飞机升降舵非指令偏转对飞行安全的影响分析

武虎子，唐长红，李伟，耿建中

（中航工业西安飞机设计研究所总体气动所，陕西西安 710089）

引言

从飞机诞生之日起，飞行安全性问题一直伴随至今，它直接关系到飞机的任务完成率、使用寿命以及飞机的作战效能。从飞行事故查找飞机的安全隐患，大致可分为如下几种情况:飞机的本体安全，如飞机的强度、刚度不足以及结构破损等造成的飞行安全隐患；飞机系统安全，如飞机的液压系统、燃油系统、防火系统、航电系统、起落架系统以及飞控系统等由于出现异常或不工作而导致的飞行安全隐患；飞机的设备安全，如飞机液压系统中的管子断裂或变形、航电系统中的供电设备出现故障造成的飞行安全隐患；飞机的操纵安全，操纵安全主要由驾驶员误操纵、操纵不当或操纵面故障［1］等原因造成；由于天气因素造成的飞行安全隐患，如高空的大气紊流、低空的风切变、降雨、结冰等天气因素带来的飞行安全隐患。

面对如此之多的安全隐患，飞机设计者和科技工作者需要一一去研究，并提出相应的对策来保证飞机的飞行安全。目前，国内许多学者在飞机飞行安全方面进行了深入的研究［2-3］，但在飞机操纵安全方面国内研究甚少。为此，本文研究了升降舵非指令偏转对飞机飞行安全的影响。

1 仿真流程

在建立飞机六自由度数学模型、飞机的气动模型［4］、国际标准大气模型和发动机动力模型［5］的基础上，为了更清晰直观地了解仿真过程的原理以及信息的传递过程，图1给出了仿真流程的简化关系。

2 仿真条件

基于上节建立的仿真模型，本文主要对某型飞机升降舵非指令偏转（急偏）时，纵向飞行参数随时间的响应过程进行了仿真分析。急偏幅度为满偏，在仿真中分为向上满偏和向下满偏两种情况，并规定向上偏转为负偏，向下偏转为正偏。

由于在仿真中主要看纵向飞行参数的变化，所以在建立的六自由度仿真模型中可以使横航向的参数和气动数据置0。六自由度仿真的前提条件是在每种状态配平下进行的，在进行仿真前，必须对每种状态进行配平计算，得出初始配平迎角、配平平尾偏角和需用推力等参数，然后把这些参数作为仿真的初始参数。

飞行仿真的各种状态及对应条件如表1所示。表中，VT为校正空速；δe为升降舵急偏偏角；n为升降舵的个数；H为飞行高度。

表1 状态条件

3 仿真分析

当飞机总体参数确定后，飞行参数随时间的变化主要与升降舵的输入信号以及升降舵的个数有关，本文用阶跃输入信号来模拟升降舵的急偏。图2给出了升降舵向上、向下两种急偏形式的信号曲线。

图2 升降舵阶跃输入信号

对表1中的12种状态进行仿真，图3～图5分别给出了迎角、法向过载和飞行高度随时间变化的响应曲线。

从图3中可以看出:单块升降舵正向急偏时，速度越大，迎角在短时间内减小得越快，这说明越在大速度时迎角响应时间越短；同时，高速飞行时，迎角减小会出现负迎角，这从图中急剧减小段（近似线性段）也可以看出。总之，迎角总体变化趋势为先急剧减小，后缓慢增大，最后又缓慢减小。

从图4中可以看出:法向过载随速度的增大其变化量也越大，其中在高速飞行时0.75 s内法向过载最大变化量为0.88，随后过载变化处于缓慢变化过程，在低速时虽然有所变化，但是影响不大；单块升降舵负向急偏时，迎角的变化趋势与升降舵正向急偏时的变化趋势相反，只是在增大的幅度上不同，其中在低速段，迎角在2.4 s分别达到了16.5°和16.0°，如果再考虑到突风的影响，对飞行安全将会造成很大的威胁；法向过载在低空低速时变化很小，不会对飞机造成很大影响，而在高空高速时，法向过载在0.75 s内线性急剧增大到－1.9，对飞行安全将会带来非常大的隐患。

从图5中可以看出:飞行高度在低空低速短时间内基本不变，随后高度急剧减小；在高空高速时，短时间内飞行高度也基本保持不变，随后不断掉高度；飞行高度的变化趋势和升降舵正向急偏时高度的变化趋势相反。

图3 单块升降舵急偏时迎角响应曲线

图4 单块升降舵急偏时法向过载响应曲线

图5 单块升降舵急偏时高度响应曲线

图6～图8中分别给出了两块升降舵急偏时迎角、法向过载和飞行高度随时间的响应曲线。

图6 两块升降舵急偏时迎角响应曲线

图7 两块升降舵急偏时法向过载响应曲线

图8 两块升降舵急偏时高度响应曲线

从图中可以看出:其参数的变化规律与图3～图5中的参数变化规律基本一致；不同之处在于舵正偏时的迎角在低空低速时也出现负迎角；高空高速时的法向过载在1.5 s内线性急剧增大到－1.8，已超过飞机的使用过载，给飞行造成灾难性后果，掉高度的程度整体变得更为严重；舵负偏时，低空低速时的迎角在2 s内均已超过失速迎角，危险性增大。

有了上面的分析结果，现在对危险等级加以确定:

（1）飞机的危险等级是在完整的飞行过程中确定的，也就是说，只要在失效状态下妨碍飞机安全飞行和安全着陆，都可定义为灾难的；

（2）极大地影响飞行安全、降低飞机本身的能力，可定义为危险的；

（3）明显降低飞机本身的能力、影响飞行安全，可定义为较大的；

（4）对飞行安全有轻微（不明显）影响的，可定义为轻微的。

所以，可以得出如下几条定性结论:单块升降舵正向急偏时，危险等级是较大的；单块升降舵负向急偏时，危险等级是灾难的；两块升降舵正向急偏时，危险等级是灾难的；两块升降舵负向急偏时，危险等级是灾难的。

4 结束语

本文研究了升降舵急偏操纵对飞机飞行安全的影响，总结了相应的定性结论，为飞机的设计及相应操纵面设计提供了技术参考和理论指导。随着目前飞行安全隐患的多样性，尽量避免和减少危险性是保证飞机安全飞行的重要途径，所以，需要进一步进行升降舵的不同操纵对飞机安全飞行影响程度的专题研究。

［1］刘小雄，邱岳恒，刘世民，等.操纵面故障对飞行包线的影响研究［J］.飞行力学，2012，30（2）:128-131.

［2］黄成涛，王立新.风雨对飞机飞行安全性的影响［J］.航空学报，2010，31（4）:694-700.

［3］徐浩军，葛志浩，孟捷.应用时间裕度法评估人机系统飞行安全［J］.飞行力学，2007，25（2）:89-92.

［4］高浩.飞机操纵性与稳定性［Z］.西安:中国试飞员学院，1991:88-96.

［5］Brian L S，Frank L L.Aircraft control and simulation［M］.A Wiley-interscience Publication，John Wiley and Sons，1992.