民用飛機(jī)偏航機(jī)動飛行載荷適航技術(shù)研究

高昊潼

【摘 要】民用飛機(jī)飛行必須保證飛機(jī)符合最低安全要求，即適航標(biāo)準(zhǔn)。對飛行載荷專業(yè)來說，進(jìn)行載荷設(shè)計計算以表明對適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性，是一個極其重大的課題。飛行載荷設(shè)計人員要表明對適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性，順利地通過適航取證，需要對適航技術(shù)進(jìn)行仔細(xì)研究。本文選取了偏航機(jī)動適航條款為研究對象，對其條款的理解和符合性驗證方法進(jìn)行了深入的研究和探討。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；飛行載荷；偏航機(jī)動；適航取證

Analysis and Research on the Airworthiness Technology of the Yawing Maneuver of Flight Load for Civil Aircraft

GAO Hao-tong

（General Configuration and Aerodynamics Department of Shanghai Aircraft Design and Research Institute of COMAC，Shanghai 201210，China）

【Abstract】It must be ensured the minimum safety demand namely the airworthiness regulation for civil aircraft.It is a greatly important project to indicate the compliance with the airworthiness regulation for the flight load group，who need pay much and deep attention to the airworthiness technology finally to succeed obtaining the airworthiness certificate.This paper puts forward much and deep research to the compliance with the airworthiness regulation according with the selected object of the yawing maneuver as the airworthiness item.

【Key words】Civil aircraft；Flight load；Yawing maneuver；Airworthiness certificate

0 引言

適航性[1]是按公眾批準(zhǔn)的最低安全要求繼續(xù)飛行的航空器固有品質(zhì)，公眾要求設(shè)計人員嚴(yán)格按照適航要求設(shè)計飛機(jī)，保證飛機(jī)符合最低安全要求，并向局方（國內(nèi)局方是指中國民航總局及其地方管理局）表明其符合性。公眾還要求局方確認(rèn)設(shè)計人的設(shè)計確實符合最低安全要求。適航審定的宗旨是：維護(hù)公眾利益，保證航空安全，促進(jìn)航空工業(yè)的發(fā)展。但是飛機(jī)的安全性是設(shè)計制造出來的，不是審查出來的，審查是公眾派來的“第三只眼”，通過運(yùn)用適航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查。

適航標(biāo)準(zhǔn)[2]是一類特殊的技術(shù)性標(biāo)準(zhǔn)，是民用飛機(jī)設(shè)計、研制、生產(chǎn)及使用維護(hù)中必須滿足的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。適航標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)不同，是國家法規(guī)的一部分，必須嚴(yán)格執(zhí)行。同時適航標(biāo)準(zhǔn)又是通過幾十年來世界運(yùn)輸類飛機(jī)研制、生產(chǎn)及其使用維護(hù)經(jīng)驗的總結(jié)，吸取了歷次飛行事故的教訓(xùn)，是用生命和鮮血換來的，是沒有知識產(chǎn)權(quán)限制的民機(jī)產(chǎn)業(yè)寶貴知識，是我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)走向世界的重要知識源泉之一，是民用航空產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基石。

目前，各國適航標(biāo)準(zhǔn)中較有影響的是美國的FAR、英國的BCAR、歐洲聯(lián)合航空局的CS。我國主要參考了國際上應(yīng)用最廣泛的美國適航標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際國情，于1985年頒布了運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR25）。

1 適航符合性驗證方法

適航符合性驗證方法[3]，是指申請人為表明對適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性，所采用的各種驗證方法。符合性驗證方法主要有十種：符合性聲明（MOC0），圖樣/說明（MOC1），計算和分析（MOC2），安全性評估（MOC3），實驗室試驗（MOC4），地面試驗（MOC5），飛行試驗（MOC6），航空器檢查（MOC7），模擬器試驗（MOC8）和設(shè)備合格性證明文件（MOC9）。

2 飛行載荷適航技術(shù)

我國民用飛機(jī)設(shè)計起步晚，經(jīng)驗不足，對飛行載荷專業(yè)而言，如何進(jìn)行載荷設(shè)計計算以表明對適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性，是一個極其重大的課題。通過適航取證過程，我們感覺到，要表明對適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性，順利地通過適航取證，還需要大力的提高我們的適航技術(shù)水平。而飛行載荷適航取證中存在著兩大主要技術(shù)難點(diǎn)是：1）對適航條款的理解；2）如何驗證和表明對條款的符合性。

本文選取了飛行載荷專業(yè)一個非常重要的適航條款為研究對象，即偏航機(jī)動，對其條款的理解和符合性驗證方法進(jìn)行了深入的研究和探討，希望能對民用飛機(jī)航取證及飛行載荷適航技術(shù)的未來提供一些參考。

3 偏航機(jī)動

3.1 CCAR25.351條款規(guī)定

飛機(jī)必須按本條（a）到（d）規(guī)定的偏航機(jī)動[4]情況引起的載荷進(jìn)行設(shè)計，速度范圍從VMC到VD。對重心的不平衡氣動力矩必須以合理或保守的方式予以平衡，并考慮飛機(jī)慣性力。在計算尾翼載荷時，可以假定偏航速度為零。

（a）當(dāng)飛機(jī)以零偏航角非加速飛行時，假定方向舵操縱器件突然移動使方向舵偏轉(zhuǎn)到受下列條件限制的偏轉(zhuǎn)量；

（1）操縱面止動器；或

（2）駕駛員作用力的限制值，從VMC到VA為1330牛（136公斤，300磅），從VC/MC到VD/MD為890牛（90.7公斤，200磅），在VA與VC/MC之間按線性變化。endprint

（b）當(dāng)方向舵操縱器件偏轉(zhuǎn)，以始終保持在本條（a）中規(guī)定的限制值內(nèi)可用的最大方向舵偏轉(zhuǎn)時，假定飛機(jī)偏航到過漂側(cè)滑角。

（c）當(dāng)飛機(jī)偏航到靜平衡側(cè)滑角時，假定方向舵操縱器件保持，以獲得在本條（a）中規(guī)定的限制值內(nèi)最大可用方向舵偏轉(zhuǎn)。

（d）當(dāng)飛機(jī)偏航到本條（c）的靜平衡側(cè)滑角時，假定方向舵操縱器件突然回到中立位置。

3.2 條款解析

偏航機(jī)動是由方向舵誘發(fā)的側(cè)向機(jī)動。機(jī)動中因飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑，造成飛機(jī)不對稱受載，方向舵偏轉(zhuǎn)和側(cè)滑使得垂尾產(chǎn)生很大的載荷。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)必須按照本條款要求的偏航機(jī)動情況引起的載荷情況進(jìn)行設(shè)計。偏航機(jī)動考慮的速度范圍是VMCA 至VD。VMCA 為空中最小操縱速度，即臨界發(fā)動機(jī)不工作時的最小操縱速度，以校正空速表示，該速度的定義可參考§25.149。

VD為設(shè)計俯沖速度，以當(dāng)量空速表示，該速度的定義可參考§25.335。條款規(guī)定，計算尾翼載荷時，可假定偏航角速度為零，其意義實際上是忽略垂尾上的阻尼載荷，而阻尼載荷是減載的，所以這是種偏保守的假設(shè)。

條款規(guī)定了機(jī)動中方向舵的偏角，假定方向舵突然移動到操縱面止動器或由1330 牛的方向舵腳蹬力所限制的最大偏轉(zhuǎn)，兩者取小值。對于帶有助力器及其它非機(jī)械操縱系統(tǒng)（例如增穩(wěn)系統(tǒng)、主動控制系統(tǒng)等）應(yīng)考慮操縱系統(tǒng)特性對方向舵偏度的影響。

本條（a）款中規(guī)定的限制可以認(rèn)為是在兩種情況下：

i.飛機(jī)在小速壓情況下，偏轉(zhuǎn)舵面需要的操縱力很小，很容易將舵面偏轉(zhuǎn)到舵面制動器的位置（即舵面完全偏轉(zhuǎn)）；

ii.飛機(jī)在大速壓情況下飛行，偏轉(zhuǎn)舵面需很大的操縱力，即使達(dá)到了規(guī)定的操縱力限制值也不能完全偏轉(zhuǎn)舵面，則此時需按最大操縱力限制對應(yīng)的舵偏來考慮。

對駕駛員操縱力的限制，規(guī)定為在VMC 至VA 之間為恒定值300 磅，在VC至Vd 間為恒定值200 磅，操縱力在VA 與VC 之間按線性關(guān)系變化。

對于電傳操縱的飛機(jī)如何確定其偏轉(zhuǎn)角還需要結(jié)合其實際控制律，必要時需制定專用條件。

根據(jù)上述理解再結(jié)合條款要求，在偏航機(jī)動中主要有三個設(shè)計點(diǎn)，見下圖：

上圖中的三種垂尾受載情況分別對應(yīng)于下圖中的三個設(shè)計點(diǎn)，第一設(shè)計點(diǎn)為方向舵偏轉(zhuǎn)到限制值，第二設(shè)計點(diǎn)為飛機(jī)偏航到過漂側(cè)滑角方向舵保持最大偏角，第三設(shè)計點(diǎn)為飛機(jī)偏航到靜穩(wěn)定側(cè)滑角，方向舵回到中立位置。

靜穩(wěn)定側(cè)滑角是指對應(yīng)于飛機(jī)的方向舵偏角飛機(jī)能夠在到達(dá)此側(cè)滑角位置時達(dá)到氣動力的平衡。過漂側(cè)滑角是指飛機(jī)在整個過程中能夠達(dá)到的最大側(cè)滑角。

3.3 符合性驗證方法

偏航機(jī)動是CCAR-25.351（a）規(guī)定的重要設(shè)計情況。機(jī)動中因飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑，造成飛機(jī)不對稱受載，方向舵偏轉(zhuǎn)和側(cè)滑導(dǎo)致垂尾承受很大載荷。本情況是垂尾、后機(jī)身的主要受載情況。規(guī)范要求在VMC到VD的所有速度下考慮偏航機(jī)動。在計算垂尾載荷時可以假定偏航角速度為零。該條款還規(guī)定了最大舵偏角δr的大小及δr-t操縱規(guī)律。

按規(guī)范定義考慮偏航機(jī)動時，飛機(jī)響應(yīng)可用側(cè)滑及偏航二自由度方程描述：

式中LV為垂尾相對重心的尾力臂。

初值為：t=0時，β=ω z=0。

δrmax由CCAR-25.397（b）規(guī)定的操縱力（1330N）確定。首先，按下圖（a）中的δr偏至δrmax后，保持不動，求出β的響應(yīng)，從而得出穩(wěn)態(tài)側(cè)滑角βs的出現(xiàn)時刻ts （βs≈-）。然后，按下圖（b）正式計算——δr偏至δrmax后，保持至ts開始回舵，并按方程求出整個過程的β，ωz響應(yīng)，則可得垂尾載荷：

4 結(jié)論

民用飛機(jī)適航設(shè)計中，飛行載荷適航取證是一項非常重要的工作。而要順利的獲得適航證，不但要求申請人能夠深刻透徹的理解相關(guān)的適航條款，還要求申請人有足夠的能力和先進(jìn)的手段去驗證和表明對相關(guān)條款的符合性。而飛行載荷適航中，這兩點(diǎn)恰恰是關(guān)鍵技術(shù)，是重中之重，也是難點(diǎn)所在。本文先介紹了適航相關(guān)的一些概念和基本知識，然后著重介紹了飛行載荷的一個關(guān)鍵條款的適航驗證技術(shù)：包括對條款詳細(xì)深入的理解和對條款的符合性計算方法介紹。本文的意義在于提供了一種思路和啟發(fā)，拋磚引玉，為今后的民用飛機(jī)適航取證工作和相關(guān)的適航技術(shù)研究提供了有價值的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《適航的理念與原則》，中國商飛適航基礎(chǔ)知識系列教材第一分冊.

[2]《適航標(biāo)準(zhǔn)與簡介》，中國商飛適航基礎(chǔ)知識系列教材第六分冊.

[3]CCAR-25，中國民用航空規(guī)范第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn).中國民用航空局，2001.

[4]《飛機(jī)設(shè)計手冊》第9冊——載荷、強(qiáng)度和剛度[M] 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint