關(guān)于大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)方法的探討

潘偉

（陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，陜西漢中 723000）

1.概述

現(xiàn)有的軍民用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)中，對(duì)于機(jī)翼翼載的設(shè)計(jì)方法主要有3種：第一種是軍用標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)的《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》（GJB 67A-2008）、美國(guó)的《軍用飛機(jī)強(qiáng)度和剛度規(guī)范》（MIL-A-008860A）以及蘇聯(lián)的53年規(guī)范等；第二種是國(guó)際民航的標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)的CCAR-25、美國(guó)的FAR-25、歐洲的CS-25和英國(guó)的JAR-25等；第三種是歐洲的A400M運(yùn)輸機(jī)所使用的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)裝載或者所執(zhí)行的任務(wù)性質(zhì)來(lái)限制機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)。

本文主要就上述3種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析，討論其設(shè)計(jì)思路，然后以某飛機(jī)為例，分別按照3種不同的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)下的機(jī)翼載荷。比較運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼的機(jī)動(dòng)載荷和突風(fēng)載荷，討論突風(fēng)情況對(duì)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)在方案論證階段的機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)算例的比較分析，得到一個(gè)適合該飛機(jī)的機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)范圍，并為其他軍用運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的翼載設(shè)計(jì)提供一種思路。

2.3種機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)方法

2.1 基于軍標(biāo)的機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)方法

在GJB 67-1985中提到基本飛行設(shè)計(jì)重量（GBF）和飛機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)（nzmax）是飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，它基本確定了一架飛機(jī)的強(qiáng)度水平。而飛機(jī)的機(jī)翼所承受的最大氣動(dòng)載荷約為GBF?nzmax的102%～105%，在扣除對(duì)應(yīng)的慣性載荷，即為機(jī)翼所需承受的凈載荷。

對(duì)于運(yùn)輸機(jī)，在國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中分類(lèi)為輕型運(yùn)輸機(jī)和重型運(yùn)輸機(jī)，并在GJB 67.2A-2008中的“3.2.1.2.2 對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)飛行參數(shù)”規(guī)定“飛機(jī)的對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)飛行參數(shù)應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定。當(dāng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求不明確時(shí)，可參照表1和表2對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)飛行參數(shù)的規(guī)定”（其中表1針對(duì)陸基飛機(jī)，表2針對(duì)艦載飛機(jī)）。

表1 對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)飛行參數(shù)（陸基飛機(jī)）

從表1中可知，對(duì)于重量小的飛機(jī)，在基本飛行設(shè)計(jì)重量下的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)要求也更大，這主要是由于對(duì)于大展弦比的運(yùn)輸機(jī)而言，突風(fēng)載荷往往是嚴(yán)重載荷情況，而且飛機(jī)越輕飛行速度越低，突風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷之間的差距也會(huì)越大。運(yùn)輸機(jī)的最大突風(fēng)過(guò)載系數(shù)往往大于最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)。對(duì)于輕型運(yùn)輸機(jī)，最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)若取值過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，能夠經(jīng)受住突風(fēng)載荷，卻限制了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能。若取值過(guò)大，則有可能是飛機(jī)背負(fù)不必要的結(jié)構(gòu)重量，影響飛機(jī)的性能。

在GJB 67A-2008中，對(duì)基本飛行設(shè)計(jì)重量的定義如：應(yīng)是以最大載荷系數(shù)和最小載荷系數(shù)作機(jī)動(dòng)飛行所允許的飛機(jī)最大飛行重量，規(guī)定如下：

（1）對(duì)于殲擊機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)，應(yīng)根據(jù)空機(jī)重量、乘員、滑油、氧氣重量、按戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求攜帶的基本武器重量以及按戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定的機(jī)內(nèi)燃油重量之和確定。（2）對(duì)于其他類(lèi)飛機(jī)，應(yīng)根據(jù)帶基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載起飛，燃油量從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)計(jì)算的飛機(jī)重量確定，或者根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定。

從中可知，對(duì)于運(yùn)輸機(jī)的基本飛行重量應(yīng)是從基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載的重量起飛，并扣除一部分燃油后的重量，但并未明確基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載的重量對(duì)應(yīng)的是哪一個(gè)重量和扣除多少燃油。

在GJB 67-1985中對(duì)基本飛行設(shè)計(jì)重量的定義與GJB 67A-2008中相同，但在解釋條文中給出了MIL-A-008860A的規(guī)定，是以機(jī)內(nèi)滿(mǎn)油加基本外掛武器的全機(jī)重量作為飛機(jī)的基本飛行設(shè)計(jì)重量。但實(shí)際上，在查找美國(guó)有關(guān)飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，美國(guó)各飛機(jī)設(shè)計(jì)公司的有些飛機(jī)是按照50%機(jī)內(nèi)燃油加上基本外掛武器重量來(lái)設(shè)計(jì)的；同時(shí)考慮到飛機(jī)通常在訓(xùn)練飛行和戰(zhàn)斗時(shí)方作最大設(shè)計(jì)過(guò)載的機(jī)動(dòng)飛行，且此時(shí)飛機(jī)不掛副油箱和炸彈或早已投掉，再則為了爬升到一定的作戰(zhàn)高度或飛行到作戰(zhàn)區(qū)域，機(jī)內(nèi)燃油會(huì)有一定的消耗。因此我國(guó)的規(guī)范制定者們認(rèn)為MIL-A-008860A的規(guī)定偏于保守，不夠合理，故在《飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范》（試用本）中給出了基本飛行設(shè)計(jì)重量的2種確定方法：（1）飛機(jī)的正常起飛重量與基本飛行設(shè)計(jì)重量之比為1.1左右；（2）在正常起飛重量中扣除30%～40%燃油后的飛機(jī)重量。

經(jīng)查，在國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范中，并未對(duì)飛機(jī)的正常起飛重量進(jìn)行定義，但在蘇聯(lián)的53年規(guī)范中對(duì)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的正常起飛重量的定義為：飛機(jī)為完成戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求規(guī)定的基本任務(wù)所需裝載狀態(tài)下的起飛重量，不扣除試車(chē)、暖機(jī)、滑行所消耗的燃料。并且在戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求未規(guī)定時(shí)，推薦最大起飛重量與正常起飛重量的比值取1.1。同時(shí)對(duì)基本飛行設(shè)計(jì)重量的規(guī)定為以正常起飛重量起飛，開(kāi)始進(jìn)入作戰(zhàn)（巡航）高度和速度時(shí)的飛機(jī)重量。

以安-12飛機(jī)為例，最大起飛重量為61t，則正常起飛重量為61/1.1≈55.5t，從試車(chē)開(kāi)始，到完成爬升達(dá)到巡航高度的燃油消耗約為2.5t（參考運(yùn)8C型飛機(jī)的起飛、爬升燃油消耗），55.5-2.5=53t，剛好符合安-12飛機(jī)給出基本飛行設(shè)計(jì)重量。同時(shí)，在GJB 67.2A-2008中“第3.1.1重量”規(guī)定：本部分規(guī)定的設(shè)計(jì)重量，應(yīng)是飛機(jī)最小飛行重量和最大飛行重量間的所有能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受載的重量。按照最大對(duì)稱(chēng)限制載荷系數(shù)定義的各種機(jī)動(dòng)飛行情況，應(yīng)采用下述規(guī)定：

（1）當(dāng)重量小于或等于基本飛行設(shè)計(jì)重量時(shí)，對(duì)基本飛行設(shè)計(jì)重量下規(guī)定參數(shù)值的所有情況，均應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；（2）當(dāng)重量大于基本飛行設(shè)計(jì)重量時(shí)，應(yīng)在保持“nzG”乘積不變的條件下，檢查飛機(jī)的強(qiáng)度，但載荷系數(shù)nz不應(yīng)小于表1（陸基飛機(jī)）和表2（艦載飛機(jī)）中對(duì)最大飛行重量的規(guī)定值。

表2 A400M運(yùn)輸機(jī)不同任務(wù)時(shí)的特征重量/kg

按照此條款，在最大飛行重量時(shí)，飛機(jī)所允許的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)一般都比表1中規(guī)定的大，在載荷設(shè)計(jì)時(shí)，取兩者中的大者。

2.2 基于民標(biāo)的機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)方法

在CCAR-25-R4中“第25.337條限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)”規(guī)定：

（1）除受到最大（靜）升力系數(shù)的限制外，假定飛機(jī)經(jīng)受對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)并達(dá)到本條所規(guī)定的限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)。必須考慮相應(yīng)于飛機(jī)拉起和定常轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)的合適的俯仰速度。

（2）對(duì)于直到VD的任一速度，正限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)“n”不得小于：

但是“n”不得小于2.5，不必大于3.8，此處W為設(shè)計(jì)最大起飛重量。

（3）對(duì)于負(fù)限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)，采用下列規(guī)定：在直到VC的各種速度下，不得小于-1.0；必須隨速度從VC時(shí)的對(duì)應(yīng)值線(xiàn)性變化到VD時(shí)的零值。

（4）如果飛機(jī)具有的設(shè)計(jì)特征使其在飛行中不可能超過(guò)本條規(guī)定的機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)，則可采用小于本條規(guī)定的值。

按照式（1）的規(guī)定，對(duì)于不同設(shè)計(jì)最大重量的運(yùn)輸機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)取值如圖1所示。

圖1 不同最大起飛重量運(yùn)輸機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)

從本條款可知，對(duì)于民用運(yùn)輸機(jī)，是要求從設(shè)計(jì)最小重量到設(shè)計(jì)最大重量，都需要按照最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)（對(duì)于零油狀態(tài)和放襟翼狀態(tài)有單獨(dú)條款的設(shè)計(jì)要求）來(lái)分析飛機(jī)的受載情況。同時(shí)從圖1可知，飛機(jī)的設(shè)計(jì)最大重量越小，飛機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)的取值要求就越大，同樣是出自對(duì)突風(fēng)載荷影響的考量。

2.3 A400M運(yùn)輸機(jī)的機(jī)翼翼載設(shè)計(jì)方法

2013年3月13日，A400M運(yùn)輸機(jī)獲得了EASA頒發(fā)的全民用型號(hào)合格證，在同年8月獲得了7個(gè)國(guó)家的軍用型號(hào)合格證。但A400M運(yùn)輸機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)系數(shù)限制與軍用標(biāo)準(zhǔn)和民航標(biāo)準(zhǔn)均不相同，不是按照總重量取限制，而是根據(jù)飛機(jī)的裝載情況去限制飛機(jī)所允許的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載系數(shù)。

A400M運(yùn)輸機(jī)的最大機(jī)動(dòng)過(guò)載限制方案為：（1）后勤任務(wù)，2.25；（2）戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，2.5，并同時(shí)規(guī)定了執(zhí)行后勤任務(wù)和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時(shí)的最大有效裝載、最大起飛重量、最大著陸重量和最大零燃油重量，具體如表2所示。

根據(jù)可查到的A400M運(yùn)輸機(jī)的空機(jī)重量、機(jī)翼面積、最大巡航馬赫數(shù)等參數(shù)，并估算了在海平面高度不同重量狀態(tài)下的巡航速度，Cnα取5.7（1/rad）按照軍標(biāo)突風(fēng)包線(xiàn)中突風(fēng)過(guò)載算法（民標(biāo)相同）和機(jī)動(dòng)載荷分析方法，分別計(jì)算了不同狀態(tài)下A400M運(yùn)輸機(jī)的氣動(dòng)載荷翼載和凈載荷翼載，見(jiàn)表3。

表3 A400M運(yùn)輸機(jī)不同裝載情況下的翼載估算值

而根據(jù)全機(jī)各部件的嚴(yán)重載荷情況分析，在飛行情況下機(jī)身的主要承受氣密載荷、慣性載荷以及尾翼的傳遞載荷，其中機(jī)身承受的慣性載荷主要受機(jī)身裝載情況和過(guò)載系數(shù)影響，同時(shí)考慮到A400M運(yùn)輸機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)成近似于方型橫截面形狀能在貨艙空間利用率上獲得最大化的益處，但是其也存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題——機(jī)身應(yīng)力都集中在底部2側(cè)的角上，這在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)上是個(gè)很大的難題?？湛蛷?個(gè)方向上來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加強(qiáng)，另一方面通過(guò)使用場(chǎng)景（不同場(chǎng)景所允許的最大裝載和最大過(guò)載系數(shù)限制不同）來(lái)降低大載荷出現(xiàn)的頻次，從而使機(jī)身結(jié)構(gòu)既滿(mǎn)足了靜強(qiáng)度要求，又具備了飛行30000h的壽命指標(biāo)要求。

3.結(jié)語(yǔ)

在大型運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首要目標(biāo)是保證飛機(jī)在所需應(yīng)對(duì)的各種作戰(zhàn)場(chǎng)景下能夠完成作戰(zhàn)任務(wù)，這就對(duì)飛機(jī)裝載能力、航程、航時(shí)、機(jī)動(dòng)能力提出了相應(yīng)的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。當(dāng)在飛機(jī)的氣動(dòng)外形和最大起飛重量確定的情況下，飛機(jī)的空機(jī)重量直接影響著飛機(jī)的裝載能力、航程和航時(shí)等性能?；撅w行設(shè)計(jì)重量和對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)過(guò)載限制決定著飛機(jī)的載荷水平。因此，需要根據(jù)需求導(dǎo)出合適的基本飛行設(shè)計(jì)重量，同時(shí)需要根據(jù)基本飛行設(shè)計(jì)重量設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的氣動(dòng)布局，如翼型參數(shù)、機(jī)翼面積和巡航速度范圍等，盡可能的保證飛機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷水平和陣風(fēng)載荷水平相當(dāng)。