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        民機(jī)大氣擾動適航符合性評估方法研究

        2022-07-11 12:31:10余藝萌陳致名
        關(guān)鍵詞:余度風(fēng)場轉(zhuǎn)角

        余藝萌 陳致名

        (中國飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

        0 引言

        航空事業(yè)發(fā)展至今,飛行安全始終是航空領(lǐng)域重要的研究課題。對于民用飛機(jī)而言,大氣擾動不僅會造成顛簸,影響乘客的乘坐舒適性,嚴(yán)重的大氣擾動還會導(dǎo)致飛機(jī)失控,引發(fā)飛行事故,是威脅飛行安全的首要因素之一。

        考慮到大氣擾動對飛行安全的影響,世界各國制定的適航條例中都規(guī)定了大氣擾動相關(guān)內(nèi)容,并積極開展對應(yīng)的適航研究工作。

        我國對于大氣擾動類適航條例的研究較為分散:以大氣擾動對飛行的影響為出發(fā)點(diǎn),研究多集中在大氣擾動建模和突風(fēng)/紊流載荷計(jì)算等方向;以具體條款內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn),研究則偏向飛行載荷類條款中“離散突風(fēng)準(zhǔn)則”和“連續(xù)突風(fēng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”的應(yīng)用,未開展大氣擾動適航條款的系統(tǒng)性研究,也缺少對涉及飛機(jī)操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)的大氣擾動適航條款及其對應(yīng)適航符合性評估方法的深入探索。

        選用合理的評估方法,采取合適的驗(yàn)證方式,在飛機(jī)的設(shè)計(jì)階段就考慮其適航性并進(jìn)行初步評估,對于保障飛行安全,提高適航審定效率,使飛機(jī)盡快投入運(yùn)營具有重要意義。同時(shí)電傳操縱技術(shù)的應(yīng)用使飛機(jī)表現(xiàn)出了新的特點(diǎn),原先的適航性評估方法是基于機(jī)械操縱飛機(jī)而設(shè)計(jì)的,適用于電傳操縱飛機(jī)的評估方法研究也更加具有必要性。

        本文通過歸納操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)相關(guān)的大氣擾動適航條款,分析細(xì)化其條款要求,開展基于指標(biāo)量化和操縱品質(zhì)等級評定方法(HQRM)的民機(jī)大氣擾動適航性評估方法研究,研究結(jié)果可以為飛機(jī)研制階段的大氣擾動適航符合性評估工作提供參考。

        1 大氣擾動適航條款

        本文以四種大氣擾動風(fēng)場作為篩選依據(jù),以《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R4)為主,并結(jié)合其他各類可參考的適航標(biāo)準(zhǔn)文件,歸納總結(jié)出相對全面的大氣擾動類適航條款,詳見表1。

        大氣擾動相關(guān)的適航條款共15條,涉及飛機(jī)操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)的適航條款共6條,其中25.21、25.105、25.125條未對飛機(jī)性能做出具體要求,僅規(guī)定了相關(guān)問題的注意事項(xiàng),或提出對符合性驗(yàn)證的補(bǔ)充要求。

        表1 大氣擾動適航條款歸納

        25.147(f)、25.233(a)和25.237條款針對飛機(jī)的橫航向操穩(wěn)特性提出了定性要求,條款具體內(nèi)容見表2,詳細(xì)分析如下:

        1)25.147(f)條款對全發(fā)工作條件下受到大氣擾動時(shí)飛機(jī)的橫向操縱提出了要求,主要涉及飛機(jī)受到擾動時(shí)的恢復(fù)能力及操縱效率和非對稱飛行時(shí)飛機(jī)的操縱余量兩個(gè)方面。

        2)25.233(a)和25.237條款的研究重點(diǎn)為飛機(jī)起飛和著陸階段可保證飛行安全的最大90°側(cè)風(fēng)分量,要求飛機(jī)在可預(yù)期運(yùn)行的任何地面速度下,必須在90°側(cè)風(fēng)中表現(xiàn)出令人滿意的可控性和操縱特性,這一要求是對飛機(jī)橫航向操縱性能的一個(gè)綜合性的要求,本質(zhì)是以飛行安全為前提,對飛機(jī)進(jìn)行擾動下飛行的極限條件確定。

        2 符合性評估方法分析

        2.1 條款的指標(biāo)提取與量化

        由于25.147(f)、25.233(a)和25.237條款均為對飛機(jī)相關(guān)性能的定性要求,在進(jìn)行符合性驗(yàn)證時(shí),可以采用飛行試驗(yàn)等方法,通過飛機(jī)實(shí)際響應(yīng)特性進(jìn)行符合性評估。但是飛行試驗(yàn)在整個(gè)飛機(jī)研制周期中開始時(shí)間晚、試驗(yàn)成本高,如果能夠以性能參數(shù)計(jì)算和飛行仿真的方法在早期進(jìn)行適航條款的初步符合性評估,則可以提前發(fā)現(xiàn)問題,減少試飛迭代,節(jié)約成本。

        本節(jié)首先進(jìn)行條款的指標(biāo)提取與量化研究,詳見表2。

        表2 飛機(jī)操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)大氣擾動適航條款內(nèi)容[8]

        由于條款涉及到飛機(jī)的橫航向穩(wěn)定性和操縱性,可以看作飛行品質(zhì)的研究范疇。美國國防部頒布的軍用飛行品質(zhì)規(guī)范MIL-STD-1797A中,已經(jīng)建立了較為完善的飛行品質(zhì)的評價(jià)體系,其中與飛機(jī)橫航向相關(guān)的飛行品質(zhì)規(guī)范也已經(jīng)有了經(jīng)過驗(yàn)證的成熟的定量指標(biāo),這些指標(biāo)具有較為明確的物理意義,與適航條款的要求也有一定對應(yīng)關(guān)系。對于民用飛機(jī)而言,由于在飛行中較少涉及大機(jī)動動作,在參考軍用飛行品質(zhì)規(guī)范時(shí),可視為Ⅲ類飛機(jī)在C種飛行階段,從而選取量化指標(biāo)。

        ◆ Ⅲ類飛機(jī):

        大型、中型、低至中機(jī)動性飛機(jī)。

        ◆ C種飛行階段:

        通常采用緩慢的機(jī)動動作來完成,常常需要精準(zhǔn)地控制飛機(jī)軌跡的飛行階段。

        1)模態(tài)特性

        條款中要求了飛機(jī)的橫向操縱性能,涉及飛機(jī)滾轉(zhuǎn)軸的指標(biāo)有滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)和發(fā)散螺旋模態(tài)的倍幅時(shí)間,軍用品質(zhì)規(guī)范中還對滾轉(zhuǎn)螺旋耦合振蕩的情況提出了要求,具體指標(biāo)量化見表3~表5。

        表3 滾轉(zhuǎn)模態(tài)時(shí)間常數(shù)的要求

        表4 螺旋模態(tài)倍幅時(shí)間的要求

        表5 滾轉(zhuǎn)螺旋模態(tài)耦合限制的要求

        2)操縱響應(yīng)

        在軍用飛行品質(zhì)規(guī)范中,飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)性能可以通過飛機(jī)在最大滾轉(zhuǎn)輸入條件下到達(dá)30°滾轉(zhuǎn)角所需的時(shí)間來表示,品質(zhì)規(guī)范規(guī)定了響應(yīng)時(shí)間的最大值,如表6所示。

        表6 飛機(jī)滾轉(zhuǎn)操縱響應(yīng)要求

        3)維持非對稱飛行狀態(tài)的能力及操縱余度

        可以通過飛機(jī)在最大側(cè)風(fēng)值所帶來的最大側(cè)滑角中平穩(wěn)飛行時(shí)的操縱余度來對這一要求進(jìn)行量化處理。

        軍用品質(zhì)規(guī)范給出了1級飛行品質(zhì)的要求:在10°側(cè)滑角時(shí),飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)控制仍舊具有25%的操縱余度,即在最大側(cè)風(fēng)情況下,副翼的使用范圍應(yīng)小于0.75-max。

        ≤075-max

        (2)

        式中,n、l、nn、、l、n為飛機(jī)橫航向氣動倒數(shù),為所要求的最大側(cè)滑角值,為側(cè)風(fēng)條件下維持非對稱飛行狀態(tài)的副翼偏度,-max為滿偏副翼偏度。

        2.2 HQRM方法的適用性分析

        2.1節(jié)中的指標(biāo)量化結(jié)果僅說明了不同等級飛行品質(zhì)的參數(shù)要求,并無體現(xiàn)大氣擾動的影響作用。美國適航規(guī)范咨詢通告AC-25 7C中提到了一種通過駕駛員評價(jià)對飛機(jī)的飛行品質(zhì)進(jìn)行評估的操縱品質(zhì)等級評定方法(HQRM),這一方法基于Cooper-Harper方法和美國軍用飛行品質(zhì)規(guī)范,由電傳操縱技術(shù)在飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展而來。它將飛控系統(tǒng)的不同失效狀態(tài)從發(fā)生概率的角度進(jìn)行考慮,并加入飛行包線和大氣擾動的概率分析,將以上三者作為三個(gè)并行的概率條件,將不同飛行任務(wù)中保證飛機(jī)安全飛行可接受的最低操縱品質(zhì)與這三個(gè)影響因素的組合概率相關(guān)聯(lián),得到較完整的駕駛員評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。圖1為HQRM方法的評估過程示意圖。

        圖1 操縱品質(zhì)等級評定方法的評估過程

        雖然HQRM方法主要針對電傳操縱系統(tǒng)及其失效情況,但它將大氣擾動的影響以概率的形式考慮其中,表7為HQRM方法中具體的大氣擾動分級及其發(fā)生概率情況。這一做法十分符合大氣擾動對飛行品質(zhì)的影響特點(diǎn):輕微大氣擾動發(fā)生概率較大,但不會對飛機(jī)操縱產(chǎn)生較大影響,重度大氣擾動發(fā)生的概率小,但可能會嚴(yán)重影響飛機(jī)操縱,使得飛行品質(zhì)驟降。因此,飛機(jī)受到不同強(qiáng)度大氣擾動的概率是不同的,相應(yīng)的飛行品質(zhì)要求也應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別。

        HQRM方法將大氣擾動以概率的形式加入到飛行品質(zhì)等級評價(jià)過程中,既直觀反映了大氣擾動的作用特點(diǎn),又明確了不同大氣擾動強(qiáng)度中的飛行品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),具備較好的適用性。

        表7 HQRM方法中的大氣擾動分級

        在使用HQRM方法時(shí),可以認(rèn)為故障概率為0,僅考慮大氣擾動對飛行品質(zhì)的影響,表8為僅考慮大氣擾動影響的HQRM方法評價(jià)示例,其中,評價(jià)結(jié)果S對應(yīng)“滿意的”,A對應(yīng)“足夠的”,C對應(yīng)“可控的”,具體的評價(jià)結(jié)果與對應(yīng)的飛機(jī)響應(yīng)定義見文獻(xiàn)[10]。

        表8 大氣擾動HQRM評價(jià)示例

        3 算例驗(yàn)證

        本節(jié)選取算例飛機(jī)對上述評估方法的適用性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。由于算例分析中主要考慮大氣擾動的影響情況,而模態(tài)特性為飛機(jī)的固有特性,故從操縱響應(yīng)和操縱余度兩點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

        3.1 操縱響應(yīng)指標(biāo)

        選擇某型民用飛機(jī)在3個(gè)不同構(gòu)型下的小擾動模型,分別在無擾動情況和HQRM中規(guī)定的三種大氣擾動強(qiáng)度風(fēng)場中,對副翼滿偏時(shí)的滾轉(zhuǎn)角速率和滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖2~圖4所示。

        圖5為3種飛機(jī)構(gòu)型在不同風(fēng)場強(qiáng)度下的飛行品質(zhì)變化情況,可以看出,高強(qiáng)度風(fēng)場,即重度大氣擾動情況下,飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)至30°的時(shí)間均有所增加,飛機(jī)在構(gòu)型1和構(gòu)型2時(shí)出現(xiàn)了明顯的飛行品質(zhì)降級情況。

        圖2 飛機(jī)構(gòu)型1滾轉(zhuǎn)角速率和滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

        圖3 飛機(jī)構(gòu)型2滾轉(zhuǎn)角速率和滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

        圖4 飛機(jī)構(gòu)型3滾轉(zhuǎn)角速率和滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

        圖5 3種飛機(jī)構(gòu)型不同風(fēng)場強(qiáng)度下的飛行品質(zhì)變化圖

        3.2 維持非對稱飛行狀態(tài)的操縱余度計(jì)算

        根據(jù)公式(1)和(2),分別計(jì)算算例飛機(jī)在10節(jié)(5.14 m/s)、25節(jié)(12.86 m/s)側(cè)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)的操縱余度,結(jié)果見表9。

        表9 算例飛機(jī)操縱余度計(jì)算結(jié)果

        可以看出在側(cè)風(fēng)值為25節(jié)時(shí),未能達(dá)到1級飛行品質(zhì)要求,出現(xiàn)飛行品質(zhì)降級現(xiàn)象。

        結(jié)合適航條款的具體要求,算例飛機(jī)在低、中強(qiáng)度風(fēng)場中橫向操縱響應(yīng)飛行品質(zhì)均為一級或二級,基本滿足條款25.237第2條的要求。當(dāng)計(jì)算非對稱飛行時(shí)飛機(jī)的操縱余量時(shí),風(fēng)場強(qiáng)度的影響較大,在對飛機(jī)進(jìn)行條款25.147(f)的適航性評估時(shí),可以通過改變風(fēng)場強(qiáng)度,得到更為全面的計(jì)算結(jié)果,用以評估飛機(jī)在預(yù)期使用側(cè)滑條件下是否具有從意外情況下恢復(fù)的滾轉(zhuǎn)操縱能力。

        仿真計(jì)算結(jié)果表明,以軍用飛行品質(zhì)規(guī)范進(jìn)行指標(biāo)量化,同時(shí)使用HQRM方法,在評估過程中結(jié)合大氣擾動嚴(yán)重程度規(guī)定飛行品質(zhì)等級,可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)針對條款25.147(f)、25.233(a)和25.237的大氣擾動適航符合性評估,結(jié)果符合預(yù)期。

        4 結(jié)論

        1)操穩(wěn)特性類大氣擾動適航條款對民機(jī)的模態(tài)特性、操縱響應(yīng)和維持非對稱飛行狀態(tài)的能力及操縱余度做出了要求,可參考軍用飛行品質(zhì)規(guī)范對其進(jìn)行符合性評估指標(biāo)的提取與量化,便于在設(shè)計(jì)階段評估飛機(jī)針對相關(guān)條款的適航符合性。

        2)可以通過HRQM方法處理大氣擾動對飛行品質(zhì)的影響,依據(jù)擾動強(qiáng)度和發(fā)生概率規(guī)定飛機(jī)飛行品質(zhì),在嚴(yán)重?cái)_動時(shí)適當(dāng)放寬飛行品質(zhì)要求。

        3)文中提出的指標(biāo)量化結(jié)果和大氣擾動處理方法可用于飛機(jī)設(shè)計(jì)階段提前開展相關(guān)條款的適航符合性評估工作,使飛機(jī)性能品質(zhì)盡可能符合相關(guān)適航要求,從而減少試飛迭代,提高適航取證效率。

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