基于相平面法的结冰飞机纵向非线性稳定域分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252016V01．37No．3865．872ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．caDOI：10．7527／$1000一6893．2015．0197基于相平面法的结冰飞机纵向非线性稳定域分析屈亮，李颖晖，袁国强，徐浩军+空军工程大学航空航天工程学院，西安710038摘要：结冰是威胁飞机飞行安全的重要因素之一，研究结冰后飞机稳定性及稳定域范围对飞机操纵安全和飞行安全极其重要。由于结冰后大

2、飞机失速迎角提前，仅仅研究小迎角线性阶段的飞行稳定性显然不能满足要求。首先根据飞机迎角和升力曲线非线性关系建立了结冰条件下大迎角阶段飞机纵向非线性系统模型，然后通过相平面法刻画了迎角和俯仰角速度构成的不同飞行状态下飞机的纵向运动的稳定域，并探讨了迎角和俯仰角速度对纵向稳定性的影响规律，最后针对稳定域内外的不同初始状态，进行了零输入响应时域仿真，验证了相平面法确定的稳定域的有效性和准确性。研究结果可为飞机结冰后的稳定边界确定和边界保护提供一定的参考。关键词：飞机结冰；纵向稳定性；非线性；失速迎角；稳定域中图分类号：V328文献标识码：A文章编号：1000—

3、6893(2016)03—0865—08飞机结冰是飞机在结冰气象条件下飞行时，大气中的液态水在部件表面冻结并累积成冰的一种物理过程，在飞行实践中广泛存在。飞机结冰增加了部件质量，同时会使飞机的阻力增大，升力降低，破坏气动性能，降低飞机的飞行性能及飞行品质，危及飞行安全[1]。美国SafetyAdvisorL20给出的1990--2000年间由气象因素引起的飞行事故统计结果显示12％是由飞机结冰导致的。2006年6月3日，中国一架运输机在安徽境内坠毁，直接原因就是飞机多次穿越结冰云层使飞机空中结冰而最终导致飞机失控坠毁，这次空难事故使结冰引起的安全问题得到

4、国内航空界的高度重视。国外自20世纪30年代就开始对结冰进行研究。Bragg等[3]通过改变飞机稳定性和控制参数建立了结冰影响模型，对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行研究。Lampton和Valasekt4书3以小扰动理论为基础研究了结冰对轻型飞机操纵响应的影响。1985年，裘燮纲和韩风华编著的《飞机防冰系统》一书，是国内最早系统介绍飞机结冰知识的文献口]。近年来，相关单位针对结冰对飞机性能的影响也开展了很多工作‘8。11

5、，北京航空航天大学的王立新等n2。胡依据飞行条件建立了结冰飞机的动力学模型，对结冰前后飞机动稳定性以及舵面阶跃操纵响应进行了仿真

6、计算。整体而言，目前国内外对结冰后飞机动力学稳定性研究的主要方法是：首先通过结冰因子对飞机稳定性和控制参数影响进行分析，然后计算飞机的动力学模型稳定性。在这个过程中，动力学模型被简化为线性系统，而结冰保护主要基于某一参数变化临界值进行相关预警和保护控制。但影响结冰飞机稳定性的参数较多，并随着状态参数的变化具有强的非线性关系，如果仍然仅从一个参数就简单决定飞机是否超稳定边界可能会收稿日期：2015—05—08；退修日期：2015—06—04；录用日期：2015—07—07；网络出版时间：2015—07·1513：51网络出版地址：WWW．cnkinet／k

7、cms／detail／111929．V20150715．1351001htmI基金项目：国家“973”计划(2015CB755805)；国家自然科学基金(61374145)*通讯作者Tel．：029—84787505E-mail：xuhaojun@mail．xjtu．edu．Cn§

8、用格武t屈亮．李颖晖．袁国强．等．基于相平面法的结冰飞机纵向非线性稳定域分析!JI．航空学报．2016．37(3)：865—872．QUL，LIYH，YUANGQ，eta1．Longitudinalnonlinearstabilizingregionforicingaircr

9、aftbasedonphase-planemethod￡Jj．ActaAero·nauticaetAstronauticaSinica，2016，37(3)：865-872．航空学报Mar．252016V01．37No．3得到错误的结论，因此线性模型已经不能适用于结冰后飞机的稳定性分析及判断。截至目前，对飞机稳定域研究尤其是结冰后飞机非线性稳定域研究很少，高浩E14]、何植岱m]等利用分歧突变理论研究了非线性飞行全局稳定性，通过飞机的平衡点变化分析了飞机运动的性质，但未研究飞机稳定域的变化。黎康和方振平通过时域数字仿真估算了闭环系统大迎角稳定平衡点的吸引

10、域[16

11、，但数字仿真方法分析稳定域边界准确性低且耗费时间较长。本文首先根据结冰