民用飛機溫度包線設計研究

毛旭明

【摘 要】民用飛機的運行安全一直是民機設計重點。而關于飛機運行環境，尤其是對大氣溫度環境的研究是非常重要的一環，這不僅僅決定了民用飛機運行安全性，同時也是民用飛機能力的體現之一。本文通過對溫度包線設計進行研究，包括溫度包線基本要素，環境數據等，給出繪制原則，并與幾種典型溫度包線進行對比分析，確定方法的合理性，對民用飛機設計具備借鑒和指導意義。

【關鍵詞】溫度包線；溫度數據；包線設計

0 引言

民用飛機溫度包線作為飛機包線之一，是反映其對溫度環境適應性的體現，同時也是影響飛機安全的重要指標。溫度包線又稱環境包線，因其反映了飛機運行過程中所能經受外界環境溫度范圍的能力，故稱溫度包線。高低溫環境雖然是最常規的飛機運行環境因素，其重要性卻不言而喻。高低溫環境是飛機運行時時刻刻都面臨的環境，極端情況下還會對飛機各個部件和系統造成嚴重的影響，如高溫造成系統工作性能下降甚至故障，低溫導致結構某些材料的能力下降和系統無法啟動等等，若忽視對溫度環境的研究，還會對飛機造成各種限制，影響飛機的正常使用。鑒于溫度環境的重要性，需要在飛機方案設計階段繪制溫度包線，并為飛機性能、結構、動力裝置、系統或機載設備等設計的提供輸入[1]。溫度包線的制定，不僅來源于市場的需求，同時還受到飛機運行所可能經歷溫度環境的影響，合理的設計溫度包線，不僅能夠在現有設計能力范圍內最大化的降低研發設計的風險，同時也能最大化提高飛機的競爭力，由于飛機作為一個多學科集成的高科技產品，其研發周期長和風險較大的特點決定了溫度包線設計的重要性。

本文通過溫度包線實例，分析溫度包線的基本要素，研究溫度包線的設計方法，選取相關溫度數據和機場高度信息等，給出包線繪制原則，并與幾種典型的溫度包線進行對比分析，為今后的民用飛機設計提供支持。

1 民用飛機溫度包線分析

民用飛機溫度包線，需要反映出民用飛機使用的環境，包括溫度和壓力高度。民用飛機溫度包線包含這幾點：a）包線是溫度和壓力高度的曲線；b）包線可以直接反映出飛機運行所經歷溫度的高溫和低溫極值范圍，以及飛機的運行高度范圍；c）包線還需要反映飛機起降的溫度及高度范圍。

首先根據溫度包線所包含的幾個要素，確認飛機的升限，選擇合適的大氣溫度數據，以及機場的高度等，這些數據是設計溫度高度包線的基礎。飛機升限，由于不是溫度包線所確定，本文將不包含飛機升限如何確定的內容，默認在溫度高度設計時已知。溫度數據根據飛機擬運行區域等，對相關標準分析，選取所需的數據，同時引入大氣模型。飛機起降限制主要依據飛機運行所需要覆蓋的機場高度來給定。

2 溫度高度包線設計

民用飛機運行區域通常需要根據市場定位確定，可選取國內或世界范圍的數據[3][4]進行溫度包線設計。本文使用MIL-HDBK-310標準中世界范圍地表溫度數據以及世界范圍大氣環境的溫度數據。

根據《飛機設計手冊》中第5冊民用飛機總體設計里關于飛機環境的建議，地面大氣壓力應在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和59.5kPa（8.63lbf/in2）（海平面以上4300m）之間。飛行環境大氣壓力應在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和17.8kPa（2.54lbf/in2）（海平面以上12500m）之間。依據這部分指導意見，本文大氣環境數據高度方向上只列出16km以下的溫度極值。

將MIL-HDBK-310全球范圍1%時間風險率的大氣溫度高、低溫極值的部分數據羅列如下，并計算出相應的壓力高度，見表1。

將1%時間風險率的對應壓力高度的溫度高低溫極值在溫度高度坐標系中給出，溫度點分布見圖1。

為了更好的分析使用數據，引入5種標準大氣溫度模型[6]，并與溫度極值進行比對，見圖2。這5種大氣溫度模型是在針對不同區域氣溫的均值制定的，其溫度變化率在溫度包線設計中可提供參考價值。

首先假設市場的需求將飛機的升限定為40000ft。根據圖上高溫和低溫極值分布，對照標準大氣模型，可以看出高低溫極值分布分別與熱帶高溫均值模型和極地、溫帶低溫均值模型的變化趨勢基本一致，大氣環境溫度極值適用于定義飛機飛行邊界，采用ISA+35線以覆蓋所有高溫極值邊界。需要注意的是，因為參照了國際標準大氣模型，ISA+35只適用到36086ft高度。0壓力高度附近低溫極值為-61℃，且高于0壓力高度，取0壓力高度處的低溫極值為-62℃，高空溫度極值出現的最低值為-74℃（16km高度低溫極值記錄-86℃偏離均值模型較大，且出現在較高的高度，可不予考慮），綜合分析取-74℃作為飛機飛行環境低溫極值，參考極地低溫均值模型恒溫轉折點，將包線低溫極值轉折點定為35000ft，高于此高度的溫度恒定為低溫極值-74℃。連接這兩點形成低溫邊界以覆蓋所有低溫極值點。

需要說明的是，低溫極值邊界沒有根據極地低溫均值模型繪制，假如為了包含所有低溫極值點，會導致低溫邊界極值遠低于低溫極值數據，且大氣模型屬于理想情況下的繪制的曲線，其存在“拐折”的特點，使得目前尚無法通過已有數據確定較合理的轉折點，因此為了包線涵蓋所有低溫點以及包線便于設計和應用的角度考慮，采用連線方式形成低溫極值邊界。

下面考慮飛機地面的溫度極值，根據MIL-HDBK-310中地表溫度極值數據分析，55℃為60年一遇的地表高溫極值，高于1%時間風險率高溫極值，綜合考慮采用55℃作為0壓力高度高溫極值。鑒于DO160中對于低溫耐受溫度為-55℃，與10%時間風險率極值-54℃接近，故可采用-54℃作為0壓力高度低溫極值，高溫極值邊界參考標準大氣模型，采用ISA+40？C線作為地面高溫極值邊界，低溫極值根據極地低溫均值模型，以及保守考慮將-54℃溫度線作為地面低溫極值邊界。起降高度上限根據目標航線所覆蓋的最高機場高度來給定，假定拉薩貢嘎機場作為運行的高高原目標機場，其海拔高度為3600m。一般情況下航空產品設計推薦使用1%時間風險率氣壓極值[5]。MIL-HDBK-310中1%時間風險率大氣壓極值數據如表2所示，根據氣壓模型公式以及線性內插法[4]獲得3600m高度附近的大氣壓高壓和低壓值近似為677kPa和588.4kPa，對應的氣壓高度分別為10741ft和14289ft，考慮后期適航驗證，可將飛機起降上限定義為13500ft，起降高度下限可采用MIL-HDBK-310高氣壓極值1083.8kPa對應的氣壓高度為-1873ft來給定，取整-2000ft。

根據以上原則繪制出最終的民用飛機設計溫度包線，見圖3。

3 溫度包線與各機型對比分析

如下給出典型飛機的溫度包線[2]，見圖4。

從圖4所示溫度包線可以看出，本文所繪制的溫度包線所包含的基本要素與現有機型的溫度包線相類似，能夠完整的反映飛機氣壓高度和溫度的限制。

如典型的溫度包線所示，高溫極值線幾乎都是與世界范圍飛機升限以下1%時間風險率高溫極值走勢相同，而高溫極值邊界線“不約而同”的在一定高度出現“臺階”，佐證了本文中包線“臺階”的合理性，但是包括樣例在內的很多機型溫度包線的“臺階”所對應的高度各有不同。低溫極值邊界線多采用直線繪制包含幾乎所有飛機升限以下1%時間風險率低溫極值。升限如前所述，為溫度包線的輸入，因此不再深入探討，起降高度上限可以推斷是根據目標機場高度來定的，因此存在不同的高度設定。起降高度的壓力高度均在0壓力高度以下，數值有所不同，典型溫度包線將-2000ft定為起降高度下限，本文中描述的方法與之吻合。

4 結論

本文通過對相關標準，環境溫度數據的研究，根據民用飛機的特點，對如何設計飛機溫度包線的方法進行了探討，包括邊界制定的原則和方法，以及對數據的篩選和處理等，并依據此原則給出溫度包線的實例。隨后通過研究對比典型民用飛機溫度包線，證明了本文所述溫度包線設計方法的合理性和可行性，可用于新型號民用飛機的溫度包線設計。

【參考文獻】

[1]中國民用飛機航空局.CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

[3]FSA ENVR， MIL-STD-310， Global Climatic Data for Developing Military Products[S]， FSA ENVR，1997.

[4]中華人民共和國第三機械工業部.氣候極值、大氣溫度極值[S].部標準，HB5652·1-81.

[5]中華人民共和國航空工業部.氣候極值、大氣壓力極值[S].部標準，HB5652.2-84.

[6]Physical properties of design atmospheres， 01 AUG 1992， ESDU78008.

[責任編輯：張濤]