某型民用客機燃油重量重心研究

趙士洋

【摘 要】民用客機燃油占據飛機總重的較大比例，燃油重量重心的變化對飛機的平衡及飛行安全有著重要的影響，計算民用客機的燃油重量重心變化是確定飛機重心變化的重要依據，本文對某民用客機燃油重量重心變化進行了初步研究。

【關鍵詞】民用客機；燃油；重量重心

Research on the Fuel Weight and Fuel Center of Gravity of a Civil Aircraft

ZHAO Shi-yang

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Fuel weight occupy a large proportion of the total weight of the civil aircraft. The change of fuel weight and fuel center of gravity influence the safety and balance of the aircraft. Calculating the change of fuel weight and fuel center of gravity is an important basis to determine the center of gravity of the aircraft.The fuel weight and fuel center of gravity of a civil aircraft were studied in this paper

【Key words】Civil aircraft；Fuel weight and fuel center of gravity

0 前言

現代民用客機燃油箱主要采用整體油箱的設計，燃油一般貯存在機翼油箱以及機身內的中央油箱內，燃油重量占到飛機起飛重量的30%-40%左右（如波音737-300的最大燃油重量為17860kg，占最大起飛重量49190kg的約36%）。燃油重量重心的變化對飛機的操縱具有重要的影響，正確計算燃油重量重心的變化是確定飛機重心變化的重要依據。部分民用客機如，波音747、空客A330、空客A340，從全機的重量重心考慮，還在水平尾翼上設置配平油箱，配平油箱不直接給飛機供油，主要用來調整飛機的重心。

1 燃油箱模型處理

民用客機整體油箱的儲油空間一般由油箱上下壁板、前后梁以及翼肋所包圍的空間確定，并去除油箱內的翼肋、管路、設備以及相應的結構件。

目前民用客機主要采用法國達索公司開發的3D可視化建模軟件CATIA進行結構設計。由于利用CATIA軟件創建的模型只是飛機油箱的裝配模型，因此需要對飛機油箱的裝配模型進行相應的處理，以便將其轉化為為油箱的實際載油容積，一般可以按照下列步驟進行：

1.1 創建燃油箱載油實體模型

為了獲取客機燃油箱載油實體模型，可先創建一個恰好包圍整個飛機燃油箱的基本幾何體，具體方法是利用CATIA軟件提取機翼上下蒙皮的外表面、兩端翼肋的外表面、前后梁的外表面創建基本的曲面，獲得大致的燃油箱外表面結構曲面。

由于民用客機燃油箱結構復雜，存在油箱口蓋以及壁板之間的縫隙，且并不是所有油箱結構內均存儲燃油等原因，利用提取方法獲得的若干曲面尚不是一個封閉的曲面，無法直接利用封閉曲面生成實體模型，所以需要對所生成的曲面進行修補、剪切等操作，最終通過封閉曲面生成燃油箱載油實體模型。

1.2 從燃油箱載油實體模型中除去機翼結構、油箱內管路及設備所占體積

由于上述步驟中創建的燃油箱載油實體模型是利用油箱外表面提取面生成的，所以其實際體積比真實的載油體積要大，可利用CATIA軟件的布爾操作從中去除燃油箱結構、油箱內管路及設備所占的體積，具體步驟為：利用已生成的燃油箱載油實體模型，利用布爾運算逐一去除燃油箱的上下壁板、長桁、口蓋等結構件以及油箱內管路及設備所占的體積。由于布爾運算要求使用實體進行，所以在操作時應注意只利用機翼機構件以及油箱內管路及設備的有效的實體參與布爾運算。如在操作中遇到不能進行布爾運算的情況可以利用利用結構件的外表面創建相應的曲面，再利用曲面對燃油箱載油實體模型進行切割處理。

2 燃油重心定義

本文所述的民用客機的機體坐標系采用機身軸線為X軸，翼展方向為Z軸，高度方向為Y軸，燃油重心計算坐標系采用全機坐標系。

進行燃油箱內燃油重心的變化分析時，一般是基于飛機的平均氣動力弦的來計算，平均氣動力弦的相關信息由飛機總體設計專業提供。根據全機坐標系原點，測量出平均氣動力弦前緣在X方向上距離飛機坐標原點的距離xm，然后計算出燃油X方向上的重心點距離飛機坐標原點的距離xf，根據下公式計算燃油重心位置：

上式中各參數代表的含義見圖1所示，其中MAC為平均氣動力弦長。

如果在CATIA建模軟件中，飛機結構建模的坐標原點對應全機坐標系原點，則可在CATIA中直接利用上述公式（1）進行計算，如果兩者存在差別，則需要再進行轉化，以便得到全機坐標系下的燃油重心計算數值。

3 燃油重量重心計算流程

根據第2節中對燃油重心的定義，可以據此進行燃油重量重心的計算，本文建立如圖2所示的燃油重量重心計算簡要流程。具體步驟為：

（1）首先根據飛機的姿態、耗油方案以及全機坐標系確定計算狀態。

（2）確定計算所需的輸入數據，這些數據包含翼盒數模及其分界面、飛機結構重量及相應重心、飛機平均氣動力弦數據（包含平均氣動力弦長以及平均氣動力弦前緣距離全機坐標系原點的長度）、燃油密度、理論載油量以及各油箱死油量。

（3）創建燃油箱載油實體模型，并在此基礎上對載油實體模型進行修剪，以獲得盡可能逼近真實飛機油箱內燃油的載油實體模型。

（4）根據燃油箱的耗油順序構建切割載油實體模型的切割平面，如切割平面不能切割刀油箱實體，則需對切割平面位置進行調整，指導切割到載油實體模型。

（5）根據切割燃油箱載油實體，可以獲得剩余載油實體的體積、重心等信息，如已知燃油密度，則剩余載油實體的重量也可得到。

（6）判斷燃油是否消耗至目標燃油量，如切割平面顯示剩余燃油量已達到目標耗油量，則可以結束切割，并根據前述每次切割的數據繪制出燃油重心變化結果；如果切割平面顯示剩余燃油量尚未達到目標耗油量，則需向下繼續調整切割平面，每次切割時的切割平面高度間距設定為 ，該數值越小，則切割燃油載油實體模型獲得的重量重心變化的數據越精細。

以上為通過CATIA軟件構建燃油箱載油實體模型，根據燃油消耗順序手動進行燃油平面切割的操作。近年來部分學者通過對CATIA軟件的二次開發，實現了在CATIA軟件中自動切割燃油平面獲取燃油重量重心的變化，擺脫了純手工設定與切割操作的煩瑣，另有部分學者通對燃油箱載油模型進行處理，生成STL格式的易于進行處理的數模格式文件，并結合OPENGL技術實現對油箱燃油消耗以及重量重心變化的研究，同時亦為燃油箱內油量傳感器布置提供重要的參考依據。

4 計算結果

某民用飛機的燃油箱為三油箱構造，包含中央油箱、左外部油箱與右外部油箱，如圖3所示。耗油順序為首先消耗中央油箱內的燃油，再消耗外部油箱內的燃油，燃油箱加油量根據航程確定，優先給外部油箱加油。

圖3 三油箱構造示意圖

根據第3節中的燃油重量重心計算流程，獲得隨著燃油消耗的燃油重心變化結果見圖4所示。根據結果可以看出，該民用客機燃油重心%MAC變化范圍約為0%～41.8%，該值位于飛機的重心包線范圍內。

圖4 燃油消耗重心變化

5 總結

本文闡述了民用客機燃油重量重心對飛機的影響，介紹了在全機坐標系下對燃油重量的定義以及燃油箱結構模型的處理，最后給出了燃油重量重心的計算一般流程，以此計算流程對某民用客機的燃油消耗過程中重心的變化進行了計算，結果顯示重心在飛機重量包線范圍內。

【參考文獻】

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