運輸機空投時動態響應研究

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摘要：在運輸飛機空投系統試飛時，要進行單件裝備空投，本文根據在空投時貨運的運動特點對飛機在空投過程中的動態響應進行分析，根據分析結果和飛機氣動特性，對飛機在不同空投重量時的動態響應進行了計算，并制定了試飛方案。最后，通過該方案對空投系統進行了成果的驗證，并根據試飛結果對以后開展空投試驗提出了意見建議。

關鍵詞：運輸機；空投；動態響

應運輸飛機空投試飛主要通過空投試驗來進行空投系統及運輸機空投性能的分析和評定，其主要目的是驗證飛機空投系統的功能和性能、空投貨臺系統與飛機的匹配性以及評估飛機空投過程中的操穩特性。在空投過程中，空投物在艙內移動時會引起飛機質心和轉動慣量的變化，尤其是在貨物離機瞬間將使飛機質量、質心及轉動慣量產生較大的階躍變化，這對飛機的安全有嚴重的影響。

1空投時飛機的動態響應分析

空投物在空投過程中對飛機的影響主要包括以下四個方面：第一，空投物的移動會改變飛機的重心位置，使飛機重心后移，從而穩定裕度降低，甚至飛機由穩定變為不穩定。空投開始后，貨物在牽引傘的牽引作用下從靜止開始向后移動，全機重心會隨之后移，隨著貨物與飛機質心距離的逐漸變大，飛機重心與焦點之間的穩定裕度會減小。空投物越重，重心改變越明顯。當重心接近焦點時，會造成全機的中立穩定甚至極不穩定，此時，飛機對于擾動的響應是發散的。第二，空投物在移動過程中，會對飛機產生附加的力與力矩，該附加力和力矩來自貨物本身的重力。當空投物在貨艙內移動時，使得空投物的重心與全機重心之間的距離逐漸增大，它的重力會對飛機質心產生抬頭力矩，且隨著距離的增大而逐漸增大，同時，也會增大飛機的阻力。第三，飛機的慣性特性會發生變化。空投物移動會使飛機的轉動慣量特性和質量特性發生改變，貨物在貨艙內的裝載方式以及空投模式也會對飛機的慣性特性產生影響。對于單軌空投模式而言，由于貨物移動軌道較長，因此，貨物移動過程中使得全機繞y軸的轉動慣量發生改變，貨物移動會對飛機產生俯仰方向的擾動。對于雙軌空投模式而言，貨物移動軌道對稱分布于機身中軸線兩側，因此，會使全機繞x軸和z軸的轉動慣量發生改變，貨物移動會對飛機產生滾轉和偏航方向的擾動。第四，貨物離機瞬間會對飛機產生較大的不利干擾作用。在空投物出艙瞬間，飛機質量、質心、慣量會產生大的階躍變化，飛機運動的小擾動方程中狀態矩陣中的各個動導數均會隨質量發生變化，特征方程的特征根也會發生變化，進而影響飛機的運動模態參數。貨物從出艙口投出的瞬間，會使飛機產生初始的擾動，表現為三個方向的轉動：俯仰效應、滾轉效應和偏航效應。貨物投出的瞬間，飛機尾部質量階躍性減小，對飛機而言，表現為俯仰角速度的擾動；若貨物的投出方向不是垂直向下，則還會對飛機產生初始的滾轉和偏航角速度擾動；此外，對于雙軌空投貨物時，當兩列貨物的投出狀態不一致時，也會使飛機產生滾轉和偏航效應。上述擾動會使飛機的氣動特性發生改變，從而改變飛機的飛行狀態。根據試驗分析，貨物出艙過程中，在到達出艙口之前，隨著貨物的逐漸后移，與飛機質心的距離逐漸變大，飛機重心逐漸后移，飛機會抬頭，俯仰角變大。當貨物到達出艙口并投出時，投出瞬間由于出艙口處質量減小，飛機重心在瞬間回到初始重心，并且會受到一個接近于階躍輸入的低頭力矩，飛機俯仰角減小。貨物投放離機后，飛機各狀態變化逐漸趨于平緩，沒有明顯的振蕩。牽引比越大，貨物移動的加速度越大，貨物在艙內移動的時間越短，對迎角的影響也越小；空投貨物的重量越大，飛機的迎角變化越劇烈，迎角的最大峰值越大；空投速度越大，飛機的迎角和姿態變化越小，迎角的最大峰也越小，飛機的穩定性也就越好；由于空氣密度與高度的變化有關，飛機迎角的最大峰值隨著高度的降低而減小。根據飛機姿態變化來偏轉升降舵時，飛機迎角的最大峰值大大減小，飛機姿態也較理想，在有初始擾動的情況下，作用也十分顯著。

2試驗結果分析

根據試飛結果，在空投過程中，飛機的飛行高度和速度都有少量增加，但變化都不大，高度和速度增加值，俯仰角、迎角和過載變化最大值均在正常范圍內，飛機操控性良好，各項參數與前期計算結果相符。圖1為美國C130運輸機空投時空投物在艙內的運動畫面和出艙畫面。下面以單投試驗為例對單投時飛機的動態響應進行詳細分析。根據理論計算，空投物越重，飛機的動態響應應該越大，在實際試飛時，為了減小大重量時飛機的動態響應，空投物越重，選擇的牽引比越大，引比隨著空投歸一化重量變化趨勢曲線。注：空投時間指從空投物開始移動到空投物完全離開飛機尾大門所用時間。根據圖2，較重的空投重量的牽引比可能會是輕重量的1.5～2倍，圖4、圖5和圖6的試飛測試結果也表明，達到了預期的目的，飛機迎角、俯仰角和法向過載的最大值并不是隨著空投重量的增加而增加，其最大值分別出現在空投重量（歸一化處理）為1K、3K和5K空投時，重量7K空投時飛機迎角、俯仰角和法向過載的最大值未超過重量5K。且隨著空投重量的增加，空投物在艙內的運動時間越長，也就是說，其對飛機的作用時間越長，影響越大，這一點是不利于空投試飛的，下面對影響空投物在艙內的運動時間因素進行分析。根據對空投物在艙內的運動過程分析，其運動時受力主要有牽引傘的牽引力T、重力G、貨艙地板的支撐力N以及與貨艙地板的摩擦力f，受力示意圖如圖3所示。由于空投物與地板的摩擦力遠遠小于其他力，在計算空投物受力時可以忽略摩擦力。以空投物重心（中心）為坐標原點，與地板平行方向為X軸，垂直方向為Y軸，建立坐標系，由于空投物相對飛機的運動只發生在X軸方向，則空投物在標系中X軸上的受力為：（1）式中，θ為空投時飛機貨艙地板與水平面的夾角，不考慮貨艙地板安裝角度時，該夾角就是飛機空投時的俯仰角，λ為牽引比。由于貨艙的長度固定，且空投物對貨艙的初始相對靜止，運動時間就取決于空投物相對飛機的加速度。根據（1）式，加速度大小與飛機空投時的俯仰角和牽引都有關系，而且比成正比，俯仰角越大，運動的時間越短，牽引比越大，運動的時間也越短。所以，為了避免這種情況發生，在進行空投時，在增加牽引比的同時，也要增加飛機的俯仰角。根據理論分析，當空投物從貨艙向后移動時，迎角、俯仰角和法向過載均快速增加，當空投物離機后又迅速減小，而且增加值隨空投重量增大而增加。圖4、圖5和圖6為試飛測試結果，其響應趨勢與前期計算結果完全一樣，但峰值點與計算結果相差較大，并不是空投重量越大，響應越大。在重量5K空投時，法向過載出現最大值和最大波動幅值。在重量3K空投時，俯仰角出現最大值和最大波動幅值。在重量1K空投時，迎角出現最大值和最大波動幅值。它解釋了造成以上原因就是飛行員在空投時進行了蹬舵，由于蹬舵的時機和程度的不同，導致飛機的響應并不是隨著空投重量的增加而增大。這也說明了正確的人工干預對空投響應非常重要，可以大大減小飛機響應。

3結語

以上分析結果表明，飛機在空投時，安全可控、操縱和響應良好，貨物空投雖然飛機重心變化較大，但俯仰角、迎角變和法向過載均在正常范圍內，空投時飛機的動態響應特性正常，滿足使用要求。根據飛機的動態響應，給出以下幾點建議：（1）當空投重量逐步增加時，可以通過加大牽引比、俯仰角和投放速度,這樣不僅可以縮短貨物的離機時間,還可以改善動態過程,從而減小對飛機的不利影響。（2）空投前進行必要的計算，事先掌握貨物移動規律和飛機響應規律，使飛行員更容易進行配平操縱，以減小空投風險。（3）在空投過程中,應采用根據飛機姿態的變化偏轉升降舵的操縱規律。

參考文獻：

[1]歐陽紹修.貨物在貨艙內移動時飛機動態特性的研究[M].陜飛公司飛行力學,1992年3月.

[2]哈爾濱工業大學理論力學教研室[M].理論力學.北京：高等教育出版社.

作者:曹煜國 周偉 史繼斌 單位:中國飛行試驗研究院