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(duì)于民用飛機(jī)而言，大氣擾動(dòng)不僅會(huì)造成顛簸，影響乘客的乘坐舒適性，嚴(yán)重的大氣擾動(dòng)還會(huì)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(dòng)對(duì)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(dòng)相關(guān)內(nèi)容，并積極開展對(duì)應(yīng)的適航研究工作。

我國對(duì)于大氣擾動(dòng)類適航條例的研究較為分散：以大氣擾動(dòng)對(duì)飛行的影響為出發(fā)點(diǎn)，研究多集中在大氣擾動(dòng)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(dòng)適航條款的系統(tǒng)性研究，也缺少對(duì)涉及飛機(jī)操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)的大氣擾動(dòng)適航條款及其對(duì)應(yīng)適航符合性評(píng)估方法的深入探索。

選用合理的評(píng)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(píng)估，對(duì)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(píng)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(píng)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(dòng)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(jí)評(píng)定方法(HQRM)的民機(jī)大氣擾動(dòng)適航性評(píng)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(dòng)適航符合性評(píng)估工作提供參考。

1 大氣擾動(dòng)適航條款

本文以四種大氣擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)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(duì)全面的大氣擾動(dòng)類適航條款，詳見表1。

大氣擾動(dòng)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(duì)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(duì)符合性驗(yàn)證的補(bǔ)充要求。

表1 大氣擾動(dòng)適航條款歸納

25.147(f)、25.233(a)和25.237條款針對(duì)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(duì)全發(fā)工作條件下受到大氣擾動(dòng)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(dòng)時(shí)的恢復(fù)能力及操縱效率和非對(duì)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(duì)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(duì)飛機(jī)進(jìn)行擾動(dòng)下飛行的極限條件確定。

2 符合性評(píng)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(duì)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(píng)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(píng)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(dòng)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(píng)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(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于民用飛機(jī)而言，由于在飛行中較少涉及大機(jī)動(dòng)動(dòng)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(dòng)性飛機(jī)。

◆ C種飛行階段：

通常采用緩慢的機(jī)動(dòng)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)這一要求進(jìn)行量化處理。

軍用品質(zhì)規(guī)范給出了1級(jí)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、n、n、、l、n為飛機(jī)橫航向氣動(dòng)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(duì)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(jí)飛行品質(zhì)的參數(shù)要求，并無體現(xiàn)大氣擾動(dòng)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(píng)價(jià)對(duì)飛機(jī)的飛行品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估的操縱品質(zhì)等級(jí)評(píng)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(dòng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。圖1為HQRM方法的評(píng)估過程示意圖。

圖1 操縱品質(zhì)等級(jí)評(píng)定方法的評(píng)估過程

雖然HQRM方法主要針對(duì)電傳操縱系統(tǒng)及其失效情況，但它將大氣擾動(dòng)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(dòng)分級(jí)及其發(fā)生概率情況。這一做法十分符合大氣擾動(dòng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響特點(diǎn)：輕微大氣擾動(dòng)發(fā)生概率較大，但不會(huì)對(duì)飛機(jī)操縱產(chǎn)生較大影響，重度大氣擾動(dòng)發(fā)生的概率小，但可能會(huì)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(dòng)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(dòng)以概率的形式加入到飛行品質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)過程中，既直觀反映了大氣擾動(dòng)的作用特點(diǎn)，又明確了不同大氣擾動(dòng)強(qiáng)度中的飛行品質(zhì)評(píng)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(dòng)分級(jí)

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(dòng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響，表8為僅考慮大氣擾動(dòng)影響的HQRM方法評(píng)價(jià)示例，其中，評(píng)價(jià)結(jié)果S對(duì)應(yīng)“滿意的”，A對(duì)應(yīng)“足夠的”，C對(duì)應(yīng)“可控的”，具體的評(píng)價(jià)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的飛機(jī)響應(yīng)定義見文獻(xiàn)[10]。

表8 大氣擾動(dòng)HQRM評(píng)價(jià)示例

3 算例驗(yàn)證

本節(jié)選取算例飛機(jī)對(duì)上述評(píng)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(dòng)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(dòng)模型，分別在無擾動(dòng)情況和HQRM中規(guī)定的三種大氣擾動(dòng)強(qiáng)度風(fēng)場(chǎng)中，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)，即重度大氣擾動(dòng)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(jí)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(chǎng)強(qiáng)度下的飛行品質(zhì)變化圖

3.2 維持非對(duì)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(jí)飛行品質(zhì)要求，出現(xiàn)飛行品質(zhì)降級(jí)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(chǎng)中橫向操縱響應(yīng)飛行品質(zhì)均為一級(jí)或二級(jí)，基本滿足條款25.237第2條的要求。當(dāng)計(jì)算非對(duì)稱飛行時(shí)飛機(jī)的操縱余量時(shí)，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度的影響較大，在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行條款25.147(f)的適航性評(píng)估時(shí)，可以通過改變風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度，得到更為全面的計(jì)算結(jié)果，用以評(píng)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(píng)估過程中結(jié)合大氣擾動(dòng)嚴(yán)重程度規(guī)定飛行品質(zhì)等級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)針對(duì)條款25.147(f)、25.233(a)和25.237的大氣擾動(dòng)適航符合性評(píng)估，結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)論

1)操穩(wěn)特性類大氣擾動(dòng)適航條款對(duì)民機(jī)的模態(tài)特性、操縱響應(yīng)和維持非對(duì)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(duì)其進(jìn)行符合性評(píng)估指標(biāo)的提取與量化，便于在設(shè)計(jì)階段評(píng)估飛機(jī)針對(duì)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(dòng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響，依據(jù)擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(píng)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。