固定翼飞机的飞行品质分析

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固定翼飞机的飞行品质分析张津赦朝阳市第一高级中学摘要：总结国内外固定翼飞机的研宄情况，以F16为研宄对象建立飞行动力学模型，对样例机进行配平，所得结果定性上合理。基于MTL-F-8785C进行飞行品质分析,结果表明该机型在算例范围内飞行品质很好，纵向长周期飞行品质都为1级，横向荷兰滚飞行品质都为2级，但随着速度的增大稳定性减弱。关键词：飞行动力学;配平;飞行品质;稳定性;0引言固定翼飞机速度快、机动性高、安全舒适，在民用、商用、农用、军用领域应用广泛，其'ts行品质越来越受到各国航空公司、航空技术人员、及军事人员的重视。固定翼飞机飞行品质的研宄，对于飞机安全性能的提升、飞行各阶段飞行任务的完成具有重要的衡量作用111。高金源等阐述了飞机的飞行品质及其评价准则与评估技术，以及人机闭环特性、起飞着陆、大迎角飞行特性及品质评价m。张雅妮等对电子飞控飞机的飞行品质适航验证进行了研宄位1。以F16为研宄对象进行飞机建模，根据美国的MIL-F-8785C品质规范对所研究的对象进行分析。1模型1.1全量方程组见式（1） upm（；•gsinO+vi，qF-+gcos0sin3-ubripFcom(;Z,inG—+gcosOsinO-vbp^ubqPL此r「I山qa+4/)/，+/、々/，/>)/L：蠹q/=(Kj)，汁/，/+/』人抑2)//”,••7*尸(N/,+7/P「1”PWa+A-V?hq「1曲/L華(p=pj^qpSin(ptan3+ri£oscptemO90-qf£os(p-rhsin(p9if/=qisincpsecd+jycos(psecO其中，Up,vF,Wr,pf.,q,:，r,.•分别为飞机机体3个方向的速度、角速度，（I），0,巾分别为滚转角、俯仰角、偏航角，XF，YF，厶，U,W,NF分别为飞机3个方向 的气动力、气动力矩，In,In,lzz为飞机的转动惯量，lxz为飞机惯性积1.2状态方程1.2.1纵向状态方程 横纵向状态方程形式都为V=4y+Bu，其中，y为扰动状态变量，u为控制量，纵向状态变量yion=[AuP，Aw,:，AqP,AO],纵向控制变量u1（＞n=[ST,Se],因此纵向状态方程中的状态矩阵A,和控制矩阵BlQn分别表示为式（2）、式（3）。Xu/m(；i『0m(;-gcosO{}丄JmCl+Z1O-gsin3(^os(p{)M(/IyyMu/Iyy00010X81/mGX8/mGZ81/mG媽/1”其中，此为飞机质量，ST为油门开度，L为升降舵操纵量。1.2.2横向状态方程横向状态变量yi«t=[AvP，App,△!＞，A0],控制变量ulat=[sa,Sr],因此横向状态方程中的状态矩阵Alat和控制矩阵Blat分别表示为式（4）、式（5）。 Y/m^Woy/m(ru0iL,/ixx+i(^yizz0/"4+/累IL/1^I^/L“L/UWl:1cos(p{)tan8y&m(；iA》//:0114/人人爲/Azp%/,22()其屮，5,，为副翼操纵量，SR为方向舵操纵量;下标为零的都表示平衡位置的量。2飞机配平本文研宄的配平条件为:定直平飞，速度v为190m/s，高度h为10000m，从纵向来看，各状态量除了V，迎角a和俯仰角0以外都是0,得配平方程式⑹。 含成（。，5„）爲以）-111205仙《■^-pv2SCz（a,/3,5„）+111205cosot二0其中，为平均气动弦长，X:K:为气动焦点位置，x(:g为重心位置。求得的配平结果为：a=6.3996,6=-0.54961,5t=0.42586<>为了更形象的表示这些量的变化情况，给出3个量随着速度增加的配平曲线(图1)。由图1(a)可以看出，迎角随着速度的増大而减小，图1(b)表明升降舵随着速度的增大而增大，图1(c)表明油门随着速度的增大而减小。3品质分析3.1特征根的求解首先求出纵向的状态矩阵和控制矩阵: -0.00296110.039959-0.057824-0.385681⑻—0.0011844一0.010077I^/on=01.952300000.025401-0.13906-0.0945730-21.91(183.5-0.611从而可以求出纵向特征根为:-0.49607±1.3628Z-0.0040178±0.069308Z两对都为共轭特征根，而且实数部分都为负,周期模态，第二对为长周期模态。所以纵向模态稳定，第一对为短同理，求出横航向特征根为: -0.2576±2.6983i-1.2411-0.0064207同样，从实数部分可以看出，横航向模态稳定，第一个特征根表示荷兰滚模态，第二个表示滚转模态，第三个表示螺旋模态。3.2飞行品质分析参照有人驾驶飞机飞行品质标准MIL-8-8785C分析F16战斗机的飞行品质。按照对飞行品质要求，木文对5个工况下纵向长周期模态进行分析得到飞行品质评级如图2所示。由图2可知，随着前飞速度的增加，阻尼比减小、自振频率增人,飞行品质均为2级。参考对纵向长周期模态的分析，对5个工况不荷兰滚模态进行分析得到飞行品质评级（图2）。4结论首先建立飞机的动力学模型和品质分析模型，然后建立稳定性分析模型，得到解耦的横纵向状态矩阵和特征根。最后评价飞机的飞行品质。希望本文的研宂能为后续的研宄积累一些经验，尽快使我国能够脱离欧美的标准体系，研宄出适合我国的飞行品质标准。 180190200210220a)迎角配平一2一4118019()200210220b)升降舵配平r/(m/s) F16纵向长周期飞行品质和横向荷兰滚飞行A飞行速度(m/s)特征根(入)阻尼比(^)飞行180-0.0042±O.O73OI0.0575190-0.0040±0.0693i0.0576200-0.0039±0.0659；0.0591210-0.0038±0.0629J0.0603220-0.0032±0.059110.0541F16战斗机横向荷兰滚Ml品质防速度(m/s)特征根(X)0)n(0n180-0.2615±2.6349i0.0990.2622.648190-0.2576±2.6983i0.0950.2582.711200-0.2538±2.7701i0.0910.2542.782210-0.2505土2.848810.0880.2512.859220-0.2509土2.927910.0850.2502.939图2F16战斗机飞行品质下载原图参考文献[1]盛蔚，刘志彬，向建徳.无人机短周期飞行品质评估与在线优化方法[J].计算机仿真,2017,34(1):79-83.[2]高金源,李陆豫，冯亚昌.飞机飞行品质[M].北京:国防工业出版社,2003. [1]张雅妮，李岩，金镭.电子飞控飞机的飞行品质适航验证[J].飞行力学，2012(2):117-120.