基于CFD仿真的外翼断裂飞机安全飞行研究

姚武文，蔡开龙

(空军第一航空学院，河南 信阳 464000)



基于CFD仿真的外翼断裂飞机安全飞行研究

姚武文，蔡开龙

(空军第一航空学院，河南 信阳 464000)

针对外翼断裂飞机安全飞行问题，采用CFD仿真方法，建立了针对该特殊气动问题的分析模型，提出了外翼断裂飞机安全飞行控制方法，并通过仿真计算得到，基于副翼平衡法的外翼相对损伤极限为14.2%，基于侧飞平衡法的外翼相对损伤极限为24.5%，为战时外翼断裂飞机带伤飞行提供了参考和评估方法。

CFD仿真 ；损伤极限；外翼断裂；侧飞平衡法 ；副翼平衡法

机翼是飞机的气动敏感部件，一旦受到大面积损伤，飞机的气动性能将受到严重破坏，并可引发坠机事故，严重威胁机上人员和财产的安全。在以往的战争中，有一些外翼断裂较严重的飞机仍能飞行的例子(见图1)。目前，世界上针对这一特殊的气动与飞行控制问题开展的研究还很少。据资料[1]，美国首次研制出“自适应容损飞控系统”，并提出飞机“折翅也能飞”的观点。2007年，美国罗克韦尔·科林斯公司，利用一架长约为2.44 m，质量约为22.7 kg的F/A-18战斗机模型，在空中抛掉60%的右侧机翼(见图2)，最后成功着陆。在国内还没有相关研究的报道。

图1 左翼打掉一块的“复仇者”在飞行

图2 抛掉60%右翼的F/A-18在飞行

1 外翼断裂飞机安全飞行控制方法

飞机单侧外翼断裂产生的左右不对称升力，将带来飞机滚转、偏航和俯仰等3个不平衡力矩。其中，偏航与俯仰不平衡力矩较小，容易通过操纵来抵消；而滚转不平衡力矩较大，对于正迎角情况机翼产生正升力，外翼损伤带来的附加滚转力矩会使飞机向外翼受损一侧滚转，需要研究专门的控制方法使飞机保持平衡。

外翼断裂飞机安全飞行控制可从如下2个方面进行。

1)损伤极限即损伤评估标准控制，也就是要计算出外翼断裂的面积损伤极限，当飞机外翼损伤面积超过这个极限时，就不能带伤飞行了。

2)操作方法控制，当飞机外翼损伤面积小于其损伤极限时，可采用副翼平衡法和侧飞平衡法这2种操作方法控制。副翼的主要作用是控制飞机滚转运动，副翼平衡法是指当外翼损伤产生不平衡滚转力矩时，通过适当控制副翼偏转产生附加气动力矩来抵消不平衡滚转力矩，使飞机保持平衡的方法；侧飞平衡法是指当外翼损伤过重时，即使副翼偏转角达到最大，所产生的附加气动力矩也无法保持飞机平衡，需要控制飞机侧飞来抵消不平衡滚转力矩，使飞机保持平衡的方法。

2 外翼断裂飞机侧飞平衡原理

当飞机在正常飞行情况下突然左翼被打掉一部分时(见图3)，左机翼升力、阻力均比右机翼件减小，飞机横滚等平衡被破坏，飞机将会出现向左滚转的现象。此时，操纵飞机右偏，使受损的左机翼“迎风”飞行，即产生左侧滑。若设气流速度为V，则对左右机翼而言：

V左n=Vcos(ψ-β)

(1)

V右n=Vcos(ψ+β)

(2)

式中，V左n是垂直左机翼前缘的气流速度；V右n是垂直右机翼前缘的气流速度；ψ是机翼的后掠角；β是飞机侧滑角。可见，V左n>V右n。左翼因垂直机翼前缘的气流速度增大，导致其升力和阻力均增大，右翼因垂直机翼前缘的气流速度减小，导致其升力和阻力相对减小，给飞机横滚等平衡创造了条件，因而可恢复飞机稳定飞行(右翼损伤的平衡原理同理)。其实质是整架飞机的迎风气动构型发生了变化，气动力得到重新分配，这种新“构型”让飞机重新回到平衡状态[2]。

图3 外翼断裂飞机侧飞基本原理

3 外翼断裂下的飞机气动计算模型

为了计算外翼断裂下的飞机安全飞行评估标准，需要建立基于计算流体力学(CFD)仿真的飞机气动计算模型。通过CFD求解流动控制方程：

(3)

(4)

式中，力矩系数的参考点均为完整无损飞机的重心，“m+n+1”表示作用在飞机m个固定部件与n个活动部件上的气动力产生的力矩系数，以及1个受损机翼质量损失带来的附加力矩系数。

应用Fluent软件可求解上述流动控制方程组[4],其仿真计算基本流程如图4所示。计算输入条件包括马赫数、迎角和飞行高度等，输出结果为飞机的气动性能参数。

图4 应用Fluent软件仿真计算流程图

4 飞机外翼损伤极限计算

4.1 基于副翼平衡法的外翼损伤极限

在马赫数Ma=0.2～0.5、副翼偏转角为0°～30°、侧滑角为0°和不考虑质量损失影响等条件下，通过计算得到的滚转力矩系数Mx随副翼偏转角变化的曲线如图5所示。在图5中，Mx=0对应的副翼偏转角即为平衡偏角(见图5中的B点)。当副翼平衡偏角达到副翼偏转角最大值时，对应的外翼损伤即为损伤极限，其计算流程如图6所示。通过CFD计算得到的迎角与基于副翼平衡法的外翼损伤极限对应关系见表1(副翼偏转角为30°,侧滑角为0°)。

图5 副翼平衡偏角搜索方法示意图

图6 基于副翼平衡法的外翼损伤极限计算流程图

由表1可知，当迎角从4°增大到12°时，外翼损伤极限从59%下降到14.2%，迎角对外翼损伤极限影响很大；因此，当机翼出现对飞机气动力影响较大的损伤时，应尽量采用小迎角飞行。根据资料，某飞机的起飞迎角为8°～12°，取其最大值12°，由此可确定某飞机基于副翼平衡法的外翼相对损伤极限为14.2%，外翼面积损伤极限为2.87 m2，即外翼损伤面积<2.87 m2时可采用副翼平衡法操纵飞机。

4.2 基于侧飞平衡法的外翼损伤极限

采用基于副翼平衡法的外翼损伤极限计算同样的方法，计算得到迎角与基于侧飞平衡法的外翼损伤极限对应关系见表2(副翼偏转角为30°，侧滑角为4°)。基于副翼平衡法和侧飞平衡法的外翼损伤极限计算流程图如图7所示。

表2 飞机迎角与外翼面积损伤极限的关系

图7 基于副翼平衡法和侧飞平衡法的外翼损伤极限计算流程图

由表2可知，采用侧飞平衡法比采用副翼平衡法的外翼损伤极限大，当飞机迎角从12°减小到7°时，副翼平衡法的损伤极限为14.2%～28.6%，侧飞平衡法的损伤极限为24.5%～47.0%。根据资料，某飞机的起飞最大迎角为12°，由此可确定某飞机基于侧飞平衡法的外翼相对损伤极限为24.5%，外翼面积损伤极限为4.96 m2，即外翼损伤面积>2.87 m2(基于副翼平衡法的外翼面积损伤极限)且<4.96 m2时，可采用侧飞平衡法操纵飞机。

5 结语

通过上述研究得出如下结论。

1)当飞机在地面出现外翼较小面积损伤时，例如某飞机外翼损伤面积<2.87 m2，可采用副翼平衡法操纵飞机起飞。

2)当飞机在空中出现外翼较大面积损伤时，例如某飞机外翼损伤面积>2.87 m2且<4.96 m2，可采用侧飞平衡法操纵飞机飞行，并且尽量采用小迎角飞行。

3)在新机设计时，建议增设飞机容损飞控系统。通过CFD仿真计算建立机翼不同气动损伤情况与副翼偏转角和飞机侧滑角的对应关系，并通过在机翼上布置传感器获取其损伤信息，通过自动驾驶仪自动实现这种对应关系，以保证机翼气动损伤情况下的飞行安全。

[1] 司古.折翅也能飞[J].航空知识，2008(9)：11-13.

[2] 姚武文，周平, 蔡开龙．飞机容损飞行机理与控制方法研究[J].航空维修与工程,2010(1)：21-23.

[3] 张怡哲，邓建华. 舵面损伤的气动模型及故障检测研究[J].飞行力学,2001(3)：35-39.

[4] 晓锋，周灿丰．基于FLUENT的TIG焊接电弧数值模拟[J].新技术新工艺,2015(1)：26-27.

责任编辑 马彤

Research on Safe Flight of the Outboard Wing Rupturing Aircraft based on CFD Simulation

YAO Wuwen，CAI Kailong

(The First Aeronautic Institute of the Air Force, Xinyang 464000, China)

The flight of the aircraft with outboard wing rupturing is a special problem about pneumatics and flight control. The analysis model about the special pneumatics problem is set up by the CFD emulation method, and the control method about outboard wing rupturing aircraft aviating safely is brought forward. By the simulation computing, the conclusion is gained that the opposite damage most limit of the outboard wing based on the aileron balance method is 14.2%, and the opposite damage most limit of the outboard wing based on the side flight balance method is 24.5%. It provides the reference and evaluation method for the aircraft with outboard wing rupturing flying.

CFD simulation, damage most limit, outboard wing rupturing, side flight balance method, aileron balance method

V 271.4

A

姚武文(1959-)，男，教授，主要从事飞机战伤抢修等方面的研究。

2016-04-06