民用飛機(jī)環(huán)境包線研究

文/閆光巍 孫澤鵬

0 引言

飛機(jī)環(huán)境包線，也稱為溫度－高度包線，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)載設(shè)備的選擇和開(kāi)展環(huán)境試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)，也是飛行手冊(cè)中構(gòu)成飛機(jī)運(yùn)行的限制之一。合理制定環(huán)境包線十分重要，但各類飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)型飛行手冊(cè)等參考資料中往往只給出某些典型機(jī)型的環(huán)境包線，而如何制定該包線卻很少有討論。本文通過(guò)對(duì)一些典型環(huán)境包線的分析，總結(jié)編制該包線的原則和方法，為飛機(jī)的型號(hào)設(shè)計(jì)者提供參考。

1 環(huán)境包線定義

運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章CCAR-25-R4中第25.27條對(duì)制定飛機(jī)的環(huán)境包線提出了要求：必須制定受飛行、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、功能和設(shè)備的特性限制所允許的最大周圍大氣溫度和最大高度。

國(guó)內(nèi)外一些民用運(yùn)輸類飛機(jī)和水陸兩棲飛機(jī)典型的環(huán)境包線，如圖1所示。

圖1 典型飛機(jī)環(huán)境包線

由圖1可見(jiàn)，飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境包線是飛機(jī)運(yùn)行外部大氣溫度與壓力高度組成的包線，主要包含高/低溫限制、最大/最小壓力高度、起降條件的限制等要素，且一般具備以下特點(diǎn)：

a) 地面高溫限制一般為50℃～55℃；

b) 地面低溫限制溫度一般低于-40℃；

c) 高溫邊界平行于ISA曲線，通常為ISA+34℃。

2 制定環(huán)境包線考慮因素

在確定飛機(jī)環(huán)境包線的各邊界時(shí)，主要考慮五方面因素。

2.1 市場(chǎng)目標(biāo)使用地域及其大氣溫度極值

飛機(jī)目標(biāo)使用地域取決于飛機(jī)的市場(chǎng)定位，不同地域的大氣環(huán)境極值可供參考的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要包括HB 5652.1-81、HB5652.2-84和MIL-STD-310。

參考HB5652.1-81，可分別查得1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率、5%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率、10%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率和20%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的高低溫極值。將圖1各典型機(jī)型的環(huán)境包線與HB5652.1-81中不同時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的溫度極值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 典型飛機(jī)環(huán)境包線與不同時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)比

由圖2可見(jiàn)，上述幾款典型機(jī)型中A320、Boeing737-800、SF50的環(huán)境包線相對(duì)較寬，高溫邊界除SF50，其他均覆蓋了1%風(fēng)險(xiǎn)率高溫極值，低溫邊界除A320在地面低溫極值為-40℃以外，其他均覆蓋了20%風(fēng)險(xiǎn)率的低溫邊界。Y12飛機(jī)的邊界范圍相對(duì)最窄，高溫覆蓋了1%風(fēng)險(xiǎn)率的高溫邊界，低溫僅在1 500m～5 000m高度范圍覆蓋了各風(fēng)險(xiǎn)率的低溫邊界。

高低溫邊界所覆蓋的時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率極值越小，飛機(jī)受到環(huán)境溫度影響的概率越低，出勤率越高。

此外氣候溫度極值也可參考ESDU 78008C推薦的氣候溫度極值，如圖3所示。

圖3 ESDU78008C推薦的溫度極值

在編制環(huán)境包線時(shí)可根據(jù)具體機(jī)型的市場(chǎng)定位，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)率覆蓋范圍。

2.2 升限

環(huán)境包線的上邊界應(yīng)覆蓋飛機(jī)的升限，并留有一定的安全裕度。例如，SF50飛機(jī)升限為28000 ft，而低溫邊界為-54℃，對(duì)應(yīng)35000 ft（10668 m）高度的標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度值，高于飛機(jī)的升限28000 ft，并留有一定的余量。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要考慮材料（主要為復(fù)合材料）在極限溫度條件下力學(xué)特性的變化，尤其是高溫。對(duì)于SF50這類全復(fù)合材料飛機(jī)，短艙、后機(jī)身和舵面均在飛行試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)安裝溫度傳感器予以檢測(cè)溫度是否會(huì)超出材料的溫度范圍。對(duì)于內(nèi)部溫度，靠近產(chǎn)生較多熱量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部分也同樣予以監(jiān)測(cè)。對(duì)于可能達(dá)到極限溫度的部分區(qū)域（假設(shè)地面溫度為50℃），還有詳細(xì)的強(qiáng)度分析報(bào)告。對(duì)于為滿足防火墻要求使用鈦合金的區(qū)域，也會(huì)有詳細(xì)的測(cè)試和分析報(bào)告。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境包線的上邊界為飛機(jī)的升限，需要考慮氣源系統(tǒng)和增壓的需求；左邊界低溫會(huì)影響到燃油系統(tǒng)，低溫會(huì)使燃油析出甚至結(jié)冰，影響飛行安全，此外還需要考慮空調(diào)系統(tǒng)在低溫條件下的制熱能力；右邊界會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)、航電等系統(tǒng)設(shè)備以及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，從而影響到飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行適應(yīng)性。

2.5 太陽(yáng)輻射

典型的環(huán)境包線右邊界往往會(huì)帶有一個(gè)臺(tái)階，為考慮在3048 m（即10000英尺）以下太陽(yáng)輻射的影響，一般考慮增量為5℃。

綜上所述，制定民用運(yùn)輸類飛機(jī)環(huán)境包線需要考慮的因素如圖4所示。

圖4 典型環(huán)境溫度包線及限制因素

3 結(jié)論

飛機(jī)環(huán)境包線的制定需要綜合考慮飛機(jī)的市場(chǎng)定位，根據(jù)潛在使用地域和不同飛行高度的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，制定包含一定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的高低溫邊界；此外還需要考慮由于升限、結(jié)構(gòu)材料選用、航電等系統(tǒng)設(shè)備、燃油、太陽(yáng)輻射等的限制，經(jīng)合理裁剪后，作為全機(jī)運(yùn)行的限制。