运输机空投时动态响应研究

1、运输机空投时动态响应研究摘要：在运输飞机空投系统试飞时，要进行单件装备空投，本文根据在空投时货运的运动特点对飞机在空投过程中的动态响应进行分析，根据分析结果和飞机气动特性，对飞机在不同空投重量时的动态响应进行了计算，并制定了试飞方案。最后，通过该方案对空投系统进行了成果的验证，并根据试飞结果对以后开展空投试验提出了意见建议。 关键词：运输机；空投；动态响 应运输飞机空投试飞主要通过空投试验来进行空投系统及运输机空投性能的分析和评定，其主要目的是验证飞机空投系统的功能和性能、空投货台系统与飞机的匹配性以及评估飞机空投过程中的操稳特性。在空投过程中，空投物在舱内移动时会引起飞机质心和转动惯量的变化

2、，尤其是在货物离机瞬间将使飞机质量、质心及转动惯量产生较大的阶跃变化，这对飞机的安全有严重的影响。 1空投时飞机的动态响应分析 空投物在空投过程中对飞机的影响主要包括以下四个方面：第一，空投物的移动会改变飞机的重心位置，使飞机重心后移，从而稳定裕度降低，甚至飞机由稳定变为不稳定。空投开始后，货物在牵引伞的牵引作用下从静止开始向后移动，全机重心会随之后移，随着货物与飞机质心距离的逐渐变大，飞机重心与焦点之间的稳定裕度会减小。空投物越重，重心改变越明显。当重心接近焦点时，会造成全机的中立稳定甚至极不稳定，此时，飞机对于扰动的响应是发散的。第二，空投物在移动过程中，会对飞机产生附加的力与力矩，该附加

3、力和力矩来自货物本身的重力。当空投物在货舱内移动时，使得空投物的重心与全机重心之间的距离逐渐增大，它的重力会对飞机质心产生抬头力矩，且随着距离的增大而逐渐增大，同时，也会增大飞机的阻力。第三，飞机的惯性特性会发生变化。空投物移动会使飞机的转动惯量特性和质量特性发生改变，货物在货舱内的装载方式以及空投模式也会对飞机的惯性特性产生影响。对于单轨空投模式而言，由于货物移动轨道较长，因此，货物移动过程中使得全机绕y轴的转动惯量发生改变，货物移动会对飞机产生俯仰方向的扰动。对于双轨空投模式而言，货物移动轨道对称分布于机身中轴线两侧，因此，会使全机绕x轴和z轴的转动惯量发生改变，货物移动会对飞机产生滚转和

4、偏航方向的扰动。第四，货物离机瞬间会对飞机产生较大的不利干扰作用。在空投物出舱瞬间，飞机质量、质心、惯量会产生大的阶跃变化，飞机运动的小扰动方程中状态矩阵中的各个动导数均会随质量发生变化，特征方程的特征根也会发生变化，进而影响飞机的运动模态参数。货物从出舱口投出的瞬间，会使飞机产生初始的扰动，表现为三个方向的转动：俯仰效应、滚转效应和偏航效应。货物投出的瞬间，飞机尾部质量阶跃性减小，对飞机而言，表现为俯仰角速度的扰动；若货物的投出方向不是垂直向下，则还会对飞机产生初始的滚转和偏航角速度扰动；此外，对于双轨空投货物时，当两列货物的投出状态不一致时，也会使飞机产生滚转和偏航效应。上述扰动会使飞机的

5、气动特性发生改变，从而改变飞机的飞行状态。根据试验分析，货物出舱过程中，在到达出舱口之前，随着货物的逐渐后移，与飞机质心的距离逐渐变大，飞机重心逐渐后移，飞机会抬头，俯仰角变大。当货物到达出舱口并投出时，投出瞬间由于出舱口处质量减小，飞机重心在瞬间回到初始重心，并且会受到一个接近于阶跃输入的低头力矩，飞机俯仰角减小。货物投放离机后，飞机各状态变化逐渐趋于平缓，没有明显的振荡。牵引比越大，货物移动的加速度越大，货物在舱内移动的时间越短，对迎角的影响也越小；空投货物的重量越大，飞机的迎角变化越剧烈，迎角的最大峰值越大；空投速度越大，飞机的迎角和姿态变化越小，迎角的最大峰也越小，飞机的稳定性也就越好

6、；由于空气密度与高度的变化有关，飞机迎角的最大峰值随着高度的降低而减小。根据飞机姿态变化来偏转升降舵时，飞机迎角的最大峰值大大减小，飞机姿态也较理想，在有初始扰动的情况下，作用也十分显著。 2试验结果分析 根据试飞结果，在空投过程中，飞机的飞行高度和速度都有少量增加，但变化都不大，高度和速度增加值，俯仰角、迎角和过载变化最大值均在正常范围内，飞机操控性良好，各项参数与前期计算结果相符。图1为美国C130运输机空投时空投物在舱内的运动画面和出舱画面。下面以单投试验为例对单投时飞机的动态响应进行详细分析。根据理论计算，空投物越重，飞机的动态响应应该越大，在实际试飞时，为了减小大重量时飞机的动态响应

7、，空投物越重，选择的牵引比越大，引比随着空投归一化重量变化趋势曲线。注：空投时间指从空投物开始移动到空投物完全离开飞机尾大门所用时间。根据图2，较重的空投重量的牵引比可能会是轻重量的1.52倍，图4、图5和图6的试飞测试结果也表明，达到了预期的目的，飞机迎角、俯仰角和法向过载的最大值并不是随着空投重量的增加而增加，其最大值分别出现在空投重量（归一化处理）为1K、3K和5K空投时，重量7K空投时飞机迎角、俯仰角和法向过载的最大值未超过重量5K。且随着空投重量的增加，空投物在舱内的运动时间越长，也就是说，其对飞机的作用时间越长，影响越大，这一点是不利于空投试飞的，下面对影响空投物在舱内的运动时间因

8、素进行分析。根据对空投物在舱内的运动过程分析，其运动时受力主要有牵引伞的牵引力T、重力G、货舱地板的支撑力N以及与货舱地板的摩擦力f，受力示意图如图3所示。由于空投物与地板的摩擦力远远小于其他力，在计算空投物受力时可以忽略摩擦力。以空投物重心（中心）为坐标原点，与地板平行方向为X轴，垂直方向为Y轴，建立坐标系，由于空投物相对飞机的运动只发生在X轴方向，则空投物在标系中X轴上的受力为：（1）式中，为空投时飞机货舱地板与水平面的夹角，不考虑货舱地板安装角度时，该夹角就是飞机空投时的俯仰角，为牵引比。由于货舱的长度固定，且空投物对货舱的初始相对静止，运动时间就取决于空投物相对飞机的加速度。根据（1）

9、式，加速度大小与飞机空投时的俯仰角和牵引都有关系，而且比成正比，俯仰角越大，运动的时间越短，牵引比越大，运动的时间也越短。所以，为了避免这种情况发生，在进行空投时，在增加牵引比的同时，也要增加飞机的俯仰角。根据理论分析，当空投物从货舱向后移动时，迎角、俯仰角和法向过载均快速增加，当空投物离机后又迅速减小，而且增加值随空投重量增大而增加。图4、图5和图6为试飞测试结果，其响应趋势与前期计算结果完全一样，但峰值点与计算结果相差较大，并不是空投重量越大，响应越大。在重量5K空投时，法向过载出现最大值和最大波动幅值。在重量3K空投时，俯仰角出现最大值和最大波动幅值。在重量1K空投时，迎角出现最大值和最

10、大波动幅值。它解释了造成以上原因就是飞行员在空投时进行了蹬舵，由于蹬舵的时机和程度的不同，导致飞机的响应并不是随着空投重量的增加而增大。这也说明了正确的人工干预对空投响应非常重要，可以大大减小飞机响应。 3结语 以上分析结果表明，飞机在空投时，安全可控、操纵和响应良好，货物空投虽然飞机重心变化较大，但俯仰角、迎角变和法向过载均在正常范围内，空投时飞机的动态响应特性正常，满足使用要求。根据飞机的动态响应，给出以下几点建议：（1）当空投重量逐步增加时，可以通过加大牵引比、俯仰角和投放速度,这样不仅可以缩短货物的离机时间,还可以改善动态过程,从而减小对飞机的不利影响。（2）空投前进行必要的计算，事先