飞行品质与飞行安全--BY1213120王萌萌

飞行品质与飞行安全

姓名：王萌萌

学号：BY1213120

引言

飞机的飞行品质和飞行安全有着密切的关系, 一架飞机如果没有良好的飞行品质, 它在飞行中出现飞行事故的概率就会比较高, 因此, 在飞机设计和试飞过程中必须按照飞行品质规范的要求来设计和验证飞机。如果发现飞机有不满足飞行品质规范要求的地方就要尽量想法改进, 对飞机所存在的飞行品质缺陷必须让飞行员有充分的了解, 在飞行事故分析过程中, 飞行品质也是一个不可忽略的因素。飞行中, 特别是新机试飞中, 飞行事故时有发生,有些事故造成了严重的财产损失甚至人员伤亡。对于那些/硬性0故障所造成的事故, 如发动机着火、操纵卡死、油管破裂等, 驾驶员容易判断和果断处臵, 事故结论也容易被确认, 研制人员有明确的改进方向。而对于那些/软性0缺陷所造成的事故, 如飞行品质和控制律缺陷等, 如果没有足够的认识, 飞行员没有心理和技术准备, 对突发事件难以辨别和处臵, 可能会发生更严重的事故。这类事故的根本原因有时不容易被确认, 甚至误判。结果是付出了巨大代价, 但并没有换取真正的经验教训。因而飞行品质的保证对于飞行器在整个飞行寿命过程中有着重要的意义。

1飞机的飞行品质

1.1 飞行品质要求

飞机飞行品质规范的制定过程是实践-理论-实践的迭代过程。早期的飞机设计中没有飞行品质规范,在实际使用过程中发现必须满足一定的飞行品质要求, 否则飞机难以操纵和稳定, 甚至会发生事故。1903年莱特兄弟的飞机是纵向静不稳定的, 操纵起来极其困难。后来的飞行实践和研究发现, 飞机仅仅具有静稳定性还不够, 还要有动稳定性、操纵梯度等一系列的要求。

为了对飞行品质设计和验证提供具体的依据和指导, 根据早期飞行的经验, 1942年和1943年, 美国海军航空局和陆军航空兵分别发布了SR-119 和

AAF-C-1815飞行品质规范, 提出了飞机开环响应要求, 并辅以试飞员主观感受评定。二战以后, 美国开始进行系统的飞行品质研究, 特别是地面和空中飞行模拟研究,形成了1954 年的M IL-F-8785 飞行品质规范, 提出了系统的稳定性和操纵性要求。1969年颁布的M IL-F-8785B 是革命性的, 它首次提出了库珀-哈珀飞行员评定标准、飞机状态、性能包线和控制增稳等新概念。1980年颁布MIL-F-8785C 进一步反映了飞控系统,特别是电传操纵对飞行品质的影响。由于航空技术迅速发展, 各类飞行器的功能和性能要求差异非常大,1997年颁布了M IL-HDBK-1797正式稿, 采用填空格方式, 由采办方根据采办产品特点去选择合适的飞行品质要求条款, 而各种飞行品质规范和判据则作为背景材料供采购者选择。该文件成为2001年飞行器三军联合使用规范JSSG-2001A 飞行品质部分的主要支撑文件。

俄罗斯也有自己的飞行品质规范( OTT ), 随着航空技术不断发展, 该规范也在不断修订, 发展脉络与美国基本一致。其它各国的飞行品质规范, 本质上没有太大的区别。综合各种飞行品质和操纵品质的描述, 飞行品质要求的基本含义是: 对于驾驶员操纵, 能保证安全、顺利和容易地完成操纵任务的那些飞机特性。这就要求: 1在人机闭环条件下飞机持续可控; 2飞机响应稳定、快速和精确; 3驾驶员工作负荷足够小。

1.2飞机设计过程中飞行品质规范的应用

新机研制中, 从方案设计到试飞定型的各个阶段都必须遵循飞行品质规范, 并在全包线范围内按各项要求进行检查和评价。试飞前要根据总体、气动及其他相关数据, 对飞行品质进行数值计算、六自由度仿真和地面飞行模拟, 包括驾驶员在环的试验。不满足飞行品质规范则需对总体气动布局和/或操纵系统, 包括控制律进行修改。

试飞是对飞行品质的验证和考核, 如果试飞中发现不满足飞行品质规范要求, 要采取措施解决。例如米格-29在试飞中发现纵向力矩特性有较严重的非线性, 从而导致纵向稳定性在某些情况下的不足, 为此修改了飞控系统, 增加了纵向增稳通道。

定型后的飞机在使用过程中仍可能暴露出一些飞行品质缺陷, 这时仍要尽可能地采取补救措施, 至少要在飞行员手册中对有缺陷的飞行包线部分加以限

制。米格-21改型型号发现, 在某些特定的外挂状态和飞行条件下纵向静稳定性不足, 此时已难以在飞机上采取补救措施, 为了保证飞行安全, 在飞行员使用手册中对这些状态进行了详细的说明和限制。

1.3飞行品质规范等级的应用

GJB-185-86对不同类的飞机和不同的飞行阶段,提出了不同等级的飞行品质要求。根据库珀-哈珀10分制标准, 飞行品质分为三级:等级1: 1-3分, 明显地适合完成飞行任务;等级2: 4- 6分, 适合于完成飞行任务, 但飞行员的工作负担有所增加或任务的效果有所降低, 或者两者兼有;等级3: 7-9分, 仅能满足安全地操纵飞机, 但飞行员的工作负荷过重或任务效果不好, 或者两者兼有。该标准明确指出: 1-6分可以接受, 7 - 9分不可以接受, 任何一个飞行品质参数决不应降低到等级3界限以外, 即10分, 因为这将意味着飞行员难以安全地操纵飞机。在正常状态下, 使用包线规范内的飞机应该满足等级1的要求。

2 适航性条例和飞行品质规范

2.1 适航性条例和飞行品质规范要求

适航性条例( 如CCAR-25 部) 中规定了飞行品质要求, 除重量、性能外, 还涉及飞机的操纵性和机动性、配平、稳定性、失速特性、地面和水面操纵性、抖振、高速特性和失配平特性等八大飞行品质指标。由于25 部是一部试飞规范, 许多条款需经过试飞员、试飞工程师和适航部门综合评定, 有满意和不满意二类评估。有的条款只有定性要求,而没有具体的定量的指标, 如从动稳定性角度讲,纵向短周期运动和横航向“荷兰滚”振荡是最主要的飞行品质, 但适航性条例有关条款仅给出定性的要求。因此, 必须参考有关军用飞机飞行品质规范进行计算, 以评估这些飞行品质要求。显然, 现行军用飞机飞行品质规范是军用飞机必须满足的要求, 对民用飞机而言, 它不能作为必须满足的要求, 但可作为参考的设计标准。

2.2 电传操纵民机飞行品质要求

美国80 年代颁布的MIL-F-8785C 是军用飞机飞行品质规范, 它引入了电传系统的概念, 明确了高阶系统等效拟配方法, 考虑了主动控制技术的应用。美国90 年代颁布的MIL-ST D-1797A将“8 785C”的体系作了较大的改动, 要求内容

上也作了变动和补充。这些军用飞机飞行品质规范要求, 虽然其具体指标数值并不符合电传操纵民机飞行品质要求, 但它的一些定性指标和处理方法在民机设计中完全可以借鉴。近年来, 由于电传操纵飞机带来的飞机-驾驶员不良耦合( PIO ) 的隐患连续出现, 1994 年A GARD 飞行力学小组召开的PIO 专题讨论会的专家们一致认为, 所有电传操纵飞机, 不管是军机还是民机, 都应设计成能够防止PIO 现象的出现。对大型运输机, 不论是军用的, 还是民用的, 都应象军用战斗机那样满足飞机-驾驶员耦合操纵要求。国内过去研究PIO 问题只针对军用飞机, 目前看来, 电传操纵的民用飞机的PIO 问题,同样是重要和不可忽视的。

俄罗斯中央流体动力研究院的研究成果表明, 不仅军用飞机在大机动时有迟滞效应, 民用飞机在快速改变迎角时也有不可忽视的迟滞效应,会影响到飞机的失速安全。由此可见, 过去只对军机考虑的某些飞行品质问题, 虽然在目前的适航性条例中未加以反映, 但对现代电传操纵飞机来讲, 也应给予足够的重视, 必须利用军机飞行品质的研究成果, 并结合民机特点加以进一步研究。

2.3 适航条例与飞行品质设计准则

适航性条例常常规定出一些定性的飞行品质要求, 为定量评定民机飞行品质, 可以借鉴军机飞行品质规范要求, 同时许多飞机研制公司根据自己的研究经验, 制定出一些专用的设计准则, 以保证满足适航性的要求, 如: FAR-25 部中的§203 规定, 可接受的失速特性是“直到飞机失速时为止……不得出现异常的机头上仰……”；FA R-25 部中的§145 要求: 在1. 2vS 或

1. 4Vs 配平速度和Vs 之间的任一速度下, 必须有可能使机头快速下沉, 加速到所选定的配平速度。

3 典型事例分析

3.1 米格-19的“加速旋转”

历史上由于飞行品质差导致的飞行事故的事例层出不穷。这里重温一下米格-19的/加速旋转0问题。米格-19是早期的超声速战斗机, 由于跨声速区飞机气动特性的急剧变化, 飞机由超声速减速到亚声速的飞行过程中, 飞机驾驶杆力的变化非常急剧, 不满足飞行品质规范中跨声速区杆力随速度变化的要求, 而且由于飞机在跨声速区气动焦点的急剧变化, 导致飞机单位过载的杆位移梯度和

杆力梯度变化也非常大。因此飞机在平飞减速和盘旋减速过程中如果飞行员回杆不及时会出现自动上仰, 特别是在盘旋减速过程中,在飞行员没有思想准备的情况下导致飞机突然自动增加过载, 如果处臵不及时则会使飞机进入失速/尾旋,反之从亚声速到超声速飞行时飞机会突然低头, 飞行员称这种现象为“自动加速旋转”。在飞行员没有认识这个问题以前曾因此发生过多次事故, 损失了飞机,牺牲了飞行员。经过培训, 飞行员对此问题的机理和处臵方法了解后, 基本上没有再因为这个问题而出现飞行事故。

3.2 人机耦合振荡(APC )

人机耦合振荡又称PIO (驾驶诱发振荡), 是典型的飞行品质问题, 它是人的增益和动态与飞机增益和动态迭加形成的外回路不稳定。典型特征是驾驶员操纵频率与飞机某模态频率耦合, 飞机模态响应与操纵输入相位差较大, 甚至达到180b。飞机飞行中的PIO事件很多, 其中不少出现过一、二等事故, 例如JAS39,SU-27, YF22等。有一些飞机出现PIO, 由于驾驶员的处臵正确, 结果有惊无险。YF16在高速滑行时产生横向PIO, 振荡中翼尖擦地, 紧急关头试飞员推油门拉杆, 飞机起飞, 振荡消失, YF16实现了计划之外的首飞。美国航天飞机进场着陆时也曾出现过横向PIO,由于驾驶员停止横向修正, 振荡消失, 挽救了飞机。某飞机进场着陆时出现过横向PIO, 由于试飞员判断正确, 处臵得当, 结果化险为夷, 整个事件可分为三个阶段。第一阶段: 接近拉平时, 由于瞬态侧风扰动, 试飞员快速横向修正, 触发APC; 第二阶段: 试飞员意识到APC, 推油门和拉杆操纵复飞, 但此时横向仍在振荡发散, 横向杆位移饱和; 第三阶段: 较大迎角复飞,横向操纵停止, 振荡衰减, 恢复正常飞行。从试飞员操纵和飞机响应历程可以看出, 振荡过程中杆和舵速率趋于饱和, 滚转速率与杆位移相位差达180。试飞结果表明, 该机除等效时间延迟略大于I级标准外, 其余横向飞行品质指标全部达到I级飞行标准, 产生APC 的原因如下:( 1)环境因素: 飞机进入拉平阶段需要精确操纵,驾驶员处在高增益状态, 这时出现左侧阵风干扰, 驾驶员条件反射快速修正, 飞机响应剧烈;( 2)副翼偏转速率大, 舵机处于非线性饱和区, 加大了系统相位延迟;( 3)飞机横向单个参数虽然处于I级飞行品质指标, 但组合起来不一定最佳, 如滚转模态时间常数偏小, 等效延迟偏大等, 这些组合可能在某种条件下形成横向过灵。总之, APC 是由飞机与人的动力学不良匹配而造

成的, 飞机设计师应该尽可能优化设计, 以适应飞机驾驶员。许多学者建议将PIO 改为APC, 就是避免引导把人机耦合的责任加到驾驶员身上。

通过这次事件, 飞控设计师对飞控系统进一步采取了优化措施, 在以后的大量飞行中再没有发生类似的现象。既然是人机系统, 人的素质非常重要。这次事件之所以没有酿成严重后果, 试飞员良好的素质和多年的相关培训, 特别是在变稳飞机上有针对性的低空PIO 飞行培训, 起到了至关重要的作用。

4 飞行品质与飞行安全的关系

飞行事故是令人痛心的, 但事故可以变成宝贵财富。通过国内外试飞事故的研究, 应该吸取的经验教训。通过对飞行事故分析所发现的飞机设计缺陷, 设计师应尽可能改进, 有些事故看似飞行员的原因所致,实际上是由飞机设计缺陷引起的, 设计师应自省是否有可能通过设计避免这种事故。一架F18在海上滚转机动中, 飞行员依据平显飞行产生滚转姿态“错觉”坠入海中, 事后分析表明, 当时的平显“俯仰梯”并不随滚转角而滚动, 造成飞行员姿态“错觉”。据此设计师更改了平显格式, 这就是目前广泛使用的“游动式”俯仰梯的来历。2004年美国一架F-22飞机在试飞中摔毁, 事故调查的因果链是: 飞行手册没写清楚, 在备用电源转主电源时试飞员未做B IT, 电源瞬时中断, 速率陀螺和飞控系统相继工作失常, 飞机失事。这个结论应给科研人员以启示。经验表明, 要想使新机具有满意的飞行品质, 设计师不但要重视气动布局, 还要重视系统(飞控和人机介面) ; 不但要重视纵向飞行品质, 还要重视横航向飞行品质; 不但要重视控制律设计, 还要重视人感系统设计。

驾驶员在紧急情况下凭感觉和经验操纵飞机, 有时甚至靠条件反射处臵突发事件。要使他们在关键时刻判断正确、反应快、处臵得当, 唯一的途径是多飞、多练、多培训。首先必须在理论上熟悉操纵对象, 让他们有能力预测所执行任务的飞行特性, 只有理解基础上的判断和处臵才是自信的、及时的和正确的, 盲目的飞行极其危险, 飞机摔了还莫明其妙。一个优秀试飞员要有丰富的飞行实践, 尽可能多飞, 包括老飞机和先进飞机, 有条件时多飞国外飞机。飞行不仅是技术而且是艺术, 合作交流对于扩大视野、增长才智具有重要意义。试飞工程师必须熟悉设计, 对飞机气动、结构、发动机、飞控和系统都要熟悉, 只有在这个基础

上制定的试飞计划和方案才合理, 有利于飞行安全, 预测的飞行任务特性和制定的应急处臵程序才可信、可行, 数据处理和分析才有的放矢, 结论才能准确。不了解被试对象的试飞工程师不具备现代复杂飞机的试飞资格, 主管部门和设计部门有责任支持和帮助他们具备这种资格。

飞机出现飞行事故的原因很多, 飞行品质是进行事故树分析时必须面对的一枝, 特别是排除了其他不可能的原因后更要对此加以认真的分析。通常应考虑如下问题:（1）飞机是否存在飞行品质缺陷, 飞行员对这些缺陷和处臵措施是否了解;（2）发生事故时的飞行状态是否超出了使用飞行包线的范围, 包括速度、高度和过载包线以及各种使用限制;（3）飞机各系统特别是飞控、液压等重要的系统是否工作正常, 是否存在飞行品质降级的状态;（4）飞行员操纵是否符合飞行员手册, 手册条文是否正确、合理、明确;（5）客观分析飞行员的操纵动作, 不轻易认为是飞行员的错误操纵而忽视了飞行品质缺陷。即便是飞行员的错误操纵, 也要分析是否可能有预防措施，千万不能以办公室环境中的逻辑和思维去要求高压状态下的驾驶员行为。

飞机飞行品质关乎飞行安全和作战效能。只要有人驾驶飞机技术在发展, 飞行品质的研究就永远不会停止, 飞行品质问题极其复杂, 即使是目前广为使用中的飞机, 仍然有许多飞行品质问题值得人们注意。随着作战环境的变化, 矢量推力和综合控制等新技术的应用, 必然出现许多新的飞行品质问题, 必须重视和加强飞行品质研究。

参考文献

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