重量方案和重量分布在飛機外載荷計算中的影響

姚少波

摘 要：重量方案與重量分布作為載荷計算的原始數(shù)據(jù)占有重要的地位，重量方案和重量分布是載荷計算的重要原始數(shù)據(jù)，各種規(guī)范對重量有著詳細的規(guī)定，重量方案和分布的差異對載荷的結(jié)果有顯著的影響，本文通過載荷計算過程的分析，探尋重量數(shù)據(jù)對載荷計算的影響。

關(guān)鍵詞：重量 載荷 方案

中圖分類號：V221 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0006-02

1 概述

重量具體包含總重、重心、慣性矩等，在軍標(biāo)和民標(biāo)（參考文獻1）中對重量都做出了詳細的規(guī)定。

1.1 軍標(biāo)中重量的規(guī)定

在飛機設(shè)計階段，重心位置主要有結(jié)構(gòu)布局、有效裝載的分布和耗油順序決定的，自然還應(yīng)考慮飛行姿態(tài)、加速度和飛機彈性變形的影響。

在飛行載荷計算中，應(yīng)考慮所有可能造成嚴重載荷的重量分布及裝載方案。重量、重心包線上每一點對應(yīng)一種重量分布和一組慣性矩、慣性積數(shù)據(jù)。在重量、重心包線上，凡是能對飛機總體或某一部位構(gòu)成嚴重受載的計算點，都是應(yīng)選取的嚴重受載情況。

1.2 民機中重量的規(guī)定

民用飛機飛行載荷計算原始數(shù)據(jù)與軍用飛機類似，具體的規(guī)定了飛機的高度、重量、重心。民用飛機載荷計算用的設(shè)計重量是從最小飛行重量到最大飛行重量之間的所有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴重受載的重量。

在民用飛機飛行載荷計算中，需考慮飛機重量、重心、慣矩等隨高度的變化，這種變化主要是燃油消耗引起的。

民用飛機飛行手冊中，對飛機重量、重心、最大載重等均有限制，在相同的重量、重心及載重量的情況下，也可以有多種裝載方案（慣矩不同），不同的重量分布對結(jié)構(gòu)總體及局部強度（主要是機身）的影響是不同的，必須覆蓋這些情況。

2 重量方案的確定

對于大中型運輸機來說，飛機設(shè)計重量由空機重量、商載（人員+貨物）和燃油三部分組成。當(dāng)飛機設(shè)計方案確定后，飛機的使用空機重量、重心、慣量及空機質(zhì)量分布都是確定的，而當(dāng)飛機燃油箱布置及加油、耗油程序確定后，燃油量與其重心、慣量以及燃油分布之間的一一對應(yīng)關(guān)系也就確定了。影響全機重心、慣量的最活躍因素是商載。不同重量的商載會產(chǎn)生不同的全機重心、慣量。相同重量的商載因不同的商載配置也會產(chǎn)生不同的全機重心和慣量。而且就是相同的商載重量，相同的全機重心，由于不同的商載配置也會產(chǎn)生不同的全機慣量。為了從繁多的計算狀態(tài)和可變的商載配置中選擇盡可能少但又能滿足載荷分析需要的商載配置方案，應(yīng)進行典型商載配置，一般至少需考慮18種典型商載配置，同時還必須按起落架收上狀態(tài)和放下狀態(tài)分別對待。

3 重量分布的計算

重量方案應(yīng)包括飛機總重、重心（規(guī)定的最前重心、最后重心及中間重心）、燃油重量及商載重量，這樣重量方案確定后，需要計算空機重量分布、燃油的重量分布、機身的商載分布，最后將三項重量分布進行疊加，得出全機的重量分布。具體可以分以下4個步驟進行。

3.1 空機結(jié)構(gòu)重量分布

由于空機重量大部分為結(jié)構(gòu)重量，這一步相對簡單，只是將機上的固定重量相加得出飛機的使用空重。

3.2 燃油重量分布

大中型運輸類飛機的油箱一般都布置在機翼翼盒中，計算燃油自身重力對機翼產(chǎn)生的彎矩時可采用如下方法。

（1）簡化列出翼盒截面面積展向分布表達式。

翼盒截面面積沿翼展的分布可近似的用一元三次多項式表示：

F（z）=mz3+nz2+pz+q （1）

式中，z為展向位置；m、n、p、q為未知量，需要計算得出。

（2）求解未知量m、n、p、q。

沿機翼展向取4個翼盒控制界面并建立方程組。

F1=mz13+nz12+pz1+q

F2=mz23+nz22+pz2+q

F3=mz33+nz32+pz3+q

F4=mz43+nz42+pz4+q

聯(lián)立求解上述方程組，可以得到未知量m、n、p、q，將此未知量代入式（1）。

（3）燃油載荷分布計算。

油箱截面面積可以近似的用式（1）表示。對式（1）積分則得到油箱的體積分布表達式。

機翼油箱一般可能分為若干個，如中央翼油箱、中外翼油箱、外翼油箱等，因此應(yīng)分布計算出每一個油箱對機翼產(chǎn)生的彎矩，還應(yīng)考慮飛機實際使用過程中油箱的載油情況。

以圖1為例進行計算。圖1中，zt1和zt2分別表示油箱邊界；Wf為此油箱的燃油重量；ι為整個燃油對zt1點的力臂；za1為翼根與zt1之間的任一點。

計算油箱單位體積燃油重量k1：k1=Wf/Vt （2）

對翼根和zt1之間任一點za1燃油產(chǎn)生的彎矩為： Mf=Wf（zt1-za1+ι） （3）

其中：ι=Wft1/Wf

式中，Mft1為整個燃油對zt1點的彎矩。

其余油箱燃油產(chǎn)生的彎矩計算方法同上。這計算彎矩的過程中自然得到機翼每一肋中的燃油重量分布。

3.3 商載重量分布

商載重量分布是全機重量分布的重點，因為方案確定后，空機重量和機翼燃油重量的重心和慣矩就已經(jīng)確定，只有依靠不同的商載配置方案來實現(xiàn)全機不同重心和慣載的方案。

商載分布還必須考慮飛機地板的承受能力，將飛機地板的承受能力作為限制數(shù)據(jù)放入程序中，調(diào)整不同框上的重量分布滿足預(yù)定的重心和慣載要求即可，這樣就得到了商載分布。

3.4 全機重量分布

有了上述的使用空重分布、燃油分布、商載分布，將三者疊加即可得到全機的重量分布。

4 重量方案與重量分布對載荷計算結(jié)果的影響分析

重量方案與重量分布對載荷計算的影響可以分為三類：一是總重對總載荷的影響；二是轉(zhuǎn)動慣量對載荷狀態(tài)的影響；三是質(zhì)量分布對凈載荷的影響。

總重量G直接影響載荷的整體水平，因為按規(guī)范設(shè)計飛機過載基本確定，在重量越大飛機承受的載荷就會越大。

全機的轉(zhuǎn)動慣量直接影響飛機的轉(zhuǎn)動角加速度，在外界氣動力矩一定的情況下，轉(zhuǎn)動慣量越大，飛機的整體角加速度越小。

飛機的凈載荷等于氣動載荷與慣性載荷之和，氣動載荷與飛機姿態(tài)及氣動性能等有關(guān)系，而慣性載荷則與飛機質(zhì)量和過載直接相關(guān)。飛機任一處的慣性載荷用下式計算：

Fyi=-（ny+△ny）×Gi （4）

從式（4）可見，當(dāng)過載確定的情況下飛機的重量分布直接影響了飛機該處的慣性載荷，進而影響飛機的凈載荷。

綜上所述，飛機重量方案和重量分布直接影響飛機的載荷情況，合理可信的重量方案和重量分布即可以確保飛機的使用安全又可以確保飛機的性能，因此，在確定重量方案時一定要慎重。

參考文獻

[1] CCAR-25-R4，中國民用航空規(guī)章 第25部 運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局，2011.endprint