侧滑角对横航向控制律设计影响分析

邹俊俊，翁雪花，肖成方，张羽白

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

通过研究国外飞机侧滑角的应用情况，我们发现，大部分西方的三、四代飞机均会将侧滑角信号引入飞控系统进行控制律设计，改善飞机的横航向飞行品质，美国“超级大黄蜂”资料显示，侧滑角信号是设计防偏离控制律的关键因素，在大迎角下通过将侧滑角和侧滑角速率信号输送到副翼和差动平尾来对侧滑角和侧滑角速率进行直接控制，进而实现较好的抗偏离特性。 欧洲“台风”战斗机和意大利M-346 教练机的机头侧面和下方装有四个多功能探头，可测得多余度的侧滑角信号，并将侧滑角引入飞控系统以改善飞机横航向特性，实现指令和控制侧滑角等功能。

目前国内部分飞机虽然安装了侧滑角传感器，但由于测量的准确性或者余度问题，真正引入飞控系统用于控制律设计的却很少，但侧滑角对于横航向飞行品质的作用是至关重要的，因此本文基于某型飞机平台研究侧滑角对于飞机抗偏离特性的影响，将侧滑角信号引入飞控系统进行横航向控制律设计，并对传统横航向控制律和引入侧滑角信号的控制律进行仿真对比分析。

1 侧滑角对飞机偏离特性的影响

以某型飞机为例，研究其本体气动特性可知，在大迎角下出现大侧滑角时横航向不稳定，因此可引入侧滑角反馈限制大迎角滚转时的侧滑角。

本节对比分析飞机本体气动和引入侧滑角反馈后的抗偏离特性，飞机引入侧滑角反馈的横航向控制律设计简图如图1 所示。

图1 引入侧滑角反馈的横航向控制律简图

侧滑偏离参数：

横侧操纵偏离参数（LCDP）：

单独操纵副翼：

操纵副翼以及与侧滑角成比例的方向舵：

按规定格式绘制判据曲线，如图2 所示，图中各区域含义如下：

A 区：无偏离。

B 区：轻度的初始偏航发散，接着是反向滚转（轻度滚转偏离）；低尾旋敏感区。

C 区：中度的初始偏航发散，接着是反向滚转（中度滚转偏离）；中尾旋敏感区。

D 区：强烈偏航发散以及反向滚转；高尾旋敏感度。

计算飞机本体气动特性和引入侧滑角反馈后飞机的各稳定判据参数，画出相关判据对比图，如图3和图4 所示。

图3 空中阶段LCDP 曲线对比

图4 着陆阶段LCDP 曲线对比

从以上计算结果可知，空中阶段和着陆阶段飞机本体的LCDP1 曲线中均存在部分状态点进入轻度偏离敏感区，而引入侧滑角反馈的LCDP2 曲线中所有状态点均处于无偏离区，改善了飞机的抗偏离特性。故引入侧滑角反馈可有效降低飞机大迎角下的偏离敏感性。

2 引入侧滑角的横航向控制律设计

传统横航向控制律使用副翼-方向舵交联控制方法，通过此方法控制滚转过程中的侧滑角，但效果有限，特别在中小速度时飞行员反映滚转时滚转角速率很不均匀，滚转忽快忽慢，且滚转时法向过载和迎角变化范围较大，飞行员反映很不舒服。 这是由于滚转过程中产生较大侧滑角，并且会出现有利侧滑和不利侧滑交替的情况， 进而产生非期望的滚转和偏航；同时由于未引入侧滑角信号，航向只能通过侧向过载反馈来间接控制侧滑角，无法达到精确控制，易产生横航向剩余响应。

为解决上述问题，本节将侧滑角信号引入飞控系统进行横航向控制律设计，改善飞机的横航向特性，并进行仿真对比分析。

2.1 控制律设计

传统的横航向控制律设计使用侧向过载反馈加副翼-方向舵交联控制方法，控制律简图如图5 所示。将侧滑角信号引入后，直接利用方向舵控制侧滑角，设计理念为：运用比例积分控制原理通过脚蹬位移指令侧滑角，并引入偏航角速率反馈改善荷兰滚阻尼特性，同时在比例积分控制后加入侧滑角反馈改善荷兰滚特性，去掉传统横航向控制律的副翼-方向舵交联和侧向过载反馈，控制律简图如图6 所示。

图5 传统横航向控制律简图

图6 引入侧滑角的横航向控制律简图

2.2 仿真结果

根据2.1 节的横航向控制律设计原理在六自由度非线性模型中进行仿真分析，在5km，0.4M 状态点平飞，分别在横向、航向上给定一个4s 的满杆/满脚蹬方波输入，传统横航向响应和引入侧滑角信号后横航向响应的仿真对比曲线见图7 和图8。

图7 横向压杆50mm 仿真对比曲线

图8 脚蹬位移50mm 仿真对比曲线

由上述仿真对比曲线可以得出以下结论：

1） 图7 中，在压满杆连续滚转中，相较于传统横航向控制律设计，引入侧滑角反馈后，满杆滚转时侧滑角有明显的减小，同时带来了滚转角速率、法向过载和迎角特性的改善， 滚转角速率变化更加均匀，法向过载和迎角的变化范围也有所减小。

2） 图8 中， 传统横航向控制律在进行满脚蹬操纵时，迎角、法向过载和俯仰角速率变化量较大，侧滑角、侧向过载和滚转角速率有较大超调和振荡，响应不均匀，脚蹬回中后侧滑角无法及时回零，导致出现不希望的横航向剩余响应；引入侧滑角反馈并通过方向舵控制侧滑角的方式， 在进行满脚蹬操纵时迎角、法向过载和俯仰角速率变化量大幅减小，航向响应平滑无超调，脚蹬回中后，侧滑角很快回零，消除了不希望的剩余振荡。

3 结 论

本文将侧滑角引入飞控系统进行偏离特性和尾旋敏感特性分析，经对比发现，将侧滑角引入横航向控制律可以降低飞机的偏离敏感度，提高飞机在大迎角下的操纵安全性。

同时，设计了引入侧滑角的横航向控制律，对比分析与传统横航向控制方法的区别，通过六自由度仿真对比，发现引入侧滑角的横航向控制律能够有效地减小中小速度下压杆滚转时的侧滑角， 以及法向过载和迎角的变化范围，明显减小蹬舵后的剩余响应，很大程度上改善了横航向的响应特性，提高了飞行品质。