跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

民用支线飞机失速特性优化中关于机翼上表面涡流发生器的研究

飞机在飞行过程中迎角超过临界值后,机翼上表面原本附着的气流开始发生大面积分离,此时升力系数随着迎角的增大反而下降,这种现象称作失速。当飞机失速时,操控会受到很大的影响,是一种危险的飞行状态。某民用支线飞机在试飞中发现失速特性主要受滚转失速的影响,在达到最大升力系数之前就出现了不可接受的失速特性,失速进入过程中,副翼操纵效率降低较快,快接近失速时飞机出现急剧的滚转。涡流发生器在民机中有广泛的应用,可以改善机翼的流动分离从而提高失速特性,并且有改动小、可行性高等优点。拟通过在机翼上表面安装涡流发生器的方法来改善某民用支线飞机的失速特性。利用数值计算等方法设计出涡流发生器的位置、高度、偏角以及数量等参数。通过低速高雷诺数风洞试验来验证涡流发生器的实际效果,最后得出几种效果可观的涡流发生器方案。     

小型通勤类飞机失速特性的自由飞验证试验研究

在对某小型通勤类公务机进行风洞实验预测时,发现飞机失速后其滚转特性会发生急剧变化。在分析该型飞机风洞实验结果的基础上,采用机翼加装失速条的失速特性方法,通过缩比模型自由飞试验进行飞行验证,分析在巡航构型和着陆构型状态下原始机翼和机翼加装失速条后的试飞结果。结果表明:缩比模型自由飞试验能够验证机翼风洞试验的预测结果,加装失速条的失速特性改进方法可以改善飞机失速特性。     

自由滚转跨音速试验能力的发展状况

作为NASA／海军急剧机翼失速项目的一部分，开发了一套相对廉价的、迅速使用的自由滚转试验装置。在这套装置上，可使用传统的高强度风洞实验模型进入风洞中一次就可以评估跨音速性能和机翼下垂／摇摆行为。总体目标是验证自由滚转试验技术的两个作用，即在地面试验期间鉴定重大的无指令横向行为的区域的作用，以及在跨音速状态洞察军用飞机机翼下垂／摇摆行为的作用。描述了试验硬设备和实验程序。已经成功地使用自由滚转试验装置评估了4种不同构型的静态和动态特性，两种在空中表现出无指令横向运动（预生产型F／A-18E和AV-8B），而另两种没有（F／A-18C，G-16C）。对于这些构型所获得的可用数据，自由滚转实验结果和实际飞行情况非常的一致。     

关于预测急剧机翼失速的CFD的建议

文章叙述了由NASA／Navy／Air Force共同参与的急剧机翼失速项目计算流体力学（CFD）成就，论述了计算结果，提出了用于确定未来飞机研制早期设计阶段非指令性横向运动特性的方法和建议，提出了用于预测和定量表示急速、剧烈机翼失速趋势的程序和品质因数，以及计划方案的缺陷。还包括用于确定跨音速流区域非指令性横向运动临界参数以及影响预生产型F／A-18E／F飞机有害横向运动的主要几何参数。另外，分析了F／A-18E在急剧机翼失速区域稳态CFD和平均时间精确计算法的区别，并与用来测定非稳态方法的应用与准确性的非稳态试验数据进行了比较。最后，对提出的可能作为急剧分离趋势因数的计算品质因数做了精确地评估，并提出了确定这种趋势的筛选程序。     

对空战飞行阶段滚转性能要求的分析研究

简单总结、概述了各种飞行品质规范对战斗机滚转操纵性能的要求(主要针对空战[CO]飞行阶段)。根据各规范对飞机滚转性能要求的指标参数,探讨其合理性。并结合国内外一些典型机种的具体情况进行了分析研究,指出了各种规范对滚转性能要求的不足之处。通过对试飞数据和计算结果与各规范进行对比分析和研究,最后认为美国规范MIL—F一8785C的要求相对是比较合理的,但该规范对滚转性能的要求未考虑跨音速区的影响和随飞行高度的变化,因而该要求在跨音速区和高空可能过严。     

电传飞控系统的功能与关键问题及发展

综述了电传飞控系统的主要功能（放宽静稳定度、改善飞机飞行品质，自动协调滚转、迎角限制器、自动配平、自动防偏离和制止惯性耦合等），着重阐述有关放宽静稳定度，改善飞机飞行品质，绕稳定轴滚转，迎角限制器，制惯性耦事及自动防偏离等问题。还就研制飞控系统的几个关键技术进行了论述。最后概述了有关过失失速机动控制与推力矢量，以及飞控－火控－推力控制一体化等技术。     

急剧机翼失速项目的成就

急剧机翼失速（AWS）项目解决了飞机跨音速阶段的非指令性横向运动问题，比如机翼下沉和机翼摇摆。这一项目的起源是，在19世纪90年代后期，F／A-18E预生产型飞机在机动包线的中心位置出现了机翼下沉。通过前缘襟翼运动程序的修改和在机翼折叠处增加带孔整流板，解决了F／A-18E／F飞机的问题。尽管如此，启动了AWS项目，作为对F／A-18E／F研制时技术准备不充分的亡羊补牢之举。AWS项目的目的是，找出F／A-18E／F飞机存在问题的根源、获得对引起机翼下沉的气流机理的深刻认识、找到相应的方法和分析工具，使得将来的项目在试飞之前就可以发现此类问题。文章回顾了AWS项目的目标、技术水平现状、获得的成就以及研究结果的影响等。总结了经验和教训，以利于以后的项目，在试飞之前就可以预测到飞机的横向运动。     

无尾飞机翼尖失速问题研究

首先分析了无尾飞机翼尖失速的特点，包括与其他布局形式共有的和自身特有的特点，重点是翼尖失速对无尾飞机飞行品质的影响。讨论了后掠角和尖削比这两个机翼外形参数对翼尖失速特性的影响。从空气动力学角度出发，根据2种不同的思路，综述了5种解决翼尖失速的方法，分析它们各自的作用原理。最后提出改善无尾飞机翼尖失速特性的若干建议。     

跨声速自由滚转试验技术研究

采用中等展弦比、薄翼型、边条、锯齿、折叠翼等设计的先进作战飞机在跨声速易出现机翼突然失速现象,从而引起非指令性横滚运动。为研究该问题,在 FL-3风洞中研制了一套跨声速自由滚转试验装置,设计某验证性模型,选取马赫数范围0.8~0.95的典型飞行状态进行了静态测力和自由滚转验证性试验。试验结果预测了某模型不同构型的机翼突然失速敏感范围,并评估了非指令性横滚运动的严重程度,从而验证了试验机构的可靠性,建立了评估方法,实现了跨声速自由滚转试验技术。     

急剧机翼失速计划介绍

急剧机翼失速（AWS）计划已经用实验、计算和仿真工具研究了无指令跨声速的横向运动问题，比如自动倾斜问题。同时给出了制定AWS计划的背景以及计划的目标。为了了解导致预生产型F／A-18E不希望的运动的基本流动机制，从专用跨音速风洞试验和计算研究中搜集了定常和非定常流场详细数据。AWS计划也已经为跨音速流状态修改了自由滚转（FTR）风洞试验技术，该技术传统上用于低速横向动态稳定性的研究。这个FTR的能力首先在概念证明研究中被验证，然后应用于四个不同飞机结构的评定。对于两种已经被证实在全尺寸飞行状态（预生产型F／A-18E和AV-8B在极端飞行包线下）时容易发生自动倾斜的结构和两种没有表现出自动倾斜的结构（F／A-18C和F-16C）评估了静态试验和FTR试验的品质因素图形。已经从那四个飞机结构的气动力计算研究和F／A-18C与F／A-18E机翼之间的种种外形的影响计算量化中获得了正确的设计思想。最后，AWS计划在飞行之前对在模拟器中评定实验发现的横向动作对飞行性能的影响提供指导。     

F／A-18E和F-16C急剧机翼失速特性的计算研究

运用静态计算流体力学（CFD）模拟，了解急剧机翼失速（AWS）现象的物理过程，确定静态品质因数（figures of merit），利用NASA兰利研究中心研制的TetrUSS模拟装置得到的纳维-斯托克斯算法是以四面非结构网格为基础的。通过在两种飞机上比较CFD模拟结果了解急剧机翼失速现象的物理过程。预生产型F／A-18E飞机构型在某些几何形状和气流状态下会出现急剧机翼失速，而F-16C飞机构型不存在这种现象。通过比较不同气流状态下两种飞机构型之间的详细流场，运用计算结果认识引起急剧机翼失速的原因。以这些方法为基础，开发了许多用来预测急剧机翼失速的静态品质因数。潜在品质因数包括升力的突然下降、翼根弯矩对迎角α的变化以及翼型升力随α的变化率。     

F—16飞机大迎角飞行特性分析

采用六自由度全量运动方程和三通道飞行控制系统模型，使用时域动态响应的方法，研究了Ｆ－１６飞机在大迎角下飞行的深失速特性和尾旋特性，并对尾旋进入和改出的机理进行了探讨。通过分析研究可午出结论：Ｆ－１６飞机具有深失速特性，若进入深失速后，可用先拉杆后推杜操纵方法改出；Ｆ－１６飞机进入尾旋的主要原因是航向自转和偏航、滚转气动交感；在改出尾旋过程中，方向舵操纵力矩、航向静不稳定力矩、偏航惯性交感力矩对制止     

基于过失速机动动力学的控制方法

为设计过失速大机动飞行控制律，按飞行的逆稳态模型考虑非线性因素的影响，同时对于陀螺、 惯性耦合效应及重力影响进行补偿，并直接根据飞行品质要求按隐式模型跟踪法设计反馈控制器。初步设计实例证明，这种方法适用于过失速机动动力学特点，能够获得发挥飞机操纵潜能、较好地控制飞机实现过失速机动、具有满意飞行品质的控制解，并且控制结构易于工程实现。算例还表明，即使不加装先进的过失速操纵装置，通过对飞行控制律的改进可以进一步发挥飞机本身的气动潜力，使之在一定的过失速迎角不正常工作。     

横向不稳定性的试飞评估

在研发F／A-18E／F“超级大黄蜂”的一次飞行试验过程中，当进行跨音速机动时飞机遇到了非指令滚转运动。被称为“翼下冲”的急剧大幅度横向不稳定现象削弱了飞行员在此飞行条件下有效执行空一空跟踪任务的能力。对前缘襟翼的一系列修改和在机翼折叠区域增加透气量解决了该问题。然而，由于缺乏与计算流体力学、风洞和试飞分析有关的确认品质因数，获得该答案是缓慢的。目前已经开发了一种利用试飞数据评估横向不稳定性的方法。横向不稳定性评估包括定性和定量两个方面的评价。飞行员进行定性评价，而定量评价是基于对滚转速度、滚转加速度、横向驾驶杆位置和倾斜角的分析。这项技术提供一种根据飞行试验可靠评估横向不稳定性程度的途径。在飞行员定性评价和定量的试飞数据评估之间取得了极好的相关性。     

试验机机翼下挂载吊舱气动稳定性评估方法

采用CFD方法和飞行动力学仿真方法估算机翼下挂载吊舱对试验机飞行品质的影响。采用CFD技术计算挂载吊舱引起的试验机气动力和力矩增量,并将所得增量引入经试飞数据校验的飞机本体气动数据中,建立挂载吊舱后的整机气动模型;然后进行原机和挂载吊舱飞机的动力学仿真计算,评估挂载吊舱对飞机短周期运动模态的影响。计算结果显示,挂载吊舱后飞机短周期频率和阻尼比变化较小,未引起纵向飞行品质降级。     

剪切翼梢对滚转性能的影响

以某型双发低速飞机为例，对剪切翼梢装置对飞机滚转性能的影响进行了理论研究和分析。结果表明，在相同结构参数和飞行状态下，采用剪切翼梢，将使飞机的滚转性能有所降低。所得结果对飞机设计、特别是飞机改型设计有一定实用价值。     

飞机滚转机动时静弹性气动载荷计算

本文以定常水平盘旋为初始状态,用飞机五自由度运动方程,计算了飞机作滚转机动飞行时飞机的运动参数变化规律。然后用格林函数法计算了某歼击机在上述状态下计入滚转阻尼的静弹性气动载荷分布。最后给出了机翼升力、力矩值及机翼静变形分布,为飞机的强度检查提供了重要的原始数据。     

F／A-18E模型机翼急剧失速的跨音速实验观察

为了研究失速期间翼面上的流动原理，一个8％的F／A-18E模型在NASA兰利中心16英尺跨音速风洞中进行了跨音速风洞试验。使用的技术方法集中在力、力矩、压力以及压力敏感测量相关的静态（或时间平均）和不稳定风洞数据与不稳定风洞失速事件上。文章集中在F／A-18E飞机的试制批构型在M数0．90时获得的数据上。通过天平随时间的变化过程和压力测量以及通过对大量仪表信号的均方根（rms）计算，获得了机翼在失速过程中发生在机翼上的动态不稳定性。其次是概括了整个有关影响机翼失速过程的压力透视。通过分离迅速前移触发的不稳定事件观察8％F／A-18E模型感受的机翼急剧失速，在一个非常小的攻角增量范围内就能迅速地使分离从后缘前移到前缘襟翼铰链线。发生分离的攻角因试验而不同，攻角增量大于1。。使用压力敏感涂料观察了同时发生在两个翼段或不对称翼段上的机翼急剧失速。在深入了解发生在机翼上表面的流动结构和这些结构可能的不对称时，压力敏感涂料数据和机翼根部弯矩数据是必不可少的。8项静态数据试验进行的重复性分析为机翼急剧失速不稳定气动特性提供了一种快速、价廉的检验。重复性分析结果与用不稳定测量技术捕获的数据非常符合，该方法必将用于确定用专用仪表测量的、更复杂的不稳定数据的试验环境。     

飞机机动飞行时的隐模型控制器设计

为提高飞机的过失速机动能力，参考X-31A飞机的飞行控制系统模型，对非线性因素如气动力、陀螺惯性耦合以及重力影响进行补偿后，按飞行品质要求采用隐模型跟踪法设计了某机的反馈控制器，计算仿真表明，该控制器能够较好地发挥飞机的操纵潜力，可使飞机在获得较好的过失速机动能力的同时具有较为满意的飞行品质，引入推力短量控制，可增加飞机的操纵效能，从而增强控制器效果。