民用飛機(jī)空中最小操縱速度試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)研究

張海妮 屈飛舟

摘 要：基于CCAR25部的要求及AC25-7C的建議，結(jié)合幾型民用飛機(jī)的空中最小操縱速度（VMCA）試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)VMCA試驗(yàn)中的高度、速度、重量、重心、舵面容差等試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了研究和總結(jié)，可為其他運(yùn)輸類飛機(jī)VMCA試驗(yàn)中的試驗(yàn)點(diǎn)狀態(tài)矩陣設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；空中最小操縱速度；試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：V217 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0059-02

Abstract： Based on the requirements of CCAR25 department and the suggestion of AC25-7C， in combination with the experience of VMCA test for several types of civil aircraft， this paper studies and summarizes the test states of altitude， velocity， weight， center of gravity， rudder tolerance and so on in the VMCA test. It can be used as a reference for the design of test point state matrix in VMCA test of other transport aircraft.

Keywords： civil aircraft； VMCA； test state point

1 概述

空中最小操縱速度（VMCA）是校正空速，在該速度，當(dāng)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)，能在該發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)停車情況下保持對(duì)飛機(jī)的操縱，在相同的速度下維持坡度不大于5°的直線飛行[1]。VMCA是民用飛機(jī)合格審定試飛最重要的科目之一。它的大小可能會(huì)影響到VEF、V2MIN、VR等起飛速度的確定，對(duì)于飛機(jī)的起飛著陸性能同樣具有重要影響。試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)矩陣設(shè)計(jì)是試飛中最為重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系著試飛結(jié)果的合理與否。在VMCA試驗(yàn)中，VMCA不但受高度、速度、重量、重心、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等常規(guī)因素的影響，還與溫度、舵面容差等因素息息相關(guān)，因此，試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)矩陣的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵和復(fù)雜。本文基于CCAR25部的要求，結(jié)合ARJ21-700、A320、ERJ190-100等飛機(jī)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)VMCA試驗(yàn)中的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了研究和總結(jié)，可為其他同類型飛機(jī)的VMCA試驗(yàn)提供參考。

2 試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)分析

2.1 試驗(yàn)高度

AC25-7C[2]指出：CCAR25.149（c）中關(guān)于VMCA不超過(guò)1.13VSR的要求是基于海平面最大起飛重量時(shí)的VSR。但通常，VMCA試驗(yàn)均不在海平面高度進(jìn)行，因此，必須選擇一個(gè)合適的高度進(jìn)行試驗(yàn)。一方面，高度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大推力。高度越低，推力越大，試驗(yàn)所能達(dá)到的VMCA就越大。另一方面，高度越低，失速速度（VS）就越小。所以，試驗(yàn)高度越低，試驗(yàn)狀態(tài)下的VMCA與VS之間的速度裕度就越大，從而就有利于VMCA試驗(yàn)的安全進(jìn)行。此外，根據(jù)AC25-7C中關(guān)于VMCA試驗(yàn)的說(shuō)明，在VMCA試驗(yàn)時(shí)，如果推力達(dá)不到飛機(jī)飛行手冊(cè)使用限制所允許的最大不對(duì)稱推力，應(yīng)該盡量獲得試驗(yàn)條件下允許的最大不對(duì)稱推力，以使數(shù)據(jù)換算時(shí)的推力外推控制在有效的范圍之內(nèi)。因此，應(yīng)該使試驗(yàn)高度盡可能低。另外，從試驗(yàn)安全角度來(lái)講，試驗(yàn)高度過(guò)低將增大試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)NASA的VMCA試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析，VMCA試驗(yàn)應(yīng)該在離地高度至少492m（1500ft）的高度上進(jìn)行?？偨Y(jié)ARJ21-700、ERJ190-100、A320等飛機(jī)的VMCA試驗(yàn)中，各型飛機(jī)的試驗(yàn)高度如表1：

綜上所述，建議VMCA試驗(yàn)高度為離地高度656m（2000ft）。

2.2 試驗(yàn)速度

在VMCA試驗(yàn)中，駕駛員會(huì)操縱飛機(jī)以一個(gè)較大的速度開(kāi)始，逐漸減速，配合蹬舵和壓桿，直至速度達(dá)到試驗(yàn)狀態(tài)下的VMCA（排除VMCA受失速速度、腳蹬力及橫向操縱限制的情況）。所以，試驗(yàn)進(jìn)入速度應(yīng)該是比試驗(yàn)狀態(tài)下的VMCA大的某一速度。但是，另一方面，初始進(jìn)入速度也不能太大，否則將帶來(lái)試驗(yàn)過(guò)程過(guò)長(zhǎng)、試驗(yàn)狀態(tài)不好保持等弊端。在實(shí)際試驗(yàn)中，應(yīng)該結(jié)合試驗(yàn)飛機(jī)的VMCA計(jì)算值，參考CCAR25.149（c）中對(duì)于“VMCA不得超過(guò)1.13VSR”的要求，給出一個(gè)合理的初始試驗(yàn)速度。

2.3 試驗(yàn)重量

CCAR25.149對(duì)試驗(yàn)重量的要求如下：在海平面最大起飛重量（或驗(yàn)證VMCA所需的任何較小的重量）確定VMCA。可見(jiàn)，CCAR25部對(duì)于重量沒(méi)有提出強(qiáng)制性要求。而AC25-7C指出：CCAR25.149（c）中關(guān)于VMCA不超過(guò)1.13VSR的要求是基于海平面最大起飛重量時(shí)的VSR。鑒于此，為了驗(yàn)證飛機(jī)的VMCA對(duì)CCAR25部的符合性，理應(yīng)在最大起飛重量條件下進(jìn)行試驗(yàn)。但是，由于VMCA隨重量大小而變化，重量越小，VMCA越大。另一方面，重量越小，VS越小。因此，采用較小的重量進(jìn)行VMCA試驗(yàn)， 將使VMCA與VS之間的速度裕度更大，試驗(yàn)也將更為安全。所以，通常使用小重量進(jìn)行VMCA試驗(yàn)，而通過(guò)數(shù)據(jù)換算得到最大起飛重量條件下的VMCA來(lái)表明與CCAR25部的符合性。

2.4 試驗(yàn)重心

CCAR25.149要求“在最不利的重心位置”進(jìn)行VMCA試驗(yàn)。對(duì)于重心位置，通常從縱向重心和橫向重心兩個(gè)方面來(lái)考慮。對(duì)于縱向重心，當(dāng)飛機(jī)處于后重心時(shí)，方向舵與重心之間的力臂最短，因方向舵偏轉(zhuǎn)所形成的偏航力矩也最小。這種情況下，如果一發(fā)失效，將需要更大的穩(wěn)定飛行速度來(lái)平衡因發(fā)動(dòng)機(jī)不對(duì)稱推力產(chǎn)生的偏航力矩，亦即在這種情況下通過(guò)試驗(yàn)得到的VMCA將更大，試驗(yàn)結(jié)果將更為保守。對(duì)于橫向重心，AC25-7C指出：當(dāng)確定VMCA時(shí)，應(yīng)該考慮批準(zhǔn)的最大橫向燃油不平衡對(duì)橫向操縱有效性的不利影響。如果試驗(yàn)或分析表明橫向操縱有效性是確定特定VMCA的因素時(shí)，尤其應(yīng)該注意。由于民用飛機(jī)經(jīng)常將最大橫向燃油不平衡值作為飛機(jī)運(yùn)行的使用限制，所以進(jìn)行VMCA試驗(yàn)時(shí)，需要將飛機(jī)燃油調(diào)整為最大允許的燃油不平衡值以最大化考慮飛機(jī)的橫向重心偏移。從偏航力矩上來(lái)說(shuō)，當(dāng)不工作發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)燃油較重時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不對(duì)稱推力產(chǎn)生的偏航力矩將更大，試驗(yàn)時(shí)將得到更大的VMCA，試驗(yàn)結(jié)果將更為保守。另外，從橫向操縱上考慮，由于平衡不對(duì)稱發(fā)動(dòng)機(jī)推力所需的方向舵全偏會(huì)引起向不工作發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的滾轉(zhuǎn)，而向工作發(fā)動(dòng)機(jī)滾轉(zhuǎn)5°也會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑，該側(cè)滑也將導(dǎo)致向不工作發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的滾轉(zhuǎn)，如果此時(shí)再疊加橫向燃油不平衡（不工作發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)機(jī)翼重），這將導(dǎo)致最臨界的橫向操縱情況。

綜上所述，VMCA試驗(yàn)應(yīng)該在后重心、左右燃油不平衡（不工作發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的燃油較重、不平衡量為試驗(yàn)飛機(jī)允許的最大燃油不平衡值）條件下進(jìn)行。

2.5 試驗(yàn)溫度

CCAR25.149和AC25-7C對(duì)于試驗(yàn)溫度均沒(méi)有提出明確要求與說(shuō)明。與高度對(duì)推力的影響類似，溫度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大推力，溫度越低，推力越大，試驗(yàn)所能達(dá)到的VMCA也越大。所以，試驗(yàn)溫度越低，試驗(yàn)狀態(tài)下的VMCA與VS之間的速度裕度越大，試驗(yàn)將越安全。另外，與試驗(yàn)高度的說(shuō)明類似，為了使推力外推控制在有限的范圍之內(nèi)，應(yīng)該盡量獲得試驗(yàn)條件下允許的最大不對(duì)稱推力。因此，試驗(yàn)溫度應(yīng)該盡可能低。需要說(shuō)明的是，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和溫度并非是線性關(guān)系，對(duì)于典型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)溫度在ISA+20℃以下時(shí)（不同型號(hào)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有不同的平臺(tái)溫度），發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨溫度變化而幾乎不變，因此，可以結(jié)合試驗(yàn)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性確定試驗(yàn)溫度。

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)推力

當(dāng)一發(fā)失效時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱推力越大，由此產(chǎn)生的偏航力矩就越大，試驗(yàn)所能達(dá)到的VMCA也越大。同時(shí)，當(dāng)VS不變時(shí)，試驗(yàn)狀態(tài)下的VMCA與VS之間的速度裕度也越大，試驗(yàn)就越安全。因此，VMCA試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力要求為：臨界發(fā)動(dòng)機(jī)不工作、工作發(fā)動(dòng)機(jī)最大可用起飛推力。

2.7 高升力系統(tǒng)

CCAR25.149部對(duì)高升力系統(tǒng)的要求為：飛機(jī)處于騰空后沿飛行航跡最臨界的起飛形態(tài)，但起落架在收起位置，即：在最臨界的起飛形態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。

參考ERJ190-100、A380、A320等飛機(jī)的VMCA試驗(yàn)可知，對(duì)于高升力系統(tǒng)的選擇，各型飛機(jī)情況不一，具體如表2：

采用一種襟/縫翼構(gòu)型可以節(jié)省試驗(yàn)成本，采用多種襟/縫翼構(gòu)型可以最大化利用飛機(jī)性能。因此，建議根據(jù)試驗(yàn)飛機(jī)的特點(diǎn)及研制計(jì)劃和經(jīng)費(fèi)情況，選擇最臨界的起飛襟/縫翼構(gòu)型或者所有起飛襟/縫翼構(gòu)型進(jìn)行試驗(yàn)。

2.8 舵面容差

飛機(jī)的航向糾偏能力與方向舵的偏度直接相關(guān)，方向舵偏度越大，糾偏能力就越強(qiáng)。由于VMCA是在方向舵全偏條件下獲得，因此，方向舵舵面容差就會(huì)對(duì)最終獲得的VMCA產(chǎn)生明確的影響。若將方向舵容差設(shè)置為容差上限，那么方向舵的最大偏度將變大，糾偏能力也將變強(qiáng)，試驗(yàn)獲得的VMCA將更小。反之，試驗(yàn)獲得的VMCA將更大。因此，試驗(yàn)中需要將方向舵容差設(shè)置為容差下限。另一方面，副翼的最大偏度會(huì)對(duì)橫向操縱能力造成影響，如果試驗(yàn)或分析表明橫向操縱可能是影響VMCA的因素，則需要將副翼容差調(diào)整為容差下限進(jìn)行VMCA試驗(yàn)。

2.9 配平位置

CCAR25.149對(duì)VMCA試驗(yàn)的配平位置要求為：飛機(jī)按起飛狀態(tài)配平。因此，對(duì)于縱向配平位置來(lái)說(shuō)，應(yīng)該根據(jù)飛機(jī)的重量重心配置，按照飛機(jī)飛行手冊(cè)中的規(guī)定設(shè)定相應(yīng)的起飛配平位置推薦值。對(duì)于橫航向配平來(lái)說(shuō)，如果飛機(jī)飛行手冊(cè)中對(duì)于起飛時(shí)的橫航向配平位置沒(méi)有特別的要求，應(yīng)將其設(shè)置為中立位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)矩陣設(shè)計(jì)涉及很多因素，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)非常復(fù)雜。本文對(duì)VMCA試驗(yàn)中的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了全面總結(jié)，對(duì)同類型飛機(jī)的VMCA試驗(yàn)有很好的指導(dǎo)作用。但是，由于文中對(duì)很多狀態(tài)的要求并不是強(qiáng)制性的，在實(shí)際試飛中，需要結(jié)合試驗(yàn)飛機(jī)的特點(diǎn)確定最終的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)，以保證試驗(yàn)合理、有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)民航總局.中國(guó)民用航空條例第25部-運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].CCAR-25-R4.北京：中國(guó)民航總局，2011.

[2]FAA.AC25-7C， Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].2012.