民用飛機(jī)振動(dòng)與抖振適航符合性方法研究

賈春 劉海明/中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司民用飛機(jī)試飛中心

0 引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是一個(gè)彈性體的組合，各部件都有其固有模態(tài)特性，結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼較小，在飛機(jī)飛行速度包線內(nèi)，任一速度下都會(huì)出現(xiàn)氣流分離引起的機(jī)體抖振[1]。當(dāng)飛機(jī)超過抖振邊界后，在抖振區(qū)內(nèi)，飛機(jī)操縱困難，嚴(yán)重時(shí)引起結(jié)構(gòu)損傷和疲勞[2]，因此，確定抖振邊界是保證飛機(jī)舒適性和安全性的重要驗(yàn)證科目。

FAR25.251[3]與CCAR25.251 條款[4]對(duì)飛機(jī)振動(dòng)與抖振的要求基本一致。民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)需滿足條款要求，目的是為了確定在巡航狀態(tài)下初始抖動(dòng)發(fā)生時(shí)升力系數(shù)與馬赫數(shù)組合的邊界。本文通過對(duì)CCAR25.251 條款的詳細(xì)分析，提出振動(dòng)與抖振適航符合性驗(yàn)證方法。

1 振動(dòng)與抖振條款分析

1）根據(jù)飛機(jī)升力系數(shù)與馬赫數(shù)（M）組合制定飛機(jī)限制，以表明在任何給定的飛機(jī)重量、高度和M 數(shù)限制范圍內(nèi)，飛機(jī)能夠按規(guī)定的法向加速度作機(jī)動(dòng)飛行[5]。

2）飛行試驗(yàn)應(yīng)保證不超過本節(jié)規(guī)定的限制范圍，飛行試驗(yàn)也不應(yīng)超過CCAR25 部C 分部有關(guān)結(jié)構(gòu)的限制。

3）根據(jù)CCAR25.251（b）和（c）的規(guī)定，出現(xiàn)下列的振動(dòng)和抖振就應(yīng)認(rèn)為是過度的：能引起結(jié)構(gòu)破損或其作用一段時(shí)間后能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞的[3]；能引起駕駛員疲勞和煩惱，從而影響其對(duì)飛機(jī)運(yùn)行和對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行操縱的；能影響飛行儀表可讀性的。

4）依據(jù)CCAR25.251（d）的要求，在巡航狀態(tài)時(shí)不允許有可以感覺到的抖振。為滿足這一要求，需要在飛行手冊(cè)中對(duì)重量/高度加以限制。在使用擾流板和其他高阻力裝置時(shí)，允許的合理抖振量必須在本條（b）和（c）的要求內(nèi)。

5）飛行手冊(cè)中規(guī)定的初始抖振邊界數(shù)據(jù)（在飛機(jī)合格審定的空速/M 數(shù)、重量、高度和載荷系數(shù)等范圍內(nèi)）在前重心邊界應(yīng)是可靠的判據(jù)。如用飛行手冊(cè)中的程序修正到前重心，應(yīng)制定駕駛員座位處的抖振標(biāo)準(zhǔn)，在沒有這種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)由駕駛員確定，一般建議法向加速度值為±0.05g。

6）當(dāng)機(jī)翼流場(chǎng)等氣動(dòng)力外形發(fā)生變化時(shí)，飛機(jī)的振動(dòng)和抖振特性也相應(yīng)發(fā)生變化，需重新評(píng)價(jià)初始抖振邊界和超過抖振邊界的機(jī)動(dòng)特征。

7）CCAR25.571 規(guī)定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，包括功能和可靠性的試驗(yàn)大綱，故需從疲勞觀點(diǎn)對(duì)低于這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則而出現(xiàn)的CCAR25.251（b）和（c）所述操縱問題的振動(dòng)值進(jìn)行分析。

8）在進(jìn)行評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性的試飛時(shí)，應(yīng)先確定縱向機(jī)動(dòng)特性，以保證飛機(jī)在巡航形態(tài)下可安全操縱和機(jī)動(dòng)，且保證試飛員能預(yù)測(cè)飛機(jī)的俯仰姿態(tài)對(duì)縱向主操縱機(jī)構(gòu)的響應(yīng)。

2 符合性驗(yàn)證方法

2.1 驗(yàn)證方法

低速抖振邊界將在失速速度試飛中予以確定。高速抖振邊界將在高速試飛和整個(gè)M 數(shù)范圍內(nèi)的收斂轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)試飛中予以確定[6]，以便能夠確定初始抖振時(shí)的升力系數(shù)CL 隨M 數(shù)變化的曲線。

CCAR25.251 條款驗(yàn)證可采用分 析/計(jì)算（MOC2）和飛行試驗(yàn)（MOC6）作為符合性方法，詳見表1 所示。如果（b）、（c）、（d）、（e）條款已完成符合性驗(yàn)證，則（a）條款自動(dòng)符合條款要求。

表1 符合性驗(yàn)證方法

2.2 試飛驗(yàn)證因素

CCAR25.251（b）：飛機(jī)應(yīng)能以演示的飛行俯沖速度（VDF/MDF）在多個(gè)高度上飛行，高度范圍從實(shí)用的最大巡航高度到最低的實(shí)際高度。飛行試驗(yàn)從最大使用限制速度（VMO/MMO）配平狀態(tài)開始，推力不超過最大連續(xù)推力。飛機(jī)總重應(yīng)為在巡航狀態(tài)下實(shí)際能達(dá)到的最大重量，重心處于或接近前限。

在VDF/MDF速度上，還應(yīng)進(jìn)行高阻力裝置（擾流器和減速板）打開試驗(yàn)以及反推力裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)速度應(yīng)達(dá)到極限速度。對(duì)裝有氣動(dòng)除冰套的飛機(jī)，應(yīng)在VDF/MDF速度上將除冰裝置接通和斷開（如是自動(dòng)的），或在不工作狀態(tài)下進(jìn)行試飛評(píng)定。如申請(qǐng)人要求在除冰裝置接通時(shí)將VMO/MMO限制在一個(gè)較低值，則應(yīng)表明在新的VMO/MMO+20%VDF速度上不會(huì)出現(xiàn)過分的振動(dòng)或抖振。

CCAR25.251（c）：試飛飛機(jī)重量應(yīng)與實(shí)際達(dá)到最大合格審定高度時(shí)的重量一致。

CCAR25.251（d）：以巡航構(gòu)型的試飛中，在直到VMO/MMO的任一速度的直線飛行中不出現(xiàn)可覺察的抖振，以表明與CCAR25.251（d）的符合性。從臨界重量和高度的初始組合（如果能達(dá)到，此時(shí)飛機(jī)距按CCAR25.251（e）確定的抖振起始邊界有0.3g 的余量）開始滿足上述要求。應(yīng)在前重心邊界使用名義巡航M 數(shù)建立此初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始使用最大連續(xù)推力將飛機(jī)在1.0g飛行中加速到VMO/MMO。如果需要達(dá)到VMO/MMO，下降飛行是可以接受的。

3 飛行試驗(yàn)方法

3.1 振動(dòng)試飛方法

飛機(jī)應(yīng)以VDF/MDF在若干高度上飛行，高度范圍從最大巡航高度到最低實(shí)際高度。飛行試驗(yàn)從VMO/MMO配平狀態(tài)開始，推力不超過最大連續(xù)推力。飛機(jī)總重應(yīng)為在巡航狀態(tài)下實(shí)際能達(dá)到的最大重量，重心處于或接近前限。在VDF/MDF速度上，還應(yīng)使用減速板。

可接受的判據(jù)：振動(dòng)試飛按要求完成，飛行參數(shù)正常，振動(dòng)參數(shù)正常。通過航后結(jié)構(gòu)檢查與試飛員評(píng)述，飛機(jī)沒有發(fā)生下述過度振動(dòng)現(xiàn)象，認(rèn)為是可接受的：

1）能引起結(jié)構(gòu)損傷，或者持續(xù)一段時(shí)間后能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞。

2）能引起駕駛員疲勞或煩惱，從而影響對(duì)飛機(jī)或飛機(jī)各系統(tǒng)的操縱。

3）影響飛行儀表的可讀性。

3.2 抖振試飛方法

在包線范圍內(nèi)的各工況下進(jìn)行試飛測(cè)試，主要結(jié)合失速和抖振邊界試飛進(jìn)行。

1）1g 低速抖振邊界：首先操控飛機(jī)以1.3VSR的速度進(jìn)行配平，然后減速到試飛員意識(shí)到抖振開始發(fā)生的速度值。

2）VDF/MDF演示： 以VMO/MMO的速度配平飛機(jī)，并保持發(fā)動(dòng)機(jī)推力不超過最大連續(xù)推力。隨后加速到VDF/MDF，打開減速板，并以不大于1.5g 的載荷系數(shù)改出。

3）前重心，轉(zhuǎn)彎半徑逐漸減小的轉(zhuǎn)彎：飛機(jī)構(gòu)型狀態(tài)為前重心、大重量，飛機(jī)配平后進(jìn)行繞緊轉(zhuǎn)彎直到接近抖振，此試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行到能在2.5g 左右完成改出的g 值。

4）后重心，轉(zhuǎn)彎半徑逐漸減小的轉(zhuǎn)彎：飛機(jī)構(gòu)型狀態(tài)為后重心、小重量，飛機(jī)配平后進(jìn)行繞緊轉(zhuǎn)彎直到接近抖振，此試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行到能在2.5g 左右完成改出的g 值。

可接受的判據(jù)：

1）抖振試飛按要求完成，飛行參數(shù)正常，振動(dòng)加速度正常。

2）正常飛行中不存在干擾操縱飛機(jī)、引起空勤人員過度疲勞或引起結(jié)構(gòu)損傷的抖振狀態(tài)。

3）飛機(jī)結(jié)構(gòu)能夠承受在直到VDF/MDF的任何可能的運(yùn)行條件下（包括失速和超出抖振包線邊界）發(fā)生的任何抖振。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)CCAR25.251 條款的分析，明確了條款詳細(xì)技術(shù)定義，研究并給出了適航符合性驗(yàn)證方法與飛行試驗(yàn)方法，可為CCAR25.251 條款開展符合性驗(yàn)證提供參考。