纵向短周期试飞驾驶技术

焦连跃，郭勇冠

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

飞机纵向短周期模态具有振荡周期短、频率高的特点，对于运输机来说，特别是在进近着陆、目标截获、空中加油这类需要精确跟踪的任务中，要求纵向短周期振荡必须受到重阻尼，减小飞行员的工作负荷，以保证飞行安全。飞行试验中，通常采用倍脉冲升降舵的方法来作为输入激励。频率和幅值是对激励输入的基本要求，受众多因素的影响，要求输入的频率和幅值也不相同。作为试飞员按照特定的频率和幅值完成这一激励的输入，充分激发纵向短周期振荡，对纵向短周期试飞来说至关重要，本文就如何根据飞机构型和飞行状态变化调整试飞员的输入动作，高质量地完成这一试验激励输入进行分析研究。

1 纵向短周期模态介绍

理论分析和飞行实践指出，对于大多数飞机，其纵向自由扰动运动由差别很大的2种运动模态组成[1]，即短周期模态和长周期模态。当存在扰动时，首先，扰动后的最初一段时间内主要是迎角和俯仰角速度的变化，飞行速度的增量变化不大，因此，在讨论短周期运动传递函数的简化时，可近似认为飞行速度为常量，即增量ΔV=0，速度保持不变，运动是周期性的，阻尼比较大，且周期短，短周期模态是一个二阶响应，所以用频率和阻尼比来描述[2]。

纵向短周期响应特征方程：

式（1）中：ζsp为短周期阻尼比；ωnsp为短周期固有频率。

“短周期振荡”是飞机纵向小扰动运动模态，对应于纵向运动特征方程的一对大复根。该模态反映迎角受扰动而引起飞机绕重心的快速俯仰振荡的过程。对于短周期模态来说，其振荡周期短、频率高，驾驶员难以控制其振荡运动，对于民用运输机来说，要求纵向短周期振荡必须受到重阻尼。运输类飞机适航标准对此要求如下。

AC-25-7A对以上条款重阻尼的解释为“是在初始输入完成后，在两个周期内振荡幅值衰减到初始值的1/10”。

纵向短周期特性的试飞方法有3种[4]，即单脉冲操纵升降舵、倍脉冲升降舵和阶跃升降舵。鉴于运输机自身特性，试飞过程中普遍使用倍脉冲升降舵作为激励输入，这样可以尽量抑制长周期模态。

在进行短周期试飞时，试验输入前，要在规定的试验状态配平飞机，并保持至少10 s稳定平飞，这样能排除空速变化对飞机姿态响应的影响，之后从驾驶杆的中立点为中心，迅速、柔和地推拉驾驶杆，最后回到中立点。作为一开环响应的试飞动作，试验输入的频率和幅值直接决定飞机响应和试验数据的有效性。

倍脉冲升降舵激励输入与飞机响应示意图如图1所示。

图1 倍脉冲升降舵的操纵与飞机响应

在动作完成后，通过观察与记录飞机的响应，试飞员可以对短周期的一些特征参数进行估算，用公式（2）对ζsp进行估算[5]：

式（2）中：n为飞机俯仰振荡周期个数。

在飞机纵向振荡过程中可以通过以下2种方式来计数振荡的周期数。方法一，以机内仪表为主，观察姿态仪上飞机图标俯仰运动周期数；方法二，以机外为主，观察机头相对于天地线或其他外界参照物的振荡运动周期数。

在计数俯仰振荡周期数的过程中，可以使用秒表记录俯仰振荡一个周期所用时间，用公式（3）估算ωsp：

式（3）中：T为短周期时长。

在估算出纵向短周期的阻尼比和频率后，使用公式（4）计算纵向短周期固有频率：

2 影响操纵激励输入的因素

纵向短周期的飞行试验通常会在包线范围内所有典型状态点上进行，飞行参数的改变必然会引起飞机自身操纵性和稳定性的变化，其中包括飞机纵向短周期特性，同时也影响试飞员的试验激励输入动作，所以试飞员明晰飞机状态改变对纵向短周期特征参数的影响，以及如何相应地调整试验激励输入，对于纵向短周期试验十分重要。

2.1 影响输入频率的因素

作为纵向短周期试验的关键因素之一，如果激励输入的频率太高，将不会充分激发飞机运动，太低又会导致飞机空速变化过大，偏离试验点，影响数据有效性，只有当试验输入频率与飞机固有短周期频率一致时，才会充分激发纵向短周期振荡。在纵向短周期试飞前，试飞员通常采用正弦扫频的方法来感受短周期振荡特性，并尽量使试验输入频率与短周期固有频率一致，如图2所示。通过确定迎角或者俯仰角的振荡周期就可以确定短周期模态的频率。

图2 纵向正弦扫频示意图

运输类飞机通常具有很高的纵向静稳定性，所以Cmα将主导ωnsp的表达式[6]，则有下列简化关系式：

式（5）中：ωnsp为短周期固有频率；Cmα为俯仰静稳定性导数。

由上式可知，短周期固有频率ωnsp将依赖于大气密度ρ和飞行速度V，也就是说，固有频率ωnsp与飞机动压Q的平方根成正比，即：

2.1.1 飞行高度与空速对输入频率的影响

纵向短周期的试飞高度需包含高空和低空，试飞速度需要在高速、低速进行试飞。在速度和高度状态改变时，其对固有短周期频率的ωnsp的影响[4]，可由公式（5）得出下列结论：①同一高度下，高速飞行要比低速飞行时的ωnsp大，所以相比之下高速飞行时，激励输入动作应快一些，完成试验输入的时间要短；②同一Ma数、不同飞行高度，由于低空空气密度大，动压Q比高空要大，所以低空飞行时固有短周期频率ωnsp要大，完成试验输入时间要短；③当马赫数Ma增大时，相比与飞行速度V的增大对短周期固有频率ωnsp的影响，ωnsp增大的更多，因为随着马赫数Ma的增大，直接导致气动焦点后移，使得纵向静稳定性导数｜Cmα｜增大，从而导致短周期固有频率ωnsp随之增大。所以大马赫数飞行时，完成试验输入的时间更短一些。

2.1.2 质量、重心对激励输入频率的影响

当改变飞机重心后，短周期固有频率也会发生变化。重心主要影响静稳定性导数，重心后移时，纵向定速静稳定性导数｜Cmα｜减小[7]，由公式（5）可知，ωnsp减小，所以在后重心构型下，试验输入频率减小，试飞员完成输入动作的时间需相应延长，反之亦然。

2.2 影响输入幅值的因素

倍脉冲输入的幅值不易控制，推拉杆幅值的对称性也很难掌握，此外，由于在推拉杆过程中飞机姿态快速变化，会直接影响到试飞员的输入动作。

2.2.1 操纵系统机械特性的影响

在输入过程中，感受杆力的大小是试飞员控制输入幅值的主要方法之一，飞机操纵系统机械特性中的人感特性直接影响着试飞员的操纵感受，尤其是对于非电传操纵系统的飞机来说，其中的起动力、摩擦力、自由行程、间隙、回中和振荡等特性差异，可能会对试飞员的操纵感受带来较为明显的影响，所以试飞员必须熟悉飞机操纵系统的机械特性。

理想的操纵系统完全是线性的，没有起动力和摩擦力，其Fes与δes曲线如图3（a）所示。实际操纵系统的机械特性通常是既有摩擦力又有起动力[8]，其Fes与δes曲线如图3（b）所示，飞行试验前，试飞员可以着重感受操纵系统的摩擦力和起动力。

图3 操纵系统杆力与舵偏曲线

摩擦力是用来克服操纵联动装置滑动、滚动或任何其他形式的动摩擦力所需的杆力，摩擦力是机械操纵装置的固有属性，不可避免，摩擦力过大时，操纵系统的特征是：回中性差，整个操纵偏转范围内的操纵感觉不精确，需要频繁地重新配平。

起动力是指操纵驾驶杆行程离开配平位置所需克服的初始阻力。起动力通常要比摩擦力大，这样才能克服摩擦力使驾驶杆完全回中，也有助于飞行员感觉到驾驶杆的中立位置点。

对于机械传动的操纵系统来说，激励输入过程中，起动力和摩擦力将对试飞员的操纵感受与动作的准确性带来影响，尤其是在动作顶点和中立点这些较为特殊位置。

2.2.2 飞行员坐姿对输入幅值的影响

在进行输入时，飞行员的坐姿是一个重要且容易被忽视的因素。在缺乏操纵行程指示系统的飞机中，试飞员常以自己肘部的弯曲程度来感受和判断推拉杆的行程，而大多数情况下，在动作过程中，试飞员的身体都会不由自主地前后晃动，此时相同的肘部弯曲度必然会产生不同的操纵行程。

在动作过程中，试飞员需要用腰部力量来稳定上身，在做推杆动作时，试飞员的后背紧靠座椅，肩部向后移动的空间非常有限，移动量主要是来自座椅靠背填充物的压缩量，所以此时肩部位置的移动量很小，对推杆形成造成的影响可以忽略；而在做拉杆动作时，尤其是对于操纵力较大的操纵系统来说，此时腰部力量难以充分稳定肩部，通常会造成动作时上身前倾，将导致相同的肘部弯曲度下，拉杆行程较小，而在动作过程中叠加飞机运动，试飞员很难察觉自己的肩部前移，给试飞员造成拉杆行程到位的错觉，此时再以肘部弯曲度作为参照物极易造成推拉行程输入不一致。

3 对试验输入动作具体过程的优化

基于以上分析研究，本文对实施试验输入的具体过程作出总结与优化：①动作前试飞员应调整座椅位置及坐姿，在调整过程中，本文建议的参考如下原则，推杆至极限位置时，肘部需要仍具有一定的弯曲度，确保肘关节不被伸直锁死；拉杆时背部挺直并稍微向后倾斜，以便能更好地利用腰背力量稳定肩部，并且双脚能够均衡用力抵住方向舵，以便确保在拉杆时臀部不会向前滑动。②在实施倍脉冲前，用纵向扫频的方法来熟悉飞机纵向跟随驾驶盘的运动特性，当某一频率上的操纵输入使得飞机俯仰运动产生“荡秋千”式的运动时，试飞员应牢记在此频率的操纵感受，此频率十分接近飞机固有频率，后期试验输入时的操纵频率应该与此频率基本一致[9]。③试验前将飞机配平到规定的飞行状态，松开驾驶杆的情况下，飞机的高度、速度、航向、姿态等状态参数应保持恒定或变化量在要求范围内。④根据飞机当前构型、速度限制、高度限制情况来确定推拉杆的先后顺序，推杆与拉杆的行程要一致，推拉杆动作要平滑柔和，避免在操纵顶点受飞机姿态变化影响动作出现短暂停顿。⑤动作完成后手要松开驾驶盘，让其自由响应，但要始终跟随驾驶盘运动，尤其重心接近飞机中性点，防止出现发散的短周期运动，但注意飞机正常响应过程中不要触碰到驾驶盘。飞机响应过程中，注意感受飞机姿态变化的最高点和最低点，并记下飞机响应的周期数，用经验公式来估算飞机的短周期频率和阻尼比[10]。

4 结束语

倍脉冲升降舵是最常用的激励飞机短周期运动的方法，试验动作看似简单，但对试飞员有很高的要求，需要试飞员在动作前综合考虑飞机的质量、重心、构型、飞行高度、操纵系统的机械特性等一系列因素，结合具体的飞行过程再不断调整、细化、提炼试飞动作，力争空中能够快速、准确获得试飞数据，提高飞行试验效率。