飞机航线飞行轨迹稳定性和机动能力分析

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1、第+’卷第>期!"#$%&%’%IJ(+’HI(>&###年+&月KLMGH)NLO2?%?N)%?)0##&>0#8飞机航线飞行轨迹稳定性和机动能力分析孙瑞山!中国民航学院民航安全科学研究所，天津"##"##$摘要：对一起迅速下降高度的飞行事件进行了分析和讨论：高空小速度飞行使飞机进入轨迹不稳定区域导致飞行速度越来越小；高空小速度飞行机动能力减弱使飞机进入抖振边界导致失速，飞机迅速下降高度。最后给

2、出了安全飞行的建议。关键词：飞行安全；稳定性；抖振边界；失速中图分类号：%"&’(&文献标识码：)#引言飞机的运动稳定性和机动性能对于飞行安全是非常重要的。国内外曾发生过多起因不稳定或进入失速导致失控的机毁事故。造成飞机飞行不稳定的原因是多种多样的。通常，人们对于飞机静稳定性和开环稳定性比较熟悉，如纵向长短周期运动，横侧飘摆和盘旋下降等。现代飞机都安装了自动驾驶仪等自动装置。飞机稳定性，如轨迹稳定性等是闭环稳定性问题。由于稳定的进近是安全着陆的前提，人们*+,比较重视进近阶段的稳定性，往往对航线飞行的稳定性及其

3、机动能力对安全的影响认识不够。本文针对某次从航线高度迅速下降的飞行事件，对民航飞机的轨迹稳定性和机动能力进行分析。+事件描述+--’年某日，一架./0’&飞机在)12空域+#&+#3高度作等待飞行时，使用&45坡度盘旋，飞机在"367内速度由84893!:!&84;<=$，迅速减小到&’493!:!+48;<=$，飞机进入失速状态，两台发动机短时间内失去推力，飞机急速下降至"&>"3。由飞行记录器记录显示：盘旋以前高度+#&+#3，平均速度?)=84893!:!&84;<=$，!@#(A+，高度保持模式。飞机以

4、&45坡度进行盘旋，在高度保持模式下，飞行速度不断减少，同时迎角增加!+-：&>：4+飞机开始减速，上仰$。随着速度的减小，为保持高度，上仰角不断增加（迎角增加），高度下降!+-：&’：&+高度开始下降$。+-：&’：8-，高度+#++#3，?)=""A93!:!+’&;<=$，!@#(4"，坡度+A(-"5，俯仰角+#(-5。由于飞行状态已经超出了自动器的工作边界，自动油门和自动驾驶仪先后断开。+-：&-：#8，?)="##93!:!+>&;<=$，法向过载等于#(’>，+-：&-：+"?)=&’493!:!

5、+4"(’;<=$。由于速度较小，俯仰角大——迎角大，发生惯性交感，出现飘摆的现象。BC<在左发达到A&4D和右发达到A4"D的峰值后减少，同时ECFG和H+减少，导致推力迅速减收稿日期：&###0#-0&’作者简介：孙瑞山（+-4’0$，男，天津宝坻人，教授，工学硕士，研究方向为航空安全、飞行性能(第!"卷第#期孙瑞山：飞机航线飞行轨迹稳定性和机动能力分析,<少直至消失，飞行员告警双发失效，飞行高度迅速下降。飞机在很短时间内速度$%&由’(’)*!+减小到,"()*!+，高度由!-,!-*降至.,#.*。当飞

6、机从飘降改为平飞时，发动机自动恢复马力，在某机场安全着陆。事件发生时，飞机重量约为#,/#’0，以下飞机重量按#.0进行分析。,飞机轨迹稳定性分析事件开始就表现为速度不断减小的不稳定运动形式。事件发生时，飞机为高度保持模式，自动驾驶仪按照给定的飞行模式自动地操纵飞机舵面以保持给定的模式。此时的稳定性是一闭环稳定性问题，不同于没有反馈操纵的开环稳定性问题。该稳定性问题可以简化为受到约束的稳定性问题，即轨迹1速度23,4稳定性问题。采用小扰动理论进行分析，纵向小扰动运动方程为：516"#2!#6""!"6"#!#7

7、-1!25!55$!#6（$6$）!"6（$6$）!#7-1,2#"85!"#85!#55,5%#!#6（%"85!6%"）!"6（5!,6%#85!）!#7%$9!$&1.2其中：!#，!"，!#分别为速度#、迎角"和俯仰角#的变化量。5’高度1’2保持的约束条件为：!-5!将约束条件代入方程1!2/1.2，经简化得到：516"#2!#61""("#2!"7-1’25!$!#6$!"7-1(2#"方程的解为!;!)*!#7!#:!-1#2!$#7";1"6"21<2#"#)*$"!!)*为时间常数1实数2，扰

8、动运动呈非周期的单调收敛或发散，当特性参数=-时，扰动运动收敛，!)*!!飞行轨迹稳定；相反，当>-时，扰动速度发散，飞行轨迹不稳定。)*!水平飞行轨迹倾斜角为-，近似取升力系数、阻力系数和推力与速度无关1各项对马赫数+的偏导数等于-2，各个系数的简化关系为："!,!,"1-%#06-%#02,,---%#0/,.,"7.?"71.;!2,?"7,?$7;/?$#-#"-##1#"7;