强滑流影响下涡桨飞机横航向飞行特性分析

耿延升，赵 彦，耿建中

（中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，西安 陕西 710089）

涡桨发动机由于燃油效率高，适用于中低速、长航时的飞机［1］。某涡桨飞机起飞场长要求严格，且在起飞阶段的爬升率要大，导致起飞拉力需求较大。大拉力、紧凑气动布局下，螺旋桨对飞机气动特性产生显著的影响。螺旋桨引起的气流加速、旋转等效应对处于后方的机翼、尾翼有显著的影响，使飞机在对称飞行状态下也会产生侧力和偏航力矩，全机横航向静稳定性也会出现恶化［2］。受滑流影响气动特性发生恶化，进而对飞机的飞行特性产生影响，耦合侧风、发动机失效等其他因素，对起飞的安全性构成严重威胁。

谯裕青等人［3］研究了多发螺旋桨飞机建模方法及单发停车后的飞行特性。乐挺等人［4］研究了某型螺旋桨飞机近地飞行地效影响下的横航向稳定性。刘嘉等人［5］研究了某型涡桨飞机近地飞行时的静稳定性和模态特性。马坤等人［6］研究了垂直突风对螺旋桨飞机稳定性和迎角裕度的影响。上述文献只是研究了单发、地效、突风等因素下与正常情况的涡桨飞机的响应变化，尚未系统地研究滑流耦合上述因素对涡桨飞机横航向飞行特性的影响。

本文首先分析了不同滑流强度对涡桨飞机起飞状态下横航向气动特性的影响；随后考虑滑流影响建立了涡桨飞机非线性动力学模型，分别研究了侧风、单发失效情况下滑流效应对涡桨飞机飞行特性的影响，给出了示例飞机的横航向运动规律和两种情况下舵面的操作建议。

1 滑流对横航向气动特性的影响

示例飞机的外形如图1所示，由于起飞爬升率大，相比一般涡桨飞机，示例飞机桨盘面积较大，起飞拉力大，发动机同向旋转时滑流效应强烈，而滑流使得飞机呈现非对称的横航向气动特性。

工程上一般用无量纲拉力系数Tc代表滑流强度，图2-3为飞机起飞构型下无动力状态、不同拉力系数（Tc=0、0.2、0.45）的侧力、偏航系数试验数据。从中可以看出：

（1）在无动力状态下，侧力系数随侧滑角增大而减小，偏航力矩系数随侧滑角增大而增大。零侧滑时，侧力系数和偏航力矩系数为0。

（2）滑流影响下，CY，β绝对值相比无动力状态增大，侧力曲线更加陡峭。CN，β绝对值相比无动力状态减小，偏航力矩曲线更加平缓，且线性度变差。零侧滑时，侧力系数CY>0，偏航力矩系数CN<0。总体而言，飞机的航向特性变差。

由于CN，β减小，飞机航向静稳定性降低，导致飞机横航向运动响应更加剧烈，给飞机操纵带来风险。

2 飞行力学仿真模型

给定飞机初始状态和操纵面规律，通过龙格-库塔法求解机体坐标系下飞机运动的控制方程［7-8］，可得到示例飞机的运动响应。具体方程如下：

其中，FT为发动机推力，此处假定推力线平行飞机纵轴且对称面的投影通过重心，忽略螺旋桨径向力和带来的力矩。Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz为气动力和气动力矩在机体轴系下的投影，可通过气动力数据库插值得到。

3 仿真验证与分析

3.1 仿真条件

侧风和发动机失效是低高度飞行事故的主要原因，会使飞机出现侧滑、姿态滚转和航迹偏移，而威胁飞机安全。本仿真实验分别研究了侧风、单发失效等情况下，有、无滑流对涡桨飞机横航向特性的影响。仿真初始条件定义如下：

（1）初始飞行速度为232 km/h，初始航迹角为3.5°；（2）发动机拉力系数Tc为0.105；（3）初始高度为180 m；（4）侧风速度为6 m/s和12.8 m/s。

3.2 侧风响应分析

t=1 s时分别施加v1=6 m/s和12.8 m/s的侧风，图4-8给出了主要横航向参数随时间的变化曲线，图例中的Tc代表有滑流影响。从中可以看出：

（1）t=1 s后，在正侧风作用下，飞机出现负侧滑，由于本体具有横向稳定性和航向稳定性，飞机随之出现右滚转和左偏航趋势，随后滚转角和偏航角出现振幅逐渐减小的振荡，大约10 s后收敛，侧滑角衰减到约为0，滚转角和偏航角收敛至常值。

（2）滑流影响下，滚转角和滚转角速度峰值更大一些。滑流影响下CN，β减小，“风标”效应减弱，稳定后的偏航角更小。此时，需要协调操纵飞机的副翼和方向舵，使飞机回归至初始航向并消除滚转。

3.3 单发失效响应分析

研究单发失效停车时，t=1 s后左发失效，0或2 s后失效发动机顺桨，顺桨后风车带来的阻力和阻力矩消失，发动机失效2.5 s后驾驶员向右压杆使副翼偏转7°来纠正飞机姿态。图9-13给出了主要横航向参数随时间的变化曲线，图例中0和2 s分别代表失效瞬间顺桨和失效2 s后顺桨，Tc代表有滑流影响。从中可以看出：

（1）左发失效后，由于右发推力和左发风车阻力产生的偏航力矩，飞机出现右侧滑和左滚转，随后，由于右压杆的操作，滚转运动得到了抑制，侧滑角也趋于稳定。整个过程中，飞机在缓慢地向左偏航运动。

（2）滑流加剧了左发失效引起的横航向运动。尽管稳定后的侧滑角基本相同，但受滑流影响，飞机稳定前的侧滑角峰值增大约3°，滚转角峰值可增大10°～15°，偏航角变化也更快，横航向特性发生极大恶化，对副翼的操纵效能提出了更高要求。

（3）失效发动机的顺桨时间对横航向运动影响也很大，计算表明，更长的顺浆时间导致飞机的运动和姿态变化更为剧烈，侧滑角、姿态角和角速度的峰值均会增大，侧滑角峰值增大约3°，滚转角峰值增大约10°，顺桨时间过长对起飞安全产生严重威胁。

4 结 论

本文研究了强滑流对涡桨飞机气动力和飞行特性的影响，并进行了滑流作用下侧风和单发失效的仿真分析，主要得到以下结论：

（1）涡桨飞机的滑流对横航向气动力产生了较大影响，减小了航向静稳定性和偏航力矩曲线的线性度，同时使飞机零侧滑时产生负的偏航力矩和正的侧力。

（2）在侧风情况下，滑流对气动力的影响使飞机的横航向响应变差，滚转角和滚转角速度振荡峰值更大，会增加飞行员的驾驶负担，需要在控制律设计中加以解决。

（3）在单发失效情况下，有无滑流对仿真结果的影响很大，滑流使飞机的侧滑角峰值增大约3°，滚转角峰值增大10°～15°，偏航运动也更加剧烈，横航向特性发生很大恶化，需要更大幅度的副翼操纵和小心操作才能纠正滑流带来的不利影响。因此，在气动布局和操稳设计时应予以重点关注。