某型飛機重心測量方法誤差分析及優(yōu)化

盧歡 朱訓(xùn)寧 中國特種飛行器研究所

1 前言

飛機重量重心測定是對理論重量重心的驗證，是飛機首飛及交付前的一項重要地面試驗。測量結(jié)果的精度關(guān)系到飛行安全和飛機交付。然而，在對某型飛機空機實際重心測量中發(fā)現(xiàn)，飛機重心波動較大，有必要查明重心波動原因，優(yōu)化測量方法，提高測量精度，以保障飛行安全。

本文通過對飛機重心測量方法的誤差進(jìn)行分析，找到了主要的誤差源；基于誤差分析的結(jié)果，對飛機重心測量方法進(jìn)行優(yōu)化。

2 飛機重心測量方法

2.1 測量方法分析

《飛機設(shè)計手冊》推薦了兩種常用的測量方法：千斤頂法和機輪法。某型飛機采用機輪法進(jìn)行重心的測量。

機輪法是將機輪放置在三個秤上（分別對應(yīng)前輪和兩個主輪），第二種解析法[2]是將前輪抬高不同高度進(jìn)行稱重作業(yè)（見圖1）。

在測量中，由于某型飛機縱向重心在主輪后方，所以要在前座椅處加配重保證平衡。

圖1 飛機稱重狀態(tài)受力示意圖

飛機姿態(tài)角為 αi、αi+1時，對O2求力矩：

式中：W，空機重量；Pn，前稱凈重；αi，姿態(tài)角；W配，前座椅上配袋重量；x配，前座椅上配重重心x坐標(biāo)；y配，前座椅上配重重心y坐標(biāo)。

聯(lián)立以上兩式得到：

將yc代入第1式得xc值，將稱重坐標(biāo)系下的重心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機身坐標(biāo)系下的重心坐標(biāo)。

xt=2.080-xcyt=-0.215+yc

2.2 測量結(jié)果分析

用機輪法對7架飛機進(jìn)行重量重心測量（見圖2）。測量結(jié)果波動較大。尤其y 坐標(biāo)測量值與理論設(shè)計值最大相差20%，不滿足精度要求。

圖2 重心測量結(jié)果統(tǒng)計

3 誤差分析

3.1 誤差源分析

測量工具的精度和人為因素將會導(dǎo)致測量誤差。根據(jù)誤差傳播定律，重心yc的誤差為：

可知影響重心測量的誤差源主要包括飛機重量、配重重量、配重重心、俯仰角等測量誤差。和配重相關(guān)的有6項，占總項目數(shù)的46%。

3.2 某型飛機重心測量誤差分析

將測量數(shù)據(jù)代入重心yc的誤差計算式中，分析各誤差源的最大可能偏差。結(jié)果如下表1。

由表1中的誤差分析結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：

1）表中1、2兩項內(nèi)容都是由前稱造成的誤差。經(jīng)計算，前稱造成的誤差占總誤差的22%。

表1 最大可能誤差計算表

2）表中3～8項內(nèi)容都是由于加入了配重產(chǎn)生的誤差，經(jīng)計算，占總誤差的62%。其中，由于配重重心產(chǎn)生的誤差（4、5、7、8）占總誤差的55%。這是因為配重物為沙袋，每次需2～3個沙袋堆疊使用，存在較大的人為誤差。

3）表中12、13兩項內(nèi)容都是飛機俯仰角測量值產(chǎn)生的誤差。經(jīng)計算，由飛機俯仰角測量值產(chǎn)生的誤差占總誤差的14%。

4 測量方法優(yōu)化

4.1 優(yōu)化策略

根據(jù)以上分析可知，配重的引入是導(dǎo)致某型飛機空機重心測量誤差較大的主要原因，為此，考慮改變測量方式以取消配重。

以某飛機為例，其機體坐標(biāo)系下的重心為（2.124，0.925）。若將飛機處于低頭狀態(tài)（見圖3），且保證OW 連線在OY 的左側(cè)，則W 在OXY 坐標(biāo)系中的x 坐標(biāo)大于0，飛機的重心在水平面的投影就在主輪和前輪的中間，稱重時無需配重。

根據(jù)計算，飛機需要低頭超過2.7°即可使重心在水平面的投影就在主輪和前輪的中間位置。根據(jù)飛機稱重的要求，兩個稱重狀態(tài)下飛機的俯仰角之差要大于5°[2]，所以，可以將飛機處于2.7°和7.7°兩種低頭狀態(tài)下稱重。

圖3 某型飛機低頭狀態(tài)示意

4.2 改進(jìn)后的重心測量方法

改進(jìn)后的飛機重心測量方法具體步驟如下：

1）根據(jù)飛機稱重方案檢查裝機狀態(tài)完整。

2）根據(jù)飛機機輪位置關(guān)系放置磅秤。

3）安排人員托住尾撬，保證飛機安全。

4）將飛機抬至磅秤上，按需要放置輪擋。

5）根據(jù)以往稱重重心計算出機頭應(yīng)下沉的高度，參照該值調(diào)整飛機狀態(tài)，保證飛機平衡。

6）根據(jù)稱重方案測量并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。

7）繼續(xù)降低機頭位置，在滿足飛機安全性的前提下可以盡量拉大兩個稱重狀態(tài)俯仰角的差值，提高飛機稱重的精度。

8）根據(jù)飛機稱重方案計算飛機重量重心。

5 結(jié)論

1）配重是造成飛機重心測量誤差較大的主要原因，占總誤差的62%。使用兩個低頭狀態(tài)進(jìn)行測量可以消除這個誤差，提高測量的精度。

2）前稱凈重對飛機重心測量精度也有較大影響，可以通過提高前稱精度來提高測量精度。

3）飛機俯仰角測量需先在飛機座艙底部標(biāo)記四個測量點，建議在生產(chǎn)過程中即完成四個測量點的標(biāo)記工作。

4）新的測量方法提高了測量精度，但是要求稱重操作人員注意人員和飛機安全。