平尾积冰对飞机纵向气动参数的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaJuI．252013V01．34No．71563-1571ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu，CFIhkxb@buaa．edu．cn平尾积冰对飞机纵向气动参数的影响徐忠达，苏媛，曹义华*北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：建立飞机纵向动力学模型，基于最大似然参数估计原理，设计用于辨识飞机纵向气动参数的辨识系统，并对辨识系统的正确性和精确度进行了验证。以DHC-6飞机飞行试验

2、数据为依据，对未积冰飞机和两种平尾积冰冰型的飞机进行纵向气动参数辨识，通过对比3种情况下飞机纵向气动参数的辨识结果，定量分析了平尾积冰对飞机纵向气动参数的影响。结果表明：平尾积冰将导致飞机纵向气动特性恶化，俯仰阻尼可减小15％，升降舵效率可降低20％，对飞行稳定性、操纵性以及飞行安全构成一定的威胁。关键词：飞机；平尾积冰；最大似然估计；气动参数；参数辨识中图分类号：V211．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1563—09飞机平尾积冰是飞机在遭遇积冰气象条件时平尾表面聚积冰层的现象。积冰改变了平

3、尾的气动外形，平尾气动特性恶化，影响飞机的纵向操纵性和稳定性，严重时甚至发生平尾失速，直接导致飞行事故。据美国联邦航空管理局(FAA)和美国国家航空航天局(NASA)统计，在1976—1994年之间，有至少16起与平尾积冰有关的飞行事故，并导致了139人死亡[1]。飞机平尾积冰领域的多数研究是从空气动力学角度出发，包括飞行试验分析[2。31和典型翼型积冰风洞实验[43；近期比较系统的研究是1994年NASA和FAA联合开展的为期4年的平尾积冰研究项目(TIP)[5]，该项目以DHC一6飞机为试验机型，包括平尾的风洞试验研究

4、[6。71以及飞行试验研究[8]，为平尾积冰研究提供了大量的试验数据；作为该项目研究的一部分，Hiltner[13在试验数据的基础上，定量研究了平尾积冰对DHC一6飞机飞行力学特性的影响并进行了仿真。近30年来，参数辨识方法在平尾积冰研究领域的应用已经逐渐展开。Ratvasky和RanaudoL9J依据未积冰飞机和模拟积冰型飞机的飞行数据，研究了积冰对DHC-6飞机稳定性及操纵导数的影响，一种改进的逐步回归算法被用于辨识飞机的俯仰和偏航导数。文献1-10-I基于DHC-6飞机飞行试验数据，分别应用NASA的SWREll]和

5、OFFl2^[12]软件包，对干净飞机以及平尾积冰冰型为“FailedBoot”的飞机进行了纵向气动参数辨识，并通过辨识结果分析了平尾积冰对飞机飞行的影响。近10年来，国内在飞机积冰领域的研究也逐渐展开，并取得了很多进展。在积冰冰型计算方面，文献[13]基于液／固相变的理论，较好地预测了飞机结冰过程中液／固相区的温度分布、冰层生长速率及冰型特征；文献[143提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型，并对飞机结冰外形进行了三维数值模拟。在积冰对飞机飞行收稿日期：2012-08-31；退修日期：2012—09—23；录用

6、日期：2012-10·10；网络出版时间：2012—10-1221：09网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20121012．2109．001．htmI基金项目：航空科学基金(2009ZA51007)*通讯作者．Tel．：010-82339537E-mail：yihuacaobu@126．com弱用格武

7、XuZD，SuYtCaoYH．Effectsoftailplaneicingonaircraftlongitudinalaerodynamicparameters．ActaA

8、eronauticaetAstronauti-caSinica，2013，34(7)：1563．1571．徐，孽送，茄发，矽义华．平尾积甸七对飞祝别廊气动参兹的影睁．肪空学援，2013，34(7)；，563．{57{．航空学报Ju

9、．252013VoI．34No．7动力学特性的影响方面，文献[15]采用一种计算飞机结冰后气动系数和气动导数的工程方法，建立了结冰后飞机飞行动力学模型，计算了结冰前后飞机的飞行包线，并对结冰前后飞机的纵向、横侧动稳定性以及升降舵、副翼和方向舵阶跃操纵响应进行了仿真计算；文献[16]提出了一种根据

10、气象条件、飞机特征和飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法，研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响；文献E17]提出了一种通过在线计算结冰失速迎角来建立开环状态下飞机包线保护系统的方法，并进行了飞机开环仿真分析。本文根据平尾积冰研究的实际需要，建立了飞机纵向动力学模型；基于最大似然估计方