發(fā)動(dòng)機(jī)油封油對(duì)飛機(jī)重量重心的影響分析

王從軍，趙先竹，陳愛(ài)成，李鮮花

（1.中國(guó)人民解放軍93147 部隊(duì)某軍代室，貴州 安順 561000；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，飛機(jī)的重量重心設(shè)計(jì)貫穿飛機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、交付、使用全過(guò)程，并且是其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)，在重量重心計(jì)算過(guò)程中的準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到飛機(jī)設(shè)計(jì)的成敗[1-2]。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，對(duì)飛機(jī)重量重心的要求也不盡相同。飛機(jī)設(shè)計(jì)初始階段，飛機(jī)重量管理人員根據(jù)飛機(jī)用途及相關(guān)性能要求，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或公式估算出飛機(jī)正常起飛重量及最大起飛重量，再經(jīng)過(guò)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)的迭代計(jì)算，確定出較為合適的正常起飛重量[3]。此時(shí)，對(duì)飛機(jī)的重量重心的精度要求較低。發(fā)圖階段則需要各專(zhuān)業(yè)提供相對(duì)精確的飛機(jī)各部件重量及重心站位，總體重量專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)計(jì)算得出此階段的飛機(jī)重量重心，此時(shí)飛機(jī)重量重心較為接近實(shí)際狀態(tài)飛機(jī)。在生產(chǎn)階段，各專(zhuān)業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，復(fù)查相關(guān)重量數(shù)據(jù)，并提供總體重量進(jìn)行專(zhuān)業(yè)核查，此階段計(jì)算的飛機(jī)重量重心可作為實(shí)際飛機(jī)稱(chēng)重定重心的依據(jù)，根據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第8 冊(cè)，該階段理論計(jì)算值允許與實(shí)際飛機(jī)重量誤差為±0.5%，重心誤差為±0.5%bA[4]。

隨著科技進(jìn)步，戰(zhàn)場(chǎng)上先進(jìn)武器的應(yīng)用，對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)的飛行性能要求也越來(lái)越高，飛機(jī)重心安全范圍也在相應(yīng)地縮小，要求在重量重心計(jì)算時(shí)盡可能詳細(xì)準(zhǔn)確。

1 研究目的

新機(jī)總裝完成后需移交相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行稱(chēng)重定重心試驗(yàn)，在此過(guò)程中，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)處于油封狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)的油封是指將油封油液注入并充滿發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)，防止系統(tǒng)及部件表面產(chǎn)生銹蝕而導(dǎo)致系統(tǒng)故障[5-6]。某型外貿(mào)飛機(jī)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)未啟封時(shí)含油封油共42.4 kg，且相對(duì)集中于飛機(jī)后部，力矩較大。在理論計(jì)算過(guò)程中是否包含此油封油重量及力矩對(duì)飛機(jī)重量重心影響較大，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際稱(chēng)重與理論計(jì)算不相符，不符合稱(chēng)重定重心相關(guān)要求，且在某些極限狀態(tài)下可能會(huì)影響飛行品質(zhì)及用戶使用安全。經(jīng)過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，暫未發(fā)現(xiàn)在理論計(jì)算時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油封油的準(zhǔn)確處理，飛機(jī)在不同狀態(tài)下的理論計(jì)算是否應(yīng)該包含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油重量未進(jìn)行明確[7-8]。

因此，為明確發(fā)動(dòng)機(jī)油封油與飛機(jī)各狀態(tài)重量重心的關(guān)系，需通過(guò)理論計(jì)算確定在飛機(jī)重量重心理論計(jì)算過(guò)程中是否應(yīng)該包含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油，并進(jìn)行實(shí)際稱(chēng)重定重心試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)兩者的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證油封油與飛機(jī)各狀態(tài)重量重心的關(guān)系[9]。因?yàn)樵谘芯匡w機(jī)操穩(wěn)特性時(shí)，較為關(guān)注飛機(jī)縱向的重心情況，所以本研究?jī)H從飛機(jī)縱向重心進(jìn)行計(jì)算分析及驗(yàn)證[10]。

2 理論計(jì)算

2.1 油封油與基本空機(jī)重量的關(guān)系

飛機(jī)的基本空機(jī)重量（BEW）即滿足基本作戰(zhàn)任務(wù)而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)部件、動(dòng)力裝置、通用設(shè)備和專(zhuān)用設(shè)備所構(gòu)成的飛機(jī)的重量，不包括有用載荷和外場(chǎng)可拆卸的外掛物[1]。在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)重量（BEW）時(shí)，應(yīng)包括飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)重量（含機(jī)身、機(jī)翼及尾翼）、飛機(jī)配裝發(fā)動(dòng)機(jī)重量、航電設(shè)備重量和起落架重量、環(huán)控系統(tǒng)重量、電氣系統(tǒng)重量及操縱系統(tǒng)重量等除有用載荷及在外場(chǎng)可拆卸的外掛物外的所有重量。即：

式中，WBEW為飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)重量，單位kg；WS為飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量，單位kg；WP為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量，單位kg；WFEQ為飛機(jī)固定設(shè)備重量，單位kg；WELE為飛機(jī)電氣系統(tǒng)重量，單位kg；WFU為飛機(jī)燃油系統(tǒng)重量，單位kg；WEN為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)重量，單位kg；WOX為飛機(jī)氧氣系統(tǒng)重量，單位kg；WLG為飛機(jī)著陸裝置重量，單位kg；WCTL為飛機(jī)飛控系統(tǒng)重量，單位kg；WNA為飛機(jī)航電系統(tǒng)重量，單位kg。

發(fā)動(dòng)機(jī)重量WP為干質(zhì)量，不包含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油重量。因此在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)重量（BEW）時(shí)，未包含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油重量，在實(shí)際稱(chēng)重過(guò)程中由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部已包含油封油，應(yīng)在稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)中減去相關(guān)重量及力矩。

2.2 油封油與正常起飛重量的關(guān)系

飛機(jī)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟封，啟封過(guò)程是向發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部注入航空煤油以擠出滑油[9]。因此，飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟封后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部已不含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油，全部被航空煤油所替代，且該替代燃油在飛行過(guò)程中存在消耗與補(bǔ)充相平衡，即總量不隨燃油消耗而發(fā)生變化。

建立重量重心坐標(biāo)系，如圖1 所示，以機(jī)身中部接近重心位置的某框平面為坐標(biāo)原點(diǎn)，飛機(jī)水平基準(zhǔn)面與飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面的交線為X軸，指向尾翼方向?yàn)檎?；飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面與該框平面的交線為Y軸，向上為正；垂直于XY平面為Z軸，指向右側(cè)機(jī)翼為正。

圖1 飛機(jī)重量重心坐標(biāo)系

飛機(jī)正常起飛重量即對(duì)應(yīng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求中特指的構(gòu)型（通常是指基本性能考核構(gòu)型），由相應(yīng)的使用空機(jī)重量及相應(yīng)的固定與消耗裝載所構(gòu)成的飛機(jī)，在起飛前的全機(jī)總重（含暖機(jī)和滑行中用油）。飛機(jī)正常起飛重量的計(jì)算如下所示：

式中，WTO為飛機(jī)正常起飛重量，單位kg；WEXP為飛機(jī)消耗載荷重量，單位kg；WFIX為飛機(jī)固定載荷重量，單位kg；WFUL為飛機(jī)機(jī)內(nèi)燃油重量，單位kg；WLUB為滑油重量，單位kg；WOXY為氧氣重量，單位kg；WFIR為飛行員及設(shè)備重量，單位kg；WWP為武器設(shè)備重量，單位kg。

已知該外貿(mào)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)油封油質(zhì)量為WFC，體積為VFC，密度為ρFC，其質(zhì)心在飛機(jī)重心坐標(biāo)系中X方向坐標(biāo)為XFC，力矩為MFC；經(jīng)航空燃油代替后，代替部分的燃油質(zhì)量為Wop，體積為Vop，密度為ρop，其質(zhì)心在飛機(jī)重心坐標(biāo)系中X方向坐標(biāo)為Xop，力矩為Mop。由于發(fā)動(dòng)機(jī)油封油及啟封燃油均為可流動(dòng)液態(tài)，考慮均勻分布情況，可得：

在發(fā)動(dòng)機(jī)未啟封時(shí)，WFUL包含油箱燃油和管路燃油，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟封后，WFUL應(yīng)包含油箱燃油、管路燃油及代替油封油部分燃油，所以在計(jì)算正常起飛重量時(shí)，應(yīng)包含代替油封油部分燃油，即：

由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟封是用啟封燃油代替油封油存于發(fā)動(dòng)機(jī)中，在此過(guò)程中，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)油封油被排除飛機(jī)外部，但相應(yīng)地注入了等體積的航空煤油，變相地導(dǎo)致了飛機(jī)內(nèi)部不可用燃油增加。因此，在計(jì)算飛機(jī)正常起飛重量時(shí)，應(yīng)先將發(fā)動(dòng)機(jī)油封油轉(zhuǎn)換為等體積的啟封燃油，并計(jì)入飛機(jī)正常起飛重量中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論計(jì)算是否正確，按相關(guān)文件要求對(duì)某型機(jī)進(jìn)行稱(chēng)重定重心試驗(yàn)?，F(xiàn)有飛機(jī)重量重心測(cè)量方法包括千斤頂、稱(chēng)重平臺(tái)、千斤頂與稱(chēng)重平臺(tái)結(jié)合等多種方法[9]，本次試驗(yàn)采用機(jī)輪稱(chēng)重方法進(jìn)行稱(chēng)重定重心試驗(yàn)。試驗(yàn)在無(wú)風(fēng)的室內(nèi)進(jìn)行，避免了外界其他因素對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)前對(duì)飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了確認(rèn)，確保飛機(jī)稱(chēng)重狀態(tài)與理論計(jì)算狀態(tài)一致，排除了因多件或缺件導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

試驗(yàn)共五組，每組三次，取平均值，消除偶然事件引起的測(cè)量誤差。

第一組：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟封，機(jī)內(nèi)尚未加入燃油，即機(jī)內(nèi)燃油為零，此時(shí)重量為標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)與油封油重量之和。稱(chēng)重試驗(yàn)進(jìn)行三次，并分別記錄稱(chēng)重重量W1-1、W1-2、W1-3，力矩M1-1、M1-2、M1-3，并計(jì)算平均值W1、M1。

第二組：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟封，并向機(jī)內(nèi)加油直至加滿，此時(shí)重量為標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)、油封油及機(jī)內(nèi)燃油重量之和。稱(chēng)重試驗(yàn)進(jìn)行三次，并分別記錄稱(chēng)重重量W2-1、W2-2、W2-3，力矩M2-1、M2-2、M2-3，并計(jì)算平均值W2、M2。

第三組：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟封，通過(guò)放油口模擬耗油過(guò)程，直至無(wú)法放出，此時(shí)重量為標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)、油封油及不可用燃油重量之和。稱(chēng)重試驗(yàn)進(jìn)行三次，并分別記錄稱(chēng)重重量W3-1、W3-2、W3-3，力矩M3-1、M3-2、M3-3，并計(jì)算平均值W3、M3。

第四組：按相關(guān)啟封要求啟封發(fā)動(dòng)機(jī)，并向機(jī)內(nèi)加入燃油直至加滿，此時(shí)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)已無(wú)油封油，此時(shí)重量為標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)、啟封燃油及機(jī)內(nèi)燃油重量之和。稱(chēng)重試驗(yàn)進(jìn)行三次，并分別記錄稱(chēng)重重量W4-1、W4-2、W4-3，力矩M4-1、M4-2、M4-3，并計(jì)算平均值W4、M4。

第五組：在第四組的狀態(tài)下，通過(guò)放油口模擬耗油過(guò)程，直至無(wú)法放出，此時(shí)重量為標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)、啟封燃油與不可用燃油重量之和。稱(chēng)重試驗(yàn)進(jìn)行三次，并分別記錄稱(chēng)重重量W5-1、W5-2、W5-3，力矩M5-1、M5-2、M5-3，并計(jì)算平均值W5、M5。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)油封油重量WFC、密度ρFC，當(dāng)時(shí)燃油密度ρful，稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 稱(chēng)重定重心試驗(yàn)數(shù)據(jù)

第三組與第一組重量差值為不可用燃油重量Winfu，力矩差值為不可用燃油引起的力矩差，即：

第四組與第二組重量差值為啟封燃油重量與油封油重量差值，力矩差值為啟封燃油與油封油差值引起的力矩差，即：

第五組與第三組重量差值同樣為啟封燃油重量與油封油重量差值，力矩差值為啟封燃油與油封油差值引起的力矩差，即：

第五組與第一組重量差值為不可用燃油重量與啟封燃油減去油封油重量之和，力矩差值為不可用燃油與啟封燃油減去油封油之和引起的力矩差，即：

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可得：

式（8）與式（9）均為啟封燃油與油封油差值，式（7）與式（10）均為不可用燃油，且結(jié)果相近，由于實(shí)際操作過(guò)程中機(jī)內(nèi)燃油重量存在小范圍變動(dòng)，誤差在允許范圍內(nèi)。

將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算整理，與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表2 分析可知，實(shí)際稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相吻合，局部差異因?yàn)闄C(jī)內(nèi)燃油重量誤差在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)技術(shù)要求及試飛前標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)狀態(tài)和正常起飛狀態(tài)等實(shí)際狀態(tài)之間的差異研究，結(jié)果表明，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)空機(jī)計(jì)算時(shí)，由于計(jì)算及狀態(tài)要求發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為干質(zhì)量，不包含發(fā)動(dòng)機(jī)油封油質(zhì)量。因此，在實(shí)際稱(chēng)重過(guò)程中應(yīng)減去油封油質(zhì)量和力矩，此時(shí)稱(chēng)重狀態(tài)才與理論計(jì)算狀態(tài)相符。當(dāng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟封后，發(fā)動(dòng)機(jī)油封油被啟封燃油取代，并作為不可用燃油的一部分存于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)啟封后的任何飛行狀態(tài)的飛機(jī)重量及重心時(shí)，均應(yīng)相應(yīng)增加啟封燃油的重量及力矩，才能保證理論計(jì)算狀態(tài)與實(shí)際使用狀態(tài)一致，更好地掌握飛機(jī)各使用狀態(tài)下重量重心的變化。在后續(xù)用戶技術(shù)資料編寫(xiě)、飛機(jī)稱(chēng)重定重心要求及飛機(jī)重量重心計(jì)算報(bào)告等文件資料中，應(yīng)該對(duì)相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明，完善理論計(jì)算方法，使理論計(jì)算與實(shí)際使用狀態(tài)相吻合，更好地確保飛行使用安全。