度下，地面效应使滚转模态收敛变慢、螺旋模态的稳定性逐渐增强,但对荷兰滚模态的阻尼比与振荡频率基本无影响，以上各模态的数值变化量均不大。

表1 模态特征根

表2 模态特性

2.2 飞行品质分析

当前，高度模态并无相应的品质规范，通过对比分析可知，高度模态由于运动参数变化缓慢等原因，与横航向螺旋模态相类似。因此，本文参照GJB 2874—1997对螺旋模态的品质要求，采用螺旋模态时间常数品质判据标准对高度模态进行评估，提出对高度模态的品质要求：应确保在驾驶员不注意时，飞机高度不会从当前高度过于迅速地发散。地面效应对Ⅲ型飞机A种飞行阶段飞行品质影响如表3所示。由表3可知，地面效应对纵向短周期、横航向荷兰滚、螺旋及滚转模态运动飞行品质影响较小，同时，高度模态满足1级飞行品质要求，但地面效应使载机纵向长周期模态发生了较大的变化，飞行品质等级由1级变为3级。

表3 飞行品质

因此，在执行重装空投改平阶段任务时，地面效应对任务性能的影响不能忽略。对于执行超低空重装空投任务的载机，一般要求满足长周期飞行品质1级或2级指标(长周期阻尼比大于0)要求，若长周期不满足此要求，在空投改平阶段，驾驶员将承担更多的操纵负担。

3 地面效应对牵引阶段任务性能的影响

在超低空重装空投货物被牵引伞牵引出舱阶段，当载机处于一定的飞行高度并保持通道打开时，驾驶员仍将会执行大的拉杆与推杆动作，以保证载机航迹准确与姿态稳定。由于对于牵引空投阶段的任务性能指标尚无相应的GJB飞行品质规范，因此本文从空投过程载机的响应出发，分析了地面效应对超低空空投牵引阶段任务性能的影响。

3.1 牵引阶段载机的动态特性

地面效应影响了载机空投启动时刻的初始状态，同时也改变了纵向短周期模态，使得载机的配平迎角减小以及空投过程中俯仰角和迎角的响应峰值增大，并且飞机飞行高度越低，地面效应影响越显著。对比牵引比不同时的仿真结果可知，地面效应对超低空空投牵引阶段大牵引比下载机的状态会产生较大影响[9]。

3.2 牵引阶段载机的飞行高度

飞机在地面效应影响下升力增大，当飞行高度继续上升时，地面效应的作用迅速减弱，此时，若飞行速度没有迅速增高，将会发生飞机刚刚拉起即跌落的现象，严重影响载机安全。

3.2.1 载机在货物出舱后脱离地面效应区域

当货物出舱后，重型货物的离机会导致载机重量减小，但由于整体重量减小量远大于因地面效应消失而造成的升力减小量，载机轨迹将迅速上扬。空投任务结束后，无论是否引入地面效应补偿，载机轨迹均继续上扬，但有地面效应时的轨迹上扬量小于无地面效应时的相应值。

3.2.2 载机在货物牵引阶段脱离地面效应区域

在货物牵引阶段，当发动机油门不变时，载机飞行迎角及升力增大，若此时载机脱离地面效应影响区域，对于常规布局的运输机，迎角变化量产生的升力增量大于因地面效应消失而损失的升力减小量，飞行轨迹不会发生下降。

设定以下两个状态进行仿真验证。状态1：飞行高度H=10 m，飞行速度V=80 m/s，襟翼开度为50%，引入地面效应的补偿量，配平迎角为2.5255°。状态2：飞行高度H=15 m，飞行速度V=80 m/s，襟翼开度为50%，引入地面效应补偿量，配平迎角为2.7293°。假设t=5 s时货物开始滑动，相应仿真结果如图1所示。

图1中，状态1和状态2仿真曲线上圆点和菱形分别对应货物离机及载机脱离地面效应区域的时刻。在状态1和状态2中，货物离机时刻分别为t=11.73 s及t=11.29 s，载机脱离地面效应区域时刻分别为t=11.19 s及t=9.64 s。仿真结果表明，载机在牵引阶段已经脱离地面效应影响区，但未发生飞行高度下降，因此地面效应不会影响载机安全。

(a)飞行高度变化量曲线

(b)俯仰角变化量曲线

4 结语

本文研究了地面效应对超低空空投任务性能的影响，是对超低空空投理论研究的重要补充。研究结果对载机的气动布局设计与空投任务性能评估有一定的参考价值，同时也为超低空空投任务性能评估指标和操纵品质指标的建立提供了理论依据。对于执行超低空空投任务的飞机，有必要依据本文方法对地面效应影响进行系统分析，特别是在牵引阶段飞行员需要执行大幅推杆与拉杆动作，建议在进行地面试验时需认真分析由地面效应引起的升降舵效能变化。