表1(Table 1)
2. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191
2. School of Aeronautics Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China
随着现代战斗机机动性能的提高,原来尽可能避免进入的大迎角区,现已逐渐成为提高作战效能颇有利用价值的空间[1].这类高性能战机多采用高增益的电传飞行控制系统,如何准确地评定其大迎角的飞行品质显得十分的必要与迫切.然而,常规飞行品质的评定准则是依据小迎角飞行试验和数据制定的,并不完全适用于战斗机大迎角飞行品质的评定[2, 3, 4, 5].
相比常规飞行品质评定方法,基于任务的飞行品质评定方法具有任务针对性和包线适应性,可以评定多轴耦合的飞行品质,因此能够对飞机大迎角飞行特性做出较为准确的评估.但使用这种方法仅能够评定任务完成的效果,不能有效地指导飞机飞行控制律的设计[6].因此需要寻求通过这种方法所得到的飞行品质评定结果与高阶闭环飞机特征参数之间的关系,形成飞机大迎角飞行品质的评定准则.
目前,对大迎角飞行品质评定准则的研究多集中于定性方面.文献[4]针对某型飞机低阶等效后的动态模型,从高阶闭环飞机系统的纵向短周期阻尼与频率、稳态轴滚转速率和滚转模态时间常数(Tr)出发,着重研究了60°迎角下飞机系统的参数与飞行员完成任务过程中的感受之间的关系.但尚未见有大迎角飞行品质的定量评定准则研究报道.
本文针对IV类高增益飞机,采用基于任务的大迎角飞行品质评定方法,通过模拟飞行试验,研究了飞机大迎角飞行品质的评定新准则,并分析了新准则与常规评定准则不同的物理原因.
1 基于任务的大迎角飞行品质评定方法基于任务的飞行品质评定方法主要依据特定机动任务的完成效果来评定飞机的飞行品质[7, 8].完成任务后,通过主观评估和客观评估对飞机的飞行品质进行评定.评定结果分为3个等级,表 1列出了各飞行品质等级与任务适应性之间的关系[9, 10].
| 飞行品质等级 | 描述 |
1级 | 飞机飞行品质明显地适合完成任务飞行阶段. |
| 2级 | 飞行品质适合于完成任务的飞行阶段,但飞行员有一定的工作负担和/或任务完成效果有一定地降低. |
| 3级 | 飞行品质能满足安全地操纵飞机,但飞行员有很重的工作负担和/或任务完成的效果不好. |
飞机飞行品质的评定应包含纵向、横向和航向三轴飞行品质的评定.在大迎角飞行任务中,飞机主要作纵向大过载的拉起与横滚的运动,极少进行偏航飞行,故不需考虑以航向运动为主的任务[11].选取以下两种针对IV型飞机“A种”飞行阶段,操作难度适中、获取数据方便的大迎角机动任务.
任务1 俯仰姿态捕获与保持机动[10].
该任务可以评定飞机的纵向飞行品质.任务开始时,在测试机前方1 km、上方600 m设置一架以空速130 m/s定直平飞的目标飞机,测试机保持和目标机相同速度.机动开始后飞行员使用纵向操纵杆尽快捕获目标机.
任务2 大迎角滚转与捕获机动[6].
该任务可以评定飞机的横向飞行品质.任务开始时,首先设定地面路标作为航向目标,飞机初速度150 m/s,进行“破S”机动.滚转为倒飞并拉杆到俯仰角θ=-90°+α,其中,α为测试迎角,此时速度矢量与地面垂直.达到上述条件以后,立即向左或向右压满杆进行最大滚转机动,机动过程中尽量保持迎角不变.滚转360°捕获地面路标以捕获初始航向,然后退出滚转.
1.2 主观评估主观评估需要有飞行员的参与,通过飞行员在任务完成后填写库珀-哈珀(Cooper-Harper)评分表对飞机飞行品质进行评定.评分表将飞机的飞行品质分为10个飞行员评价尺度,分别对应于3个评定等级.飞行员根据飞机在机动任务中的特性直接打分[12].
1.3 客观评估客观评估主要对飞行任务中所记录的各项参数进行分析,根据特定的客观评估标准得到对任务完成效果的评定.其中,比较重要的参数有密位数、捕获时间、捕获超调次数等.所谓密位数是指目标机到飞行员眼点的瞄准视线向量与机身坐标x轴(零密位视线)之间的夹角,单位为密位(mil),密位与弧度的换算关系为:1 mil=2π/6 400 rad.捕获时间是指从开始机动到目标机第1次进入瞄准带内的时间.捕获超调次数的定义是在捕获目标后目标机超出瞄准带的次数.
表 2和表 3分别为所选取的两种机动任务的客观评估标准.
| 飞行品质等级 | 捕获密位数 | 超调次数 |
| 1级 | 80密位水平带 | 一次以内 |
| 2级 | 80密位水平带 | 两次以内 |
| 3级 | 无法捕获 | 超过两次 |
| 飞行品质等级 | 捕获密位数 | 超调次数 |
| 1级 | 80密位垂直带 | 一次以内 |
| 2级 | 80密位垂直带 | 两次以内 |
| 3级 | 无法捕获 | 超过两次 |
在得到主观评估和客观评估的结果之后,两种评估方法得到的最低品质等级即为该战斗机的飞行品质等级.
1.4 评定示例本文所研究的飞机为IV类高增益飞机,如歼击机、战术侦察机等.所针对的飞行阶段为“A种”飞行阶段,即要求急剧机动、精确跟踪,如空战、对地攻击、空中加油等阶段.以高增益飞机F16战斗机为模型进行模拟试飞试验[13, 14, 15, 16].
1.4.1 纵向飞行品质评定测试机初始状态为:初始速度130 m/s,初始高度7 km.俯仰姿态捕获与保持机动过程中密位数随时间的变化如图 1所示.
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| 图 1 俯仰姿态捕获与保持机动过程中密位数的变化 Fig. 1 Variation of mil error in pitch attitude capture and hold maneuver |
如图 1所示，测试机在2 s之内捕获了目标机,使目标机位于80 mil以内,没有超调.根据表 2的客观评定标准,客观评定结果为1级.
完成模拟飞行任务后,飞机飞行品质的主观评定结果如表 4所示.依据飞行员评价尺度,可得主观评定的结果为1级.
| 飞行员评价尺度 | 截获速度 | 任务评价 |
| 2 | 快速 | 纵向反应很快,阻尼小,可以快速捕获目标,且可以稳定跟踪. |
根据主观评估和客观评估结果,取最低飞行品质等级,可以得到算例飞机的大迎角纵向飞行品质等级为1级.
1.4.2 横向飞行品质评定测试机初始状态如下:初始速度150 m/s,初始高度7 km,测试迎角为30°.
任务中飞机偏航角随时间的变化如图 2所示(1°≈17.78 mil),纵坐标ψ为偏航角.可以看出,测试机在28 s时成功捕获偏航角,但在31 s时有一次超调.根据表 3的客观评定标准,客观评定结果为2级.
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| 图 2 大迎角滚转与捕获机动过程中偏航角的变化 Fig. 2 Variation of yaw angle in high angle of attack roll and capture maneuver |
完成模拟飞行任务后,飞机飞行品质的主观评定结果如表 5所示.依据飞行员评价尺度,可得主观评定的结果为2级.
| 飞行员评价尺度 | 截获速度 | 任务评价 |
| 4 | 中等 | 横向反应速度中等,基本可以在较短时间内完成截获. |
根据主观评估结果和客观评估结果,取最低飞行品质等级,可以得到算例飞机的大迎角横向飞行品质等级为2级.
2 大迎角飞行品质评定准则对于常规响应类型的电传操纵飞机,可通过低阶等效法得到高阶闭环飞机系统的参数,然后使用短周期操纵期望参数(Control Anticipate Parameter,CAP)准则和滚转模态特性来评定飞机的纵向和横向飞行品质.
通过对不同电传操纵特性的飞机进行模拟试验,再使用基于任务的飞行品质评定方法对试验结果进行评定,便可建立大迎角状态下战斗机飞行品质的CAP准则和滚转模态特性的品质评定边界.
由于驾驶员通常不采用航向操纵来完成侧滑角的高增益跟踪与捕获任务,因此,纵向和横向飞行品质即可决定飞机的大迎角飞行品质.
2.1 纵向飞行品质评定准则边界在试验中,保持高阶闭环飞机系统横向传递函数的参数不变,以30°为测试迎角,测试不同的短周期阻尼比ξsp和CAP参数的组合情形,并通过第1.1节所述的姿态捕获与保持任务对其纵向飞行品质进行评定.表 6给出了8种参数组合的品质评定结果.
| CAP | ξsp | 常规飞行 品质评定结果 | 基于任务的飞行品质评定结果 | |
| 飞行员评价 | 等级 | |||
| 0.1 | 6 | 3级 | 反应速度过慢,无法捕获目标 | 3级 |
| 0.4 | 1 | 1级 | 反应速度较慢 | 2级 |
| 1 | 0.5 | 1级 | 可以捕获目标,但易超调 | 2级 |
| 1 | 1 | 1级 | 可捕获目标,稳定跟踪 | 1级 |
| 1 | 2 | 3级 | 反应速度偏慢,但可精确捕获和跟踪目标 | 2级 |
| 2 | 1.5 | 2级 | 反应速度快,可捕获目标,稳定跟踪 | 1级 |
| 5 | 1 | 2级 | 可快速捕获目标并稳定跟踪 | 1级 |
| 7 | 7 | 3级 | 易产生大幅振荡,无法控制 | 3级 |
如表 6所示,通过常规纵向飞行品质评定方法所得到的飞行品质等级与基于任务的纵向飞行品质评定方法所得到的飞行品质等级有所不同.试验中继续选取了CAP值在区间[0.1,10]内、ξsp在区间[0.1,10]内的400余种参数组合,对模型飞机进行基于任务的飞行品质评定,得到了如图 3中实线部分所示的曲线,该曲线即为基于任务的纵向飞行品质评定准则的边界.图 3中虚线部分为常规方法的IV型飞机“A种”飞行阶段的纵向飞行品质评定准则边界.其中,较粗和较细的虚线分别为常规飞行品质的1级和2级评定准则,较粗和较细的实线分别为基于任务的飞行品质的一级和二级评定准则.
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| 图 3 基于任务的飞机大迎角纵向飞行品质评定准则边界 Fig. 3 Evaluation boundaries of mission-oriented longitudinal flying qualities criteria for high angle of attack aircraft |
在试验中,保持闭环飞机系统的纵向传递函数的参数不变,选取6个不同的Tr值进行模拟测试,并通过第1.1节所述的大迎角滚转与捕获任务对其横向飞行品质进行评定,得到的评定结果如表 7所示.
| Tr | 常规飞行品质 评定结果 | 基于任务的飞行品质评定结果 | |
| 飞行员评价 | 等级 | ||
| 0.45 | 1级 | 易产生小幅振荡,不易控制 | 2级 |
| 0.55 | 1级 | 反应速度快,能够精确地完成截获 | 1级 |
| 1.2 | 2级 | 反应速度快,能够精确地完成截获 | 1级 |
| 1.4 | 2级 | 反应速度中等,基本可以完成截获. | 2级 |
| 1.9 | 3级 | 反应速度较慢,可以完成截获 | 2级 |
| 2.1 | 3级 | 反应速度过慢,无法完成任务 | 3级 |
通过图 3、表 6和表 7可以看出,通过常规评定方法所得到的飞行品质等级与基于任务的评定方法所得到的飞行品质等级有所不同.在区间[0.1,10]中取200个不同的Tr进行模拟试验,得到的结果如表 8所示,该表即为基于任务的横向飞行品质评定边界.表中第2列为常规方法的IV型飞机“A种”飞行阶段的横向飞行品质准则边界.
飞行品质等级 | 常规飞行品质 评定准则边界 | 基于任务的飞行品质 评定准则边界 |
| 1级 | 0.33<Tr≤1.0 | 0.5<Tr≤1.3 |
| 2级 | 1.0<Tr≤1.4 | 1.3<Tr≤2.0 |
| 3级 | 1.4<Tr≤10.0 | 2.0<Tr≤10.0 |
根据表 6,在ξsp=1的情况下,CAP=0.4时,基于任务的飞行品质评定等级低于常规飞行品质评定等级,CAP=5时,基于任务的飞行品质评定等级高于常规飞行品质评定等级.故适当增大CAP,可以提高大迎角飞行品质评定等级.在CAP=1的情况下,ξsp=0.5时,基于任务的飞行品质评定等级低于常规飞行品质评定等级,ξsp=1.5时,则得到相反的飞行品质评定等级.故适当增大ξsp也可以提高大迎角飞行品质评定等级.通过图 3中直观的对比可以得到相同结论.
这是因为在大迎角状态下捕获目标通常需要飞行员做出较大的杆力/杆位移输入.CAP参数的物理意义是单位杆力所产生的初始俯仰角加速度,与稳态飞行时产生单位过载所需杆力的乘积,故增大CAP参数的值意味着提高了杆力灵敏度,减小了单位过载杆力,有利于快速捕获目标.而较大阻尼比可以防止因大幅操纵产生的振荡响应.
文献[4]给出了60°迎角下定性的纵向飞行品质评定准则.其分析指出,适当增大短周期频率和短周期阻尼可以提高60°迎角下飞机的纵向飞行品质等级.而短周期频率与初始俯仰角加速度呈正相关.因此,提高短周期频率即意味着提高CAP参数,这与本文所得到的研究结果一致.
3.2 横向飞行品质根据表 7,Tr=0.4时,基于任务的飞行品质评定等级低于常规飞行品质评定等级,而Tr=1.2和Tr=1.9时,基于任务的飞行品质评定等级均比常规飞行品质评定等级提高了一个等级.即适当地增大Tr可以得到更高的大迎角飞行品质评定等级.通过表 8直观的对比也可以得到相同的结论.
Tr的物理意义是达到稳态滚转速率的时间,描述的是飞机的滚转阻尼特性.飞机大迎角飞行时,存在空气动力非线性和迟滞效应,若保持原有滚转阻尼特性不变,则容易产生超调,会使飞行员难以准确地操纵滚转运动.因此,较大的Tr可以减小杆力灵敏度,避免产生横向的振荡响应.
文献[4]同时给出了60°迎角下定性的横向飞行品质评定准则.其分析指出,适当增大滚转阻尼可以提高飞机的60°迎角下飞机的横向飞行品质等级.而Tr与滚转阻尼正相关,故增大Tr可以使滚转阻尼增大,从而提高飞机的横向飞行品质等级.这与本文所得到的结果一致.
4 结 论1) 由于飞行员通常不采用航向操纵来完成侧滑角的高增益跟踪与捕获任务,因此,纵向和横向飞行品质即可决定飞机的大迎角飞行品质.
2) 相比传统的飞机纵向飞行品质评定准则,大迎角纵向飞行品质评定准则要求适当增大高阶闭环飞机系统的纵向短周期CAP参数与阻尼比.
3) 相比传统的飞机横向飞行品质评定准则,大迎角横向飞行品质评定准则要求适当增大高阶闭环飞机系统的滚转模态时间常数.
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