CN114357764A - 用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法，属于飞机设计领域，该方法建立水上起飞性能模型；建立着水性能模型；建立水上加速—停止起飞性能模型；并结合实机水上起降性能飞行试验数据对各性能模型进行数据相关性检查。本发明根据水陆两栖飞机水上起降运动特点和操纵特点，对飞机水上起降过程进行合理简化，提供一种简单有效的水上起降性能建模方法，可以有效减少那些严格合理而又十分繁琐的计算修正，并能满足工程应用和适航验证要求。能够更好为水上性能适航验证提供参考。
Description
技术领域
本发明属于飞机设计技术领域，尤其涉及一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法。
背景技术
飞机性能主要有起飞性能、爬升性能、巡航性能、盘旋性能、下降性能和着陆性能等。飞机性能研究是飞机设计过程中不可缺少的一部分，也是飞机运行的重要参考。起降性能是运输类飞机重要的性能之一，是组成飞行性能手册的重要部分。根据该适航条款要求，运输类飞机的飞行性能手册必须给出飞机在不同起降重量、环境温度、风速风向以及海拔高度等条件下的起降性能数据。起降性能数据是保障飞机安全运行的重要资料，需要经过局方的批准，因此，起降性能数据的准确性必须经过实机飞行试验验证。水陆两栖飞机水上起降性能数据受到飞机的起降重量、环境温度、海拔高度、风速风向等因素，飞机研制单位不可能将飞机设计使用包线内的所有条件进行试飞验证，这样的研制成本代价是极其巨大的。一般运输类飞机飞行性能数据符合性验证方法都结合采用飞行试验与计算分析。
相关技术中，陆上飞机起降性能建模方法相对成熟，《美国联邦航空局咨询通报运输类飞机合格验证飞行试验指南(AC25-7D)》中给出了一种局方认可的性能建模算方法，但是对于水陆两栖飞机来说，国内外均没有发布适用于水陆两栖飞机水面起降性能建模方法。
发明内容
为了解决相关技术中缺乏适用于水陆两栖飞机水上起降性能建模方法的问题，本发明提供一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法，所述技术方案如下：
一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法，包括：
建立水上起飞性能模型；
建立着水性能模型；
建立水上加速—停止起飞性能模型；
结合实机水上起降性能飞行试验数据对各性能模型进行数据相关性检查。
可选地，所述水上起飞性能模型包括：全发工作水上起飞性能模型和单发停车水上起飞性能模型。
可选地，所述全发工作水上起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段和空中段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中保持段和空中爬升段。
可选地，所述单发停车水上起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段和空中段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中保持段和空中爬升段。
可选地，所述着水性能模型包含空中段和水上减速段。
可选地，所述水上加速—停止起飞性能模型包括：全发工作水上加速—停止性能模型、单发停车水上加速—停止起飞性能模型。
可选地，所述全发工作水上加速—停止性能模型包含低速排水航行段、水上加速段、空中段和着水减速度段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中加速段和空中减速段。
可选地，所述单发停车水上加速—停止起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段、空中段和着水减速度段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中加速段和空中减速段，所述空中减速段包含过渡段。
其中，所述数据相关性检查包括：试飞测试数据的修正，以及理论计算数据与修正的试飞测试数据的对比。
其中，试飞测试数据的修正包括：飞行试验数据风速的修正、飞行试验数据重量的修正和飞行试验数据温度的修正。
本发明的有益效果是：
据水陆两栖飞机水上起降运动特点和操纵特点，对飞机水上起降过程进行合理简化，提供一种简单有效的水上起降性能建模方法，可以有效减少那些严格合理而又十分繁琐的计算修正，并能满足工程应用和适航验证要求。能够更好为水上性能适航验证提供参考。
附图说明
图1是本发明实施例提供的水上起飞滑行各阶段；
图2为本发明实施例提供的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的水上全发起飞过程图；
图4是本发明实施例提供的水上单发起飞过程图；
图5是本发明实施例提供的着水过程图；
图6是本发明实施例提供的全发水上加速—停止过程图；
图7是本发明实施例提供的单发水上加速—停止过程图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式和附图对本发明作进一步详细说明。
本发明根据水陆两栖飞机水上起降运动特点和操纵特点，如图1，对水陆两栖飞机水上起降过程进行分段分析，对不同阶段分别建模，结合实机水上起降性能飞行试验数据对性能模型进行数据相关性检查，直到理论计算结果与实机飞行试验结果误差小于10％。
本发明实施例中，根据中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R4)中性能相关条款要求，结合水陆两栖飞机水上运动特点和操纵特点，建立水上起降性能数学模型，以实现水陆两栖飞机水上起飞性能、着水性能、水上加速—停止性能等水上起降性能的扩展计算。
请参考图2，本发明提供的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法包括如下步骤：
1)建立水上起飞性能模型；
2)建立着水性能模型；
3)建立水上加速—停止起飞性能模型；
4)结合实机水上起降性能飞行试验数据对各性能模型进行数据相关性检查。
本发明中的水上起降性能模型包括：水上起飞性能模型、着水性能模型、水上加速—停止起飞性能模型。
其中，水上起飞性能模型包括：全发工作水上起飞性能模型和单发停车水上起飞性能模型。
全发工作水上起飞性能为飞机在静水面全发工作从起始点到飞机高于起飞表面10.7米所经过的水平距离，如图3，此过程分为低速排水航行段(S1)、水上加速段(S2)和空中段(S3)。其中，低速排水航行段(S1)分为低速排水航行段(S11)和过渡滑行段(S12)；空中段(S3)分为空中保持段(S31)和空中爬升段(S32)。
单发停车水上起飞性能为在静水面从停止加速滑行至临界发动机失效速度VEFW时临界发动机停车，并继续将加速至起飞安全速度V2，临界发动机在其余过程保持停车状态，从起始点到飞机高于起飞水面10.7米所经过的水平距离，如图4，此过程分为低速排水航行段(S1)、水上加速段(S2)和空中段(S3)，其中，低速排水航行段(S1)分为低速排水航行段(S11)和过渡滑行段(S12)；空中段(S3)分为空中保持段(S31)和空中爬升段(S32)。
参见图3和图4，低速排水航行段(S11)的距离计算方式为：
低速排水航行段(S11)中，飞机速度低，与水面船舶相似，飞机加速缓慢，油门从慢车逐渐增大至起飞油门位置。在此阶段，飞机仅受到水动力，发动机拉力的作用，低速排水航行段(S11)的距离S11的计算公式为：
其中，
为S11段的平均加速度，Δt11为S11段的滑行时间，k11为S11段修正系数，
为S11段内平均速度对应的发动机拉力，
为S11段内平均水阻力，M为飞机质量。
过渡滑行段(S12)的距离计算方式为：
过渡滑行段(S12)中，飞机油门达到最大位置，飞机受到发动机拉力和水动力作用，气动力作用可以忽略不计，此阶段，飞机运动状态变化小，认为水动阻力为常数，此阶段主要为飞机通过阻力峰，过渡滑行段(S12)的距离S12计算公式为：
其中，
为S12段的平均加速度，k12为S12段修正系数，
为阻力峰速度对应的发动机拉力，VSTEP为断阶滑行速度，VHUM为阻力峰速度，RHUM为峰水阻力。
水上加速段(S2)的距离计算方式为：
水上加速段(S2)中，飞机进入断阶滑行，飞机增速快，气动力作用不断增大，而水动力作用开始不断减弱。水动阻力(Rw)与气动阻力(Ra)均是速度和姿态的函数，本段采用分小段的处理方法，水上加速段(S2)的距离计算公式为：
其中，SW为机翼面积；
为发动机安装角；θ为飞机滑行俯仰姿态；ρw为水密度；CRW为水动阻力系数，根据水动模型试验给出；k2W为水阻力修正系数；ρa为空气密度；CRa为气动阻力系数，根据水动模型试验给出；K2a为气动阻力修正系数；
为断阶滑行速度对应的发动机拉力；VSTEP为断阶滑行速度；下标“i”表示本段中第i时刻对应的参数。
空中保持段(S31)的距离计算方式为：
对于全发工作起飞，飞行员操纵飞机保持一定俯仰姿态离水，加速至VRW。
在此阶段，飞机仅受到气动力和发动机拉力作用，本段数据采用能量守恒的方式处理，空中保持段(S31)的距离计算公式为：
其中，
为S31段内平均速度对应的可用发动机拉力，
为S31段内平均气动阻力；
为S31段内平均气动升力；VGW为安全速度；VRW为水上起飞抬头速度；ΔH31为飞机加速到VRW时的爬升高度；G为飞机重力。
对于单发停车水上起飞，飞机加速到VGW保持一定俯仰姿态，加速到VEFW临界发动机停车，并在剩余加速过程中临界发动机保持停车，飞机爬升到10.7米(35英尺)高度时速度不小于V2。对于单发停车水上起飞，空中保持段(S31)的距离计算公式为：
其中，
为S31段内平均速度对应的可用发动机拉力，
为S31段内平均气动阻力；
为S31段内平均气动升力；VGW为安全速度；ΔH31为飞机加速到VEFW时的爬升高度；G为飞机重力。
空中爬升段(S32)的距离计算方式为：
对于全发工作起飞，本段飞行员在速度VRW拉杆爬升到10.7米(35英尺)高度，速度达到V2，本段数据采用能量守恒的方式处理，空中爬升段(S32)的距离计算公式为：
其中，
为S32段内平均速度对应的可用发动机拉力，
为S32段内平均气动阻力；
为S32段内平均气动升力；V2为起飞安全速度；VRW为水上起飞抬头速度；H31为飞机加速到VRW时的爬升高度；H为飞机起飞越障高度，为10.7米。
对于单发停车水上起飞，空中爬升段(S32)的距离计算公式为：
其中，
为S32段内平均速度对应的可用发动机拉力，
为S32段内平均气动阻力；
为S32段内平均气动升力；V2为起飞安全速度；H31为飞机加速到VEFW时的爬升高度；H为飞机起飞越障高度，为10.7米。
对于，着水性能为飞机从15米高度以进场参考速度VREF，下滑坡度3°稳定进场和接水，并减速至停止所经过的水平距离，如图5，此过程分为空中段(S5)和水上减速段(S6)。
空中段(S5)的距离计算方式为：
在空中段(S5)中，飞机从15米(50英尺)高度以速度VREF，下滑坡度3°进场，接水时速度VTD，本段数据采用能量法处理，空中段(S5)的距离计算方式为：
其中，
为飞机着水空中段平均发动机拉力；
为飞机着水过程中平均气动阻力；
为飞机着水过程中平均气动升力；VREF为着水进场参考速度；VTD为接水速度；H为着水下滑高度，H＝15米。
水上减速段(S6)的距离计算方式为：
水上减速段(S6)中，飞机接水后，速度VTD减速至停止(VSTOP＝3节)。将本段再分为若干小段进行数据处理，水上减速段(S6)的距离计算公式为：
其中，CRW为水动阻力系数，根据水动模型试验给出；k2W为水阻力修正系数；CRa为气动阻力系数；K2a为气动阻力修正系数；V6为S6段内滑行速度；下标“i”表示本段中第i时刻对应的运动参数。
飞机从接水到飞行员将油门杆从空中慢车位置回收到地面慢车位置，期间有一定时间间隔，此间隔为过渡段，过渡段时间通过试飞确定。过渡段滑行距离计算公式为：
S′6＝Δt′6×VTD
其中，S′6为过渡段滑行距离；Δt′6为过渡段滑行时间。
水上加速—停止性能模型包括：全发工作水上加速—停止性能模型、单发停车水上加速—停止起飞性能模型。
其中，全发工作水上加速—停止性能为：假定驾驶员在水面起飞决断速度V1W采取中止起飞的收油门措施，飞机从滑跑始点加速至中止起飞期间所达到的最大速度，并减速至停止，再加上相当于以V1W滑行2秒的距离，如图6，此过程分为低速排水航行段(S1)、水上加速段(S2)、空中段(S3)和着水减速度段(S6)。其中，低速排水航行段(S1)分为低速排水航行段(S11)和过渡滑行段(S12)；空中段(S3)分为空中加速段(S31)和空中减速段(S32)。
全发工作加速停止起飞过程为：在起飞位置推油门至起飞功率加速至VGW，保持离水姿态继续加速至V1W收油门减速，操纵飞机接水，并减速至停止。
单发停车水上加速—停止起飞性能为飞机在全发工作情况下，从滑跑始点加速到VEFW出现飞机失效，驾驶员在V1W采取中止起飞的收油门措施，允许飞机从VEFW加速到中止起飞期间所达到的最大速度，并减速至停止，再加上相当于以V1W滑行2秒的距离。单发停车加速—停止起飞过程为：在起飞位置推油门至起飞功率加速至VGW，保持离水继续加速至VEFW将临界发动机油门杆收到切断油门位置，飞机继续加速至V1W后采取收油门措施减速，并操纵飞机接水减速至停止。如图7，此过程分为低速排水航行段(S1)、水上加速段(S2)、空中段(S3)和着水减速度段(S6)，其中，低速排水航行段(S1)分为低速排水航行段(S11)和过渡滑行段(S12)、空中段(S3)分为空中加速段(S31)、空中减速段(S32)。空中减速段(S32)包括过渡段(S3’)。
低速排水航行段(S1)中低速排水航行段(S11)的距离计算方式与水上起飞性能模型中的低速排水航行段(S11)的距离计算方式一致。
低速排水航行段(S1)中过渡滑行段(S12)的距离计算方式与水上起飞性能模型中的过渡滑行段(S12)的距离计算方式一致。
水上加速段(S2)的距离计算方式与水上起飞性能模型中水上加速段(S2)的距离计算方式一致。
空中加速段(S31)的距离计算方式与水上起飞性能模型中空中保持段(S31)的距离计算方式一致。
空中减速段(S32)的距离计算方式为：
空中减速段(S32)包含过渡段，即飞行员在速度V1W收油门减速，飞机依靠残余动力速度增加ΔV，高度增加ΔH。下滑着水段的距离计算公式为：
其中，
为飞机下降过程空中段平均发动机拉力；
为飞机下降过程中平均气动阻力；
为飞机下降过程中平均气动升力；V1W为水上起飞决断速度；H31为飞机加速到V1W的爬升高度；ΔH为飞机收油门后残余动力爬升高度；ΔV为飞机收油门后残余动力的速度增量。
对于全发工作水上加速—停止性能模型，过渡段飞行距离计算公式为：
其中，S′3为过渡段飞行距离；Δt′3为过渡段滑行时间。V1W为水上起飞决断速度；ΔV为飞机收油门后残余动力的速度增量。
对单发停车水上加速—停止起飞性能模型，单发停车中断起飞，过渡段飞行距离计算公式为：
其中，VEFW为水上起飞临界发动机失效速度，V1W为水上起飞决断速度；ΔV为飞机收油门后残余动力的速度增量，S′3为过渡段飞行距离；Δt′3为过渡段滑行时间。
着水减速度段(S6)的距离计算过程与着水性能中水上减速段(S6)的距离计算过程一致，在此不再赘述。
本发明实施例中，数据相关性检查包括试飞测试数据的修正，以及理论计算数据与修正的试飞测试数据的对比。对于数据相关性检查，将实机水上试飞测试数据经重量、风速、温度等参数修正后，修正到标准状态，再与理论计算数据对比，要求理论计算数据与修正后的试飞测试数据相差在10％以内。
试飞测试数据的修正包括：飞行试验数据风速的修正、飞行试验数据重量的修正和飞行试验数据温度的修正。
对于水上起飞性能模型，水上起飞距离修正过程为：
水陆两栖飞机水上起飞试飞测试数据修正到标准状态的过程如下：
1、修正风速
风速修正公式为：
SA-0w＝SA-wtest+Vwind×ta
2、修正重量与温度
重量与温度修正公式为：
其中，下标“test”为试验状态；下标“std”为计算状态；Vwind为风速；SW-0w为零风速时水面滑行段距离；SA-0w为零风速时空中段飞行距离；SW-wtest为有风条件下水面段滑行距离；SA-wtest为有风条件下试验空中段飞行距离；M为飞机重量；Toat为环境温度；ta为飞机离水爬升到10.7米高度的时间；P为大气压；σ为环境修正因子。
对于着水性能模型，着水距离修正过程为：
水陆两栖飞机着水试飞测试结果修正到标准状态方法如下：
1、修正风速
风速修正公式为：
SA-0w＝SA-wtest+Vwind×ta
2、修正重量与温度
重量与温度修正公式为：
下标“test”为试验状态；下标“std”为计算状态；Vwind为风速；SW-0w为零风速时水面滑行段距离；SA-0w为零风速时空中段飞行距离；SW-wtest为有风条件下试验水面段滑行距离；M为飞机重量；Toat为环境温度；ta为飞机从15米高度到接水的时间；P为大气压；σ为环境修正因子。
对于水上加速-停止性能模型，水上加速—停止距离修正过程为：
水上加速—停止距离按照上述公式修正公式对水上加速滑行段、空中加速段、空中下滑段和水上减速段进行修正，再对各段相加处理。
本发明实施例中，水上起降过程中，各阶段特征速度定义为：
起始速度VBEG，为飞机水上起飞初始速度；
阻力峰速度VHUM，为飞机水上滑行过阻力峰速度；
断阶滑行速度VSTEP，为飞机进入断阶滑行速度；
离水操纵速度VGW，为飞机开始离水的速度；
抬头速度VRW，为飞机离水后抬头拉起时的速度；
临界发动机失效速度VEFW，为水上起飞时临界发动机失效时的速度；
起飞决断速度V1W，为飞机在起飞过程中发生单发停车时，飞行员可以中断起飞的临界速度；
起飞安全速度V2，飞机爬升35英尺高度时的速度，在此速度下可以提供后续爬升所有要求的爬升梯度和机动能力；
进场参考速度VREF，为飞机定常下降到50英尺时的速度；
接水速度VTD，为飞机接水时刻的速度；
终止速度VSTOP，为飞机着水减速至慢车滑行时的最终速度。
本发明提供一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法，适用于水陆两栖飞机、水陆两栖飞机水面起降性能计算分析。该方法根据适航条款要求，结合水陆两栖飞机水上起降运动特点和操纵特点，建立水上起降性能模型，通过实机典型条件下起降性能飞行试验对模型进行修正和相关性检查，直到理论计算结果与实机试飞结果的一致性满足要求。
本发明根据水陆两栖飞机水面起降运动特点和操纵特点，对飞机水面起降过程进行合理简化，提供一种简单有效的水面起降性能建模方法，可以有效减少那些严格合理而又十分繁琐的计算修正，并能满足工程应用和适航验证要求。能够更好为水面性能适航验证提供参考。
对于水陆两栖飞机来说，国内外均没有发布适用于水陆两栖飞机水面起降性能建模方法，本发明有利于补齐相关技术研究短板，提高水陆两栖飞机水面性能研究能力。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法，其特征在于，包括：
建立水上起飞性能模型；
建立着水性能模型；
建立水上加速—停止起飞性能模型；
结合实机水上起降性能飞行试验数据对各性能模型进行数据相关性检查。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水上起飞性能模型包括：全发工作水上起飞性能模型和单发停车水上起飞性能模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述全发工作水上起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段和空中段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中保持段和空中爬升段。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单发停车水上起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段和空中段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中保持段和空中爬升段。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述着水性能模型包含空中段和水上减速段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水上加速—停止起飞性能模型包括：全发工作水上加速—停止性能模型、单发停车水上加速—停止起飞性能模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述全发工作水上加速—停止性能模型包含低速排水航行段、水上加速段、空中段和着水减速度段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中加速段和空中减速段。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单发停车水上加速—停止起飞性能模型包含低速排水航行段、水上加速段、空中段和着水减速度段，
其中，所述低速排水航行段分为低速排水航行段和过渡滑行段，所述空中段分为空中加速段和空中减速段，所述空中减速段包含过渡段。
9.根据权利要求1至8任一所述的方法，其特征在于，所述数据相关性检查包括：试飞测试数据的修正，以及理论计算数据与修正的试飞测试数据的对比。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，试飞测试数据的修正包括：飞行试验数据风速的修正、飞行试验数据重量的修正和飞行试验数据温度的修正。
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| CN202111681028.2A CN114357764A (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111681028.2A CN114357764A (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法 |
Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
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| CN202111681028.2A Pending CN114357764A (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 用于适航验证的水陆两栖飞机水上起降性能建模方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114638181A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-06-17 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 一种校正飞机起飞性能模型的方法 |
-
2021
- 2021-12-30 CN CN202111681028.2A patent/CN114357764A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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