民用飛機(jī)運(yùn)行重心包線設(shè)計(jì)方法

連婷婷

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.002

摘 要：本文介紹了民用飛機(jī)運(yùn)行重心包線的概念，詳細(xì)闡述飛機(jī)運(yùn)行過程中影響重心位置的各種因素，對(duì)取證包線進(jìn)行削減，總結(jié)出民用飛機(jī)運(yùn)行重心包線的設(shè)計(jì)方法，為民用飛機(jī)生產(chǎn)商及承運(yùn)人從事配載平衡工作人員提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行包線 包線削減 影響因素

中圖分類號(hào)：V214 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（a）-0002-02

在各飛行運(yùn)行階段，允許使用的所有重心位置組成的區(qū)域邊界線稱為飛機(jī)的重心包線。民用飛機(jī)各型號(hào)的重心包線包括取證包線和運(yùn)行包線。取證包線是型號(hào)取證時(shí)必備的重心包線，由飛機(jī)的最大滑行重量、最大起飛重量、最大著陸重量和最大零燃油重量，以及相應(yīng)的重心限制組成。設(shè)計(jì)取證包線時(shí)，飛機(jī)設(shè)計(jì)師需考慮裝載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、操穩(wěn)特性和飛機(jī)性能四個(gè)因素，它們相互影響相互制約，所以取證包線是一個(gè)權(quán)衡的結(jié)果。飛機(jī)的重心位置在任何時(shí)候均不得超出取證包線的限制。

然而，在運(yùn)行中存在很多因素影響飛機(jī)的重心位置，例如飛行中旅客移動(dòng)、乘務(wù)員送餐、起落架收放和燃油使用等情況都會(huì)使飛機(jī)重心位置產(chǎn)生變化。為了保持飛機(jī)在任何情況下都不會(huì)超出取證包線的限制范圍，需要建立運(yùn)行包線。運(yùn)行包線是由取證包線削減而來。在實(shí)際運(yùn)行中，航空器承運(yùn)人使用的重心包線為運(yùn)行包線。

削減的內(nèi)容包括運(yùn)行中可能存在的重心移動(dòng)和計(jì)算重心時(shí)的不確定量。包線削減量的確定方法是計(jì)算取證包線和可能出現(xiàn)的最不利的條件之間的差值而得出。如果飛機(jī)的重心時(shí)刻保持在取證重心包線范圍內(nèi)，飛機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。但重心位置不會(huì)恒定不變，當(dāng)重心移動(dòng)到取證包線邊界的時(shí)候，遇到某些因素的影響，重心位置就會(huì)發(fā)生改變，極有可能移動(dòng)到重心包線以外，使飛機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，需要計(jì)算出重心位置可能的改變量，在取證包線的基礎(chǔ)上減掉改變量，最終得到運(yùn)行包線。

1 包線削減使用公式

1.1 平均氣動(dòng)弦表示的重心

每一型號(hào)飛機(jī)機(jī)翼的平均氣動(dòng)弦是固定的，使用重心相對(duì)平均氣動(dòng)弦的位置來表示重心的位置。計(jì)算方程為：

式中，CG為重心相對(duì)機(jī)翼平均氣動(dòng)力弦的位置；HCG為機(jī)身坐標(biāo)系下，飛機(jī)重心縱向坐標(biāo)，即飛機(jī)的平衡力臂；HA為機(jī)身坐標(biāo)系下，機(jī)翼平均氣動(dòng)力弦前緣點(diǎn)的縱向坐標(biāo)；CA為機(jī)翼平均氣動(dòng)力弦弦長。

1.2 指數(shù)方程

飛機(jī)裝載需要使用力矩的總和來決定飛機(jī)、商載和燃油的重心。指數(shù)方程用于簡化艙單中表述力矩的巨大數(shù)值，設(shè)計(jì)艙單使用的指數(shù)方程的一般形式是：

式中，Index為重量指數(shù)；W為指數(shù)計(jì)算對(duì)象的重量；Y為指數(shù)計(jì)算對(duì)象坐標(biāo)；Yidex0為指數(shù)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)；C為指數(shù)縮小倍數(shù)；K為重量指數(shù)取正常數(shù)。

2 重心移動(dòng)影響因素

在運(yùn)行時(shí)，飛機(jī)上的一些物體相對(duì)于飛機(jī)的基本狀態(tài)發(fā)生位移進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)重心位置發(fā)生改變的情況稱為重心移動(dòng)。

2.1 起落架收起

飛機(jī)起飛時(shí)，起落架移動(dòng)對(duì)重心產(chǎn)生影響。首先設(shè)定起落架的基本狀態(tài)，即收起或放下，其起落架放下為基本狀態(tài)，根據(jù)《重量平衡手冊(cè)》提供的起落架各狀態(tài)下的重量和平衡力臂的改變量，計(jì)算起落架移動(dòng)產(chǎn)生的力矩，對(duì)取證包線進(jìn)行削減。

2.2 襟翼放出

飛機(jī)飛行時(shí)，襟翼的移動(dòng)對(duì)重心產(chǎn)生影響。首先設(shè)定襟翼的基本狀態(tài)，即收上或放出，其襟翼收起為基本狀態(tài)。根據(jù)《重量平衡手冊(cè)》提供的襟翼各狀態(tài)下的重量和平衡力臂的改變量，計(jì)算襟翼放出產(chǎn)生的力矩，對(duì)取證包線進(jìn)行削減。

2.3 飛行中人員與餐食的移動(dòng)

飛行中人員與餐食的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)重心的位置改變。首先確定人員的基本狀態(tài)：乘務(wù)員分別位于客艙前部和后部的乘務(wù)員座椅；旅客坐滿客艙；餐車及食物位于廚房相應(yīng)位置。然后列出人員與餐食移動(dòng)的所有情況，例如：

（1）乘務(wù)員和餐車在客艙內(nèi)移動(dòng)（餐食服務(wù)）。

（2）乘務(wù)員在客艙內(nèi)移動(dòng)。

（3）乘務(wù)員從客艙移動(dòng)到駕駛艙為駕駛員送餐。

（4）乘客移動(dòng)到盥洗室。

（5）飛行員移動(dòng)到盥洗室。

在計(jì)算對(duì)前（后）重心的影響時(shí)，應(yīng)將以上情況產(chǎn)生的最大力矩改變量累加，并基于下列原則計(jì)算：

（1）各艙旅客使用許可的盥洗室，在此前提下使用最近的盥洗室。

（2）若廚房不在客艙同一方位，使用最近的廚房。

（3）機(jī)組使用距離駕駛艙最近的盥洗室。

（4）2個(gè)乘務(wù)員負(fù)責(zé)一個(gè)餐車。

計(jì)算人員與餐食移動(dòng)對(duì)重心的影響所需數(shù)據(jù)來源于《重量平衡手冊(cè)》，由于情況多樣，因此在計(jì)算時(shí)需要根據(jù)客艙布局列出所需項(xiàng)目的重量及平衡力臂，然后計(jì)算人員移動(dòng)對(duì)重心產(chǎn)生的力矩。

2.4 水的移動(dòng)

飛機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于人員的使用，水從儲(chǔ)水箱移動(dòng)到廢水箱，隨著廢水箱水量的不斷增加，飛機(jī)的重心也隨之改變。根據(jù)《重量平衡手冊(cè)》提供的水箱與廢水箱的位置和容積數(shù)據(jù)，計(jì)算水的移動(dòng)對(duì)重心位置的影響。飛機(jī)的基本狀態(tài)是：運(yùn)行開始時(shí)水箱滿水，廢水箱無水。運(yùn)行過程中，儲(chǔ)水箱中15%的水量被消耗掉，其余的水從水箱移動(dòng)到廢水箱。

2.5 燃油使用

飛機(jī)在運(yùn)行過程中重心隨燃油消耗而改變，燃油使用對(duì)飛行包線產(chǎn)生影響。為確保運(yùn)行中燃油重心曲線上的每一點(diǎn)時(shí)刻保持在飛行包線之內(nèi)，需要計(jì)算燃油重心曲線在零油重量和起飛重量時(shí)，燃油使用對(duì)飛行包線的影響量。

3 計(jì)算誤差影響因素

計(jì)算貨物、旅客和燃油的重心位置時(shí)，如果貨物密度相同且均勻放置在貨艙內(nèi)、旅客均為標(biāo)準(zhǔn)重量、燃油密度相同，可以按照貨艙、客艙或油箱的幾何中心來計(jì)算。但是，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)貨物的密度和尺寸大小不一、旅客的人數(shù)和體重隨機(jī)、不同機(jī)場(chǎng)燃油密度不同。因此無法確定重心具體位置，需要將計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差作為削減量計(jì)算出來。endprint

3.1 貨物裝載

貨物的裝載位置不同會(huì)對(duì)重心位置造成影響。如果想確定全部貨物的準(zhǔn)確重心位置，需要知道每一件貨物的重心位置，但是這種情況在實(shí)際運(yùn)行中很難操作。由于在計(jì)算貨物的重心位置時(shí)，用的是貨艙各分區(qū)的平均重心，因此真實(shí)在貨艙裝載的重心會(huì)有一定的誤差，若貨艙分區(qū)越細(xì)，這種誤差就越小。

3.2 旅客裝載

使用不同的方法安排旅客座位對(duì)重心產(chǎn)生的影響不同。旅客裝載對(duì)重心位置的影響取決于：（1）安排旅客座位順序的政策；（2）分區(qū)數(shù)量；（3）航空公司關(guān)于旅客標(biāo)準(zhǔn)重量的政策。如需確定全部旅客的準(zhǔn)確重心位置，需要知道每一位旅客的重心位置。盡管中航信離港系統(tǒng)可以通過旅客值機(jī)的實(shí)施情況來控制重心，但是在使用紙質(zhì)艙單時(shí)無法確定每位旅客的重心位置。因此，在計(jì)算旅客的重心位置時(shí)，需要按照靠窗-靠過道-中間的順序安排座位，同時(shí)將客艙座位分區(qū)，同貨艙分區(qū)原理相同，客艙分區(qū)越細(xì)，誤差越小。按“排”分區(qū)時(shí)削減量最小。

3.3 燃油裝載

由于各機(jī)場(chǎng)裝載的燃油密度有所不同，不同密度的燃油重心位置不同，因此燃油裝載對(duì)飛機(jī)重心位置有一定的影響。

4 結(jié)語

本文介紹了運(yùn)行中引起重心變化的幾種影響因素以及計(jì)算包線削減量的方法，旨在探索民用飛機(jī)運(yùn)行重心包線的設(shè)計(jì)方法。民用飛機(jī)在飛行過程中對(duì)重心位置的要求非常精確，在設(shè)計(jì)之初時(shí)就必須保證飛機(jī)在運(yùn)行過程中重心落在規(guī)定的范圍之內(nèi)。這個(gè)規(guī)定的范圍就是飛機(jī)的取證包線，然而，僅僅考慮取證包線的限制是不夠的。在運(yùn)行過程中，有很多因素會(huì)引起重心的變化，這些因素是必須要考慮的。每個(gè)航班在運(yùn)行中，重心究竟怎樣變化，變化了多少，是我們難以預(yù)知的。所以，我們需要將所有運(yùn)行中影響重心的因素考慮到，計(jì)算出極限影響值，并對(duì)取證包線進(jìn)行削減，進(jìn)而得到運(yùn)行重心包線。包線削減量過大會(huì)造成重心限制范圍過小，會(huì)影響飛行操作，削減量過小則會(huì)造成飛行安全的疏忽。所以，運(yùn)行包線設(shè)計(jì)也是一個(gè)各方權(quán)衡的結(jié)果。

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