民機大氣擾動適航符合性評估方法研究

余藝萌 陳致名

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

航空事業發展至今，飛行安全始終是航空領域重要的研究課題。對于民用飛機而言，大氣擾動不僅會造成顛簸，影響乘客的乘坐舒適性，嚴重的大氣擾動還會導致飛機失控，引發飛行事故，是威脅飛行安全的首要因素之一。

考慮到大氣擾動對飛行安全的影響，世界各國制定的適航條例中都規定了大氣擾動相關內容，并積極開展對應的適航研究工作。

我國對于大氣擾動類適航條例的研究較為分散：以大氣擾動對飛行的影響為出發點，研究多集中在大氣擾動建模和突風/紊流載荷計算等方向；以具體條款內容為出發點，研究則偏向飛行載荷類條款中“離散突風準則”和“連續突風設計準則”的應用，未開展大氣擾動適航條款的系統性研究，也缺少對涉及飛機操穩特性和飛行品質的大氣擾動適航條款及其對應適航符合性評估方法的深入探索。

選用合理的評估方法，采取合適的驗證方式，在飛機的設計階段就考慮其適航性并進行初步評估，對于保障飛行安全，提高適航審定效率，使飛機盡快投入運營具有重要意義。同時電傳操縱技術的應用使飛機表現出了新的特點，原先的適航性評估方法是基于機械操縱飛機而設計的，適用于電傳操縱飛機的評估方法研究也更加具有必要性。

本文通過歸納操穩特性和飛行品質相關的大氣擾動適航條款，分析細化其條款要求，開展基于指標量化和操縱品質等級評定方法(HQRM)的民機大氣擾動適航性評估方法研究，研究結果可以為飛機研制階段的大氣擾動適航符合性評估工作提供參考。

1 大氣擾動適航條款

本文以四種大氣擾動風場作為篩選依據，以《運輸類飛機適航標準》(CCAR-25-R4)為主，并結合其他各類可參考的適航標準文件，歸納總結出相對全面的大氣擾動類適航條款，詳見表1。

大氣擾動相關的適航條款共15條，涉及飛機操穩特性和飛行品質的適航條款共6條，其中25.21、25.105、25.125條未對飛機性能做出具體要求，僅規定了相關問題的注意事項，或提出對符合性驗證的補充要求。

表1 大氣擾動適航條款歸納

25.147(f)、25.233(a)和25.237條款針對飛機的橫航向操穩特性提出了定性要求，條款具體內容見表2，詳細分析如下：

1)25.147(f)條款對全發工作條件下受到大氣擾動時飛機的橫向操縱提出了要求，主要涉及飛機受到擾動時的恢復能力及操縱效率和非對稱飛行時飛機的操縱余量兩個方面。

2)25.233(a)和25.237條款的研究重點為飛機起飛和著陸階段可保證飛行安全的最大90°側風分量，要求飛機在可預期運行的任何地面速度下，必須在90°側風中表現出令人滿意的可控性和操縱特性，這一要求是對飛機橫航向操縱性能的一個綜合性的要求，本質是以飛行安全為前提，對飛機進行擾動下飛行的極限條件確定。

2 符合性評估方法分析

2.1 條款的指標提取與量化

由于25.147(f)、25.233(a)和25.237條款均為對飛機相關性能的定性要求，在進行符合性驗證時，可以采用飛行試驗等方法，通過飛機實際響應特性進行符合性評估。但是飛行試驗在整個飛機研制周期中開始時間晚、試驗成本高，如果能夠以性能參數計算和飛行仿真的方法在早期進行適航條款的初步符合性評估，則可以提前發現問題，減少試飛迭代，節約成本。

本節首先進行條款的指標提取與量化研究，詳見表2。

表2 飛機操穩特性和飛行品質大氣擾動適航條款內容[8]

由于條款涉及到飛機的橫航向穩定性和操縱性，可以看作飛行品質的研究范疇。美國國防部頒布的軍用飛行品質規范MIL-STD-1797A中，已經建立了較為完善的飛行品質的評價體系，其中與飛機橫航向相關的飛行品質規范也已經有了經過驗證的成熟的定量指標，這些指標具有較為明確的物理意義，與適航條款的要求也有一定對應關系。對于民用飛機而言，由于在飛行中較少涉及大機動動作，在參考軍用飛行品質規范時，可視為Ⅲ類飛機在C種飛行階段，從而選取量化指標。

◆ Ⅲ類飛機：

大型、中型、低至中機動性飛機。

◆ C種飛行階段：

通常采用緩慢的機動動作來完成，常常需要精準地控制飛機軌跡的飛行階段。

1)模態特性

條款中要求了飛機的橫向操縱性能，涉及飛機滾轉軸的指標有滾轉模態時間常數和發散螺旋模態的倍幅時間，軍用品質規范中還對滾轉螺旋耦合振蕩的情況提出了要求，具體指標量化見表3～表5。

表3 滾轉模態時間常數的要求

表4 螺旋模態倍幅時間的要求

表5 滾轉螺旋模態耦合限制的要求

2)操縱響應

在軍用飛行品質規范中，飛機的滾轉性能可以通過飛機在最大滾轉輸入條件下到達30°滾轉角所需的時間來表示，品質規范規定了響應時間的最大值，如表6所示。

表6 飛機滾轉操縱響應要求

3)維持非對稱飛行狀態的能力及操縱余度

可以通過飛機在最大側風值所帶來的最大側滑角中平穩飛行時的操縱余度來對這一要求進行量化處理。

軍用品質規范給出了1級飛行品質的要求：在10°側滑角時，飛機的滾轉控制仍舊具有25%的操縱余度，即在最大側風情況下，副翼的使用范圍應小于0.75-max。

≤075-max

(2)

式中，n、、l、n、n、、l、n為飛機橫航向氣動倒數，為所要求的最大側滑角值，為側風條件下維持非對稱飛行狀態的副翼偏度，-max為滿偏副翼偏度。

2.2 HQRM方法的適用性分析

2.1節中的指標量化結果僅說明了不同等級飛行品質的參數要求，并無體現大氣擾動的影響作用。美國適航規范咨詢通告AC-25 7C中提到了一種通過駕駛員評價對飛機的飛行品質進行評估的操縱品質等級評定方法(HQRM)，這一方法基于Cooper-Harper方法和美國軍用飛行品質規范，由電傳操縱技術在飛行控制系統中的應用發展而來。它將飛控系統的不同失效狀態從發生概率的角度進行考慮，并加入飛行包線和大氣擾動的概率分析，將以上三者作為三個并行的概率條件，將不同飛行任務中保證飛機安全飛行可接受的最低操縱品質與這三個影響因素的組合概率相關聯，得到較完整的駕駛員評價標準體系。圖1為HQRM方法的評估過程示意圖。

圖1 操縱品質等級評定方法的評估過程

雖然HQRM方法主要針對電傳操縱系統及其失效情況，但它將大氣擾動的影響以概率的形式考慮其中，表7為HQRM方法中具體的大氣擾動分級及其發生概率情況。這一做法十分符合大氣擾動對飛行品質的影響特點：輕微大氣擾動發生概率較大，但不會對飛機操縱產生較大影響，重度大氣擾動發生的概率小，但可能會嚴重影響飛機操縱，使得飛行品質驟降。因此，飛機受到不同強度大氣擾動的概率是不同的，相應的飛行品質要求也應當有所區別。

HQRM方法將大氣擾動以概率的形式加入到飛行品質等級評價過程中，既直觀反映了大氣擾動的作用特點，又明確了不同大氣擾動強度中的飛行品質評價標準，具備較好的適用性。

表7 HQRM方法中的大氣擾動分級

在使用HQRM方法時，可以認為故障概率為0，僅考慮大氣擾動對飛行品質的影響，表8為僅考慮大氣擾動影響的HQRM方法評價示例，其中，評價結果S對應“滿意的”，A對應“足夠的”，C對應“可控的”，具體的評價結果與對應的飛機響應定義見文獻[10]。

表8 大氣擾動HQRM評價示例

3 算例驗證

本節選取算例飛機對上述評估方法的適用性和有效性進行驗證。由于算例分析中主要考慮大氣擾動的影響情況，而模態特性為飛機的固有特性，故從操縱響應和操縱余度兩點進行驗證。

3.1 操縱響應指標

選擇某型民用飛機在3個不同構型下的小擾動模型，分別在無擾動情況和HQRM中規定的三種大氣擾動強度風場中，對副翼滿偏時的滾轉角速率和滾轉角響應進行仿真，仿真結果如圖2～圖4所示。

圖5為3種飛機構型在不同風場強度下的飛行品質變化情況，可以看出，高強度風場，即重度大氣擾動情況下，飛機滾轉角偏轉至30°的時間均有所增加，飛機在構型1和構型2時出現了明顯的飛行品質降級情況。

圖2 飛機構型1滾轉角速率和滾轉角響應曲線

圖3 飛機構型2滾轉角速率和滾轉角響應曲線

圖4 飛機構型3滾轉角速率和滾轉角響應曲線

圖5 3種飛機構型不同風場強度下的飛行品質變化圖

3.2 維持非對稱飛行狀態的操縱余度計算

根據公式(1)和(2)，分別計算算例飛機在10節(5.14 m/s)、25節(12.86 m/s)側風強度時的操縱余度，結果見表9。

表9 算例飛機操縱余度計算結果

可以看出在側風值為25節時，未能達到1級飛行品質要求，出現飛行品質降級現象。

結合適航條款的具體要求，算例飛機在低、中強度風場中橫向操縱響應飛行品質均為一級或二級，基本滿足條款25.237第2條的要求。當計算非對稱飛行時飛機的操縱余量時，風場強度的影響較大，在對飛機進行條款25.147(f)的適航性評估時，可以通過改變風場強度，得到更為全面的計算結果，用以評估飛機在預期使用側滑條件下是否具有從意外情況下恢復的滾轉操縱能力。

仿真計算結果表明，以軍用飛行品質規范進行指標量化，同時使用HQRM方法，在評估過程中結合大氣擾動嚴重程度規定飛行品質等級，可以實現飛機針對條款25.147(f)、25.233(a)和25.237的大氣擾動適航符合性評估，結果符合預期。

4 結論

1)操穩特性類大氣擾動適航條款對民機的模態特性、操縱響應和維持非對稱飛行狀態的能力及操縱余度做出了要求，可參考軍用飛行品質規范對其進行符合性評估指標的提取與量化，便于在設計階段評估飛機針對相關條款的適航符合性。

2)可以通過HRQM方法處理大氣擾動對飛行品質的影響，依據擾動強度和發生概率規定飛機飛行品質，在嚴重擾動時適當放寬飛行品質要求。

3)文中提出的指標量化結果和大氣擾動處理方法可用于飛機設計階段提前開展相關條款的適航符合性評估工作，使飛機性能品質盡可能符合相關適航要求，從而減少試飛迭代，提高適航取證效率。