商用飛機不可用燃油量確定方法研究

趙士洋

【摘 要】商用飛機不可用燃油量是影響飛機營運空重的一個重要因素，運輸類飛機適航標準對不可用燃油量有專門的條款規(guī)定。本文對商用飛機的不可用燃油量的確定方法進行了研究。

【關(guān)鍵詞】商用飛機；不可用燃油量

0 前言

AC25-7A對不可用燃油量的解釋為：不可用燃油量為在飛機完成不可用油試驗后，使飛機處于水平地面上，可以從燃油箱排液口排出的燃油量。

運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4第25.959 條規(guī)定：每個燃油箱及其燃油系統(tǒng)附件的不可用燃油量必須制定為不小于下述油量：對于需由該油箱供油的所有預(yù)定運行和機動飛行，在最不利供油條件下，發(fā)動機工作開始出現(xiàn)不正常時該油箱內(nèi)的油量。不必考慮燃油系統(tǒng)部件的失效。

同時，運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4第25.1337（b）（1）條規(guī)定：每個燃油油量表必須經(jīng)過校準，使得在平飛過程中當油箱內(nèi)剩余燃油量等于按第25.959 條確定的不可用燃油量時，其讀數(shù)為“零”。

由此可見，商用飛機必須按照適航條款要求來確定不可用燃油量，并根據(jù)確定的不可用燃油量校準燃油油量表，以確保飛機燃油量指示準確可靠。確定商用飛機不可用燃油量的適航驗證活動也是圍繞CCAR-25-R4第25.959 條與第25.1337（b）（1）的要求來進行的。

1 設(shè)計要求

由于商用飛機的突出載人、載物的需求，所以對飛機的整機重量有一定的要求，飛機的整機重量對航程與商載有著重要影響，商用飛機的設(shè)計師們也不遺余力地降低每一克多余飛機重量。不可用燃油量屬于貯存在飛機油箱內(nèi)且無法提供給發(fā)動機消耗的那部分燃油，屬于營運空重的一部分，所以為降低營運燃油消耗成本，要盡可能地將不可用燃油量降至最低。在飛機燃油箱與燃油系統(tǒng)設(shè)計時，就必須制定最大的不可用燃油量指標，并按該不可用燃油量指標要求指導(dǎo)油箱結(jié)構(gòu)以及燃油系統(tǒng)管路、設(shè)備的布置。

2 分析方法

針對飛機設(shè)計時確定的整機不可用燃油量指標，需要在基本確定油箱結(jié)構(gòu)數(shù)模的時候進行不可用燃油量分析，以獲取理論的不可用燃油量數(shù)值。如分析結(jié)果顯示不可用燃油量小于等于設(shè)計給定的不可用燃油量指標，則可以進行下一步詳細設(shè)計工作；如分析結(jié)果顯示不可用燃油量遠遠大于設(shè)計給定的不可用燃油量，則需要重新考慮對油箱結(jié)構(gòu)模型或燃油系統(tǒng)設(shè)備布置進行相應(yīng)調(diào)整。

2.1 燃油箱載油模型

商用運輸類飛機的燃油一般貯存在飛機機翼與機身內(nèi)的整體油箱內(nèi)。機翼與機身內(nèi)油箱結(jié)構(gòu)根據(jù)總體設(shè)計要求來確定，在結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計出初步的燃油箱結(jié)構(gòu)時，便可以根據(jù)油箱結(jié)構(gòu)進行初步的載油量與不可用燃油量分析。

在進行載油量與不可用燃油量分析時，利用結(jié)構(gòu)油箱數(shù)模，在商用建模軟件CATIA中提取出油箱內(nèi)膜面，再利用內(nèi)膜面生成燃油載油部分數(shù)模。由于油箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含肋板、口蓋、長桁、壁板、油箱內(nèi)管路及設(shè)備等眾多部位，提取的油箱內(nèi)膜面數(shù)量往往數(shù)以千計且曲面不規(guī)則。即使全部提取出這些內(nèi)膜面，仍然是無法直接生成燃油實體模型，需要對眾多局部細節(jié)進行修補方可生成。這部分內(nèi)膜面的提取與修補的工作目前基本由人工手動完成，工作量極大，目前國內(nèi)商用飛機設(shè)計單位尚未具備自動生成油箱載油部分數(shù)模的專用工具。

2.2 油面角確定

適航條款25.959條中對不可用燃油量的界定中提到了“所有預(yù)定運行和機動飛行”、“最不利供油條件”等關(guān)鍵詞，申請人在試驗與試飛時一般按平飛、爬升、下降、側(cè)滑等飛機姿態(tài)來確定不可用燃油量，并以這四種典型狀態(tài)下獲得的最大不可用燃油量數(shù)值校準油量表。

飛機在垂直剖面內(nèi)飛行時，飛機的傾斜角為0，同時在飛機傾斜方向上不存在過載，故傾斜方向上的油面角均為零。在垂直剖面內(nèi)飛行時，飛機姿態(tài)主要有平飛、爬升及下降，相應(yīng)的油面示意圖分別如圖1、圖2和圖3所示，圖中所示的符號說明見表1。

表1 符號說明

2.2.1 平飛狀態(tài)

2.2.2 爬升狀態(tài)

2.2.3 下降狀態(tài)

2.2.4 側(cè)滑狀態(tài)

側(cè)滑狀態(tài)下，可認為飛機在水平剖面內(nèi)飛行，考慮按照傾斜帶側(cè)滑直線飛行時能夠保持的最大傾斜角來確定燃油箱內(nèi)的油面角。

在計算側(cè)滑狀態(tài)下的油面角時，考慮飛機按照起飛階段、巡航階段、進近階段及著陸階段等來進行計算，并考慮不同的飛機重量與飛機重心情況，從而得出在側(cè)滑狀態(tài)下不同組合情況下的飛機油箱內(nèi)的油面角。

2.3 不可用燃油量計算

在根據(jù)2.1節(jié)獲得燃油箱載油模型及根據(jù)2.2節(jié)獲得燃油油面角后，即可利用獲得的油面角與油箱載油模型分析獲得理論的油箱不可用燃油量，一般的不可用燃油量計算分析步驟如下：

a）按2.1節(jié)所述，利用油箱內(nèi)形面圍成一個實體，去除油箱結(jié)構(gòu)等所占體積；

b）按2.2節(jié)所述，通過飛機姿態(tài)和過載確定油面角；

c）根據(jù)發(fā)動機工作狀態(tài)，確定供油系統(tǒng)不能抽吸的油面位置；

d）使用不可用油面切割油箱圍成的幾何實體，測量余下的數(shù)模體積；

e）相同原理根據(jù)放沉淀閥安裝位置切割出不可放油量（不可放油量：無法通過油箱上的放油槽放出的燃油）；

f）用步驟d）中切割出的燃油量減去不可放油量即為不可用燃油量。

如下圖4所示，為油箱內(nèi)不可用燃油量分析示意圖，該分析結(jié)果綜合考慮了燃油箱載油模型、油面角、燃油泵及放油槽的安裝位置等因素。

圖4 不可用燃油量分析示意圖

3 試飛確定方法

盡管可以通過理論分析計算得出飛機燃油箱的不可用燃油量，但最終的用來校準飛機油量表的不可用燃油量數(shù)據(jù)仍然需要通過試飛進行實際驗證，特別是對油箱預(yù)計使用范圍內(nèi)確定的最大不可用燃油量及姿態(tài)進行試飛驗證。試飛中應(yīng)考慮以下一些因素：

（1）預(yù)期在飛機正常進近和著陸中出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)側(cè)滑；

（2）對于具有高速俯仰和橫滾操縱能力的飛機，應(yīng)考慮突然的機動動作影響；

（3）以最大加速率和能達到最大俯仰姿態(tài)的最大上仰速率復(fù)飛；

（4）燃油晃動對不可用燃油量的影響。

4 總結(jié)

本文對商用飛機不可用燃油量的概念及相關(guān)的適航條款進行了介紹，并重點介紹了不可用燃油量的理論計算方法，最后簡要闡述了不可用燃油量試飛時需要考慮的相關(guān)因素。

【參考文獻】

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