民用飛機機翼副油箱靜載荷計算

劉 偉 黨西軍

(航空工業(yè)西飛，西安 710089)

0 引言

國內(nèi)大中型民用飛機機翼掛裝副油箱構(gòu)形較少，掛裝副油箱時需滿足適航條款的相關(guān)規(guī)定，在副油箱載荷計算過程中，考慮CCAR-25部第25.301(c)條：如果載荷作用下的變形會顯著改變外部載荷或內(nèi)部載荷的分布，必須考慮載荷分布變化的影響[1]，是一個相對復(fù)雜的問題。

大中型民用類飛機一般將機翼簡化為懸臂梁，采用升力線理論確定機翼結(jié)構(gòu)彈性變形的影響[2-8]?！哆\輸類飛機載荷計算程序包》是符合CCAR-25部適航條款，適用于亞音速、大展弦比飛機的通用載荷計算軟件，該程序采用上述彈性修正的方法，解決了結(jié)構(gòu)彈性變形對機翼載荷分布的影響，具備計算尾翼、機翼、機身等部件載荷的能力，但不具備機翼掛裝副油箱結(jié)構(gòu)載荷的計算能力。

本文在《運輸類飛機載荷計算程序包》基礎(chǔ)上，主要借鑒機翼結(jié)構(gòu)彈性修正方法，開展副油箱靜載荷計算研究，增加副油箱氣動力彈性修正計算、慣性力計算、副油箱質(zhì)量實時更新等功能模塊，形成了滿足適航條款的機翼外掛物靜載荷計算能力，拓展了《運輸類飛機載荷計算程序包》計算功能。

1 計算原理

求解飛機在不同高度、不同速度、不同重量和不同受載情況下帶外掛物飛行時的運動參數(shù)，考慮飛機機動引起外掛物自身攻角和側(cè)滑角的變化以及機翼結(jié)構(gòu)彈性修正引起的攻角增量，分別得到副油箱氣動載荷與慣性載荷，兩者迭加篩選出總載荷。

1.1 外掛物氣動力

外掛物風(fēng)洞測力試驗得出外掛物氣動力，一般未考慮機翼的真實剛度，為更精確的得出外掛物氣動力，應(yīng)考慮真實機翼的彈性變形對外掛物自身氣動迎角的影響，考慮外掛物自身運動及機翼結(jié)構(gòu)彈性變形的氣動力計算如下：

[xryrzr]=[xwgywgzwg]-[xcyczc]

(1)

(2)

[Vx·wgVy·wgVz·wg]=[VxVyVz]+[ΔVxΔVyΔVz]

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

xwg、ywg、zwg為外掛質(zhì)心處坐標；xcyczc為飛機質(zhì)心處坐標；ωx、ωy、ωz為飛機運動角速度；VxVyVz為飛機運動速度；VxwgVywgVzwg為外掛運動速度；αwg為外掛攻角；αs為機翼彈性變形引起的外掛物當(dāng)?shù)毓ソ窃隽?；βwg為外掛側(cè)滑角；δ為飛機相關(guān)舵面偏角；dxj為自定義插值函數(shù)；T為插值類型；ci_ID、mi_ID為外掛物氣動力數(shù)據(jù)集；Fxq、Fyq、FzqFxq、Fyq、Fzq為外掛物氣動力；Mxq、Myq、Mzq為外掛物氣動力矩。

1.2 外掛物慣性力

在實際的工程計算中，由于彈性變形對慣性載荷的影響較小，可以忽略彈性變形對慣性載荷的影響，將飛機視為剛體計算[9-10]，計算公式如下：

Fxw=-(nx+Δnx)Gw

(7)

Fyw=-(ny+Δny)Gw

(8)

Fzw=-(nz+Δnz)Gw

(9)

Mxw=-Ixwεx+(Iyw-Izw)ωyωz+Iyzw(ω2y-ω2z)

+Ixzw(εz+ωxωy)+Ixyw(εy-ωxωz)

(10)

Myw=-Iywεy+(Izw-Ixw)ωxωz+Ixzw(ω2z-ω2x)

+Ixyw(εx+ωyωz)+Iyzw(εz-ωxωy)

(11)

Mzw=-Izwεz+(Ixw-Iyw)ωxωy+Ixyw(ω2x-ω2y)

+Izyw(εy+ωxωz)+Ixzw(εx-ωzωy)

(12)

Δnx=[-(ω2y+ω2z)(xwg-xc)+(ωxωy-εz)

(ywg-yc)+(ωxωz+εy)(zwg-zc)]/g

(13)

Δny=[-(ω2x+ω2z)(ywg-yc)+(ωyωz-εx)

(zwg-zc)+(ωxωy+εz)(xwg-xc)]/g

(14)

Δnz=[-(ω2x+ω2y)(zwg-zc)+(ωxωz-εy)

(xwg-xc)+(ωzωy+εx)(ywg-yc)]/g

(15)

式中：

Gw為外掛物的重量；FxwFywFzw為外掛物慣性力；Mxw、Myw、Mzw為外掛物慣性力矩；Δnx、Δny、Δnz為外掛物引起的附加過載；Ixw、Iyw、Izw為外掛物質(zhì)量塊對自身質(zhì)心的慣性矩；Ixyw、Iyzw、Ixzw為外掛物質(zhì)量塊對自身質(zhì)心的慣性積；εx、εy、εz為飛機角加速度；ωx、ωy、ωz為飛機角速度；nx、ny、nz為飛機質(zhì)心處過載系數(shù)。

1.3 副油箱質(zhì)量特性

根據(jù)全機質(zhì)量、燃油順序、耗油率，計算出當(dāng)前工況下副油箱的燃油總質(zhì)量，插值副油箱燃油百分比組成的數(shù)據(jù)矩陣，計算出燃油質(zhì)量特性，與副油箱本體合并為副油箱總質(zhì)量，副油箱典型質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣見表1。

表1 副油箱質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣

2 載荷工況

CCAR-25部中沒有針對類似機翼掛裝副油箱結(jié)構(gòu)的適航條款，計算載荷時，參考機體結(jié)構(gòu)的適航符合性，按照最大包容原則，選取下列條款進行分析和計算，詳見表2，其中突風(fēng)載荷必須通過動態(tài)分析方法確定，本文未考慮。

表2 適航條款

按照上述的適航條款確定出過載-速度包線，高度-速度包線，重量構(gòu)形，與襟翼收上/放下對稱機動、襟翼收上滾轉(zhuǎn)機動、偏航機動、發(fā)動機停車、地面情況等工況組合成多種載荷計算情況。

3 嚴重情況的選取

副油箱載荷設(shè)計嚴重情況按照載荷需求的不同設(shè)置三個載荷點分別選取包線，每一點載荷按照單力素極值和組合力素極值等28個力素選取嚴重載荷包線。典型副油箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

注：B點為單獨副油箱的載荷，用于校核副油箱本體及其連接；C點為副油箱和掛架的載荷，用于校核掛架本體及其連接；D點為副油箱、掛架、過渡梁三者的總載荷，用于校核過渡梁本體及其與機翼連接。圖1 外掛物示意圖

4 應(yīng)用

在充分消化吸收《運輸類飛機載荷計算程序包》源代碼基礎(chǔ)上，借鑒該程序機翼結(jié)構(gòu)彈性修正，數(shù)據(jù)采用載數(shù)據(jù)庫管理、計算情況采用代碼控制等經(jīng)驗，增加副油箱氣動彈性修正計算、慣性力計算和副油箱質(zhì)量計算模塊，實現(xiàn)了副油箱靜載荷計算，詳細計算流程見圖2。

以某民機機翼掛裝副油箱靜載荷計算為例，計算了4 740種載荷工況，考慮了彈性修正和未彈性修正的副油箱靜載荷，根據(jù)包線篩選的結(jié)果，僅列出部分副油箱本體嚴重工況計算結(jié)果，載荷數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 B點修正載荷

圖2 外掛物載荷計算流程

表4 B點未修正載荷

由上計算結(jié)果可以看出：考慮彈性修正和未彈性修正副油箱載荷相差在1%以內(nèi)，載荷變化不大。

經(jīng)分析彈性修正和未修正載荷變化不大，與該飛機機動性小，機翼剛度大、副油箱氣動面小，慣性力占比大等因素有關(guān)，后續(xù)載荷計算時，可以進行設(shè)計說明，不必考慮彈性修正。

5 結(jié)論

將外掛物載荷計算方法程序化，借鑒機翼結(jié)構(gòu)彈性修正、數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫管理、計算情況采用代碼控制等經(jīng)驗，在工程應(yīng)用成熟的《運輸類飛機載荷計算程序包》的基礎(chǔ)上，增加了外掛物載荷計算模塊，使外掛物載荷計算滿足CCAR-25部的適航條款要求，擴展了《運輸類飛機載荷計算程序包》的能力。

目前，只能給出副油箱的集中力，還需單獨計算副油箱分布載荷，校核副油箱本體，后續(xù)需要在該外掛物計算模塊上，增加副油箱分布力計算方法，使分布載荷能直接用于CAE軟件，校核副油箱本體。