考慮地面效應(yīng)的超低空空投載機縱向穩(wěn)定性評估方法

雒東超 張曉敏 王文星 石佳雨

摘? 要：地面效應(yīng)引起的鏡像渦系對超低空空投任務(wù)影響顯著，文章在分析地面效應(yīng)對某運輸機縱向氣動特性影響的基礎(chǔ)上，研究了地面效應(yīng)對某運輸機靜、動穩(wěn)定性的影響。基于Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)，推導(dǎo)了保證執(zhí)行超低空空投任務(wù)的載機其穩(wěn)定飛行的縱向氣動導(dǎo)數(shù)范圍。仿真驗證結(jié)果表明，文章研究結(jié)論對提出執(zhí)行超低空空投載機的任務(wù)性能指標(biāo)和制定載機操縱品質(zhì)指標(biāo)具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：超低空空投;氣動特性;地面效應(yīng);縱向穩(wěn)定性

中圖分類號：V212.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）24-0011-04

Abstract： The mirror vortex system caused by the ground effect has a significant influence on the ultra-low altitude airdrop mission. Based on the analysis of the influence of the ground effect on the longitudinal aerodynamic characteristics of a transport aircraft， the influence of the ground effect on the static and dynamic stability of a transport aircraft is studied. Based on the Routh-Hurwitz stability criterion， the longitudinal aerodynamic derivative range of the aircraft carrying out the ultra-low altitude airdrop mission is derived. The simulation results show that the conclusion of this paper has important reference value for carrying out the task performance index of the ultra-low altitude aircraft and establishing the control quality index of the aircraft.

Keywords： ultra-low altitude airdrop; aerodynamic characteristics; ground effect; longitudinal stability

超低空空投是指利用降落傘等動力減速器在超低空（3～10m）將重型武器裝備、給養(yǎng)等空投至指定區(qū)域[1]，是提高現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下作戰(zhàn)能力的必要手段[1]。

由于超低空空投過程是在極低的高度上進(jìn)行，地面效應(yīng)產(chǎn)生的鏡像渦系對載機氣動特性影響顯著[2]。且當(dāng)距離地面較近時，載機穩(wěn)定性將嚴(yán)重惡化，危及飛行安全[2-3]。因此，有必要深入研究地面效應(yīng)影響下的載機縱向穩(wěn)定性的評估方法[2-3]。目前，國內(nèi)外對地面效應(yīng)的研究主要集中在地效引起的氣動力理論計算[4-5]和近地飛行時穩(wěn)定性分析[6-7]，而較少關(guān)注地面效應(yīng)對超低空空投過程的影響[3]。國內(nèi)部分學(xué)者考慮了飛行高度對空投載機的作用，從而在超低空空投過程仿真模型加入了地面效應(yīng)[8-9]。通過對貨物移動引起的載機慣性張量和地面效應(yīng)的實變等效，得到氣動參數(shù)的不確定性，并設(shè)計了超低空空投縱向反步滑?？刂坡蒣10]。上述文獻(xiàn)[8-10]并未針對地面效應(yīng)對空投任務(wù)性能以及載機動力學(xué)特性的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文研究了考慮地面效應(yīng)作用的載機超低空空投動力學(xué)特性，評估載機的縱向穩(wěn)定性，以高度模態(tài)為主要研究對象，提出了飛行品質(zhì)指標(biāo)，并進(jìn)行了仿真驗證。

1 考慮地面效應(yīng)的空投載機縱向動力學(xué)特性

地面效應(yīng)對超低空飛行的載機縱向氣動力及力矩的影響主要由以下三部分組成：附著渦引起的升力系數(shù)變化、自由渦引起的升力系數(shù)變化、平尾的升力與下洗角變化[3，6，7]。

1.1 升力系數(shù)隨附著渦變化規(guī)律

附著渦引起的升力系數(shù)變化ΔCL表示為：

1.2 升力系數(shù)隨自由渦變化規(guī)律

無地面效應(yīng)時，升力系數(shù)CL表示為：

2 超低空空投載機縱向穩(wěn)定性評估方法

2.1 靜穩(wěn)定性評估方法

縱向靜穩(wěn)定性主要指俯仰靜穩(wěn)定性，采用靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)Cmα來衡量[5]。對于超低空空投載機，由于存在地效作用，因此主要考慮高度靜穩(wěn)定性，即當(dāng)飛機定直平飛時，飛行高度受擾后，其具有恢復(fù)原高度的趨勢（Static Height Stability，HS）[7]。

2.2 動穩(wěn)定性評估方法

3 地效作用下的超低空空投過程仿真

在牽引傘和貨物干擾力共同作用下，飛行員需要操作駕駛桿縱向位移，以保持飛機俯仰姿態(tài)穩(wěn)定。由于國內(nèi)關(guān)于重裝空投的品質(zhì)指標(biāo)研究較少，因此本文從載機響應(yīng)特性定量地分析空投過程地效對載機穩(wěn)定性的影響。

3.1 地效作用下的升降舵操縱效能

選取h=100m、V=100/m·s-1與h=10m、V=100/m·s-1兩個狀態(tài)點載機升降舵操縱效能進(jìn)行仿真分析。得到載機在有地效和無地效情況下的響應(yīng)如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示地效降低了載機升降舵效能，這對于空投任務(wù)安全性是極為不利的。因為在牽引階段，為了使貨物離機瞬間，載機可以快速爬升，飛行員需要較大操縱量，并且速度較快的縱向操縱。