过失速机动性的气动问题初探

近年来随着战术和技术的发展,提出了“超机动性”和“过失速机动性”的新概念。 所谓“超机动性”是指战斗机在迎角超过最大升力迎角以后控制侧滑执行战斗机动的能力。 “过失速机动性”是指在“失速后”仍能充分控制飞机机动作战的能力。它涉及迎角大于最大升力迎角后的大迎角机动。 要实现超机动性或过失速机动性需要汇集多方面的技术发展成就,使能得到一个完整的先进的战斗机武器系统,取得空中优势。     

战斗机大迎角/过失速机动下的进气道气动特性

为掌握战斗机在大迎角和过失速机动飞行时进气道的稳、动态气动特性,采用基于动态嵌套网格的非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程和大迎角风洞试验方法对某战斗机进行了研究,并通过大迎角和过失速机动飞行试验进行了验证。结果表明：大迎角稳态下进气道气动性能随迎角增大逐渐降低,天地相关性吻合良好,而计算仿真和飞行试验均捕捉了眼镜蛇机动下进气道的非定常迟滞效应。通过研究获得了战斗机在大迎角和过失速机动下的进气道气动特性,建立了过失速机动下进气道非定常非线性特性问题的研究方法。     

战斗机大迎角气动特性研究技术的发展与应用

飞机布局的大迎角气动特性是决定飞行包线左边界的主要因素之一。飞行包线左边界区域的扩展增强了飞机的大迎角机动性和敏捷性,但是同时也极大地挑战着飞机的安全。几十年来,随着大迎角飞行研究技术的发展,战斗机飞行不断突破失速迎角附近及以上区域,将飞行左边界左移,扩大了飞行包线,减少了飞行限制,挖掘了战斗机的作战潜能。本文对战斗机大迎角飞行相关的气动特性研究技术,包括流动机理研究、数值计算方法研究、风洞气动试验、气动建模与数据库构建、气动与控制综合验证等关键技术的发展与应用进行了阐述。基于这些技术的发展,结合工程实践经验,提出了战斗机大迎角气动特性研究的整体思路和方法,包括大迎角气动力预先设计、气动力获取、气动力表达、气动力综合分析和气动-运动-控制一体化验证五个部分,以供相关装备研制参考。     

现代战斗机非定常空气动力学及其风洞实验研究

良好的过失速机动飞行能力是现代战斗机的主要性能指标之一.本文描述了现代战斗机大迎角过失速机动飞行中存在的典型非定常气动现象、目前的研究水平和发展趋势;介绍了中国空气动力研究与发展中心低速所在该领域的研究现状,存在的不足以及下一步的重点研究方向.     

先进战斗机过失速机动模型飞行试验技术

具有过失速机动能力的战斗机在近距空战中能够取得快速占位、先敌瞄准、有效规避攻击的战术优势,是先进战斗机的标志性性能要求。模型飞行试验技术作为空气动力学研究三大手段之一,在解决飞行器技术难题、实现技术创新方面发挥了重要作用。本文介绍了中国空气动力研究与发展中心利用带动力自主控制模型飞行试验平台发展的过失速机动模型飞行试验技术,以及开展的先进战斗机构型典型过失速机动模型飞行试验,分述了在大迎角非定常气动建模、宽量程气流系参数测量、大迎角非线性控制、推力矢量控制、大迎角非定常气动参数辨识方面的研究工作与解决这些关键问题的技术途径。通过此项研究,在国内首次实现了先进战斗机构型缩比模型典型过失速机动飞行,相关研究成果可为先进战斗机实现过失速机动飞行能力提供有力的技术支撑。     

飞机大迎角飞行品质研究的进展

叙述了战斗机大迎角飞行品质研究的进展情况。说明了当代战斗机的作战环境和作战方式以及由此提出的大迎角机动飞行的背景。着重介绍了国外过失速区大迎角飞行品质研究的主要方面,飞行动力学机理,操纵效能,推力矢量及其控制律,飞行品质要求及其验证和评价方法,由此得出相应的结论。     

飞机大迎角飞行品质研究的进展

大迎角飞行品质要求的背景众所周知,在失速迎角前,能大迎角作无忧虑机动是当代（第三代）战斗机的标志,而具有过失速机动能力却是下一代（第四代）战斗机的重要特征。战斗机在失速迎角前后大迎角区作机动飞行的要求也是根据作战环境和作战方式确定的。当代战斗机面临着地（面指挥所）、空（中预警机）、天（卫星）实时侦察情报和指挥、控制和通信的统一这种作战环境。同时,70年代以来,随着机载雷达、火力控制系统和导弹武器的迅速发展,在战斗机上已经实现了雷达与火控系统甚至飞行控制系统的一体化。作为空战的主要武器──导弹也已发…     

先进战斗机过失速机动大气数据融合估计方法

可控的过失速机动是先进战斗机超机动性能的重要标志,飞机飞行包线的扩大已超出传统的大气数据系统测量范围,可靠的迎角、侧滑角、总压、静压等飞行大气数据是制约先进战斗机过失速机动中飞行控制的关键因素。以中国推力矢量验证机为对象,基于过失速机动飞行试验的数据,开展大气参数估计与验证研究。结合过失速机动的时间与空间特性,研究了基于风速、地速、空速矢量和惯性姿态、导航参数的大气参数融合计算方法;针对过失速大迎角状态下飞机周围气流非定常、模型非线性导致的融合大气参数误差的复杂特性,进一步构建深度神经网络,对机动状态融合迎角、侧滑角的强非线性误差进行拟合。仿真和飞行试验表明：该方法可在大迎角飞行状态下实现主要大气参数的融合估计,过失速机动过程中融合迎角误差优于2.3°,融合得到的大气参数可为过失速大迎角机动飞行控制提供可靠的大气参数状态反馈。     

X—31A飞机的设计特点和试飞情况

综述了为验证增强战斗机机动性(EFM)计划、衡量过失速机动飞行的可行性及其在近距空战中的战术价值,X-31A飞机在气动布局、大迎角抗偏离设施、推力矢量系统以及飞控系统方面的特点;介绍了X-31A飞机的有关飞行试验情况,特别是循序渐近的四种过失速机动动作以及空战效能评估结果。结果表明,X-31A飞机气动布局合理,能完成过失速机动飞行。且过失速机动技术和推力矢量组合,可以大大地提高飞机近距空战的作战效能。     

过失速下俯敏捷性及纵向控制效能需求研究

结合飞行安全和作战效能需求,对过失速战斗机的大迎角/过失速迎角下俯敏捷性指标及纵向控制效能需求进行了研究.为了满足飞行品质和过失速敏捷性指标要求,采用非线性动态逆方法设计了某推力矢量飞机快回路和慢回路飞行控制律.在此基础上,根据过失速下俯敏捷性和滚转敏捷性指标要求,对所需的最小俯仰推力矢量偏角进行了计算分析,所得结果对先进战斗机的设计有一定的参考价值.     

超大迎角条件下的飞机模型建立

现代战斗机的飞行包线向过失速扩展，使得以往的空气动力学模型对真实情况的适用性变差，这就需要建立一个适合于大迎角和超大迎角条件的更真实的模型。本文以一架实际的战斗机为例，将静态风洞数据、旋转天平风洞数据，强迫振动风洞数据结合起来，同时纳入了非定常气动力的影响，形成了一个完整的气动模型，然后将它运用于飞机运动的数值仿真，并对该模型的合理性进行了一些初步的验证。     

现代战斗机飞行力学问题的研究进展

阐述了现代战斗机研制中若干飞行力学问题研究现状,内容涉及敏捷性设计指南和空战敏感性管理系统,过失速飞行包线扩展和机动飞行,大迎角飞行控制律设计,推力矢量控制和准无尾飞行,大迎有特性分析方法－开环和闭环特性分支分析方法和大迎角飞行品质要求六个方面。研究结果显示出这些大迎角飞行力学领域最新发展趋势及其在现代战斗机研制中的作用地位。     

过失速机动气动模型的试飞验证方法研究

介绍了现代飞机过失速机动的大迎角气动模型的特点和描述方法,结合某型飞机大迎角非定常气动力模型和推力矢量控制模型,分析了大迎角非定常、非线性气动力模型的飞行验证方法,并进行了地面模拟验证,为我国新一代飞机过失速机动大迎角模型验证飞行试验方法的研究和模拟试验技术的研究提供了依据。     

大迎角纵向短周期飞行品质计算

根据六种短周期飞行品质判据（ＣＡＰ或ω＾２,ｐ／（ｎ／ａ）,ζｓｐ,τθ,ω,ｐＴｏ２,ζｓｐ,τθ瞬时峰值比,上升时间,有效延迟,带宽和时间延迟,闭环Ｎｅａｌ－Ｓｍｉｔｈ准则;Ｇｉｂｓｏｎ时域响应准则）计算了某典型第三代战斗机在失速迎角前的纵向短周期飞行品质,并与国外有关地面模拟试验结果进行了比较,结果表明,失速迎角前的大迎角短周期飞行品质,仍然可以通过综合上述六种小迎角判所的计算结果进行评价,     

一种过失速区飞行敏捷性评估方法的研究

在评估过失速机动飞行的敏捷性中，首先建立了具有过失速机动（ＰＳＴ）能力的战斗机Ｆ２的数学模型，对常规战斗机Ｆ１与ＰＳＴ战斗机Ｆ２的空战进行了数值仿真，计算了在两架战斗机中Ｆ２首先攻击时间（ｔ１）和攻击时间范围（ＴＷＩＦＥ）。结果表明，战斗机Ｆ２比Ｆ１更具有空中格斗优势，空战中发动机推力、迎角变化率、操纵规律和离轴发射角（μ０）等因素对战斗机过失速机动敏捷性有一定影响。     

推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响

推力矢量是提高战斗机大迎角动态气动特性,提升其过失速机动能力和飞行品质的重要手段。新一代战斗机的高机动性要求也使气动和推力矢量的融合控制研究日益重要。针对中国空气动力研究与发展中心∅3.2 m开口低速风洞,研制了喷流模拟器和通气动态试验装置,建立了带推力矢量的大迎角动态试验技术。开展了不同减缩频率、不同落压比、不同喷管偏角时的大迎角俯仰振荡运动特性试验研究。结果表明：与无喷流试验相比,带喷流时模型的动态特性均随着落压比和喷管偏角的变化呈现规律性的变化;力和力矩系数形成的迟滞曲线面积随着落压比和偏角的增加而增加;减缩频率的变化对模型的动态特性影响小于无喷流时的影响。总的来说,推力矢量的影响未改变模型大迎角动态特性的基本规律,但是随着推力矢量角度和大小的变化,有规律地改变了模型动态气动力和力矩的变化幅度。     

战斗机敏捷性评估方案及其对未来敏捷性战斗机设计的影响

本文的目的是介绍新型战斗机敏捷性评估方案并讨论评估方案对战斗机设计产生的影响,未来空战中要获胜就要求将飞机的机头,武器首先指出敌机,首先指向敌机就意味着具备了先敌发射的机会,全向攻击导弹（如AIM－9L）出现后,就对战斗机提出了指向－发射能力要求,指向敌机后全向攻击导弹可以从任意方向发射,其中包括飞机迎面遭遇情况,飞机速度较低时,未来战斗机可以利用它在较大过失速迎角（可达90°）下飞行的能力来提高其机头指向能力,未来过失速技术（PST）战斗机的操纵需要推力矢量动力装置和相应的操纵技术,它们使飞机具有了过失速机动能力,文章分析了战斗机的敏感性,并在大于和小于失速迎角这两个范围内评估了它对设计的影响,介绍了一些战斗机敏感性评估方案,在小于失速迎角范围内,用于表征俯仰敏捷性的参数有指向裕度（PM）,相对能态（V／Vc)和作战循环时间（CCT）,用于表征滚转敏捷性的参数有后向间隔距离（RSD）,在大于失速迎角范围内,确定出的关键性能参数为迎角变化率能力,以较大的迎角变化率进入的过失速机动在发射位置具有更长的时间－这是一个性能优势,形成俯仰和偏航矢量控制功率需求设计曲线的假设前提是仅使用推力矢量就有可能实现过失速迎角下飞机的操纵,讨论了应用敏捷性（一般情况下和过失速情况下）方案对未来战斗机设计的影响。     

飞机失速/尾旋特性的预测和试验研究

以一架三角翼战斗机为例,详细地介绍了利用风洞大迎角静、动态试验数据及旋转开平试验数据,开展收音机大迎角全局稳定性分析、六自由度计算及地面飞行模拟试验等预先研究。利用投放模型进行了自由飞快行旋试验以及最终完成的全尺寸飞机的失速／过失速／尾旋验证试飞,对预测结果与试验结果进行了相关分析,结果表明两者有较好的一致性。     

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位.本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响.实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼.前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性.距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点.近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数.另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性.     

大迎角下飞行器的气动外形与飞行动力学优化研究

本文探讨了大迎角下飞行器的气动外形选择和飞行动力学问题,并将其发展为一套计算机程序,以供下一代高性能战斗机的气动外形设计及性能计算所用。该程序可用于带涡升力面飞行器的最优气动外形选择,最优超机动性能计算和大迎角下的动态稳定性分析。