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发动机失效后飞机气动载荷的研究
 
 
张勇
摘 要：通过分析某装有4台涡轮螺旋桨发动机飞机的算例，研究了多发飞机的临界发动机失效后，飞机气动载荷的确定方法。在CCAR-25中， 
 
发动机失效后飞机气动载荷的研究
 
 
张勇
摘 要：通过分析某装有4台涡轮螺旋桨发动机飞机的算例，研究了多发飞机的临界发动机失效后，飞机气动载荷的确定方法。在CCAR-25中，。非对称载荷受载是多发飞机重要的强度设计内容之一，它往往构成垂尾、方向舵和后机身等严重载荷。为了正确理解和贯彻CCAR-25中的有关规定，现以某装有4台涡轮螺旋桨发动机的飞机为
例，研究不同情况下发动机失效后飞机气动载荷，并给出了不同情况下飞机发动机停车后飞行姿态及其载荷的计算仿真过程。
Key：临界发动机；气动载荷；发动机失效；仿真计算
：V231 ：A DOI：.
1 坐标系
计算采用机体坐标系，原点O为飞机重心；纵轴Oxt平行机身轴线，指向机身前方；竖轴Ozt在飞机对称面内，垂直于Oxt指向下（当飞机处于正常飞行状态时）；横轴Oyt垂直于飞机对称面，指向右。
2 计算原理
发动机失效意味着发动机推力的丧失，有时还有可能产生反推力或阻力。因此，飞机必须按照由临界发动机失效引起的非对称载荷进行设计。假设右外发失效，因为发动机失效诱导的偏航运动基本上是平面运动，所以，可以采用横侧小扰动线化运动方程。
在CCAR-（a）（1）条款中，因为燃油流动中断引起的发动机推力衰减过程要缓慢一些，所以，此时产生的非对称载荷为限制载荷。在（a）（2）条款中，由于发动机的损毁，推力衰减过程会很剧烈，甚至会产生大的负推力，同时，产生的非对称载荷也相当大，所以，便将这种载荷直接作为极限载荷。
根据英国空军和海军飞机设计要求，多发飞机在1台发动机突然停车后，略去滚转，仍能相当准确地求得侧滑角及其垂尾载荷，所以，用二自由度的方程计算发动机失效状态下的飞行载荷是完全可行的。
基准运动取发动机故障前的纵向定常平飞直线运动，并且不考虑发动机故障后纵向运动参数的变化。计算采用二自由度方程描述，二自由度方程见Reference[3]发动机失效部分。
3 算例和仿真结果
以某装有4台涡轮螺旋桨发动机的飞机为例，发动机失效后，按照上述规定计算燃油流动中断和发动机损毁2种情况。在燃油中断和发动机损毁这2种不同情况下，飞机的侧滑角和角速度变化对比曲线如图1所示，飞机的拉力衰减曲线和垂尾载荷如图2所示。
4 结论
由计算结果可知：①从图1中可以看出，当临界发动机发生故障时，如果驾驶员不参与操纵，只需2～3 s就可以达到最大侧滑角。当海拔较低、飞机飞行速度较低时，发动机会在最大功率状态下停车，飞机出现较大的侧滑角。此时，垂尾载荷主要由侧滑角贡献，如图2所示。所以，垂尾载荷比较大。当海拔较高、飞机飞行速度较大时，则相反。由此可知，飞机的转动惯量越大，重心越靠后，计算出的垂尾载荷也就越大。②由图1、图2所示，如果发动机发生故障， s时驾驶员用力猛蹬方向舵，此时，产生的垂尾