自然风对飞机着陆的影响

蒋康博, 蒙泽海, 叶忱

(1.中国飞行试验研究院 试飞员学院, 陕西 西安 710089;2.中国飞行试验研究院 飞机所, 陕西 西安 710089)

0 引言

在实际飞行时,在目视飞行规则下,飞机在进入着陆航线后,当飞行员按无风条件进行正常的航线飞行时,受大气运动的影响,飞机会逐渐偏离着陆航线;按目视飞行规则,在没有明显地标和地面引导的情况下,这种偏离会随着时间的推移逐步加大,导致下滑道进入点显著偏离理想位置点,造成飞行员在下滑道段需要进行较大的着陆纠偏修正,加大飞行员下滑道阶段的修正操纵负担,严重情况下会影响飞机的正常着陆。

针对在有较大自然风条件下的着陆航线的建立及着陆飞行的特点,本文通过计算分析着陆航线阶段以及下滑段自然风对飞行航迹的影响,确定了在有较大自然风条件下不依赖地标或地面引导准确建立着陆航线以及在下滑道段修正偏流的方法,为飞机的安全着陆提供了理论依据。

1 基本关系式

根据飞机在航迹坐标系下的动力学方程[1],引入假设:sin(α+φp)≈0,cos(α+φp)≈1,sinβsinγ≈0,对方程进行简化后得到:

(1)

在有风的情况下,飞机返场着陆。若以Vw表示风速,V表示飞机相对于大气的速度,则飞机相对于地面的速度可表示为V+Vw。若风速为常值,根据空速的定义,飞机相对地面坐标系的运动方程[1]可表示为:

(2)

式中,Xd,Yd,Zd分别为飞机质心相对于地面坐标的相对位置;Vwx,Vwy,Vwz分别为风速相对于地面坐标系的三个分量。

2 自然风条件下航线飞行分析

2.1 自然风对航线的影响

在进入着陆航线后,若飞机在无风的条件下进行如图1所示的小航线飞行,则可根据航线的宽度,利用飞机的动力学方程R=(mV2)/(Ysinγ)求解出飞机转弯时的坡度[2],从而准确地建立着陆航线。

图1 小着陆航线图Fig.1 Narrow landing pattern

实际飞行中,在有较大自然风的条件下,若飞行员仍根据经验建立转弯坡度和三边,受到自然风的影响,航线则会偏离原理想航线,并且随着时间的推移,航线偏差会逐步增大[3],最终造成飞机显著地偏离理想下滑道进入点。

以某型飞机为例,假设飞机的航线飞行速度及进场速度均为260 km/h,航线宽度为2 km,航线上风速为12 m/s,风向为45°,跑道方向为正北,该速度下着陆构型飞机的升力系数为0.85。若飞机严格按照无风条件进行航线飞行,利用式(2),通过对时间进行积分,可获得在有较大自然风条件下的飞行航迹,如图2所示。

通过计算可以得出,在有较大自然风且没有明显地标可供参照的情况下,若飞行员仍按照无风条件进行航线飞行,在四转弯结束后,飞机偏离纵向理想点超过300 m,横向偏差超过150 m,飞行员在进入下滑道后需要进行较大的高度及水平偏差修正,才能保证飞机准确地进入理想下滑道,完成着陆。

图2 有自然风条件下的着陆航线示意图Fig.2 Landing pattern with natural wind

2.2 航线偏差的修正方法

(3)

式中,ψw为风向;ψpd为下滑道方向。

在进行小着陆航线飞行时,根据航线飞行特点,可将航线分为5个阶段,分别为一边、一二转弯、三边、三四转弯以及下滑道段。在不同的阶段,飞行的航迹受到自然风的影响各不相同。如果飞行员在进行航线飞行时未进行偏流及逆风修正,那么在一边、三边及下滑道段飞行时飞机的航迹角就会偏离跑道方向(见图2),且直线飞行段长度会发生变化,造成航线各参考点偏离理想航线点;在一二及三四转弯时,受到偏流的影响,实际转弯半径会因偏流而发生改变,造成航线宽度变宽或变窄;在整个航线上,在直线段和转弯过程中,随着这些偏差的逐步积累,最终会造成航线显著地偏离理想航线。

为减小自然风对航线飞行的影响,降低在着陆过程中大幅度的偏差修正带来的风险,以机场塔台作为参考点,分别针对航线飞行的不同阶段展开分析,得到航线的飞行方法如下:

(1)在有偏流时,根据速度矢量分析及坐标转换可知,当直线飞行段采用偏航法(也称偏流法,直线飞行时飞机的航向指向偏流方向),即可保证飞机航迹方向与原目标航迹方向重合;在直线段纵向位置修正上,若一边及三边段以过塔台侧方为起点进行计时,假设过塔台计时均为t,则可参考以下计算公式对计时进行调整。

Δt=t-Vt/(V+Vw) (4)

以2.1中假设的飞机参数为条件进行分析,若一边及三边段计时为40 s,通过计算可知,为保证飞机直线段长度,使飞机准确进入理想航线参考位置,逆风每增加1 m/s,航线一边飞行时计时增加约0.5 s,三边飞行计时相应减小约0.5 s。

(2)在进行航线转弯段分析中,采用2.1中假设的飞机参数作为计算条件,利用式(1)和式(2),通过对有偏流情况下的航迹进行分析可知,为保证航线宽度,在进行一二转弯时,下滑道方向左偏流每增加1°,飞机的转弯坡度需减小0.5°;在进行三四转弯时,下滑道方向左偏流每增加1°,飞机的转弯坡度需增加0.5°。

(3)对于常规的矩形航线,二边及四边的航线部分修正方法与上述一边及三边的风场修正计算类似,其余航线阶段修正风场的计算方法与上述修正方法相同。

3 着陆过程的偏流修正

当飞机在有较大偏流情况下进场着陆时,为保证飞行航迹的方向与跑道方向重合,飞行员通常会采用两种典型的驾驶技术进行偏流修正,一种称为偏航法,另一种称为侧滑法[4],两种着陆方式如图3所示。图4为两种着陆方式下飞机的受力平衡图。

图3 两种侧风着陆方式示意图Fig.3 Two crosswind landing modes

图4 两种着陆方式下飞机的受力平衡图Fig.4 Force-balance diagram in the two landing modes

在采用偏航着陆法进场着陆时,飞机进行的是无侧滑飞行,且飞机的纵轴与跑道的中心线夹角为偏流角ψ′,因此偏航法通常也称为偏流法。此时飞机在地轴系上的速度矢量方向与跑道方向重合,而飞机纵轴指向偏流角方向。这种着陆方法也是飞行员常用的着陆偏流修正方法。

在采用该种方式进行偏流修正时,飞机没有侧滑角,即无侧向力。由于纵轴方向与跑道方向不一致,因此要求在主轮或者前轮接地前立即绕其偏航轴作旋转运动,以保证飞机在前轮接地时,滑行方向与跑道方向一致。而在采用侧滑法进场着陆时,飞机纵轴和跑道中心线在一个铅垂面内,飞机以侧滑角β=arcsin(Vw/V)飞行。飞机纵轴方向及航迹在地轴系上的投影方向与着陆跑道一致。由于受到侧风的影响,飞机在不对称流场中运动,因此飞机在下滑过程中存在侧滑角。为了平衡横向和航向稳定性力矩以及使飞机偏离跑道的侧力,飞行员在进行相反方向蹬舵的同时,需将飞机向迎风方向倾斜一个角度γ′,其近似表示为:

在采用侧滑法进行进场着陆时,由于飞机存在滚转角,对于大翼展飞机,迎风侧机翼离地较近,因此接地前需尽快改平飞机,防止该侧机翼擦地。

无论采用偏航法还是侧滑法,在进行大偏流着陆试验前,需在理论上预测使用侧滑法着陆时方向舵的抗侧风能力。根据力的平衡关系,建立力矩平衡关系如下:

Cnββ=Cnδrδr

根据β=arcsin(Vw/V)关系式,可进行飞机抗侧风能力的初步预测。

4 结束语

本文通过建立飞机的动力学方程,针对有较大自然风条件下航线的准确建立展开了探讨,同时介绍了在侧风条件下两种下滑着陆方法。

通过引入算例,分析了在飞机航线建立过程中自然风对航线的影响,针对自然风的影响提出了航线飞行过程中自然风的修正方法。目前经过实际飞行验证已经表明,在有较大自然风条件下,该方法可有效降低航线上的自然风对航线准确性的影响,对实际的航线飞行有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 常振亚,陈启顺,王子方,等.飞机飞行性能计算手册[M].西安:飞行力学杂志社,1987:5-8.

[2] 金长江,范立钦.飞行动力学——飞机飞行性能计算[M].北京:国防工业出版社,1990:83-84.

[3] 张立彬,苏胜昔.关于飞机侧风着陆问题的分析[J].飞行力学,2002,20(4):51-55.

[4] 蒋康博,刘超,袁东.近舰区风场建模与着舰仿真分析[J].飞行力学,2010,28(6):11-15.