现代民用飞机定型试飞方案

现代民用飞机定型试飞方案

王启星

中国飞行试验研究院

摘  要

飞行试验是集科学性、工程性和风险性于一体的系统工程。而定型试飞这一阶段则是风险最大、耗时最长、科目最多的试飞阶段。论文在飞行试验研究的必要性的基础上，借鉴国内外先进的技术，针对民用飞机的特点，按民航规范要求，设计了民用飞机的定型试飞科目，并对每一科目中检查项目及其参数要求进行了详细的定义和设计，最后结合大数据处理技术对试飞数据的处理方法进行分析与展望。

关键词：  飞行试验  定型试飞  试飞科目  数据处理

1 引 言

1.1研究背景及意义

对于现代民机进行投入生产前还需要进行飞行试验，对设计成型的飞机的参数进行检测。飞行试验贯穿于新型飞机研制的所有阶段，在调整试飞之后，新飞机将进入定型试飞。对经过调整试飞后的新飞机，发动机和机载设备等进行监测，为获取数据并鉴定其是否达到技术指标和使用要求而进行的试飞。在飞行试验中，一般会利用现有的或经专门改装的飞机，对不大成熟的新技术进行实验研究论证，解决原先研究中未曾解决的重大技术问题。当飞机可以进入定型试飞后，将飞机移交国家试飞中心，进行定型试飞，以检测飞机每一项参数，并给出鉴定意见。

2 试飞简况

2.1试飞机型

本次进行飞行试验的航空产品为大型民机。课题以919为例，对其定型试飞的方案进行讨论研究。根据定型试飞大纲，并在此基础上将试飞任务分成数个课题进行分组实施，并不断细化。

2.2试飞条件

试飞条件是进行科目试飞应具备的条件和方法。用于试飞的民机从机场起飞，搭载着试飞员和试飞工程师在规定高度区域内进行定速巡航。能见度不低于5千米，没有低云和侧风。在进行试飞时，机场其他飞机停止飞行，跑道清理干净，工作人员和交通工具应远离跑道。飞机起飞以后，试飞员根据试飞大纲到达指定的飞行高度，并在指定高度进行平稳飞行。试飞员根据控制台发出的指令对试飞科目进行逐条试验

3 飞行试验前的地面准备

3.1地面对飞机的初步检查

1. 检修并确定好飞行器的动力装置、电子系统以及试飞所需要的设备，检查其性能是否符合要求。检查系统、设备工作的稳定性、可靠性、故障安全性等。
2. 确定飞机在滑跑和离地时的稳定性以及操纵性，其动力装置、机载设备、电子系统是否稳定运行，以保证进行飞行试验的试验机起飞和着陆的安全性。

3.2对机组人员的确定

机组人员需要选择驾驶经验丰富的、经过特定训练的试飞员以及试飞工程师，以备在出现飞行故障时能够迅速的排查并处理问题。每位机组人员的配重为80，试飞员能做到熟练操纵飞机，检查飞机所有的电子系统和机载设备处于正常操纵和紧急操纵情况下的工作能力，使必要的自动装置进入工作状态。

3.3飞机地面准备工作

1. 检查飞行器系统、动力装置和机载设备的是否处于正常工作状态
2. 对油量表进行检验。
3. 检查飞行器所有功能系统的性能（包括操纵系统，自动控制系统，起飞着陆装置，机翼、减速板的机械操纵系统等），以及功能系统的故障安全性。
4. 修正和校验信息测量装置和实验设备、专用机载系统和专用设备。
5. 启动飞机APU和发动机，看是否稳定工作。

3.5飞机测量设备的准备

3.5.1设备组成

飞机上有专门的控制仪器、仪表等，汇集记录各种数据。设备会记录所必须的参数；高度速度特性、飞行距离和时间、稳定性、操纵性、机动性、起飞着陆特性等。

3.5.2测试设备的性能要求

选择设备时需要提前了解待测数据的可测范围，了解现有测量仪器的性能和技术要求。根据试验需要解决的问题和所需设备的测量精度，选择性能适合的设备仪器，测定他们在飞机上的所有配置方案，选出最佳方案。

为提高记录数据时的准确性，排除试验时的误差，对用于试验的飞机的设备应该有所要求：

1. 用于测量的设备仪器工作范围应该不超过待测参数的最大值。
2. 试验设备在飞机上的位置应该正确安装。
3. 试验设备和飞机飞行参数记录仪的频率应该达到一定值。
4. 确保试验设备能够正常运行，对试验设备能够做到及时校验等。

3.6.2开始试验 

在飞机滑跑和起飞过程中，有遥测拍摄记录飞机的飞行姿态，记录飞行轨迹。在跑道滑行时，按照规定的速度滑行。飞机在跑道完成滑跑，不断增加飞机的速度达到可以抬起前轮的程度，计算离地速度。

飞行试验需要检测：飞机在跑道滑跑和在空中飞行时驾驶杆的操纵性；作用在驾驶杆上力的大小和杆力的变化情况；飞机在空中的稳定性；以及在离地过程中，修正飞机相对跑道的起飞着陆位置。

4 飞机试验项目及参数的测定

4.1按照试飞大纲试验

飞机滑出跑道后，所有的检测设备都要保持正常工作，以达到对数据做到精准记录。

飞机起飞以后，按照预期规定的航线达到巡航高度，以一定的速度定直平飞，根据发出的指令，飞机做出相应的机动（放出机翼的前缘襟翼、襟翼、扰流板等），调整动力装置的工作状态检测其对飞机纵向、侧向平衡的影响。

4.2空速、高度、飞行M数

4.2.1空速的测量

飞机的空速、高度和飞行马赫数的测量需要专门的气压系统来测量。该系统由空速管（皮托管）和测量总压、静压的元件组成。空速管能够测量空气气流的总压和静压，将测量到的数据传送到大气数据计算机、飞行仪表盘上。根据仪表盘和计算机收集到的数据能够知道飞机所处的高度，速度等信息。空速管的前腔中央有总压孔，空气进入总压孔后速度逐渐减小，最后减为零，气流的动能转化为势能，该处的压力会上升，沿着空气管路将它传给仪表和记录器；空速管的静压孔位置安装在在空速管的后边，测到的静压沿着空气管路将它传给仪表和记录器。

4.2.2飞行高度测量

1. 用大气压判断飞机的高度

空气中的氧含量会随着高度的增加而减少，根据大气压的数值来确定飞机的飞行高度。

2. 用雷达传感器测定飞机的高度

飞机的腹部一般会安装有雷达高度传感器，通过向地面发射雷达信号，测量无线电波返回的时间就可以精准测量飞机的飞行高度。

4.2.3飞行M数的测量

飞行试验中，检测装置对飞行M数的计算，根据实验获的总压与静压计算M数

4.3定型试飞中飞机稳定性和操纵性的试验

为了保证飞行员对飞机驾驶的精准性，和飞机飞行的安全性，有一套自动控制系统保证在无飞行员干预的情况下能很快恢复到运动的初始状态。在飞行员操纵下能够让飞机很快恢复到平衡状态，不需要飞行员花费较大的力气和时间。

飞机“稳定性”是指飞机在无飞行员干预的情况下能够恢复到平衡运动状态，在外界气流干扰后或偶然不当的操纵引起扰动，偏离原运动状态而恢复到初始状态的能力。飞机“操纵性”是指飞机为响应飞行员所发出的命令，能够完成任何简单的、能量和时间消耗最少的飞行机动的能力。

4.3.1影响飞机的稳定性的因素

对于现代飞机，对飞机稳定性能产生影响的有：实际的飞行条件（包括速度，高度，马赫数，迎角，侧滑角），飞机的气动外形和重量布局，用自动装置实现的操纵系统所具有的飞机特性调节规律，飞机的结构弹性，动力装置的工作状态。以上因素对飞机稳定性的影响会造成在不同飞行条件下的表现形式也不同。

4.3.2影响飞机操纵性的因素

飞机的操纵性应在不同高度、攻角、侧滑角时，对不同飞行速度和马赫数的情况进行定量评价。良好的稳定性和操纵性会减轻飞行员对飞机的控制，减少能量消耗和驾驶飞行时间，能够提高驾驶的安全性和精确性。

4.3.3在飞行试验中需要测定

1. 速度和过载的航向静稳定性和纵向静稳定性，飞机纵向和侧向运动的平衡曲线。
2. 飞机的静操纵性指标。通常会使用以下指标来评价现代飞机静操纵性。

1）试飞员使用操纵装置将飞机从起始的平衡状态缓慢偏转一个较小角，当动力装置的工作状态保持不变，飞机不会进入极限飞行状态，可用（操纵性指标=表示试飞员作用的参数/表示飞机回应响应的参数）原则描述飞机静操纵性指标。

2）借助操纵装置使飞机相对缓慢的在飞机构型、定量、定中心、动力装置的工作状态、在起始巡航中保持操纵杆不变的情况下进入极限使用状态的指标，这一组飞机静操纵性指标，按（操纵性指标=为使飞机进入极限使用飞行状态试飞员施加在操纵杆上的力）的原则获得。

4.4飞机机动性试验

飞机的机动性是飞机重要的技术指标，指飞机在一定时间内改变飞行速度、飞行高度、飞行方向的能力。影响飞机机动性的因素有升阻比、推重比、翼载荷、最大升力系数。

在飞行试验时，需要检验试验机机动飞行。检验飞行的目的是：

1. 确定试验机机动性指标。
2. 鉴定机动飞行的简单程度和安全性。
3. 修正飞机极限飞行机动后的驾驶方法。
4. 在试验时记录飞机的飞行参数和试飞员的操纵参数、动力装置和设备的工作状态。
5. 飞机为在短时间内尽快改变运动状态所需的时间，飞机俯冲到拉起的机动性指标，将数据记录，测绘机动飞行的参数随时间的变化。

4.4.1速度机动性

平飞加减速能够检测飞机改变飞行速度的性能如何，平飞加速或者减速所需要的时间越短，则速度机动性越好。为了提高试验机的加速能力，应该减少起飞重量，加大发动机推力；当试验机减速时应该收小油门，打开襟翼减速板减速装置检测减速性能。

4.4.2高度机动性

高度机动性一般反映飞机改变飞行高度的能力。对于民航飞机不做定性要求，需要做到飞机的稳定安全。

4.4.3方向机动性

在检测飞机方向机动性时，可使飞机做“盘旋”机动。试验机在试验时应该增大迎角，以检测飞机的极限性能，飞机不能超过极限迎角飞行，否则会失速。

4.5飞机性能试验

4.5.1飞机爬升特性和静升限

进行试验时，给定不同高度，在每个高度上给定3-4个速度，速度可选定为0.6-0.8马赫数飞行速度完成飞机的爬升。在加速过程中，试飞员需要观察飞机的飞行高度，发动机状态和油耗，飞行速度，动力装置的工作状态和该处空气的温度等。

4.5.2飞机在不同高度下最大速度

飞机在不同高度下的最大速度是在给定了发动机工作状态下确定的，通过飞机在不同高度下，无侧滑稳定飞行下的最大飞行速度来获取初始值。

为将飞机的最大速度换算为标准大气条件，通常的方法有：“转速法”、“等效高度法”、“微分修正法”等。

4.5.3最大航程和最大续航时间

飞机油耗量和小时油耗量的曲线图能测定在气动外形、重心位置、动力装置、油箱储备给定时的航时和续航时间。当油耗，油储备和每一阶段的耗油率为已知的飞行条件下，可以很容易确定飞机飞行里程和每段时间上的航程和续航时间。

4.5.4飞机的起飞着陆特性

飞机的起飞着陆性能和许多因素有关，其中较为重要的是飞机推重比P/G，和翼载荷以及制动装置效率，起飞着陆最大升力系数，起飞着陆跑道状况。

4.6颤振

颤振属于一种气动弹性不稳定的现象，是弹性结构在非定常气动力，弹性力和惯性力耦合作用下发生的，颤振会使飞机结构损坏或者动荡，是一种承受非定常气动流结构弹性改变特有的现象，当飞机结构越轻，刚度变弱，速度增加时，这种现象会越来越明显。 对于颤振激励系统，在试验机飞控系统安装颤振激励信号，利用飞机已有的硬件系统激励飞机做出响应，这样能够节省试飞资源。飞机在高速飞行时会产生气动阻尼，会随着速度的增加而增大，颤振一旦发生无须外界力作用就会持续，在3-4个循环结构就会发生破坏。

飞机飞行包线内是不允许有颤振存在，对于民用飞机颤振试飞在设计之初就需要进行理论分析，风洞试验，定型试飞时也需要进行地面试验和颤振试验以检查其是否达到适航标准。

4.7飞行载荷测试

飞机的飞行高度、马赫数、迎角侧滑角等都能影响到飞行载荷试验结果，对于真实飞行载荷测量是很困难的，对于民用飞机会采用近似方法来测量飞机飞行载荷。对于采用风动试验或者根据同类型飞机数据确定的飞行载荷也同样是可靠的。飞行载荷测量的目的是测量飞机机翼，机身，尾翼等载荷，得到的数据用于：

1. 可用于确定飞机的飞行状态
2. 验证载荷分析方法
3. 对未来飞机的发展提供数据支持
4. 满足试航标准

4.8发动机试验

在试验台上需要对发动机的每个部件进行检查，检查是否达到设计指标，对发动机的推力，单位油耗量需要进行确定，检验是否达到设计要求。发动机测试试验得到的结果检测了发动机部件和整机性能的状况，也为验证和修改发动机设计依据提出宝贵意见。

在试飞前需要对飞机进行地面试验。地面试验需要在试验台进行。也需要进行模拟高空的情况，试验设备由可以控制进气条件、模拟环境压力和温度的高空仓，将发动机置于发动仓内控制空气参数，即可模拟在不同高度和飞行速度下的工作环境，检测到发动机的性能以及工作的可靠性。

6 总结

现代飞行试验事后得到的数据往往类型多样而且复杂，结构化与非结构化数据并存。工程师需要对众多数据同时进行处理，难免会造成信息数据不能做到有效的管理。对于现代飞机飞行试验数据的处理，则需要寻求新的试飞大数据处理技术。未来飞行器的发展必然是数字化，试飞数据量也会剧烈增加，我们应该按照大数据的理念，借鉴国外的技术，开展试飞大数据技术研究应用，满足大数据时代飞行试验的需求。

参考文献

[1] 张克荣 陈启顺 严京林 略论我国飞机飞行试验研究技术的发展，飞行试验

[2]周自全 飞行试验工程[M].北京：航空工业出版社，2010

[3]张云昊 白光辉 付秋军 欧洲典型再入飞行测试技术分析 空间物理重点实室，北京

[4]吴正勇 宋占成 《飞机设计手册》第21册 航空工业出版社