军用中型涡桨运输机高温高原性能设计的分析

夏明　朱文兰

[摘    要]文章介绍军用中型涡桨运输机高温高原性能的主要设计思路，并从高原典型机场运力的优化设计、动力装置与飞机气动外形一体化设计、起飞襟翼状态的优化设计、高原轮胎与刹车装置的设计等方面入手，阐述飞机高温高原性能优化设计的主要方案内容，并结合试飞试验确定相应优化方案的实效性。

[关键词]涡桨运输机;高温高原场景;性能设计

[中图分类号]V271.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]This article introduces the main design ideas for high-temperature plateau performance of military medium-sized turboprops， from the optimization design of the typical plateau airport capacity， the integrated design of the power plant and the aircraft aerodynamic shape， the optimization design of the take-off flap state， the plateau tires and Starting with the design of the brake device， the main program content of the optimization design of the aircraft's high temperature plateau performance is explained， and the actual effect of the corresponding optimization program is determined in combination with the flight test.

[Keywords]turboprop;high temperature plateau scene;performance design

中型涡桨运输机在运输物资方面发挥着重要作用，在军用物资运输领域得到广泛应用，为了促使其更加适应高温高原运输场景，需要落实对飞机性能的优化设计。

1 军用中型涡桨运输机高温高原性能的主要设计思路分析

在展开对军用中型涡桨运输机的高温高原性能的优化设计过程中，着重依托对高温高原机场环境典型特征的分析，确定中型涡桨运输机的飞行性能与气动特性、动力性能、起飞重量之間的关联性，并以此为依据形成优化设计方案。中型涡桨运输机飞行性能主要包括：飞机的起降扬长、爬升率、航程、速度-高度范围等。对于高温高原机场环境来说，其海拔相对较高，所以存在着气压偏低、辐射热高、空气密度小等特点，在这样的环境条件下，中型涡桨运输机发动机在实际运行中所发挥出的真实性能水平偏低，发动机动力下降，难以满足军用中型涡桨运输机实际的运输能力以及航程航时的要求。

换言之，在典型高温高原环境条件下，中型涡桨运输机的性能面临着更大考验，必须要优化设计相应场景下的中型涡桨运输机性能参数，包括运输能力、起降性能、爬升性能等，同时还要对起落架轮胎系统、动力装置等进行改进设计，以提高军用中型涡桨运输机高温高原性能。实践中，在展开对军用中型涡桨运输机起飞与降落性能的优化设计中，需要着重考量高原机场环境下对于飞机起飞、降落限制重量的要求。其中，飞机的起飞限制重量主要受海拔高度、场温、气压、发动机性能等的影响。在展开对军用中型涡桨运输机爬升性能的优化设计中，需要着重考量升限与爬升梯度，对飞机越障能力以及起飞限重进行优化设计，以提高飞机的爬升性能。通常情况下，军用中型涡桨运输机在起飞阶段的最小爬升梯度需要满足以下参数要求：在第一阶段，爬升梯度满足0.5%;在第二阶段，爬升梯度满足3%;在第三阶段，爬升梯度满足1.7%[1]。

另外，受到高温高原机场特殊环境条件的影响，在开展军用中型涡桨运输机的性能优化设计中还要同时引入对飞机刹车效率的优化提高，以此保证军用中型涡桨运输机的降落过程始终保证在正常、安全水平。

2 军用中型涡桨运输机高温高原性能具体设计方案

2.1 高温高原典型机场运力优化设计

就国内现有的中型运输机来看，其在高温高原环境中普遍难以发挥出较为理想的性能，即高温高原性能相对较差。这种性能低主要集中在以下几方面：在高温高原环境条件下，中型运输机的起飞限重呈现出较低水平，载货容量不理想，且续航能力也有待进一步优化，综合而言，其作为运输机的基本作用并没有得到最大程度的发挥，因此展开高温高原典型机场运力的优化设计是必然选择。

通过分析我国高温高原地区的机场与航线要求，并切实参考中型运输机在高温高原环境下的能力短板进行优化，在提升中型运输机发动机最大功率的基础上，增加高温高原机场环境下中型运输机的起飞限重，以实现对军用中型涡桨运输机作战半径的提高。在高温条件下，中型涡桨运输机中的发动机会表现出明显的功率衰减情况，参考临界发动机停车的实际情况，对中型涡桨运输机发动机的功率提升展开研究，保证发动机运行切实满足高温高原运力需求，并实现对中型涡桨运输机发动机潜能的最大程度开发，促使军用中型涡桨运输机在典型高温高原机场环境下的起飞限重呈现出明显上升的趋势。依托这种运力提升设计在军用涡桨中型运输机开发制造中的应用，在航程一定的条件下，可以促使军用中型涡桨运输机的载货量增加;在载货量一定的条件下，可以促使军用中型涡桨运输机的航程增加。

2.2 动力装置与飞机气动外形一体化设计

在典型的高温高原机场场景中，中型涡桨运输机所面对的最明显问题为飞机动力、起降性能相对较弱，动力装置与中型涡桨运输机的匹配程度直接影响飞机性能的发挥，情况严重时甚至会导致中型涡桨运输机性能的严重损失。同时，螺旋桨结构与发动机结构之间的匹配程度也会对军用中型涡桨运输机的动力特性造成影响，基于这样的情况，需要在展开军用中型涡桨运输机高温高原性能设计时，引入动力装置与飞机气动外形一体化设计内容。

在此过程中，对中型涡桨运输机进入藏区（高原场景）后实际高温高原的性能需求进行分析，结合总体设计方案，完成对中型涡桨运输机的发动机功率、螺旋桨效率、耗油率等参数的确定，同时设置合理的发动机加速/减速性能指标、发动机性能包线，具体包括：运输机发动机的当量功率耗油率、螺旋桨效率、发动机的减速性、起飞最大当量功率、高温高原环境下的最大当量功率、发动机使用包线、地面场景下运输机由慢车到起飞状态的时间长度、在空中场景下运输机由空中慢车到起飞状态的时间长度[2]。

在此基础上，结合对中型涡桨运输机尾容量的优化设计，促使飞机的方向舵面积、垂尾面积、尾力臂增大，以此实现对横航向稳定性以及方向舵实际运行效率的提升，体现出对最小操纵速度、横航向稳定匹配特性、起飞着陆抗侧风能力以及螺旋桨法向匹配要求的切实需求。另外，依托对副翼极限偏转角度的增大，达到提升副翼实际运行效率的效果，由此完成在动力提升条件下，解决中型涡桨运输机方向舵效率以及副翼效率偏低、航向稳定性不理想等问题。

2.3 起飞襟翼状态的优化设计

展开对军用中型涡桨运输机的高温高原性能优化设计的过程中，需要从飞行性能以及安全性能这两方面入手，解决中型涡桨运输机典型高温高原机场环境条件下起飞爬升梯度不理想的问题。为了实现这一目标，应当展开对军用中型涡桨运输机起飞襟翼状态的优化设计，到达进一步完善、更新军用中型涡桨运输机起飞使用程序以及特征速度的效果。

实践中，对差异性襟翼条件下的气动力以及中型涡桨运输机的起飞安全水平展开综合性分析，着重明确襟翼偏度对起飞、起飞-爬升性能的影响情况与敏感程度，由此确定出中型涡桨运输机起飞的襟翼构型最优设计方案，实现对军用中型涡桨运输机离地速度的提升。结合对操作程序的优化调整，促使单发停车条件下中型涡桨运输机的安全起飞余量呈现出增大的趋势，并同时使得飞机的爬梯速度至少提升0.5%，推动典型高温高原场景下军用中型涡桨运输机的起飞爬升梯度、限重以及起飞越障能力有所增大。总体而言，依据优化飞机的升阻比、最大升力系数、起飞扬长以及离地速度，可以构建中型涡桨运输机襟翼构型的最优化模型，以此达到提高典型高温高原机场条件下军用中型涡桨运输机限重的效果。

2.4 高原轮胎与刹车装置的优化设计

在典型高温高原机场条件下，军用中型涡桨运输机在起飞与降落（着陆）的过程中所产生的真空速度远远高于平原条件下的起降真空速度，因此在展开军用中型涡桨运输机的高温高原性能优化设计的过程中，就需要引入对高原轮胎与刹车装置的设置。在此过程中，需要切实参考中型渦桨运输机在起飞以及降落过程中可能出现的接地速度、离地速度、最大刹车速度，形成高原轮胎与刹车装置的设计指标，并保证这样的设计可以满足典型高温高原场景下军用中型涡桨运输机在起飞与降落的过程中所产生的真空速度更大的现实需求。实践中，需要落实优化设计的指标如下：运输机的刹车摩擦系数、轮胎及起降架的最大速度、降落过程中的刹车速度、中止起飞过程中的刹车速度、正常情况下的降落刹车速度、降落过程中的刹车距离[3]。

保持原有中型涡桨运输机起落架的基础性结构不变，加设缓冲结构，并将原有的机轮变更为无内胎的铝合金结构;变更原有钢刹车结构为碳盘刹车结构;加设电子防滑装置。根据这样的优化设计，能够确保中型涡桨运输机的起落装置切实满足最大重量情况下中型涡桨运输机的起飞与降落需求。在典型高温高原场景下，这样的起落装置设置也能够满足军用中型涡桨运输机大吨位起飞实际需求。在这样的优化设计中，由于引入了碳/陶刹车盘以及电子防滑装置，使得中型涡桨运输机的降落滑跑距离大幅缩短，提升了飞机的刹车效率，也达到提高中型涡桨运输机降落性能、中止起飞性能的效果。结合低压无内胎轮胎的配合使用，降低了中型涡桨运输机在实际起飞滑跑中发生轮胎爆破的概率，并将轮胎的额定速度提升至少20%，最终实现对典型高温高原场景下，军用中型涡桨运输机起飞、降落限制重量的上限大幅度提高。

3 性能试验与成效分析

对完成优化设计的军用中型涡桨运输机展开试飞检验，验证其性能是否达到预设标准、整个飞行过程是否安全。试飞与演示飞行活动中，经过优化设计的军用中型涡桨运输机在极具挑战性的高山环境中成功展示了其高温高原性能，其提高了起飞着陆限制重量的上限;缩短了降落滑跑的距离;能够以极低的运营成本在高温高原机场运行，可以成为发展中国支线连通的完美现代解决方案。从其他性能的角度来看，该运输机配备所需导航性能（RNP-AR）0.3/0.3技术，能够提供0.3海里的导航精度，在起飞和着陆阶段提供更精确的导航，高温高原机场运行优势明显[4]。

总体而言，经过优化设计的军用中型涡桨运输机能够在“高温高原”和复杂地形的条件下展现出卓越的多功能性和高温高原性能。

4 结束语

综上所述，在高温高原机场环境下，难以满足对于军用中型涡桨运输机在实际运行中的运输能力以及安全性的要求，必须要进行优化设计。通过落实高原典型机场运力的优化设计、动力装置与飞机气动外形一体化设计、起飞襟翼状态的优化设计、高原轮胎与刹车装置的设计，强化了军用中型涡桨运输机的高温高原性能，提升了飞机在高温高原场景下的运行安全性与功能性。

参考文献

[1] 李纪永，马阳，徐锐，等.某微型涡桨发动机动力涡轮叶片断裂失效分析[J].质量与可靠性，2020（6）：23-28.

[2] 王利敏，张彦军.滑流对涡桨飞机进气道气动性能影响的研究[J].航空工程进展，2020，11（3）：360-369.

[3] 王利敏，张彦军，米百刚，等.涡桨飞机发动机进气道排除异物特性数值研究[J].航空工程进展，2020，11（2）：264-271，278.

[4] 田乐，张韩涛.某型涡桨发动机起动转速悬挂故障分析[J].山东工业技术，2018（15）：31.