民用飛機控制律對俯仰機動平尾載荷影響分析

阮文斌 閆中午 符梁棟

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引言

首先，本文對CCAR-25 部25.331(c)條規(guī)定的兩種俯仰機動情況進行分析，并針對CCAR-25 部25.331(c)條與歐洲的適航認證規(guī)范(Certification Specification 25，簡稱CS-25)條款[2]存在的差異進行對比分析。

其次，國內大多數飛機載荷設計專業(yè)在計算機動載荷時，將條款要求的座艙操縱器件輸入規(guī)律當作操縱面運動規(guī)律使用，忽略和回避了控制律的響應特性。近年來，隨著控制律在現代飛機上的大量應用，并且復雜程度也逐步增加，導致飛機控制律特性在機動載荷計算中起到至關重要的作用。由于飛機的機動運動取決于操縱面的運動激勵，而操縱面的運動又由駕駛員的動作和控制律特性共同確定。因此，在計算機動載荷時，如果忽略控制律的作用，用座艙操縱時間歷程代替操縱面偏轉時間歷程，對于帶有不同控制律系統的飛機來說，視操縱規(guī)律的不同，所計算出的機動載荷或保守或根本不對[3-6]。

針對上述情況，本文首先對CCAR-25 部25.331(c)條規(guī)定的兩種俯仰機動情況進行條款對比理解，然后結合縱向運動動力學方程，對兩種俯仰機動考慮控制律前后分別進行機動仿真計算，并對飛機響應及平尾載荷計算結果進行分析比較，進而表明飛機控制律對飛行機動載荷的重要影響。

1 運動動力學方程

俯仰機動是由CCAR-25 部[1]第25.331(c)條規(guī)定的一種機動情況，具體包括非校驗機動和校驗機動兩種情況。按規(guī)范定義考慮俯仰機動時，首先求微動平尾配平的初始平衡狀態(tài)的載荷，根據縱向力與力矩平衡可得如下運動方程[7]：

式中，CLato為無尾飛機升力系數對迎角的導數；CL0to為無尾飛機在a=0 時的升力系數；Cmato為無尾飛機俯仰力矩系數對迎角的導數；Cm0to為無尾飛機在a=0 時的俯仰力矩系數；a 為迎角；g為重力加速度；q為速壓；S 為機翼面積；m為全機重量；Lha為平尾尾力臂；ΔxCC=0.25·CAW-xCC為飛機重心與氣動焦點的距離；CAW為機翼平均氣動弦長；MEN、MDR分別為發(fā)動機推力和飛機阻力產生的俯仰力矩。

由上述方程可求出初始平衡狀態(tài)時的迎角和平尾微動角。再由機動響應可得如下增量微分方程組[7]：

初始條件：t=0 時，γ=θ=ωz=0。式中，ΔF表示由于機動響應帶來的法向氣動力增量；ΔM表示由于機動響應帶來的俯仰力矩增量；γ為爬升角；θ為俯仰角；ωz為俯仰角速度；V∞為無窮遠處來流速度；Iz為俯仰轉動慣量。

根據升降舵偏轉速率及俯仰操縱器件操縱規(guī)律，按方程求出整個俯仰機動過程中飛機響應時間歷程，進而可得平尾載荷[7-8]。

金湖縣在基本農田以及耕地的保護方面，需要在確?，F有基本農田在數量不減少、用途不改變的基礎上，質量有所提高。建設用地上，金湖縣要統籌安排發(fā)展用地，實現集聚、集約發(fā)展。同時，加強對農業(yè)污染的控制，大力發(fā)展高效以及生態(tài)農業(yè)，發(fā)展高效規(guī)模養(yǎng)殖、無公害立體養(yǎng)殖、養(yǎng)殖廢棄物無害化處理等生態(tài)養(yǎng)殖技術，提倡有機肥和無機肥平衡使用技術，加快建設一批規(guī)模大、水平高、帶動力強的生態(tài)觀光農業(yè)園，并積極推動綠色、有機食品基地的建設，大力開展綠色、有機農產品認證，探索適宜的種養(yǎng)結合等循環(huán)農業(yè)模式，降低農藥、化肥的使用量[4]。

根據CCAR-25 部第25.331 條規(guī)定的俯仰機動要求是飛行員移動俯仰操縱器件，在不考慮控制律的情況下，升降舵舵面根據座艙俯仰操縱輸入規(guī)律在規(guī)定的時間內線性增加到限制偏度，而考慮了控制律后，升降舵舵面根據飛機響應狀態(tài)和桿位移反饋計算得到升降舵舵偏，然后進行運動動力學方程仿真求解，得到整個飛機機動響應時間歷程。本文中對俯仰機動考慮控制律前后分別進行仿真計算，并對飛機響應及平尾載荷計算結果進行分析比較。

2 控制律對非校驗機動影響分析

非校驗機動是CCAR-25 部第25.331(c)(1)條規(guī)定的一種俯仰機動情況。該俯仰機動初始速度為VA，過載為1.0，突然移動俯仰操縱器件來獲得極大的抬頭俯仰加速度。在俯仰機動過程中水平尾翼載荷變化很大，非校驗機動是平尾、升降舵及后機身的臨界載荷情況。

在不考慮控制律非校驗機動仿真計算時，升降舵舵面根據座艙縱向操縱輸入規(guī)律在極短時間內線性增加到限制偏度，而考慮了控制律的非校驗機動計算是在極短時間內縱向操縱器件達到最大位移?？刂坡筛鶕w機響應狀態(tài)、縱向操縱器件位移反饋計算得到升降舵舵偏，然后進行飛行運動動力學方程仿真求解，得到整個飛機機動響應時間歷程。

采用運動動力學方程，以某型民用飛機原始數據為基礎，對是否考慮控制律的非校驗機動分別進行了機動仿真計算，得到的飛行姿態(tài)及平尾載荷對比曲線如圖1～圖5 所示：

圖1 非校驗機動俯仰操縱器件位移對比曲線

圖2 非校驗機動升降舵偏角對比曲線

圖3 非校驗機動迎角對比曲線

圖4 非校驗機動過載對比曲線

圖5 非校驗機動平尾載荷對比曲線

從圖1～圖5 中可以看出，考慮控制律后，縱向操縱器件位移不再與升降舵偏度一一對應，而是對應法向過載系數，控制律通過比較當前的縱向操縱器件位移法向過載指令和真實的法向過載系數響應后計算得到所需的升降舵偏度。在縱向操縱器件位移急劇移動到滿偏時，由于系統的延遲及控制律反饋的影響，飛機的響應及平尾載荷與不考慮控制律計算的結果相比要緩和得多。

3 控制律對校驗機動影響分析

校驗機動是CCAR-25 部第25.331(c)(2)條規(guī)定的一種俯仰機動情況。與非校驗機動區(qū)別有三點：1)校驗機動初始速度為25.333(b)條中機動包線上A到I中的所有設計空速，包括VA、VC和VD；2)校驗機動是指飛機在俯仰運動中，先移動座艙縱向操縱器件使得飛機抬頭或低頭，然后反向移動縱向操縱器件來校驗俯仰機動，機動過程中增加了一個回舵的過程；3)相對于非校驗機動規(guī)定的急劇移動俯仰操縱器件，校驗機動是一種規(guī)定的操縱器件移動，移動俯仰操縱器件相對比較緩慢。

此外，國內的CCAR-25 部和歐洲的適航認證規(guī)范[2](Certification Specification and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes 25，簡稱CS-25)對于校驗機動有著不同的要求。CCAR25.331(c)(2)規(guī)定校驗機動在達到規(guī)定的過載系數的同時，飛機的正負俯仰角加速度也必須達到一定的要求，對縱向操縱器件的輸入沒有具體規(guī)定[9]。而根據CS25.331(c)(2)條款的要求，規(guī)定了座艙縱向操縱器件的輸入形態(tài)(正弦)和過載系數要求，而對俯仰角加速度沒有要求[2]，典型輸入形態(tài)如圖6所示。

圖6 CS25.331(c)(2)條款規(guī)定的校驗機動座艙縱向操縱曲線

經過調查發(fā)現，CCAR25.331(c)(2)規(guī)定的俯仰角加速要求更加適用于一些較小的、機動性能較好的飛機，這類飛機比較容易達到規(guī)范規(guī)定的角加速度和過載要求；但對于一些較大的、不追求機動能力的飛機(如大型民用客機)而言，有些情況下難以達到規(guī)范規(guī)定的角加速度和過載要求[10]。因此，針對大型民用飛機，目前國內外的趨勢都是采用歐洲的CS25.331(c)(2)條款作為校驗機動的設計依據。

與非校驗機動類似，結合運動動力學方程，依據CS25.331(c)(2)條款對校驗機動規(guī)定的要求，以某型民用飛機原始數據為基礎，對是否考慮控制律的校驗機動分別進行了機動仿真計算，得到的飛行響應及平尾載荷對比曲線如圖7～圖11 所示：

圖7 校驗機動俯仰操縱器件位移對比曲線

圖8 校驗機動升降舵偏度對比曲線

圖9 校驗機動迎角對比曲線

圖10 校驗機動過載對比曲線

圖11 校驗機動平尾載荷對比曲線

從上圖中可以看出，檢驗機動與非校驗機動區(qū)別在于：校驗機動移動俯仰操縱器件相對比較緩慢且機動過程中增加了一個回舵的過程。由于俯仰操縱器件移動相對比較緩慢，控制律為滿足飛行品質的要求及CS25.331(c)(2)條款規(guī)定的正限制過載系數要求，考慮控制律后升降舵舵面偏轉速率有所增加；其次由于控制律設計中有舵面超調的現象，導致最大升降舵舵偏偏度也有所增加，最后導致飛機響應及平尾載荷有所增加。

4 結論

1)考慮控制律后，飛機舵面偏度變化較大，進而導致整個機動過程中飛機響應以及最后的機動載荷變化較大；

2)對于急劇移動操作器件的非校驗機動，考慮控制律后飛機的響應有所緩減，最后導致機動載荷有所降低；

3)對于相對緩慢移動操作器件的校驗機動，考慮控制律后飛機的響應更為劇烈，最后導致機動載荷有所增加。