武虎子, 耿建中, 羅振誼, 唐長紅

(中航工業(yè)西安飛機設計研究所 總體氣動設計研究所, 陜西 西安 710089)

大型飛機在風切變環(huán)境中飛行安全尺度分析

武虎子, 耿建中, 羅振誼, 唐長紅

(中航工業(yè)西安飛機設計研究所 總體氣動設計研究所, 陜西 西安 710089)

基于低空風切變對飛行安全的影響,對大型飛機在風切變環(huán)境中的飛行安全尺度進行了詳細分析。主要從風切變能量水平和飛行安全尺度進行比較,從而可以評估風切變的危險程度,而風切變的危險程度主要從風切變危險尺度和速度危險尺度來衡量。風切變危險程度如果達到飛機飛行安全尺度邊界,飛機則會發(fā)出告警提示。飛行員根據(jù)告警提示采用相應的操縱方法避免危險的發(fā)生,從而提高飛機的飛行安全性。

風切變; 飛行安全; 能量水平; 安全尺度

0 引言

低空風切變對飛機的飛行安全造成嚴重的威脅,主要的表現(xiàn)形式是飛機的軌跡嚴重偏離預定軌跡、飛行高度的急劇損失等。所以提高飛機的飛行安全就要克服上述困難,維持既定航跡和飛行高度,是飛機設計者必須考慮的實際問題。

國外很多學者也在這方面開展了大量的研究工作。文獻[1]對微下?lián)舯┝鞯哪芰克郊皩︼w機的影響進行了相關研究。文獻[2]研究了下?lián)舯┝鞯奈ｋU性指數(shù)及建模過程。文獻[3-4]在風切變危險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上,詳細地從飛機的最小使用速度、最大著陸速度以及風切變的能量因子幾個方面對飛機的飛行安全尺度進行了研究,并且針對某型運輸機給出了相應的結論,以便為其他飛機設計提供理論依據(jù)。

1風切變危險尺度

1.1 風切變尺度因子的推導

當不計飛機轉(zhuǎn)動運動的能量時,按地面坐標系,飛機的總能量可定義為:

(1)

則飛機的能量高度為:

(2)

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

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

(3)

風切變中飛行時的需用推力涉及飛機抵抗風切變的能力,在小角度假設下,需用推力表達式為:

T=mdVk/dt+D+mgγ-Lαw

(4)

則單位飛機質(zhì)量所需要的推力為:

(5)

式中,αw為考慮風切變后的迎角。

又有:

dH/dt=Vkγ

(6)

綜上可知:

dHk/dt=[(T-D)/(mg)+nzαw]Vk

(7)

而αw的表達式為:

αw=-(uwgγ+wwg)/V

(8)

則有:

(9)

式中,Fk為風切變對飛機能量特性的影響,稱為風切變指數(shù)。

從上面的式子可以看出,飛機要保持能量不變,則必須滿足:

T=D+Fkmg

(10)

由于風切變指數(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,但是還取決于風速的變化,所以風切變中,必須根據(jù)風速的變化來實時調(diào)節(jié)飛機的推力,直到發(fā)動機的可用推力不滿足維持飛機能量狀態(tài)不變時,則飛機性能將會下降。

1.2 風切變尺度因子的簡化

(11)

當Fk>0時,風切變引起飛機性能下降;當Fk<0時,風切變改善飛機的性能。

這里給出大型噴氣運輸機的一些統(tǒng)計結果如下:

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

(12)

(13)

|wwg/V|≤0.25

(14)

若飛機具有一定的抗風切變能力,即:

|Fk|≤|F0|

(15)

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

圖1 風切變尺度等位圖Fig.1 Equipotential contours of windshear scale

通過以上分析,只要機載前視式雷達探測到水平風加速度和垂直風,即可解算出風切變危險尺度,然后再和飛機的加速和爬升能量進行比較,就可以避免飛機發(fā)生災難。

2 飛行速度危險尺度

2.1 最小使用速度限制

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

當飛機遭遇向上的氣流時,駕駛員可主動推桿減小迎角而使飛機不進入危險狀態(tài),因此這種風切變對飛行安全性的影響可以輕易消除。當風切變使飛機的空速減小導致升力不足(油門不變)時,駕駛員增加迎角會出現(xiàn)兩種可能的結果:(1)拉桿過大,導致飛機失速;(2)保持迎角在較大值但不失速,飛機因升力不足高度持續(xù)損失。這兩種結果對飛行安全的影響都是不可接受的。

文獻[5]中規(guī)定:對于現(xiàn)有的大氣條件和飛機構型,飛機的性能顯著降低(不能平飛),則認為風切變對飛行安全構成威脅。

危險尺度判據(jù)為:V

2.2 最大著陸速度限制

在飛機進近著陸過程中,對最大著陸速度有限制[6]:VLlim=V*+10.3,其中V*為基準著陸速度。當飛機遭遇風切變后,駕駛員使用加油門的操縱策略時,其必須關注飛機的地速變化情況。如果飛機穿越風切變后的地速大于速度VLlim,則飛機有沖出跑道的危險,即駕駛員不可繼續(xù)著陸而需立即復飛。

3 飛行安全尺度

飛機在低空風切變中的飛行安全尺度可以由風切變的危險尺度和速度危險尺度兩部分構成。在低空著陸進近段,還包括最大著陸速度限制。

當探測到的風切變達到上述兩種危險性尺度判據(jù)的任意一條時視其達到安全尺度的邊界,飛機系統(tǒng)會發(fā)出告警信息,飛行員則要采取相應的操縱策略來控制飛機安全飛行。

4 計算仿真

4.1 仿真參數(shù)設置

表1給出了計算仿真的飛機參數(shù)。

表1 飛機參數(shù)設置Table 1 Plane’s parameter

4.2 仿真結果與分析

圖2和圖3給出了質(zhì)量為145 000 kg時的飛機風切變危險尺度因子隨速度的變化曲線和臨界危險尺度因子時刻的飛機推力占最大推力的比值曲線。從圖2中可以看出,速度越大,危險尺度因子越小,這說明速度越大時,飛機所具有的能量就越大,這樣抵抗風切變的能力就大,所以需要的動力補充就小,故Fk就小;同時,在相同飛行速度下,高度越高,Fk越小,這是因為高度越高,就有足夠的勢能可以改變?yōu)閯幽?這樣為飛機抵抗風切變提供了一部分轉(zhuǎn)化能量,飛機需要的補充能量就會變小,換句話說,飛機只需要稍微增加動力就可以抵抗風切變,所以風切變尺度因子小。由圖3可知,速度越大時,飛機的動力就會越大;高度越高,飛機的動能越大,在遭遇相同強度風切變時,飛機補充的能量就會變小。

圖4和圖5給出了質(zhì)量為130 000 kg時的飛機風切變危險尺度因子隨速度的變化曲線和臨界危險尺度因子時刻的飛機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,因為在相同動力的情況下,飛機的質(zhì)量越小,飛機加速度就會變大,這樣飛機的動能就會增大,故而飛機的能量就高,依據(jù)計算公式,明顯可以看出,危險尺度因子就會變大。在相同的最大推力下,飛機質(zhì)量越小,飛機增加剩余推力裕度就越大,飛機的飛行安全性就越高。圖6為風切變臨界危險尺度曲線。

圖2 質(zhì)量為145 000 kg時的風切變危險尺度因子Fig.2 Windshear scale factor of danger (m=145 000 kg)

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

圖4 質(zhì)量為130 000 kg時的風切變危險尺度因子Fig.4 Windshear scale factor of danger (m=130 000 kg)

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

圖6 風切變臨界危險尺度曲線Fig.6 Windshear critical scale of danger

由圖6可知,當垂直風速和水平風速加速度的比值如果落在直線上方,飛機的性能就會逐漸下降,反之,飛機的性能就會改善。

5 結論

綜上分析可得出以下結論:

(1)在相同最大推力下,飛機飛行速度越大,風切變危險尺度因子越小;

(2)在相同最大推力下,飛機飛行速度越大,飛機抵抗低空風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,飛機高度越高,風切變危險尺度因子越小,抵抗低空風切變的剩余推力余量越小;

(4)當風切變的垂直風速和水平風速加速度的比值大于8.3時,飛機性能肯定會下降;比值如果小于5.8時,飛機性能肯定會得到改善。

[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] 金長江,張洪,朱仁標,等.低空風切變危險尺度研究[J].航空學報,1992,13(10):481-486.

[4] 肖業(yè)倫,金長江.大氣擾動中的飛行原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1993.

[5] 中國航空工業(yè)總公司.HB 7582-98 民用航空器機載風切變系統(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)絡出版時間

時間:2013-06-06 12:25

武虎子(1981-)，男, 陜西富平人,工程師,博士研究生,研究方向為飛機操穩(wěn)特性與飛行控制。

(編輯：方春玲)