民機空中最小操縱速度敏感性和試飛技術(shù)研究

中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司試飛中心 杜光明

空中最小操縱速度是確定飛機安全飛行速度限制(如VR、V2min等)時要用到的幾個基準(zhǔn)值之一，它的確定與飛機的操縱性密切相關(guān)，因此，飛機的空中最小操縱速度準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到飛機能否安全飛行。CCAR-25-R4對民用運輸類飛機空中最小操縱速度提出了具體要求，如何正確理解條款規(guī)定、把握條款的內(nèi)涵成為準(zhǔn)確確定飛機最小操縱速度的基礎(chǔ)。同時，影響空中最小操縱速度的因素較多，本文在對非對稱推力狀態(tài)下飛機受力分析的基礎(chǔ)上，抓住影響空中最小操縱速度的主要因素進行分析，并從飛行試驗的角度，對空中最小操縱速度確定時的試飛方法、風(fēng)險分析和安全措施進行詳細介紹，并以某型飛機飛行試驗結(jié)果為例，進行了數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，為其他型號飛機空中最小操縱速度等非對稱推力試飛科目提供重要經(jīng)驗和參考。

1 條款要求和理解

民用航空規(guī)章對空中最小操縱速度的要求為CCAR-25-R4.149(b)、(c)和(d)條。

§25.149(b)界定了空中最小操縱速度VMCA的含義和目的，反映了飛機在起飛爬升期間出現(xiàn)非對稱推力狀態(tài)時飛行員需要面對的2個操縱性問題： (1)發(fā)動機停車后立即恢復(fù)對飛機的操縱；(2)發(fā)動機停車狀態(tài)下保持飛機穩(wěn)定直線飛行時的操縱。

§25.149(c)和(d)對確定VMCA時的條件、驗證內(nèi)容進行了闡述。確定VMCA時主要考慮的條件包括發(fā)動機工作狀態(tài)、飛機重心位置、重量、高度、構(gòu)型等，VMCA試驗時需要驗證的內(nèi)容隱含了對上述2個操縱性問題的要求。條款同時對試驗時方向舵腳蹬力、姿態(tài)變化、飛行員駕駛技能等提出了定量或定性的要求。

AC25-7B中還指出，確定VMCA時應(yīng)充分考慮燃油不平衡對橫向操縱的影響。

2 影響因素分析

在進行VMCA試驗時，飛機處于非對稱推力狀態(tài)，飛機所受側(cè)力、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩的平衡方程可以寫作(為簡化計算，假設(shè)Cnδa≈ 0、Clδr≈ 0、sinφ≈φ、cosφ≈ 1)：

側(cè)力方程

偏航力矩方程

滾轉(zhuǎn)力矩方程

式中：β為側(cè)滑角(°)；φ為滾轉(zhuǎn)角(°)；δr為方向舵偏度(°)；δa為副翼偏度(°)；Cnδa為偏航力矩系數(shù)對副翼偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Clδa為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對副翼偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cnδr為偏航力矩系數(shù)對方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Clδr為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cyδr為側(cè)力系數(shù)對方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cyβ為側(cè)力系數(shù)對側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°);Clβ為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cnβ為偏航力矩系數(shù)對側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°)。

(1)飛機重量和滾轉(zhuǎn)角。條款要求，確定空中最小操縱速度時要求滾轉(zhuǎn)角不大于5°。通常情況下，在飛行試驗中，確定VMCA時滾轉(zhuǎn)角通常向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)3°～5°。之所以將滾轉(zhuǎn)角限定在上述較小范圍內(nèi)，是因為考慮到飛行員和乘客(如果是民航客機)的感受和飛機在起飛時的幾何限制(起飛時滾轉(zhuǎn)角過大可能會使飛機翼尖觸地)。

(2)發(fā)動機推力、高度和溫度。進行VMCA試驗時，要求工作發(fā)動機推力為最大推力。非對稱推力越大，保持直線飛行所需用的方向舵偏度越大或者要求的空速越高[1]。

如果發(fā)動機推力對空氣密度(高度)和溫度敏感，那么增加試驗高度會減小發(fā)動機推力。如果發(fā)動機在較高的高度失效，相對于發(fā)動機失效后方向舵效能的降低，非對稱推力會更小，實際的VMCA也會降低。

如果外界溫度升高，發(fā)動機推力會下降[2]，實際的VMCA也會降低。如果發(fā)動機推力隨空氣密度、溫度變化較多，實際的VMCA也會變化較大。這也是制造商在飛行手冊中要提供不同高度下VMCA隨溫度變化曲線的原因。

(3)飛機重心位置。飛機的縱向重心和橫向重心都會對VMCA產(chǎn)生影響。

縱向重心位置。在VMCA試驗中，縱向重心通常為后重心，這是最嚴(yán)酷的重心位置。在后重心，從重心到方向舵?zhèn)攘Φ牧Ρ圩疃蹋藭r方向舵操縱效能最低。其他任何重心位置都會增加重心到方向舵?zhèn)攘Φ牧Ρ?，從而降低方向舵偏度或采用更低的空速來平衡非對稱力矩。

橫向重心位置。橫向重心位置也會也會影響VMCA。如果飛機橫向重心向停車發(fā)動機方向偏離，那么飛機的非對稱推力的力臂會增加，從而非對稱力矩也會增加，要保持直線飛行，必須增加方向舵或副翼偏度或提高速度，這都會影響VMCA。因此，AC25-7B規(guī)定，必須在飛行手冊允許的最大燃油不平衡狀態(tài)下進行試驗。

(4)螺旋槳的狀態(tài)。對螺旋槳發(fā)動機來說，如果發(fā)動機失效后螺旋槳未能順槳，會產(chǎn)生更大的阻力[3]，從而產(chǎn)生更大的非對稱力矩，這就需要更大的方向舵偏度或更高的空速來平衡非對稱力矩。

(5)失速速度。有些飛機的VMCA會小于失速速度，如圖1所示，在飛機向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)5°時，飛機的VMCA一直小于失速速度，在這種情況下，可以采用換算的方法得到飛機向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)5°時的VMCA。

3 試飛方法和安全

3.1 試飛方法

試驗狀態(tài)：飛機重量/重心為小重量/后重心；飛行高度為1～3km；飛機構(gòu)型：起飛。

發(fā)動機狀態(tài)：臨界發(fā)動機停車、其余發(fā)動機最大起飛功率或按需。

試驗步驟：

圖1 飛機重量和滾轉(zhuǎn)角對VMCA的影響Fig.1 Aircraft weight and roll angle have all effect on VMCA

(1)確定臨界發(fā)動機。在給定速度配平飛機,收一側(cè)發(fā)動機到慢車，其他發(fā)動機最大起飛功率，保持機翼水平并維持航向緩慢減速直到方向舵滿偏，變化左、右側(cè)發(fā)動機,重復(fù)上述步驟，方向舵滿偏時需要較大速度的發(fā)動機為臨界發(fā)動機。

(2) 確定靜態(tài)VMCA。發(fā)動機最大起飛功率，在1.13VSR配平飛機，臨界發(fā)動機收到慢車或停車，按照下述操縱方法使飛機直線減速，直到出現(xiàn)下述現(xiàn)象之一：

飛機航向無法保持；方向舵腳蹬力達到667N(68kg，150磅)；方向舵或副翼達到滿偏；飛機沒有不正常的響應(yīng)(抖振、擺動趨勢、機翼自動傾斜、不能保持飛行狀態(tài)等)。

操縱方法：做直線飛行減速，保持機翼水平，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機橫向操縱性(向工作的發(fā)動機一側(cè)壓20°坡度)。評定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

繼續(xù)做直線飛行減速，向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)3°，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機橫向操縱性(在原有滾轉(zhuǎn)角基礎(chǔ)上向工作的發(fā)動機一側(cè)壓20°坡度)。評定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

繼續(xù)做直線飛行減速，向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)5°，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機橫向操縱性(在原有坡度基礎(chǔ)上向工作的發(fā)動機一側(cè)壓20°坡度)。評定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

恢復(fù)速度到1.13VSR(必要時可在更高速度開始試驗)，向停車發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)3°～5°，做直線減速，維持此速度10s并做記錄。

(3)動態(tài)演示。發(fā)動機最大起飛功率，在1.13VSR配平飛機，調(diào)整空速到稍大于上述確定的靜態(tài)VMCA，臨界發(fā)動機停車，操縱飛機恢復(fù)到初始航向；要求航向變化≤20°，方向舵腳蹬力≤667N，飛機不得出現(xiàn)任何危險的姿態(tài)，不需要特殊的駕駛技巧、機敏或體力。逐步減小發(fā)動機停車時的速度，直到靜態(tài)VMCA或上述其他情況之一出現(xiàn)。

3.2 風(fēng)險分析和安全措施

(1)風(fēng)險分析。按照相關(guān)規(guī)定，空中最小操縱速度試飛風(fēng)險等級為Ⅰ級?？罩凶钚〔倏v速度試驗的主要風(fēng)險為：發(fā)動機故障、機械故障、供油不足、長時間在低速大油門下工作；飛機失控：飛機失速或偏離；結(jié)構(gòu)破壞：出現(xiàn)大側(cè)滑狀態(tài)，垂尾或方向舵破壞；改出時超出飛行包線、超過飛機襟翼/起落架等結(jié)構(gòu)限制。

(2)主要安全措施。為化解或降低試驗風(fēng)險，在進行試驗時采取的主要安全措施為：

加強理論分析，包括風(fēng)洞試驗、理論計算分析結(jié)果等內(nèi)容，要求對可能出現(xiàn)的復(fù)雜飛行狀態(tài)進行全面理論分析并提供可行的解決方案；對機組人員的培訓(xùn)要到位，要完成模擬器演練；嚴(yán)格控制試驗條件，保證試驗的成功率。

保障條件要充分、到位。機組人員要相對固定，機組之間加強協(xié)調(diào)和分工；試驗空域氣象條件要好，空域內(nèi)最好無高山和高大建筑物，人煙稀少；機務(wù)和場務(wù)工作按照Ⅰ類風(fēng)險科目要求；加強對飛機的檢查；座艙內(nèi)加裝座艙顯示器。

循序漸進進行試驗。加強試驗前準(zhǔn)備和演練，試驗前完成操縱系統(tǒng)地面試驗、發(fā)動機停車和起動檢查；機組完成應(yīng)急離機地面演練；空中最小操縱速度試驗前應(yīng)完成失速檢查、大側(cè)滑情況下飛機工作情況檢查、發(fā)動機空中停車和空中起動檢查、非對稱推力狀態(tài)下飛機的操縱性和穩(wěn)定性檢查，可以用發(fā)動機小油門狀態(tài)模擬發(fā)動機停車來提高試驗安全系數(shù)。

試驗時逐步增加蹬舵量，緩慢減速，密切觀察飛機反應(yīng)，遇到非正常情況立即改出；完成數(shù)據(jù)分析和飛機檢查，并形成可繼續(xù)飛行的結(jié)論后，方可繼續(xù)進行試驗。

4 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

圖1所示為B707飛機VMCA隨重量和滾轉(zhuǎn)角變化數(shù)據(jù)[4]，這些數(shù)據(jù)基于飛機氣動導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)計算得到，在1發(fā)停車、其余發(fā)動機最大起飛功率、起飛構(gòu)型、1g直線飛行條件下計算得到的。從圖中可以看出：

(1)飛機向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)5°時，計算得到的VMCA低于相應(yīng)狀態(tài)的失速速度；

(2)飛機向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)時，VMCA隨重量增加而減小；

(3)在機翼水平情況下，VMCA不隨重量變化而變化，機翼水平狀態(tài)下的VMCA遠大于向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)情況下的VMCA；

(4)在同樣重量下，隨飛機向工作發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)角度增加，VMCA逐漸減??；

(5)如果飛機向停車發(fā)動機方向滾轉(zhuǎn)，VMCA將會大幅增加，且VMCA隨重量增加而增大。

5 結(jié)束語

在充分理解空中最小操縱速度相關(guān)規(guī)章條款和分析非對稱推力狀態(tài)下飛機受力的基礎(chǔ)上，著重研究了影響空中最小操縱速度的主要因素，對飛行試驗中的試飛方法、風(fēng)險分析和安全措施進行了總結(jié)和歸納，為其他型號飛機進行空中最小操縱速度等非對稱推力試驗科目提供經(jīng)驗和參考。

[1] Anderson J D，空氣動力學(xué)基礎(chǔ).北京：航空工業(yè)出版社,2010.

[2] 劉永泉.航空動力技術(shù)發(fā)展展望.航空科學(xué)技術(shù), 2011(4)：1-3.

[3] 鄭連興，任仁良.渦輪發(fā)動機飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)(AV)上冊.北京：兵器工業(yè)出版社,2006.

[4] Harry Horlings.Airplane control after engine failure.AvioConsult,2005.