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      單發(fā)螺旋槳飛機滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)計算研究

      2022-08-18 05:58:56岳定春涂毓超
      教練機 2022年1期
      關(guān)鍵詞:單發(fā)航向螺旋槳

      岳定春,饒 祺,涂毓超

      (航空工業(yè)洪都,江西 南昌,330024)

      0 引言

      飛行品質(zhì)研究貫穿了飛機整個設(shè)計和使用過程,飛行品質(zhì)中對橫航向動態(tài)特性有較多的要求,其中滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)從理論上保證飛機在副翼小輸入或側(cè)向陣風(fēng)引起的滾轉(zhuǎn)反應(yīng)中,不會產(chǎn)生影響飛機安全或飛行員評價的不利反應(yīng)。由于螺旋槳滑流、氣流斜吹等影響,單發(fā)螺旋槳飛機在無側(cè)滑角和舵面偏轉(zhuǎn)時存在較大不對稱的橫航向力和力矩,常規(guī)橫航向氣動對稱的經(jīng)典品質(zhì)計算方法無法直接適用于單發(fā)螺旋槳飛機,為了獲得準(zhǔn)確的滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)的計算結(jié)果,需要根據(jù)單發(fā)螺旋槳飛機的氣動特點進行分析,建立一套單發(fā)螺旋槳飛機的滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)計算方法。

      1 單發(fā)螺旋槳飛機氣動特點分析

      單發(fā)螺旋槳飛機的氣動力和力矩不僅具有飛機氣動布局的特點,還要附加螺旋槳產(chǎn)生的滑流、氣流斜吹等帶來的氣動力和力矩。這些附加的氣動力和力矩導(dǎo)致單發(fā)螺旋槳飛機舵面偏度和側(cè)滑角皆為0°時依然存在較大的橫航向氣動力和力矩。如式(1)~(3)所示為靜態(tài)橫航向力和力矩系數(shù),式中的c、m和m為側(cè)滑角0°、所有舵面偏度為0°時的力和力矩系數(shù)。某型單發(fā)螺旋槳飛機不同拉力系數(shù)橫航向靜態(tài)力矩系數(shù)如圖1和圖2所示,由圖可知,m和m數(shù)值較大,計算時不能忽略。

      圖1 某型飛機舵偏為0°時的mx

      圖2 某型飛機舵偏為0°時的my

      2 橫航向小擾動方程的推導(dǎo)

      滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)的計算方法是以橫航向小擾動方程為基礎(chǔ)演化而來,除橫航向力和力矩小擾動方程外的其余小擾動方程皆和非單發(fā)螺旋槳飛機相同,因此,只需推導(dǎo)分析橫航向力和力矩小擾動方程。

      方程能夠使用小擾動簡化的基礎(chǔ)公式如式(4)所示。x為基準(zhǔn)運動參數(shù),Δx為偏離量。

      在基準(zhǔn)點處展開成臺勞級數(shù),并根據(jù)小擾動假設(shè),略去二階及以上各階小量,得到式(5)。

      基準(zhǔn)運動滿足式(6),

      方程式(5)減去式(6)則可得到小擾動方程式(7)。

      基準(zhǔn)狀態(tài)下的橫航向力和力矩系數(shù)如式(8)~(10)所示。

      擾動狀態(tài)下的橫航向力和力矩系數(shù)如式(11)~(13)所示。

      根據(jù)小擾動簡化的方法,式(11)~(13)減去式(8)~(10)得到小擾動方程,則橫航向力和力矩的小擾動方程如式(14)~(16)所示。

      根據(jù)動力學(xué)方程、運動學(xué)方程、力和力矩等方程的小擾動分解,得到單發(fā)螺旋槳飛機體軸系橫航向小擾動方程如式(17)所示。

      3 滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)計算方法

      對式(17)進行拉普拉斯變換,可得到β、ω和γ的傳遞函數(shù),如式(18)~(20)所示。

      通過對傳遞函數(shù)分子和分母求解,可得到β、ω和γ曲線的零、極點。

      通過拉普拉斯反變換,由式(19)可得側(cè)滑角隨時間變化的傳遞函數(shù),即式(21),由式(20)可得滾轉(zhuǎn)角速度隨時間變化的傳遞函數(shù),即式(22)。

      相位角的計算如式(23)和(24)所示:

      1.7 T引起60°傾斜角變化所需的滾轉(zhuǎn)操縱量的計算如式(25)所示。

      將由式(25)求得的δ代入式(22),并給定一系列時間,即可得到副翼偏轉(zhuǎn)δ角度后的ω隨時間變化的歷程。

      4 某型單發(fā)螺旋槳飛機計算結(jié)果

      4.1 滾轉(zhuǎn)角速度振蕩計算結(jié)果

      滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)的目的,主要在于防止副翼操縱反效,同時保證對輸入量較大的開環(huán)或閉環(huán)操縱,具有一定的操縱精確度。按照品質(zhì)要求,從ω隨時間變化的曲線上取出第一個最大值ω和第一個最大值后的第一個最小值ω。由圖3可知,某型單發(fā)螺旋槳的ω/ω的值滿足1級品質(zhì)要求。

      圖3 滾轉(zhuǎn)角速度振蕩計算結(jié)果

      4.2 附加的滾轉(zhuǎn)角速度要求計算結(jié)果

      附加的滾轉(zhuǎn)角速度要求為副翼小輸入下的對滾轉(zhuǎn)角速度振蕩品質(zhì)的補充要求。設(shè)立此要求的目的是保證飛機具有良好的開環(huán)或閉環(huán)滾轉(zhuǎn)操縱品質(zhì)。按照品質(zhì)要求,從ω隨時間變化的曲線上取出第一個最大值ω、第一個最大值后的第一個最小值ω和第二個最大值ω,由式(26)求得ω/ω的值,根據(jù)ψ和ψ的關(guān)系選定橫坐標(biāo)的變化規(guī)律,根據(jù)ψ和ω/ω的值可得某型單發(fā)螺旋槳飛機附加的滾轉(zhuǎn)角速度要求。

      5 結(jié)語

      圖4 附加的滾轉(zhuǎn)角速度計算結(jié)果

      通過對單發(fā)螺旋槳飛機橫航向氣動不對稱的分析,本文建立了可適用單發(fā)螺旋槳飛機滾轉(zhuǎn)角速度振蕩飛行品質(zhì)計算方法,并以某型單發(fā)螺旋槳飛機為例,完成了相應(yīng)的品質(zhì)計算,可為單發(fā)螺旋槳飛機的品質(zhì)設(shè)計和使用飛行提供參考。

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