民用飛機(jī)著陸載荷第25.473條款要求及符合性驗(yàn)證研究

劉文斌

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

飛機(jī)地面載荷設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括滑跑、轉(zhuǎn)彎、剎車等地面操縱載荷，以及著陸情況載荷兩部分，其中著陸載荷需要使用動(dòng)力學(xué)分析方法，從而考慮飛機(jī)和起落架的動(dòng)態(tài)特性，還需要進(jìn)行起落架落震試驗(yàn)[1]和仿真進(jìn)行輔助分析，工作難度更大。

民用飛機(jī)基于嚴(yán)格的安全性要求和適航理念的發(fā)展，對(duì)著陸載荷的計(jì)算情況進(jìn)行了詳細(xì)的要求和假定。CCAR-25是中國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)必須滿足的最低要求，其中第25.473條規(guī)定著陸載荷的相關(guān)內(nèi)容，包括姿態(tài)、重量構(gòu)型、下沉速度、升力、摩擦系數(shù)等，需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊?，才能開展飛機(jī)設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證工作。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)適航領(lǐng)域研究的論文文獻(xiàn)都不少[2-5]，但在國(guó)內(nèi)，因?yàn)槊駲C(jī)發(fā)展并不突出的現(xiàn)實(shí)情況，地面載荷相關(guān)的適航研究并不多。隨著國(guó)內(nèi)民機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，如何以適航的理念研究清楚該條款要求，從而順利進(jìn)行符合性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證活動(dòng)，具有重大價(jià)值。本文將對(duì)規(guī)定著陸載荷計(jì)算的CCAR-25部R4版第25.473條款進(jìn)行研究，包括條款要求解析、與其它條款的關(guān)系、符合性方法、審查要點(diǎn)和民機(jī)案例等，可以為中國(guó)民用飛機(jī)著陸載荷設(shè)計(jì)提供參考。

1 適航條款內(nèi)容

《中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.473條“著陸載荷情況和假定”的內(nèi)容為[6]：

(a)對(duì)于第25.479條至第25.485條中規(guī)定的著陸情況，假定飛機(jī)按下列情況接地：

(1) 以第25.479條和第25.481條中定義的姿態(tài)；

(2) 設(shè)計(jì)著陸重量(以最大下沉速度著陸情況中的最大重量)時(shí)的限制下沉速度為3.05 m/s(10 ft/s)；

(3) 設(shè)計(jì)起飛重量(以減小的下沉速度著陸情況中的最大重量)時(shí)的限制下沉速度為1.83 m/s(6 ft/s)；

(4) 如果能表明飛機(jī)具有不能達(dá)到上述的下沉速度的設(shè)計(jì)特征，可以修改此下沉速度。

(b) 除系統(tǒng)或程序顯著影響升力外，可假定飛機(jī)升力不超過飛機(jī)重力。

(c) 飛機(jī)和起落架載荷的分析方法至少應(yīng)考慮下列要素：

(1) 起落架動(dòng)態(tài)特性；

(2) 起旋和回彈；

(3) 剛體響應(yīng)；

(4) 機(jī)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)(若顯著)。

(d) 起落架動(dòng)態(tài)特性必須按第25.723(a)條中確定的試驗(yàn)來驗(yàn)證。

(e) 可以通過考慮滑行速度和輪胎壓力的效應(yīng)來確定輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)，此摩擦系數(shù)不必大于0.8。

2 相關(guān)條款和關(guān)系

根據(jù)第25.473條款內(nèi)容，與其相關(guān)條款包括：第25.471條、第25.479條～485條、第25.723條。條款的名稱和根據(jù)描述整理的條款間的相關(guān)性，見表1、表2。

表1 第25.473條相關(guān)條款

表2 第25.473條相關(guān)條款的相關(guān)性

3 適航條款要求解析

第25.473(a)款：說明了第25.479條至第25.485條規(guī)定的載荷情況都是著陸情況，必須考慮飛機(jī)的姿態(tài)、飛機(jī)設(shè)計(jì)重量和相應(yīng)的下沉速度。

第25.473(a) (1)款：對(duì)著陸情況進(jìn)行了規(guī)定和說明，依據(jù)飛機(jī)的受載特點(diǎn)對(duì)著陸情況分為對(duì)稱著陸和非對(duì)稱著陸，對(duì)稱著陸又根據(jù)著陸姿態(tài)分為水平著陸和尾沉著陸。第25.479條規(guī)定了水平著陸情況，以及非對(duì)稱的側(cè)偏著陸情況；第25.481條規(guī)定了尾沉著陸情況；第25.483條和第25.485條分別規(guī)定了單輪著陸情況和側(cè)向載荷情況兩種非對(duì)稱著陸情況。

第25.473(a) (2)款：對(duì)著陸重量和下沉速度進(jìn)行了規(guī)定，應(yīng)計(jì)算設(shè)計(jì)著陸重量(以最大下沉速度著陸情況中的最大重量)在下沉速度為3.05 m/s(10 ft/s)情況的著陸載荷。

第25.473(a) (3)款：對(duì)著陸重量和下沉速度進(jìn)行了規(guī)定，應(yīng)計(jì)算設(shè)計(jì)起飛重量(以減小的下沉速度著陸情況中的最大重量)在限制下沉速度為1.83 m/s(6 ft/s)情況的著陸載荷。

第25.473(a) (4)款：對(duì)特殊設(shè)計(jì)飛機(jī)的下沉速度進(jìn)行了補(bǔ)充說明，即如果能表明飛機(jī)具有不能達(dá)到上述規(guī)定的下沉速度的設(shè)計(jì)特征，譬如著陸情況的下沉速度設(shè)計(jì)指標(biāo)或駕駛員手冊(cè)等證明材料，允許修改(a)(2)和(a)(3)規(guī)定的下沉速度。

第25.473(b) 款：規(guī)定了在整個(gè)著陸撞擊過程中，飛機(jī)升力不超過飛機(jī)重量，升力可通過詳細(xì)計(jì)算和試驗(yàn)獲得，或采用升力等于重力的邊界情況。

第25.473(c)款：規(guī)定了采用分析方法計(jì)算著陸載荷時(shí)應(yīng)考慮的要求。

第25.473(c) (1)款：應(yīng)考慮起落架動(dòng)態(tài)因素，包括起落架的剛度特性、緩沖器內(nèi)部的空氣彈簧力和阻尼力、輪胎壓縮性能和摩擦性能等。

第25.473(c)(2)款：應(yīng)考慮起落架的起旋和回彈情況，即需要考慮起落架的起旋時(shí)刻載荷和回彈時(shí)刻載荷[7]，這兩個(gè)時(shí)刻是著陸過程中起落架航向載荷的兩個(gè)邊界情況。

第25.473(c) (3)款：應(yīng)考慮剛體響應(yīng)，是指需要考慮重要集中質(zhì)量分布的影響，比如起落架動(dòng)力學(xué)分析中需要考慮活塞桿、扭力臂、機(jī)輪構(gòu)成的非彈性質(zhì)量[8]。

第25.473(c) (4)款：如果機(jī)體柔性對(duì)著陸載荷的影響“顯著”[9]，則需考慮該影響，否則使用剛性機(jī)體假設(shè)。顯著與否的確定，可根據(jù)國(guó)內(nèi)外相似型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，或者試驗(yàn)和試飛數(shù)據(jù)決定。

第25.473(d)款：規(guī)定用于著陸載荷計(jì)算的起落架動(dòng)態(tài)特性，必須按第25.723(a)款中確定的減震試驗(yàn)來驗(yàn)證。

第25.473(e)款：規(guī)定了起落架輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)確定方法，此摩擦系數(shù)不必大于0.8。

4 符合性驗(yàn)證思路

4.1 符合性方法表

第25.473條是關(guān)于著陸載荷的總則性條款，應(yīng)通過載荷分析/計(jì)算(MOC2)、試驗(yàn)室試驗(yàn)(MOC4)來驗(yàn)證。

針對(duì)25.473條的符合性驗(yàn)證方法見表3，各項(xiàng)具體的驗(yàn)證工作如下。

表3 符合性方法表

4.2 MOC2

對(duì)第25.473條，采用載荷計(jì)算分析表明符合性。在著陸載荷計(jì)算中，分別考慮最大著陸重量、最大起飛重量下的水平著陸情況、尾沉著陸情況、單起落架著陸情況、側(cè)向載荷情況。對(duì)應(yīng)最大著陸重量的限制下沉速度為3.05 m/s，對(duì)應(yīng)最大起飛重量的限制下沉速度為1.83 m/s。借助于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方法來建立起落架觸地后的撞擊模型和運(yùn)動(dòng)微分方程組，再根據(jù)初始條件及緩沖特性去求解這些方程，得到前、主起落架垂直載荷、起旋載荷和回彈載荷，再分別進(jìn)行剛性機(jī)體著陸載荷計(jì)算和彈性機(jī)體著陸動(dòng)響應(yīng)分析。在整個(gè)著陸過程中，除系統(tǒng)或程序顯著影響升力外，假定飛機(jī)升力不超過飛機(jī)重力。輪胎與跑道間的地面摩擦系數(shù)由輪胎滑移比曲線確定，地面摩擦最大系數(shù)不超過0.8。

4.3 MOC4

對(duì)第25.473條，按第25.723(a)款中規(guī)定開展減震試驗(yàn)，驗(yàn)證起落架的動(dòng)態(tài)特性，以表明符合性。試驗(yàn)應(yīng)要考慮前、主起落架使用場(chǎng)景的差別，對(duì)不同的著陸姿態(tài)(水平和尾沉)、下沉速度(1.83 m/s和3.05 m/s)和水平速度進(jìn)行組合，選取設(shè)計(jì)著陸重量或設(shè)計(jì)起飛重量中產(chǎn)生較大著陸沖擊能量的重量狀態(tài)，設(shè)定合理的試驗(yàn)工況。阻力載荷的模擬與水平速度嚴(yán)格相關(guān)，應(yīng)在飛機(jī)著陸載荷分析的使用的水平速度中選取。最后，還需進(jìn)行下沉速度3.66 m/s的儲(chǔ)備能量吸收試驗(yàn)，來驗(yàn)證起落架的吸能特性。

5 某型民機(jī)案例

5.1 MOC2案例

某型民機(jī)通過不同參數(shù)組合的工況設(shè)置，以滿足25.473(a)條款對(duì)重量、下沉速度、姿態(tài)要求，并編制著陸載荷計(jì)算報(bào)告作為符合性驗(yàn)證材料，以驗(yàn)證著陸載荷符合性。供動(dòng)態(tài)仿真使用的工況參數(shù)表見表4，25.473(a)(4)對(duì)下沉速度的補(bǔ)充要求自動(dòng)滿足。

表4 工況參數(shù)表

通過建立合理的載荷分析/計(jì)算模型，以符合25.473(b)和(c)條款的要求。先建立起落架著陸仿真分析模型，進(jìn)行起落架載荷計(jì)算，再進(jìn)行機(jī)體載荷的計(jì)算。模型中對(duì)機(jī)體采用剛體假設(shè)，起落架的物理模型[10]如圖1所示，數(shù)學(xué)模型參考《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。模型中考慮了飛機(jī)升力、剛體響應(yīng)、起落架剛度、緩沖器性能、輪胎壓縮和摩擦性能等因素，并通過編寫計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)具體計(jì)算。落震仿真模型建模報(bào)告、著陸載荷計(jì)算程序手冊(cè)，作為符合性材料供局方審定，以驗(yàn)證條款的符合性。

圖1 起落架力學(xué)特性示意

采用如圖2所示的滑移比[10]和輪胎摩擦系數(shù)曲線，以滿足25.473(e)的要求。

圖2 滑移比和摩擦系數(shù)曲線

5.2 MOC4案例

某型民機(jī)按照25.723(a)條款要求，開展前、主落震試驗(yàn)以滿足25.473(d)條款，落震試驗(yàn)的工況從著陸仿真工況中選擇沖擊能量較大的工況，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)具備姿態(tài)調(diào)整、載荷測(cè)量、升力模擬、重量調(diào)整等功能。試驗(yàn)前后和開展過程中，編制試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)報(bào)告、落震試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證等文件，并邀請(qǐng)局方代表參與試驗(yàn)?zāi)繐?。某型民機(jī)主起落架落震試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

圖3 某型民機(jī)起落架落震試驗(yàn)照片

6 結(jié)論

本文研究了運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)第25.473條中各項(xiàng)的要求，對(duì)條款內(nèi)容進(jìn)行了逐條解析，梳理了符合性驗(yàn)證思路，并給出了某型民機(jī)著陸載荷的計(jì)算和符合性驗(yàn)證案例，可為民機(jī)著陸載荷設(shè)計(jì)提供參考。