飞机失速研究与设计-03
(六)其它因素
以上所述只是针对影响失速的主要因素,事实上影响失速的因素还很多,例如飞行员的状态认知和操作,就是一项很常被检讨的失速因素,还有各种因素常同时发生,如机翼结冰和操作不当的失速,将使得失速特性变得更复杂和难以控制。
一、失速研究的内容与方法:
(一)失速研究的内容
{一}研究高攻角飞行时,飞机产生控制能力丧失或失效,进入失速或深失速状态的空气动力原因,与流场的特性。
{二}研究飞机失速、深失速或螺旋时的判断值,以为预测新机的失速速度之用。
{三}研究气动外形对飞机失速的影响,以为新机设计之用。
{四}研究大气与气候对飞机失速的影响。
{五}研究改善与预估飞机失速的措施。
{六}订定适宜的法规定义失速速度、失速特性、失速的改正要求等,以确保飞航安全。
(二)失速研究的方法
{一}风动试验;
{二}理论计算(CFD: Computational Fluid Dynamics);
{三}模型自由飞行试验;
{四}飞行模拟;
{五}飞行测试与试飞。
试飞是飞机失速的最终也是唯一必要的方法,虽然各国有不同的军用规范和民航法规,但对飞机失速均订定严格的适航标准,要求把失速速度定为飞机的性能基准速度,必须做好周详预测才能进行飞行测试。
失速的试飞:
飞机的设计把安全放在第一位,而良好的高攻角能力和失速、螺旋特性,更是战机是否“空优”的关键能力。民航机由于不可能要求飞机飞行员在超过失速警告的高攻角下进行飞行或失速训练,因此适航标准中要求要有准确的失速速度和良好的失速特性,使得飞机飞行员不需反复训练或使用特殊的技巧,就能从任何无意的失速中安全改正;反观军机为达成其作战任务需求,必须发挥飞机的最大可操控能力:如最大转弯和最大瞬间转弯率,不可避免的必须使飞机进入高攻角的失速区操作,所以飞机在执行设计测评飞试时,申请者和测评单位都十分重视失速速度和失速特性的测试,且把失速速度试飞首先安排,并由测评验证飞行员执行试飞;除了新机型外,飞机外形的改变、更改发动机、采用新的襟翼位置和飞机总重有显著的增加等,均须被要求进行专门的检定失速测试。
一、失速特性的要求:
在军用规范中,定义战机的设计,除了要提供失速前足够的预警和失速时能易于解出外,同时须在高攻角姿态下能充分操控,使战机具有较大的可用攻角和最大升力系数,甚至在进入螺旋能够具有解出能力。飞机的失速特性一般包括水平失速特性、转弯失速、转弯加速失速特性、和临界发动机失效失速等失速特性要求,以民航机为例,美国联邦航空总暑FAA订定的民航法规中,FAR23.201-207和FAR25.201-207中明确规定:
(一)从平飞减速直到飞机失速为止,必须能以副翼和方向舵操纵飞机的滚转和航向,不能有出现反操作,不能有出现异常的机头上仰,而且纵向操纵杆力必须为正,必须能以正常的操作迅速防止失速或从失速改出;
(二)FAR25要求飞机水平失速从失速到改出,飞机滚转不得超过20度;FAR23要求飞机水平失速从失速到改出,必须能使用正常的操纵手段防止大于15度的滚转和偏航;
(三)对飞机的转弯失速,飞机失速后的运动不可激烈或幅度过大,以至于难以正常的操作迅速防止失速;
(四)在转弯失速的条件下,倾侧角在原方向不得超过60度,在反方向不得超过30度;在加速失速条件下,倾侧角在原方向不得超过90度,反方向不得超过60度;
(五)多发动机飞机,必须可以在临界发动机失效失速时,不得出现任何过分的螺旋倾向,而且不需重新启动失效发动机就可改出。
二、失速测试构形要求:
(一)飞机所有的使用构型均须执行检定失速测试;
(二)动力:水平失速、转弯失速测试分为无动力或75%最大连续功率。如果在75%连续功率时的推重比,会导致机头上仰的非预期失速特性,试验可改由下述条件完成:落地外形,平飞所需功率或推力,最大落地重量,1.4Vso的速度,但功率不得少于50%最大连续功率;
(三)重心为最不利的临界重心(通常是后重心和最不对称的位置);
(四)多发动机飞机,必须在临界发动机失效状况;
(五)高度范围必须到最大检定高度,以确定是否存在不利的压缩性影响;
(六)若是可在结冰环境飞航的检定飞机,必须模拟结冰外形。
三、测试仪器需求
飞机失速速度的量测误差,会严重影响未来飞机使用时的效益和安全性,飞机引用的失速速度过大,会导致使用较大的起飞速度和进场落地速度,须要使用较长的起飞和落地滑行距离,或较小的酬载能力,以波音747为例,失速速度增加一节,会使商务载重减少约2.2吨;反之若引用的失速速度过小,将使飞机随时冒着容易进入失速警告和失速的危险状态。因此失速测试如何确保精确和飞行的安全性是非常重要的。为了能准确的测定失速速度,需要准确度高的动静压空速量测系统,以波音公司为例,通常使用拖曳弹(Trailing Bomb)或拖曳锥(Trailing Cone)来校验机上的静压,以低空飞越法(Ground Course)、低空飞越塔法(Tower Fly-By)或雷达法(Radar Method)来校验机上的空速,以便能更精确的量测低速、高攻角姿态下的空速与高度变化。
为了能对试验数据进行实时的监控与分析处理的目的,测试飞机一般都装置了机载数据监控与分析系统,失速速度测试时主要的量测参数如下:
(一)重量与重心位置;
(二)副驾驶空速系统与拖曳锥静压;
(三)副驾驶空速系统与全压;
(四)飞机攻角、侧滑角和大气温度;
(五)震杆器触发信号;
(六)各操纵面位置;
(七)升降舵的行程与杆力;
(八)飞机姿态角;
(九)飞机重心位置的法线方向和轴线方向的动态负载;
(十)驾驶员座椅处的法线方向动态负载;
(一十)起落架位置;
(二十)襟翼位置;
(三十)水平安定面配平位置;
(四十)引擎排气压力比和引擎转速;
(五十)驾驶员判断的失速警告与失速发生的时间。
一架具备适宜的仪电设备和传感器的测试机,是执行失速飞试第一要项,另外至少需配合地面遥测站,如此地面控制室中的工程师们,才可实时利用遥测出来的重要参数,判断当时空中试飞机的安全状态和能力,以便随时的提示试飞员做出反应或处置。基本上,遥测数据须包含飞机的高度、速度、姿态、三轴变化率(俯仰率、滚转率、侧滑率)、航向、操控面位置和引擎的操作情况等,机上的记录器更需详实的记录,包括:座舱内仪表变化、飞行员的输入、重心以及油量。
为了了解在试飞中人机界面的适宜性,座舱内需有全程的录像记录和录音。除了地面监控人员可随时提醒飞行员外,机上尽可能装置灯光和警告音响(如:失速警告、螺旋灯,低速警告,引擎冲激、引擎熄火灯等)以及易辨识和读取的参数,来辅助试飞员的「向极限挑战」。
安全的考虑部分,首先要有一架能与试飞机相匹配的随伴机,它须具备高速能力和良好的低速操控能力,随伴机的主要任务是随时帮助测试机视察空域、观察测试机的运动状态、充当备份的高度观察员和随时注意测试机体外部结构情况,若随伴机是双座机,它的后座即是空中运动摄影员,空中录像记录对试飞后失速问题的解读很有帮助。此外;尚有四项重要的安全考虑,简述如下:
{一}失速或螺旋的解出装置:失控、失速或螺旋的解出装置是必要的,例如;螺旋伞、阻力伞、抗侧滑或抗剧仰火箭,以备飞机进入失控或螺旋时,万一无法解出时使用。当然,这些装置的致动开关均在座舱内,且需由飞行员去致动它,因此,必须考虑使用时,不会因G力作用而使试飞员遥不可及,反之,不用时,绝不可被飞行员误触而造成失控,同时要考虑失控解出后,能适时的释放及脱离解出装置的必要性。
{二}逃生系统的周全考虑。
{三}紧急的动力系:当引擎熄火或电力失效时,可提供紧急的操控液压及电力。
{四}额外的座舱内仪表或灯光警示:例如:侧滑率表、G表、螺旋伞位置表和状态指示灯等。
四、测试方法与程序:
失速飞试具有一定的风险,因此试飞避免在人口稠密区执行,一般选择在水面或开阔地上空进行,此外试飞区须有良好的气象条件,而且空中交通的密度要低,当然如果本场条件好,则尽量在本场上空执行,高度范围需在足够的安全高度如7,000呎至12,000呎,能见度要好,大气的紊流度要小,因为紊流会严重影响失速速度的准确性,和不可使静压源处于结冰状态等。
为确定能符合适航标准的要求得到“以每秒一浬的减速率”失速速度,通常需以每秒0.5浬至每秒1.5浬间的减速率,完成六次失速试验;在开始进行一系列失速测试前,首先在约12,000呎高度、调整飞机构型、依重量重心选择配平速度(一般为1.2至1.4倍失速速度间)平飞,使用纵向主操纵系统拉杆缓慢减速,尤其在1.1倍失速速度后需稳定的减速,一直到失速,飞行员的操作技术会严重的影响失速特性和失速速度的准确性,特别在1.1倍失速速度后,不稳定的减速率会得到不正确的升力系数和失速速度,所以一个好的试飞员的动作要能维持连续和稳定。
适航标准要求失速时的推力不得大于零,或如果推力对失速速度的影响不显著时,油门可置于慢车位置,失速速度通常是在慢车推力状况下确定的,然而需试飞验证推力对失速速度的影响量,一般的作法是把油门调节在进场襟翼构型,能使飞机保持1.6倍失速速度平飞时,所需马力的油门位置,进行至少三次失速试验,用来测定失速的升力系数值,作出一条升力系数随推力变化的函数曲线,并把它延伸至零推力,以测定零推力失速时的最大升力系数值。一般经试验证明,慢车推力对失速升力系数的影响通常可忽略不计。
失速飞试会受到一些实际条件的限制,如攻角的限制、提前的失控、和过分激烈的抖动等,如果这些限制十分严重,可能使飞机不能真正达到失速状况,或飞机达到失速状况无法判定,则须要设计工程人员与适航检定工程师,依据数据分析或特殊条件来决定。
五、测试数据的处理
(一)依据失速飞试所得的速度、攻角、滚转角、升降舵行程等等的时间函数曲线,判断失速特性和质量:从平飞减速到飞机失速为止,能以副翼和方向舵操纵飞机的滚转和航向,没有出现反操作,也没出现异常的机头上仰,而且纵向操纵杆力必须为正,失速过程中飞机滚转不超过20度(满足FAR25要求);和失速过程中飞机滚转不超过15度(满足FAR23要求)。
(二)绘制不同减速率的失速升力系数曲线,以确定能符合适航标准的要求得到“以每秒一浬的减速率”的失速速度。
(三)绘制不同推力的失速升力系数曲线,以确定失速速度受推力的影响量,或用以测定零推力失速时的最大升力系数值。
(四)绘制不同重量的失速升力系数曲线,以求出失速速度受重量的影响量。
(五)配合驾驶员座椅处的法线方向动态负载的时间函数曲线,标定动态负载为0.1G时的速度为初始抖动值,以确定初始抖动边界(Buffet On-Set Boundary),并确认能符合适航标准的初始抖动速度裕度要求,初始抖动速度大于107%失速速度(满足FAR25要求;JAR为105%失速速度);和初始抖动速度大于失速速度5浬每小时(满足FAR23要求)。由于不同的襟翼角度会严重影响飞机的失速与抖震强度,同样的需要得到不同的襟翼角度的抖动速度裕度随重量变化的关系曲线。如果初始抖动速度裕度不满足适航标准的要求,则必须安装震杆器,同样的需要得到震杆器触发时的裕度与进入失速减速率的关系,以求得符合适航标准的要求得到“以每秒一浬的减速率”的震杆器触发速度。
结语:
航空器的军用规范与适航标准是飞机设计最源头的部分,而失速速度是飞机可维持正常飞行操作的最小空速,是飞行操作所有速度的基准,良好稳定的失速特性,是飞机安全的基础,飞机设计研发单位,除了持续研讨失速的空气动力学内涵,开发精确计算失速速度与特性的方法外,仍须针对大气环境的影响,诸如风切、雷雨、冰霜对失速特性造成的改变加强研究;同时飞机的测试评估或验证管理单位,亦需针对新科技与新技术的发展,某些新颖的或独特的设计和新材料、新制程的新技术应用,建立新的军用规范或适航标准规定,或在飞机执行设计的测评飞试时,通过专家编定“特殊条件”(Special Condition) 或修正现有军用规范与适航标准来因应,如此才能在促进航空工业的同时亦保证飞航的安全与战力。
参考数据:
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六、Sheen,Quen-Yaw,"Potential flow analysis of Unsteady Joukowski Airfoil in The Presence OfDiscrete Vortices." Ph.D Thesis, University of Colorado ,Boulder 1986.
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