某型飛機水配重系統(tǒng)重量重心設(shè)計綜述

摘 要 水配重系統(tǒng)是一種飛機縱向重心自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機重心的自動調(diào)節(jié)，對于飛機不同重心的性能驗證有著不可替代的優(yōu)勢，越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代飛機的定型試飛過程中。本文主要介紹水配重系統(tǒng)的組成、基本設(shè)計要求和某型飛機水配重系統(tǒng)重量重心設(shè)計。

關(guān)鍵詞 水配重系統(tǒng);設(shè)計要求;重心設(shè)計;力矩平衡

引言

飛機飛行過程中隨著燃油的消耗，飛機重心狀態(tài)不斷發(fā)生變化，試飛驗證時通常需要保持在某一特定重心位置進行試驗，常規(guī)利用鉛塊、鋼板或者沙袋等固定配重來調(diào)節(jié)飛機縱向重心的方法，即使考慮到適航允許的允差范圍，也只能進行非常短時的飛行，之后隨著飛機重心的變化，飛行試驗偏離基準(zhǔn)狀態(tài)，數(shù)據(jù)誤差較大，已經(jīng)無法用于驗證需求，只能通過同一科目多架次的飛行試驗來獲取足夠的試驗點數(shù)據(jù)，極大地增加了試驗成本。另一方面，飛機重心的前、后極限狀態(tài)，經(jīng)常是飛行科目的高風(fēng)險點，多次的飛行也極大地增加了試飛風(fēng)險[1]。

飛機水配重系統(tǒng)是一種飛機縱向重心自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行過程中飛機重心的自動調(diào)節(jié)，使飛機重心長時間的保持在某一設(shè)定狀態(tài)，對于縮短試飛周期，節(jié)約成本，降低試飛風(fēng)險，保障安全有著不可替代的優(yōu)勢，越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代飛機的定型試飛過程中。

1系統(tǒng)簡介

某型飛機水配重系統(tǒng)示意圖如下，主要由控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

（1）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是水配重系統(tǒng)的大腦，一般包括控制臺、控制計算機、控制面板等組成。

（2）電源系統(tǒng)：電源系統(tǒng)是水配重系統(tǒng)的心臟，為整個系統(tǒng)提供能源，一般包括蓄電池、配電盒、線束等組成。

（3）重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)：重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)是水配重系統(tǒng)的功能機構(gòu)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)重心前后調(diào)節(jié)功能，主要包括水罐組件、電動泵、控制閥、流量/壓力傳感器、管路等組成。

2設(shè)計要求

（1）重量最優(yōu)原則。最小的配重量達(dá)到最優(yōu)的重心調(diào)節(jié)效果，同時整個水配重系統(tǒng)重量要求最輕，以盡量較小對飛機空機重量重心的影響。

（2）重心自動調(diào)節(jié)。根據(jù)飛機飛行姿態(tài)、燃油量、起落架狀態(tài)、舵面狀態(tài)等參數(shù)，并自動調(diào)節(jié)飛機重心狀態(tài)至設(shè)定值。能夠快速完成飛機重心調(diào)節(jié)，實時響應(yīng)。

（3）安全可靠。系統(tǒng)設(shè)計安全可靠，系統(tǒng)故障時能夠有措施可以使前后配重液達(dá)到平衡，不影響試飛安全。

3某型飛機水配重系統(tǒng)重量重心設(shè)計

飛機重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指的是飛機縱向重心調(diào)節(jié)，通常只考慮縱向（X向）重心的影響量。將飛機重量（）組成分為使用空機重量（，使用空機重量包含水配重系統(tǒng)除配重液外的所有固定設(shè)備重量）、燃油重量（）和水配重重量，其中水配重重量一般分為前配重（）和后配重（），則基于力矩平衡原理，飛機重量重心計算公式如下：

（1）

（2）

式中：

表示飛機縱向重心，m;

分別表示相應(yīng)空機、燃油、水配重的縱向重心，m;

，重量重心乘積，表示重量矩，kg·m。

3.1? 空機重心確定

按照CCAR-25R4第25.29條要求飛機空機和相應(yīng)的重心通過全機稱重的方法確定[2]，通過飛機姿態(tài)、前后測量點重量測量得到飛機空機重量和重心位置，計算得出飛機空機重量矩。飛機稱重狀態(tài)一般為起落架放下狀態(tài)，各操縱面位于中立位置，起落架收放狀態(tài)和舵面偏度對空機重心產(chǎn)生影響。以起落架放下狀態(tài)為基準(zhǔn)，飛機起落架收放對飛機重量矩的影響（）如下表。

舵面狀態(tài)以中立位置為基準(zhǔn)，評估不同舵面偏度對飛機重量矩變化量如下表。

則飛機任一狀態(tài)的空機重量矩等于稱重狀態(tài)空機重量矩加上對應(yīng)的不同起落架狀態(tài)、不同操縱面位置的重量矩變化量。

3.2 燃油消耗影響

飛機燃油重量重心隨燃油消耗變化而變化，同時飛行姿態(tài)的不同對燃油重心也存在影響，通過飛機油箱模型和試驗數(shù)據(jù)得到某型飛機燃油曲線如圖2所示。通過機上參數(shù)采集器可以確定任一時刻的機上的燃油重量和飛行姿態(tài)角，通過對燃油量和姿態(tài)角的兩次差值計算可以得到飛機的燃油重量重心數(shù)據(jù)，從而計算得到飛機燃油重量矩。

3.3 配重計算

根據(jù)重量最優(yōu)原則，為達(dá)到以最小的重量獲取最優(yōu)的重心調(diào)節(jié)效果之目的，應(yīng)盡量在飛機前后遠(yuǎn)離飛機重心的位置選擇合適地方作為飛機配重點，同時，為減小飛機重心的橫向位移，以免對飛機橫向操作性能造成影響，配重點選擇時還需考慮左右對稱布置。配重點的位置亦即水罐組件的安裝位置。以某型飛機為例，通過對機上空間、設(shè)備布置的綜合考量，其前配重點選擇在機頭段17-20框位置，后配重點選擇在后機身段51-54框位置。

水罐組件位置選擇確定后需要確定水配重的量，作為飛機水配重系統(tǒng)水罐組件的基本設(shè)計輸入，以確定水罐組件的容積及數(shù)量。某型飛機重心前后邊界22%MAC-30%MAC，經(jīng)計算，某型飛機需要配重液1000kg才能滿足飛機重心范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)需求。水配重重量矩如下表。

3.4? 重心控制和調(diào)節(jié)

將飛機重心計算公式、燃油耗油曲線數(shù)據(jù)、起落架收放狀態(tài)、舵面偏度對飛機重心的影響量等預(yù)設(shè)至飛機重心控制計算機，通過對飛機姿態(tài)參數(shù)、起落架收放、燃油量數(shù)據(jù)調(diào)取，控制計算機自動完成對飛機重量重心計算，得到飛機的實時重心值。當(dāng)飛機進行試飛科目飛行時，飛行員輸入預(yù)設(shè)的飛行重心值，計算機對預(yù)設(shè)值和實時值進行比對，發(fā)送控制指令，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的電動泵工作，將水罐中的配重液進行前后調(diào)整，經(jīng)過不停地迭代計算使實際值與預(yù)設(shè)值達(dá)到一致。

4結(jié)束語

本文主要介紹了某型飛機水配重系統(tǒng)組成、基本設(shè)計要求和重量重心設(shè)計過程，通過對飛機重心影響因素的分析，建立了合理的重心求解模型。水配重系統(tǒng)自動化程度高操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行過程中飛機重心的自動調(diào)節(jié)，使飛機重心長時間的保持在某一設(shè)定狀態(tài)，提高試飛安全性，在試飛驗證中發(fā)揮著獨特作用。

參考文獻

[1] 付瑞.通用型飛機縱向重心自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)：CCAR-25R4[S].北京：中國民用航空局， 2011.

作者簡介

周承前（1987-），男;工程師，現(xiàn)就職單位：航空工業(yè)通飛，研究方向：飛機重量與平衡控制。