CN113935113A - 一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法 - Google Patents

一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法。基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线。本发明能够获得合理的灭火飞机飞行机动包线，为飞机载荷计算、结构强度设计分析、使用限制制定和飞行手册编制提供依据。

Description

一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法
技术领域
本发明属于飞机载荷计算设计技术领域，具体涉及一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法。
背景技术
飞机飞行机动包线是一个二维包络线，横轴为当量空速V、纵轴为机动载荷系数n，故也称V-n包线。一般飞机主要依据适航规章或国军标的要求，结合飞机重量、构型、最大气动法向力系数、使用高度等参数计算设计空速和限制机动载荷系数，从而进行飞机飞行机动包线的设计。灭火飞机具有低空火场侦查、投水灭火的使用模式，任务环境尤其是地形复杂多变，飞机设计人员必须针对这些使用模式，合理地制定飞机飞行机动包线，并以此作为飞机载荷计算、结构强度设计分析、使用限制制定和飞行手册编制依据。目前灭火飞机飞行机动包线的设计方法主要有两种：一是直接使用适航规章或国军标的要求，这种方法对灭火飞机执行投水灭火任务时的机动能力限制较大；二是根据飞机气动法向力的极值来确定，这种方法对灭火飞机的机体结构强度要求较高，通常需要付出较大的结构重量代价。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法。本发明能够获得合理的灭火飞机飞行机动包线，为飞机载荷计算、结构强度设计分析、使用限制制定和飞行手册编制提供依据。
本发明的技术方案是：一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法，基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，步骤如下：
(1)依据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，计算设计襟翼速度VF；
(2)依据灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX和设计襟翼速度VF，制定设计灭火飞行速度VFF；
(3)依据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，计算满足不同地形和使用模式的最大限制机动载荷系数nmax；
(4)基于灭火飞机的使用场景飞行安全分析，计算并制定飞机最小限制机动载荷系数nmin；
(5)依据上述VF、VFF和nmax、nmin，再结合总体设计要求中规定的最小投水空速VMN，以及飞机灭火构型的最大静法向力系数CNMAX，计算并绘制飞行机动包线。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法的步骤(1)中，飞机设计襟翼速度VF计算过程如下：根据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1；对灭火任务襟翼偏度下飞机最大设计起飞重量时的1.6VS1和投水后最大重量时的1.8VS1进行比较，取其较大者。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法的步骤(2)中，飞机设计灭火飞行速度VFF比灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX大，并留有足够的速度余量，且不超过VF。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法的步骤(3)中，飞机最大限制机动载荷系数nmax是根据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，满足不同地形和使用模式下计算得到的。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法中，飞机最大限制机动载荷系数nmax满足：在规定的山谷之间执行山坡下滑-直接灭火-拉起脱离和山坡倾斜转弯投水的机动载荷系数n的最小值要求。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法的步骤(4)中，飞机最小限制机动载荷系数nmin的取值原则如下：根据灭火飞机的使用场景飞行安全分析，为避免不必要的低空掉高度撞地风险，设定其最小限制机动载荷系数nmin等于零。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法的步骤(5)中，灭火飞机飞行机动包线的横轴速度范围是从总体设计要求中规定的最小投水飞行空速VMN到设计襟翼速度VF；纵轴的机动载荷系数n范围是从最小限制机动载荷系数nmin到最大限制机动载荷系数nmax；包线边界上还包括VMN、VMX、VFF和VF对应点。
本发明的优点是：本发明基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算得到灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线；既保证了灭火飞机执行投水灭火任务时的机动能力，又不会带来不利的结构增重代价，实施方便，适用于所有新研或改装的灭火飞机。经验证，同等飞机机动能力要求下，使用本发明能够将飞机的结构重量降低2％～3％，减重明显。
综上所述，本发明能够获得合理的灭火飞机飞行机动包线，为飞机载荷计算、结构强度设计分析、使用限制制定和飞行手册编制提供依据。
附图说明
图1是本发明中所述的灭火飞机的飞行机动包线示意图。图1中横轴V表示当量空速，单位为km/h；纵轴n表示飞机机动载荷系数；点VMN表示飞机最小投水速度；点VMX表示飞机最大投水速度；VFF表示设计灭火飞行速度；VAF表示包线左上角边界点；VF表示灭火任务构型设计襟翼速度。
图2是本发明中所述的灭火飞机山坡下滑-直接灭火-拉起脱离的使用模式示意图。图2中A和B表示两相邻山体；θ1是山体A内侧山坡的坡度角；θ2是山体B内侧山坡的坡度角；R表示灭火飞机在山体A和B之间执行投水灭火任务的垂直平面内转弯半径，单位为m；H表示飞机开始转弯对应的山坡位置距离谷底的垂直高度，单位为m；L表示谷底横向距离，单位为m。飞机从山体A上方沿其内侧山坡下滑，至火点上方投水灭火后，执行拉起机动，沿上体B的内侧上坡向上脱离山谷。
图3是本发明中所述的灭火飞机转弯灭火的使用模式示意图。图3中R表示飞机转弯半径，单位为m；圆弧曲线上的圆圈点表示飞机运动轨迹点。飞机从火点的对面进入，并执行半径为R的转弯后，飞到火点上方投水灭火。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法，如图1-3所示，基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算得到灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线，具体步骤如下：
(1)依据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，计算设计襟翼速度VF，VF应取灭火任务襟翼偏度下飞机最大设计起飞重量时的1.6VS1和投水后最大重量时的1.8VS1之间的较大者；
(2)依据灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX和设计襟翼速度VF，制定设计灭火飞行速度VFF，VFF应比VMX大并留有足够的速度余量，且不超过VF；
(3)依据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，计算满足不同地形和使用模式的最大限制机动载荷系数nmax，nmax应满足在规定的山谷之间执行山坡下滑-直接灭火-拉起脱离和山坡倾斜转弯投水的机动载荷系数n的最小值要求；
(4)依据灭火飞机的使用场景飞行安全分析，为避免不必要的低空掉高度撞地风险，规定其最小限制机动载荷系数nmin等于零；
(5)依据上述设计速度和载荷系数结果，结合总体设计要求中规定的最小投水空速VMN，以及飞机灭火构型的最大静法向力系数CNMAX，计算并绘制飞行机动包线。
实施例2。针对某型飞机，采用本发明提出的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，对飞机设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF、限制机动载荷系数n和飞行机动包线进行了计算制定，步骤如下：
(1)某型灭火飞机最大起飞重量为60000kg，飞机投水后最大重量为57400kg，灭火任务构型襟翼偏度为17度，经计算，对应最大起飞重量的1.6VS1等于296km/h，对应飞机投水后最大重量的1.8VS1等于326km/h，故选定设计襟翼速度VF等于326km/h。
(2)根据总体设计要求的规定，某型灭火飞机最大投水飞行空速VMX等于270km/h，故取10节的安全速度余量后，设计灭火飞行速度VFF等于288.5km/h，VFF低于上述步骤(1)得到的VF。
(3)对如附图2所示的某型灭火飞机山坡下滑-直接灭火-拉起脱离的使用模式，适应该地形的飞机最大限制机动载荷系数nmax应至少满足：
Figure BDA0003319145510000051
式(1)中，g为重力加速度；R为转弯半径。
(4)对如附图3所示的某型灭火飞机山坡倾斜转弯灭火的使用模式，适应该地形的飞机限制机动载荷系数nmax应至少满足：
Figure BDA0003319145510000052
式(2)中，
Figure BDA0003319145510000053
为转弯时飞机倾斜角，V为飞机实时飞行速度。
(5)对比上述步骤(3)和(4)得到的nmax，取其较大者作为某型灭火飞机的最大限制机动载荷系数；
(6)某型灭火飞机投水灭火时距离地面或树梢高度不超过50m，为了避免掉高度撞地的飞行风险，不执行负机动，最小限制机动载荷系数可取为零。
(7)某型飞机最小投水飞行空速VMN等于230km/h，结合上述各步得到的设计空速与限制机动载荷系数，绘制某型灭火飞机的飞行机动包线，如附图1所示。
本发明的一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法，基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算得到灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，，制定并绘制飞行机动包线；既保证了灭火飞机执行投水灭火任务时的机动能力又不会带来不利的结构增重代价。
实施例3。一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法，参见图1-图3，其对飞机灭火构型的设计襟翼速度VF和设计灭火飞行速度VFF、最大限制机动载荷系数nmax、最小限制机动载荷系数nmin等进行计算分析，并制定飞机灭火构型的V-n包线。
所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其步骤如下：
(1)依据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，计算设计襟翼速度VF；
(2)依据灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水飞行空速VMX和设计襟翼速度VF，制定设计灭火飞行速度VFF；
(3)依据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，计算满足不同地形和使用模式的最大限制机动载荷系数nmax；
(4)基于灭火飞机的使用场景飞行安全分析，计算并制定飞机最小限制机动载荷系数nmin；
(5)依据上述VF、VFF和nmax、nmin，再结合总体设计要求中规定的最小投水空速VMN，以及飞机灭火构型的最大静法向力系数CNMAX，计算并绘制飞行机动包线。为飞机载荷计算、结构强度设计与分析、使用限制制定和飞行手册编制等提供依据。
设计襟翼速度VF计算时，参考《中国民用航空适航规章25部》C分部第25.335(e)(2)条款的要求，基于灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，并考虑飞机投水前后的最大重量，进行综合计算确定。
设计灭火飞行速度VFF应与总体设计要求中规定的最大投水飞行空速VMX间留有足够的安全余量，但不必超过设计襟翼速度VF。
最大限制机动载荷系数nmax是根据灭火飞机的投水灭火飞行模式，结合考虑地形适应性计算得出。
最小限制机动载荷系数nmin是根据灭火飞机的使用场景下的飞行安全分析进行制定的。
灭火飞机飞行机动包线的横轴速度范围是从总体设计要求中规定的最小投水飞行空速VMN到设计襟翼速度VF，纵轴的机动载荷系数范围是从最小限制机动载荷系数nmin到最大限制机动载荷系数nmax，包线边界上应包括VMN、VMX、VFF和VF对应点。
实施例4。一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法,参见图1-3，基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线。
前述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，步骤如下：
(1)依据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，计算设计襟翼速度VF；
(2)依据灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX和设计襟翼速度VF，制定设计灭火飞行速度VFF；
(3)依据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，计算满足不同地形和使用模式的最大限制机动载荷系数nmax；
(4)基于灭火飞机的使用场景飞行安全分析，计算并制定飞机最小限制机动载荷系数nmin；
(5)依据上述VF、VFF和nmax、nmin，再结合总体设计要求中规定的最小投水空速VMN，以及飞机灭火构型的最大静法向力系数CNMAX，计算并绘制飞行机动包线。
前述的步骤(1)中，飞机设计襟翼速度VF计算过程如下：根据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1；对灭火任务襟翼偏度下飞机最大设计起飞重量时的1.6VS1和投水后最大重量时的1.8VS1进行比较，取其较大者。
前述的步骤(2)中，飞机设计灭火飞行速度VFF比灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX大，并留有足够的速度余量，且不超过VF。
前述的步骤(3)中，飞机最大限制机动载荷系数nmax是根据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，满足不同地形和使用模式下计算得到的。
飞机最大限制机动载荷系数nmax满足：在规定的山谷之间执行山坡下滑-直接灭火-拉起脱离和山坡倾斜转弯投水的机动载荷系数n的最小值要求。
前述的步骤(4)中，飞机最小限制机动载荷系数nmin的取值原则如下：根据灭火飞机的使用场景飞行安全分析，为避免不必要的低空掉高度撞地风险，设定其最小限制机动载荷系数nmin等于零。
前述的步骤(5)中，灭火飞机飞行机动包线的横轴速度范围是从总体设计要求中规定的最小投水飞行空速VMN到设计襟翼速度VF；纵轴的机动载荷系数n范围是从最小限制机动载荷系数nmin到最大限制机动载荷系数nmax；包线边界上还包括VMN、VMX、VFF和VF对应点。
以上所述实施仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种灭火飞机的飞行机动包线设计方法,其特征在于，基于灭火飞机的设计特征和总体设计要求，计算灭火任务下的设计襟翼速度VF和制定设计灭火飞行速度VFF；基于使用场景的地形适应性和飞行安全性，计算并制定灭火任务下的机动载荷系数n；基于VF、VFF和n，制定并绘制飞行机动包线。
2.根据权利要求1所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤如下：
(1)依据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1，计算设计襟翼速度VF；
(2)依据灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX和设计襟翼速度VF，制定设计灭火飞行速度VFF；
(3)依据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，计算满足不同地形和使用模式的最大限制机动载荷系数nmax；
(4)基于灭火飞机的使用场景飞行安全分析，计算并制定飞机最小限制机动载荷系数nmin；
(5)依据上述VF、VFF和nmax、nmin，再结合总体设计要求中规定的最小投水空速VMN，以及飞机灭火构型的最大静法向力系数CNMAX，计算并绘制飞行机动包线。
3.根据权利要求2所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤(1)中，飞机设计襟翼速度VF计算过程如下：根据灭火飞机的设计重量、灭火任务襟翼偏度及其失速速度VS1；对灭火任务襟翼偏度下飞机最大设计起飞重量时的1.6VS1和投水后最大重量时的1.8VS1进行比较，取其较大者。
4.根据权利要求2所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤(2)中，飞机设计灭火飞行速度VFF比灭火飞机总体设计要求中规定的最大投水空速VMX大，并留有足够的速度余量，且不超过VF。
5.根据权利要求2所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤(3)中，飞机最大限制机动载荷系数nmax是根据灭火飞机的使用场景分析，以VFF作为设计参考速度，满足不同地形和使用模式下计算得到的。
6.根据权利要求5所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，飞机最大限制机动载荷系数nmax满足：在规定的山谷之间执行山坡下滑-直接灭火-拉起脱离和山坡倾斜转弯投水的机动载荷系数n的最小值要求。
7.根据权利要求2所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤(4)中，飞机最小限制机动载荷系数nmin的取值原则如下：根据灭火飞机的使用场景飞行安全分析，为避免不必要的低空掉高度撞地风险，设定其最小限制机动载荷系数nmin等于零。
8.根据权利要求2所述的灭火飞机的飞行机动包线设计方法，其特征在于，步骤(5)中，灭火飞机飞行机动包线的横轴速度范围是从总体设计要求中规定的最小投水飞行空速VMN到设计襟翼速度VF；纵轴的机动载荷系数n范围是从最小限制机动载荷系数nmin到最大限制机动载荷系数nmax；包线边界上还包括VMN、VMX、VFF和VF对应点。
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