武虎子, 耿建中, 羅振誼, 唐長(zhǎng)紅

(中航工業(yè)西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究所, 陜西 西安 710089)

大型飛機(jī)在風(fēng)切變環(huán)境中飛行安全尺度分析

武虎子, 耿建中, 羅振誼, 唐長(zhǎng)紅

(中航工業(yè)西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究所, 陜西 西安 710089)

基于低空風(fēng)切變對(duì)飛行安全的影響,對(duì)大型飛機(jī)在風(fēng)切變環(huán)境中的飛行安全尺度進(jìn)行了詳細(xì)分析。主要從風(fēng)切變能量水平和飛行安全尺度進(jìn)行比較,從而可以評(píng)估風(fēng)切變的危險(xiǎn)程度,而風(fēng)切變的危險(xiǎn)程度主要從風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度和速度危險(xiǎn)尺度來衡量。風(fēng)切變危險(xiǎn)程度如果達(dá)到飛機(jī)飛行安全尺度邊界,飛機(jī)則會(huì)發(fā)出告警提示。飛行員根據(jù)告警提示采用相應(yīng)的操縱方法避免危險(xiǎn)的發(fā)生,從而提高飛機(jī)的飛行安全性。

風(fēng)切變; 飛行安全; 能量水平; 安全尺度

0 引言

低空風(fēng)切變對(duì)飛機(jī)的飛行安全造成嚴(yán)重的威脅,主要的表現(xiàn)形式是飛機(jī)的軌跡嚴(yán)重偏離預(yù)定軌跡、飛行高度的急劇損失等。所以提高飛機(jī)的飛行安全就要克服上述困難,維持既定航跡和飛行高度,是飛機(jī)設(shè)計(jì)者必須考慮的實(shí)際問題。

國(guó)外很多學(xué)者也在這方面開展了大量的研究工作。文獻(xiàn)[1]對(duì)微下?lián)舯┝鞯哪芰克郊皩?duì)飛機(jī)的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]研究了下?lián)舯┝鞯奈ｋU(xiǎn)性指數(shù)及建模過程。文獻(xiàn)[3-4]在風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度及飛行安全尺度方面做了大量的研究工作。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,詳細(xì)地從飛機(jī)的最小使用速度、最大著陸速度以及風(fēng)切變的能量因子幾個(gè)方面對(duì)飛機(jī)的飛行安全尺度進(jìn)行了研究,并且針對(duì)某型運(yùn)輸機(jī)給出了相應(yīng)的結(jié)論,以便為其他飛機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度

1.1 風(fēng)切變尺度因子的推導(dǎo)

當(dāng)不計(jì)飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量時(shí),按地面坐標(biāo)系,飛機(jī)的總能量可定義為:

(1)

則飛機(jī)的能量高度為:

(2)

能量高度表征了動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為位能時(shí)飛機(jī)所具有的高度,即飛機(jī)的能量水平。能量變化率表征了飛機(jī)的能量變化,由式(2)得到:

dHk/dt=dH/dt+(Vk/g)dVk/dt

(3)

風(fēng)切變中飛行時(shí)的需用推力涉及飛機(jī)抵抗風(fēng)切變的能力,在小角度假設(shè)下,需用推力表達(dá)式為:

T=mdVk/dt+D+mgγ-Lαw

(4)

則單位飛機(jī)質(zhì)量所需要的推力為:

(5)

式中,αw為考慮風(fēng)切變后的迎角。

又有:

dH/dt=Vkγ

(6)

綜上可知:

dHk/dt=[(T-D)/(mg)+nzαw]Vk

(7)

而αw的表達(dá)式為:

αw=-(uwgγ+wwg)/V

(8)

則有:

(9)

式中,Fk為風(fēng)切變對(duì)飛機(jī)能量特性的影響,稱為風(fēng)切變指數(shù)。

從上面的式子可以看出,飛機(jī)要保持能量不變,則必須滿足:

T=D+Fkmg

(10)

由于風(fēng)切變指數(shù)Fk是nz,γ,V,uwg,wwg的函數(shù),即使可以保證飛行參數(shù)保持不變,但是還取決于風(fēng)速的變化,所以風(fēng)切變中,必須根據(jù)風(fēng)速的變化來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)飛機(jī)的推力,直到發(fā)動(dòng)機(jī)的可用推力不滿足維持飛機(jī)能量狀態(tài)不變時(shí),則飛機(jī)性能將會(huì)下降。

1.2 風(fēng)切變尺度因子的簡(jiǎn)化

(11)

當(dāng)Fk>0時(shí),風(fēng)切變引起飛機(jī)性能下降;當(dāng)Fk<0時(shí),風(fēng)切變改善飛機(jī)的性能。

這里給出大型噴氣運(yùn)輸機(jī)的一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

0.1<(T-D)/(mg)<0.3

(12)

(13)

|wwg/V|≤0.25

(14)

若飛機(jī)具有一定的抗風(fēng)切變能力,即:

|Fk|≤|F0|

(15)

飛機(jī)在飛行包線內(nèi)的每一點(diǎn)上所具有的剩余功率是一定的,當(dāng)風(fēng)切變對(duì)能量的需求超過飛機(jī)性能所允許的范圍,無法再維持飛機(jī)正常飛行所需要的能量水平時(shí),就意味著飛機(jī)不再抗拒風(fēng)切變的影響,其后果可能是災(zāi)難性的。

圖1 風(fēng)切變尺度等位圖Fig.1 Equipotential contours of windshear scale

通過以上分析,只要機(jī)載前視式雷達(dá)探測(cè)到水平風(fēng)加速度和垂直風(fēng),即可解算出風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度,然后再和飛機(jī)的加速和爬升能量進(jìn)行比較,就可以避免飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難。

2 飛行速度危險(xiǎn)尺度

2.1 最小使用速度限制

在遭遇風(fēng)切變時(shí),導(dǎo)致飛機(jī)迎角過大的風(fēng)速有兩種可能:(1)垂直向上的氣流使飛機(jī)的迎角被動(dòng)增大;(2)在風(fēng)切變作用下,空速減小導(dǎo)致升力不足,駕駛員主動(dòng)拉桿使迎角增大。

當(dāng)飛機(jī)遭遇向上的氣流時(shí),駕駛員可主動(dòng)推桿減小迎角而使飛機(jī)不進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài),因此這種風(fēng)切變對(duì)飛行安全性的影響可以輕易消除。當(dāng)風(fēng)切變使飛機(jī)的空速減小導(dǎo)致升力不足(油門不變)時(shí),駕駛員增加迎角會(huì)出現(xiàn)兩種可能的結(jié)果:(1)拉桿過大,導(dǎo)致飛機(jī)失速;(2)保持迎角在較大值但不失速,飛機(jī)因升力不足高度持續(xù)損失。這兩種結(jié)果對(duì)飛行安全的影響都是不可接受的。

文獻(xiàn)[5]中規(guī)定:對(duì)于現(xiàn)有的大氣條件和飛機(jī)構(gòu)型,飛機(jī)的性能顯著降低(不能平飛),則認(rèn)為風(fēng)切變對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅。

危險(xiǎn)尺度判據(jù)為:V

2.2 最大著陸速度限制

在飛機(jī)進(jìn)近著陸過程中,對(duì)最大著陸速度有限制[6]:VLlim=V*+10.3,其中V*為基準(zhǔn)著陸速度。當(dāng)飛機(jī)遭遇風(fēng)切變后,駕駛員使用加油門的操縱策略時(shí),其必須關(guān)注飛機(jī)的地速變化情況。如果飛機(jī)穿越風(fēng)切變后的地速大于速度VLlim,則飛機(jī)有沖出跑道的危險(xiǎn),即駕駛員不可繼續(xù)著陸而需立即復(fù)飛。

3 飛行安全尺度

飛機(jī)在低空風(fēng)切變中的飛行安全尺度可以由風(fēng)切變的危險(xiǎn)尺度和速度危險(xiǎn)尺度兩部分構(gòu)成。在低空著陸進(jìn)近段,還包括最大著陸速度限制。

當(dāng)探測(cè)到的風(fēng)切變達(dá)到上述兩種危險(xiǎn)性尺度判據(jù)的任意一條時(shí)視其達(dá)到安全尺度的邊界,飛機(jī)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警信息,飛行員則要采取相應(yīng)的操縱策略來控制飛機(jī)安全飛行。

4 計(jì)算仿真

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

表1給出了計(jì)算仿真的飛機(jī)參數(shù)。

表1 飛機(jī)參數(shù)設(shè)置Table 1 Plane’s parameter

4.2 仿真結(jié)果與分析

圖2和圖3給出了質(zhì)量為145 000 kg時(shí)的飛機(jī)風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子隨速度的變化曲線和臨界危險(xiǎn)尺度因子時(shí)刻的飛機(jī)推力占最大推力的比值曲線。從圖2中可以看出,速度越大,危險(xiǎn)尺度因子越小,這說明速度越大時(shí),飛機(jī)所具有的能量就越大,這樣抵抗風(fēng)切變的能力就大,所以需要的動(dòng)力補(bǔ)充就小,故Fk就小;同時(shí),在相同飛行速度下,高度越高,Fk越小,這是因?yàn)楦叨仍礁?就有足夠的勢(shì)能可以改變?yōu)閯?dòng)能,這樣為飛機(jī)抵抗風(fēng)切變提供了一部分轉(zhuǎn)化能量,飛機(jī)需要的補(bǔ)充能量就會(huì)變小,換句話說,飛機(jī)只需要稍微增加動(dòng)力就可以抵抗風(fēng)切變,所以風(fēng)切變尺度因子小。由圖3可知,速度越大時(shí),飛機(jī)的動(dòng)力就會(huì)越大;高度越高,飛機(jī)的動(dòng)能越大,在遭遇相同強(qiáng)度風(fēng)切變時(shí),飛機(jī)補(bǔ)充的能量就會(huì)變小。

圖4和圖5給出了質(zhì)量為130 000 kg時(shí)的飛機(jī)風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子隨速度的變化曲線和臨界危險(xiǎn)尺度因子時(shí)刻的飛機(jī)推力占最大推力的比值曲線。曲線的變化規(guī)律同圖2和圖3,所不同的是,質(zhì)量越小,在相同高度和相同速度下Fk變大,因?yàn)樵谙嗤瑒?dòng)力的情況下,飛機(jī)的質(zhì)量越小,飛機(jī)加速度就會(huì)變大,這樣飛機(jī)的動(dòng)能就會(huì)增大,故而飛機(jī)的能量就高,依據(jù)計(jì)算公式,明顯可以看出,危險(xiǎn)尺度因子就會(huì)變大。在相同的最大推力下,飛機(jī)質(zhì)量越小,飛機(jī)增加剩余推力裕度就越大,飛機(jī)的飛行安全性就越高。圖6為風(fēng)切變臨界危險(xiǎn)尺度曲線。

圖2 質(zhì)量為145 000 kg時(shí)的風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子Fig.2 Windshear scale factor of danger (m=145 000 kg)

圖3 質(zhì)量為145 000 kg時(shí)的動(dòng)力比值Fig.3 Ratio of power (m=145 000 kg)

圖4 質(zhì)量為130 000 kg時(shí)的風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子Fig.4 Windshear scale factor of danger (m=130 000 kg)

圖5 質(zhì)量為130 000 kg時(shí)的動(dòng)力比值Fig.5 Ratio of power (m=130 000 kg)

圖6 風(fēng)切變臨界危險(xiǎn)尺度曲線Fig.6 Windshear critical scale of danger

由圖6可知,當(dāng)垂直風(fēng)速和水平風(fēng)速加速度的比值如果落在直線上方,飛機(jī)的性能就會(huì)逐漸下降,反之,飛機(jī)的性能就會(huì)改善。

5 結(jié)論

綜上分析可得出以下結(jié)論:

(1)在相同最大推力下,飛機(jī)飛行速度越大,風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子越小;

(2)在相同最大推力下,飛機(jī)飛行速度越大,飛機(jī)抵抗低空風(fēng)切變的剩余推力余量越小;

(3)在相同最大推力和相同速度下,飛機(jī)高度越高,風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度因子越小,抵抗低空風(fēng)切變的剩余推力余量越小;

(4)當(dāng)風(fēng)切變的垂直風(fēng)速和水平風(fēng)速加速度的比值大于8.3時(shí),飛機(jī)性能肯定會(huì)下降;比值如果小于5.8時(shí),飛機(jī)性能肯定會(huì)得到改善。

[1] Kioumars Najmabadi. Statistic evaluation of performance indices of microburst-generated wind effect on airplane flight[R]. Washington:Boeing Commercial Airplane Company Seattle, 1987.

[2] Fujita T T.Microbursts as anavivtion wind shear hazard[C]//AIAA 19th Aerospace Sciences Meeting. Missouri Louis,1981:1-10.

[3] 金長(zhǎng)江,張洪,朱仁標(biāo),等.低空風(fēng)切變危險(xiǎn)尺度研究[J].航空學(xué)報(bào),1992,13(10):481-486.

[4] 肖業(yè)倫,金長(zhǎng)江.大氣擾動(dòng)中的飛行原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.

[5] 中國(guó)航空工業(yè)總公司.HB 7582-98 民用航空器機(jī)載風(fēng)切變系統(tǒng)最低性能要求[S].北京:航空工業(yè)總公司301所和607所,1998.

[6] Federal Aviation Administration.AFS-205 Windshear training aid,example windshear training program[S].USA,FAA,1987.

Analysisofflightsafetyscaleinwindshearforlargeaircraft

WU Hu-zi, GENG Jian-zhong, LUO Zhen-yi, TANG Chang-hong

(General Configuration and Aerodynamic Design Institute, AVIC Xi’an Aircraft Design Institute, Xi’an 710089, China)

The flight safety scale in low altitude windshear is analyzed based on the effect of low altitude windshear in flight safety in the detail. The danger level of windshear can be evaluated by comparing the energy level and flight safety scale. The danger level of the windshear is mainly measured from the danger scale of windshear and velocity. If the danger level of windshear reaches the boundary of flight safety scale, a warning signal will be givenk. The pilot will take corresponding measures according to the warning signal to prevent the dangerous situation, therefore, thus improving the flight safety.

windshear; flight safety; energy level; safety scale

V212.1; V249.1

A

1002-0853(2013)04-0305-03

2012-11-30;

2013-05-02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2013-06-06 12:25

武虎子(1981-)，男, 陜西富平人,工程師,博士研究生,研究方向?yàn)轱w機(jī)操穩(wěn)特性與飛行控制。

(編輯：方春玲)