某中型涡桨飞机飞行边界设计及验证浅析

    马江 刘宁 刘建平 王卓

    摘 要：针对某中型涡桨飞机，对主要的设计飞行边界进行浅析，并结合验证结果，确定了改进内容，给出了其成果和使用意义。

    关键词：中型涡桨类飞机；飞行边界；改进内容

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.030

    0 引言

    飞机边界是飞机的各种飞行条件和可用范围的边缘区域，也是飞行员需时刻牢记，并在驾驶飞机时必须严格遵守不许超越的“红线”。边界的确定和边界特性的好坏，直接影响到飞机使用范围的大小，是飞机是否好用的重要标志之一。

    飞机边界的确定同飞机的研制过程一样，也经历了从设计到验证，再到改进的螺旋上升过程，反映了总师系统不断完善飞机的艰苦历程，是飞机研制获得的重要成果之一。

    1 某中型涡桨飞机的设计边界

    飞机的边界特性涉及到飞机总体、气动、结构强度、机械系统、操纵系统、航电系统、电气系统等各個专业的规范要求；边界特性的确定往往是对相关专业的边界特性进行综合权衡的结果。

    在某中型涡桨飞机的研制中，根据国军标和使用的相关要求，制定了具有较大安全余量的飞行边界，具体在以下方面：

    （1）速度-高度边界特性。某中型涡桨飞机的低速边界设计（左边界）是以风洞试验获得的升力特性为基础进行的，通过计算获得了飞机的失速速度。

    某中型涡桨飞机飞行包线高速边界（右边界），由载荷强度设计的最大速压限制决定，包括有长时间（平飞）飞行速压限制和短时间（俯冲）飞行速压限制。

    根据气动数据和动力装置的拉力数据，以发动机最大连续推力状态作为爬升最大功率，计算得到的实用升限，作为某中型涡桨飞机飞行包线的高度边界。

    典型的飞行速度—高度边界包线见下图1所示。

    （2）姿态边界特性。在设计阶段，主要考虑了动力装置姿态要求、飞机气动特性和系统设备要求等，明确要求给出的飞机的姿态边界。

    某中型涡桨飞机设计的姿态边界主要有迎角限制、坡度限制、侧滑角限制和起降期间的擦尾角限制等。其中，迎角限制包括失速迎角限制和负迎角限制。

    按照飞机的能力和计算、试验情况，确定了相应的飞行状态的侧滑角限制、坡度限制和起降阶段的擦尾角限制。

    （3）重量重心边界特性。依据飞机气动布局和不同飞行品质要求，确定了飞机的使用重心限制。

    （4）机动边界特性。某中型涡桨飞机的任务剖面大部分都是稳定飞行状态，需要的机动能力应满足机动过载要求。

    （5）其它边界特性。根据某中型涡桨飞机的使用和任务特点，在确保机载系统、设备的功能基础上，飞机实际使用还需明确环境边界特性。某中型涡桨飞机具有较完备的除（防）冰系统，还有先进的气象雷达、通信、盲降、导航以及保证雨天、夜间飞行的设备。

    2 某中型涡桨飞机验证获得的边界

    飞机的飞行边界验证最直观和主要的验证手段是飞行试验，但边界试飞往往是风险科目，伴随着巨大的风险，实施过程中需循序渐进、细致、科学，做好各种预案。某中型涡桨飞机通过试飞和补充试验、分析，完成了载机机动边界、重量重心边界、环境边界、机载系统设备边界特性、姿态边界、机动边界等全部边界试飞。

    （1） 速度-高度边界特性。通过试飞验证后，某中型涡桨飞机的飞行包线整体趋势与设计边界一致，设置合理，既能保证飞行安全，又能充分发挥飞机性能。

    （2） 姿态边界特性。某中型涡桨飞机在风险科目试飞中进行了比较全面的姿态边界特性的验证和拓展。由失速速度/特性试飞得到了失速迎角边界，同时也获得了飞机进入失速的特点和改出失速的方法。

    在风险科目试飞进行前，完成了大量前期准备性的适应性和摸底试飞。验证得到了飞机的最大侧滑角、滚转角，并考核了飞机及各系统在极端条件下的响应和工作情况。

    （3）重量重心边界特性。在设计定型试飞中，验证了最大起飞重量和最大着陆重量均达到了设计值，重量边界特性达到了设计值；在进行失速速度/失速特性摸底的品质试飞中，在使用重心范围内飞行品质满足相关国军标要求，并给出了用户日常使用的最佳重心范围。

    （4）机动边界特性。在风险科目前期摸底试飞中，在近零过载条件下飞机及各机载系统工作正常，在设计定型试飞结构强度检查达到最大机动过载，飞机结构完好，无超过允许的变形，充分验证了机动边界特性达到了设计要求。

    （5）其它边界特性。风险科目试飞期间还进行了夜间飞行，同时对不同环境温度、高度适应性进行了考核。

    3 飞行边界确定的成果和使用意义

    （1）确定了某中型涡桨飞机的使用边界，拓展了部分允许边界，对飞机的能力和特性有了更为深入和充分的认识。

    （2）风险科目试飞的组织和实施，为后续飞机研制积累了宝贵经验。

    （3）风险科目试飞的组织和准备提升了风险控制的方法。

    （4）试飞员探索并掌握了飞机边界条件飞行的驾驶技巧和技术，试飞过程中积累的各种操作处置程序和方法，对使用部队飞行员处理正常程序和边界应急程序具有指导意义。

    参考文献：

    [1]John D.Anderson，Jr.Aircraft Performance and Design[J].1998.

    [2]（苏）в.в.菲利波夫主编，刘兴堂译.涡轮风扇与涡轮螺旋桨运输机空气动力学和飞行动力学[D].中国试飞员学院，1997（08）.

    [3]012基地设计所译.An-12实用空气动力学[M].1977.