民用飛機(jī)溫度包線設(shè)計(jì)研究

毛旭明

【摘 要】民用飛機(jī)的運(yùn)行安全一直是民機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。而關(guān)于飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境，尤其是對(duì)大氣溫度環(huán)境的研究是非常重要的一環(huán)，這不僅僅決定了民用飛機(jī)運(yùn)行安全性，同時(shí)也是民用飛機(jī)能力的體現(xiàn)之一。本文通過對(duì)溫度包線設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，包括溫度包線基本要素，環(huán)境數(shù)據(jù)等，給出繪制原則，并與幾種典型溫度包線進(jìn)行對(duì)比分析，確定方法的合理性，對(duì)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)具備借鑒和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】溫度包線；溫度數(shù)據(jù)；包線設(shè)計(jì)

0 引言

民用飛機(jī)溫度包線作為飛機(jī)包線之一，是反映其對(duì)溫度環(huán)境適應(yīng)性的體現(xiàn)，同時(shí)也是影響飛機(jī)安全的重要指標(biāo)。溫度包線又稱環(huán)境包線，因其反映了飛機(jī)運(yùn)行過程中所能經(jīng)受外界環(huán)境溫度范圍的能力，故稱溫度包線。高低溫環(huán)境雖然是最常規(guī)的飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境因素，其重要性卻不言而喻。高低溫環(huán)境是飛機(jī)運(yùn)行時(shí)時(shí)刻刻都面臨的環(huán)境，極端情況下還會(huì)對(duì)飛機(jī)各個(gè)部件和系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，如高溫造成系統(tǒng)工作性能下降甚至故障，低溫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)某些材料的能力下降和系統(tǒng)無法啟動(dòng)等等，若忽視對(duì)溫度環(huán)境的研究，還會(huì)對(duì)飛機(jī)造成各種限制，影響飛機(jī)的正常使用。鑒于溫度環(huán)境的重要性，需要在飛機(jī)方案設(shè)計(jì)階段繪制溫度包線，并為飛機(jī)性能、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、系統(tǒng)或機(jī)載設(shè)備等設(shè)計(jì)的提供輸入[1]。溫度包線的制定，不僅來源于市場(chǎng)的需求，同時(shí)還受到飛機(jī)運(yùn)行所可能經(jīng)歷溫度環(huán)境的影響，合理的設(shè)計(jì)溫度包線，不僅能夠在現(xiàn)有設(shè)計(jì)能力范圍內(nèi)最大化的降低研發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能最大化提高飛機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，由于飛機(jī)作為一個(gè)多學(xué)科集成的高科技產(chǎn)品，其研發(fā)周期長(zhǎng)和風(fēng)險(xiǎn)較大的特點(diǎn)決定了溫度包線設(shè)計(jì)的重要性。

本文通過溫度包線實(shí)例，分析溫度包線的基本要素，研究溫度包線的設(shè)計(jì)方法，選取相關(guān)溫度數(shù)據(jù)和機(jī)場(chǎng)高度信息等，給出包線繪制原則，并與幾種典型的溫度包線進(jìn)行對(duì)比分析，為今后的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)提供支持。

1 民用飛機(jī)溫度包線分析

民用飛機(jī)溫度包線，需要反映出民用飛機(jī)使用的環(huán)境，包括溫度和壓力高度。民用飛機(jī)溫度包線包含這幾點(diǎn)：a）包線是溫度和壓力高度的曲線；b）包線可以直接反映出飛機(jī)運(yùn)行所經(jīng)歷溫度的高溫和低溫極值范圍，以及飛機(jī)的運(yùn)行高度范圍；c）包線還需要反映飛機(jī)起降的溫度及高度范圍。

首先根據(jù)溫度包線所包含的幾個(gè)要素，確認(rèn)飛機(jī)的升限，選擇合適的大氣溫度數(shù)據(jù)，以及機(jī)場(chǎng)的高度等，這些數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)溫度高度包線的基礎(chǔ)。飛機(jī)升限，由于不是溫度包線所確定，本文將不包含飛機(jī)升限如何確定的內(nèi)容，默認(rèn)在溫度高度設(shè)計(jì)時(shí)已知。溫度數(shù)據(jù)根據(jù)飛機(jī)擬運(yùn)行區(qū)域等，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，選取所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)引入大氣模型。飛機(jī)起降限制主要依據(jù)飛機(jī)運(yùn)行所需要覆蓋的機(jī)場(chǎng)高度來給定。

2 溫度高度包線設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)運(yùn)行區(qū)域通常需要根據(jù)市場(chǎng)定位確定，可選取國(guó)內(nèi)或世界范圍的數(shù)據(jù)[3][4]進(jìn)行溫度包線設(shè)計(jì)。本文使用MIL-HDBK-310標(biāo)準(zhǔn)中世界范圍地表溫度數(shù)據(jù)以及世界范圍大氣環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中第5冊(cè)民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)里關(guān)于飛機(jī)環(huán)境的建議，地面大氣壓力應(yīng)在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和59.5kPa（8.63lbf/in2）（海平面以上4300m）之間。飛行環(huán)境大氣壓力應(yīng)在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和17.8kPa（2.54lbf/in2）（海平面以上12500m）之間。依據(jù)這部分指導(dǎo)意見，本文大氣環(huán)境數(shù)據(jù)高度方向上只列出16km以下的溫度極值。

將MIL-HDBK-310全球范圍1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的大氣溫度高、低溫極值的部分?jǐn)?shù)據(jù)羅列如下，并計(jì)算出相應(yīng)的壓力高度，見表1。

將1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的對(duì)應(yīng)壓力高度的溫度高低溫極值在溫度高度坐標(biāo)系中給出，溫度點(diǎn)分布見圖1。

為了更好的分析使用數(shù)據(jù)，引入5種標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度模型[6]，并與溫度極值進(jìn)行比對(duì)，見圖2。這5種大氣溫度模型是在針對(duì)不同區(qū)域氣溫的均值制定的，其溫度變化率在溫度包線設(shè)計(jì)中可提供參考價(jià)值。

首先假設(shè)市場(chǎng)的需求將飛機(jī)的升限定為40000ft。根據(jù)圖上高溫和低溫極值分布，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，可以看出高低溫極值分布分別與熱帶高溫均值模型和極地、溫帶低溫均值模型的變化趨勢(shì)基本一致，大氣環(huán)境溫度極值適用于定義飛機(jī)飛行邊界，采用ISA+35線以覆蓋所有高溫極值邊界。需要注意的是，因?yàn)閰⒄樟藝?guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，ISA+35只適用到36086ft高度。0壓力高度附近低溫極值為-61℃，且高于0壓力高度，取0壓力高度處的低溫極值為-62℃，高空溫度極值出現(xiàn)的最低值為-74℃（16km高度低溫極值記錄-86℃偏離均值模型較大，且出現(xiàn)在較高的高度，可不予考慮），綜合分析取-74℃作為飛機(jī)飛行環(huán)境低溫極值，參考極地低溫均值模型恒溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將包線低溫極值轉(zhuǎn)折點(diǎn)定為35000ft，高于此高度的溫度恒定為低溫極值-74℃。連接這兩點(diǎn)形成低溫邊界以覆蓋所有低溫極值點(diǎn)。

需要說明的是，低溫極值邊界沒有根據(jù)極地低溫均值模型繪制，假如為了包含所有低溫極值點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致低溫邊界極值遠(yuǎn)低于低溫極值數(shù)據(jù)，且大氣模型屬于理想情況下的繪制的曲線，其存在“拐折”的特點(diǎn)，使得目前尚無法通過已有數(shù)據(jù)確定較合理的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此為了包線涵蓋所有低溫點(diǎn)以及包線便于設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度考慮，采用連線方式形成低溫極值邊界。

下面考慮飛機(jī)地面的溫度極值，根據(jù)MIL-HDBK-310中地表溫度極值數(shù)據(jù)分析，55℃為60年一遇的地表高溫極值，高于1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率高溫極值，綜合考慮采用55℃作為0壓力高度高溫極值。鑒于DO160中對(duì)于低溫耐受溫度為-55℃，與10%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率極值-54℃接近，故可采用-54℃作為0壓力高度低溫極值，高溫極值邊界參考標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，采用ISA+40？C線作為地面高溫極值邊界，低溫極值根據(jù)極地低溫均值模型，以及保守考慮將-54℃溫度線作為地面低溫極值邊界。起降高度上限根據(jù)目標(biāo)航線所覆蓋的最高機(jī)場(chǎng)高度來給定，假定拉薩貢嘎機(jī)場(chǎng)作為運(yùn)行的高高原目標(biāo)機(jī)場(chǎng)，其海拔高度為3600m。一般情況下航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)推薦使用1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率氣壓極值[5]。MIL-HDBK-310中1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率大氣壓極值數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)氣壓模型公式以及線性內(nèi)插法[4]獲得3600m高度附近的大氣壓高壓和低壓值近似為677kPa和588.4kPa，對(duì)應(yīng)的氣壓高度分別為10741ft和14289ft，考慮后期適航驗(yàn)證，可將飛機(jī)起降上限定義為13500ft，起降高度下限可采用MIL-HDBK-310高氣壓極值1083.8kPa對(duì)應(yīng)的氣壓高度為-1873ft來給定，取整-2000ft。

根據(jù)以上原則繪制出最終的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)溫度包線，見圖3。

3 溫度包線與各機(jī)型對(duì)比分析

如下給出典型飛機(jī)的溫度包線[2]，見圖4。

從圖4所示溫度包線可以看出，本文所繪制的溫度包線所包含的基本要素與現(xiàn)有機(jī)型的溫度包線相類似，能夠完整的反映飛機(jī)氣壓高度和溫度的限制。

如典型的溫度包線所示，高溫極值線幾乎都是與世界范圍飛機(jī)升限以下1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率高溫極值走勢(shì)相同，而高溫極值邊界線“不約而同”的在一定高度出現(xiàn)“臺(tái)階”，佐證了本文中包線“臺(tái)階”的合理性，但是包括樣例在內(nèi)的很多機(jī)型溫度包線的“臺(tái)階”所對(duì)應(yīng)的高度各有不同。低溫極值邊界線多采用直線繪制包含幾乎所有飛機(jī)升限以下1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率低溫極值。升限如前所述，為溫度包線的輸入，因此不再深入探討，起降高度上限可以推斷是根據(jù)目標(biāo)機(jī)場(chǎng)高度來定的，因此存在不同的高度設(shè)定。起降高度的壓力高度均在0壓力高度以下，數(shù)值有所不同，典型溫度包線將-2000ft定為起降高度下限，本文中描述的方法與之吻合。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的研究，根據(jù)民用飛機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)如何設(shè)計(jì)飛機(jī)溫度包線的方法進(jìn)行了探討，包括邊界制定的原則和方法，以及對(duì)數(shù)據(jù)的篩選和處理等，并依據(jù)此原則給出溫度包線的實(shí)例。隨后通過研究對(duì)比典型民用飛機(jī)溫度包線，證明了本文所述溫度包線設(shè)計(jì)方法的合理性和可行性，可用于新型號(hào)民用飛機(jī)的溫度包線設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)民用飛機(jī)航空局.CCAR-25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空局，2011.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3]FSA ENVR， MIL-STD-310， Global Climatic Data for Developing Military Products[S]， FSA ENVR，1997.

[4]中華人民共和國(guó)第三機(jī)械工業(yè)部.氣候極值、大氣溫度極值[S].部標(biāo)準(zhǔn)，HB5652·1-81.

[5]中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部.氣候極值、大氣壓力極值[S].部標(biāo)準(zhǔn)，HB5652.2-84.

[6]Physical properties of design atmospheres， 01 AUG 1992， ESDU78008.

[責(zé)任編輯：張濤]