下降风对低空飞行的影响

下降风对低空飞行的影响

张强 ,王志彬

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摘要：当前阶段，低空域范围正逐步被打开，重要性也被提升至国家战略层面上，开展低空飞行安全保障体系研究就是一个非常重要方向。因此，本报告以降低风力对飞机低空飞行所造成的危害为主要研究目标，首先进行二自由度航迹过程与能量状态的解析分析和研究，首先分析了降低风力对低空飞行所带来的负面影响，并探讨了航空器所能抵御的最强降低风力，进而利用模拟计算研究航空器在降低风场时的飞行特性，并比较总结了理论分析方法和模拟计算的方法。

关键词：低空飞行；下降风；航空

大气运动对航空器行驶轨道和飞机姿态都有很大的干扰源。在上述影响原因中，对航空器行驶产生较大影响的主要原因是下降风速的影响，尤其是在客机低空飞行过程中，由于长时间受较大幅度下降风速的影响会使客机的飞行轨道出现剧烈下降，而一旦驾驶员不能准确控制，则由于客机下降速度的增大，驾驶员很难及时将客机校正至规定的高度行驶，严重者甚至还会出现客机碰撞地面的事件，反之遇到强烈下降阵风的影响时，又会使客机出现短周期反应，而一旦驾驶员过度操作，则很可能会使客机的迎角达到正常使用要求，而导致飞机失速[1]。考虑了降风对飞机的低空飞行时所带来的干扰，通过在理论上探讨了二自由度航迹运行原理和空气动力状况，以及研究降风对某型机在低空飞行时可能造成的干扰，在研究出了滚槽机所能抗拒的最大降风范围，并进行模拟计算后，较全面的改进了计算，进而提高了滚槽机在极低风区环境下的飞行稳定性。

1采用能量分析法对飞机抗下降风进行估算

下降风是指飞行器在空中动能损失的增加，是指飞行器能力的下降，要让飞机保持正常飞行的高度和速度，也就是能力不变化，就必须增加发动机拉力成为飞行器的主要输送能源，而发动机拉力的多少也和飞行器抵抗下降风影响的能力有很直接的关联，当发动机工作到最大牵引力F处，飞行器就会在下降风影响下保持等速水平航行状态，而这种下降风力也正是在飞机速度VK处所能抵御的最强下降风力。下面用能量分析的方法来估计抗下降风的作用，在没有下降风情况下，突风引起的迎角等于零，设该时刻飞机维持等速直线平飞所受拉力f；在有下降风情况下发动机所受拉力最大，在同一转速下维持直线平飞所受到的突风迎角是由于飞机所能抗拒的最大下降风引起的。而根据飞机在不同风速下对其所需功率的要求可知，飞机的最小推力也就是发动机的最大功率应该小于或接近于该最低安全升力系数对应的空气阻力值。据此可得，当引擎在最大拉力状态下（VK）行驶时，仍能抵御较大下滑风，这一类似的计算方式也符合了航空爬升高度解析计算方法。也是指飞行器所能接受的最高下降风，近似于将引擎残余应力与飞行器重力之比乘以飞行速度[2]。

假定机重为100000kg，在无下降风的前提下，将机速保持在420km/h，则需要发动机拉力4200公斤；如果机速为420km/h，则发动机拉力为最大10200kg，那么如果机速420km/h，飞机维持等速平飞所能抵御的下降风速为最大值7m/s。

2飞机在下降风场入飞的模拟计算结果

2.1建立计算模型

采用仿真计算的方法，研究了飞机在下降风条件下的动力学响应特性。根据某型飞机动力学及飞行控制系统设计，建立了其在不同风速下的数学模型，并采用Simulink软件对该飞机在典型风载条件下的运动状态进行了数值模拟。仿真设计模块的主要框架由机体六自由度全量微分方程模组，驱动力和扭矩测量模组，控制仪模组和下降风模板等构成的。

（1）六自由度全微分方程模组，包含了动力学方程式，体育学方程组，负荷因数方程式和燃油消耗方程，共同构成了六自由度微分方程组。（2）力与力矩计算模块，用来运算航空器所受气力量及发动机牵引力特点。（3）航空控制器功能，模拟航空器在降落的情况下的运行原理。主要是根据升力系数、阻力系数、偏航角以及航向角来控制飞机沿给定航线方向运行并改变其速度和加速度值，从而实现预期的目标。（4）下降风模块，模拟下降风的运动特性。在进行仿真计算时，选择了阶跃型的离散突风模型。

2.2仿真计算分析

假设飞机重量为100000kg、飞行高度60m、最大飞行速度为420km/h，可以计算7m/s在降风作用下飞行器的动态响应特性。在实际计算时，采用了加装控制器的升降舵，油门联合操纵的模式。可得，在下风时，通过合理舵面和适当油门控制时，对飞机转速，高度响应都很好，可以达到高转速和高的性能，而飞机所能抵御的最大下风速则可达7m/s以上，这和能量分析法结论一致。

3讨论

用解析法进行运算时结果较简单，但计算精度可达到工程应用需要且在气动数值残缺时，还可估计出飞行器对抗地面最大下降风速的能力，能对飞机部分参数稳态响应结果和发展趋势都做出了预测。

从工程应用经验来看，仿真计算可以获得较完备的成果，但是不易获得解析上的理论支撑，工程应用时易被其他设计师及飞行员所怀疑；解析法与此相反。而采用数值方法求解是比较精确的。通过对比发现，两种算法都能较好地描述空中降落伞系统作用下飞机周围流场特性及其运动规律。所以在分析下降风作用于低空飞行时，宜将解析法与仿真计算相结合，以符合实际情况为宜

[3]。

下降风只能在突风攻角后才考虑到飞机的所受作用力和功率，而飞机所受动力状况则可以归结为空气势能与动力转换的交替变化，发电机输入功率和空气动力消耗功率；下降风对能量的作用主要属于动力损失方面，若不能控制，则飞机轨迹就会不断下沉，因此降低风力越大，动力损失也大，飞机高度的下降也就大，这对低空飞行也是十分不利的；虽然飞机受到了降低风力长时间的作用，可以保持原来的时速和高度，但飞机在航行过程中，当驾驶员对舵面操作时，要保持原飞机状态，改变飞机轨迹，同时发动机也在行驶过程中要增加前进气阀拉力，发动机在飞行时，应将此部分能量损耗抵消。

参考文献：

[1]一种精密进近航段障碍物评估系统的设计与实现[J]. 曹忠科.  中国民航飞行学院学报. 2020(02)

[2]基于分支定界法的机场终端区单一进离场程序设计优化[J]. 周隽，王天淇.  计算机科学. 2020(S1)

[3]大型障碍物影响下航向信标敏感区的划设[J]. 倪育德，于颖丽，刘瑞华，秦哲，王凯.  系统工程与电子技术.