重量方案和重量分布在飛機(jī)外載荷計(jì)算中的影響

姚少波

摘 要：重量方案與重量分布作為載荷計(jì)算的原始數(shù)據(jù)占有重要的地位，重量方案和重量分布是載荷計(jì)算的重要原始數(shù)據(jù)，各種規(guī)范對(duì)重量有著詳細(xì)的規(guī)定，重量方案和分布的差異對(duì)載荷的結(jié)果有顯著的影響，本文通過(guò)載荷計(jì)算過(guò)程的分析，探尋重量數(shù)據(jù)對(duì)載荷計(jì)算的影響。

關(guān)鍵詞：重量 載荷 方案

中圖分類號(hào)：V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0006-02

1 概述

重量具體包含總重、重心、慣性矩等，在軍標(biāo)和民標(biāo)（參考文獻(xiàn)1）中對(duì)重量都做出了詳細(xì)的規(guī)定。

1.1 軍標(biāo)中重量的規(guī)定

在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，重心位置主要有結(jié)構(gòu)布局、有效裝載的分布和耗油順序決定的，自然還應(yīng)考慮飛行姿態(tài)、加速度和飛機(jī)彈性變形的影響。

在飛行載荷計(jì)算中，應(yīng)考慮所有可能造成嚴(yán)重載荷的重量分布及裝載方案。重量、重心包線上每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種重量分布和一組慣性矩、慣性積數(shù)據(jù)。在重量、重心包線上，凡是能對(duì)飛機(jī)總體或某一部位構(gòu)成嚴(yán)重受載的計(jì)算點(diǎn)，都是應(yīng)選取的嚴(yán)重受載情況。

1.2 民機(jī)中重量的規(guī)定

民用飛機(jī)飛行載荷計(jì)算原始數(shù)據(jù)與軍用飛機(jī)類似，具體的規(guī)定了飛機(jī)的高度、重量、重心。民用飛機(jī)載荷計(jì)算用的設(shè)計(jì)重量是從最小飛行重量到最大飛行重量之間的所有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受載的重量。

在民用飛機(jī)飛行載荷計(jì)算中，需考慮飛機(jī)重量、重心、慣矩等隨高度的變化，這種變化主要是燃油消耗引起的。

民用飛機(jī)飛行手冊(cè)中，對(duì)飛機(jī)重量、重心、最大載重等均有限制，在相同的重量、重心及載重量的情況下，也可以有多種裝載方案（慣矩不同），不同的重量分布對(duì)結(jié)構(gòu)總體及局部強(qiáng)度（主要是機(jī)身）的影響是不同的，必須覆蓋這些情況。

2 重量方案的確定

對(duì)于大中型運(yùn)輸機(jī)來(lái)說(shuō)，飛機(jī)設(shè)計(jì)重量由空機(jī)重量、商載（人員+貨物）和燃油三部分組成。當(dāng)飛機(jī)設(shè)計(jì)方案確定后，飛機(jī)的使用空機(jī)重量、重心、慣量及空機(jī)質(zhì)量分布都是確定的，而當(dāng)飛機(jī)燃油箱布置及加油、耗油程序確定后，燃油量與其重心、慣量以及燃油分布之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系也就確定了。影響全機(jī)重心、慣量的最活躍因素是商載。不同重量的商載會(huì)產(chǎn)生不同的全機(jī)重心、慣量。相同重量的商載因不同的商載配置也會(huì)產(chǎn)生不同的全機(jī)重心和慣量。而且就是相同的商載重量，相同的全機(jī)重心，由于不同的商載配置也會(huì)產(chǎn)生不同的全機(jī)慣量。為了從繁多的計(jì)算狀態(tài)和可變的商載配置中選擇盡可能少但又能滿足載荷分析需要的商載配置方案，應(yīng)進(jìn)行典型商載配置，一般至少需考慮18種典型商載配置，同時(shí)還必須按起落架收上狀態(tài)和放下?tīng)顟B(tài)分別對(duì)待。

3 重量分布的計(jì)算

重量方案應(yīng)包括飛機(jī)總重、重心（規(guī)定的最前重心、最后重心及中間重心）、燃油重量及商載重量，這樣重量方案確定后，需要計(jì)算空機(jī)重量分布、燃油的重量分布、機(jī)身的商載分布，最后將三項(xiàng)重量分布進(jìn)行疊加，得出全機(jī)的重量分布。具體可以分以下4個(gè)步驟進(jìn)行。

3.1 空機(jī)結(jié)構(gòu)重量分布

由于空機(jī)重量大部分為結(jié)構(gòu)重量，這一步相對(duì)簡(jiǎn)單，只是將機(jī)上的固定重量相加得出飛機(jī)的使用空重。

3.2 燃油重量分布

大中型運(yùn)輸類飛機(jī)的油箱一般都布置在機(jī)翼翼盒中，計(jì)算燃油自身重力對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的彎矩時(shí)可采用如下方法。

（1）簡(jiǎn)化列出翼盒截面面積展向分布表達(dá)式。

翼盒截面面積沿翼展的分布可近似的用一元三次多項(xiàng)式表示：

F（z）=mz3+nz2+pz+q （1）

式中，z為展向位置；m、n、p、q為未知量，需要計(jì)算得出。

（2）求解未知量m、n、p、q。

沿機(jī)翼展向取4個(gè)翼盒控制界面并建立方程組。

F1=mz13+nz12+pz1+q

F2=mz23+nz22+pz2+q

F3=mz33+nz32+pz3+q

F4=mz43+nz42+pz4+q

聯(lián)立求解上述方程組，可以得到未知量m、n、p、q，將此未知量代入式（1）。

（3）燃油載荷分布計(jì)算。

油箱截面面積可以近似的用式（1）表示。對(duì)式（1）積分則得到油箱的體積分布表達(dá)式。

機(jī)翼油箱一般可能分為若干個(gè)，如中央翼油箱、中外翼油箱、外翼油箱等，因此應(yīng)分布計(jì)算出每一個(gè)油箱對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的彎矩，還應(yīng)考慮飛機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中油箱的載油情況。

以圖1為例進(jìn)行計(jì)算。圖1中，zt1和zt2分別表示油箱邊界；Wf為此油箱的燃油重量；ι為整個(gè)燃油對(duì)zt1點(diǎn)的力臂；za1為翼根與zt1之間的任一點(diǎn)。

計(jì)算油箱單位體積燃油重量k1：k1=Wf/Vt （2）

對(duì)翼根和zt1之間任一點(diǎn)za1燃油產(chǎn)生的彎矩為： Mf=Wf（zt1-za1+ι） （3）

其中：ι=Wft1/Wf

式中，Mft1為整個(gè)燃油對(duì)zt1點(diǎn)的彎矩。

其余油箱燃油產(chǎn)生的彎矩計(jì)算方法同上。這計(jì)算彎矩的過(guò)程中自然得到機(jī)翼每一肋中的燃油重量分布。

3.3 商載重量分布

商載重量分布是全機(jī)重量分布的重點(diǎn)，因?yàn)榉桨复_定后，空機(jī)重量和機(jī)翼燃油重量的重心和慣矩就已經(jīng)確定，只有依靠不同的商載配置方案來(lái)實(shí)現(xiàn)全機(jī)不同重心和慣載的方案。

商載分布還必須考慮飛機(jī)地板的承受能力，將飛機(jī)地板的承受能力作為限制數(shù)據(jù)放入程序中，調(diào)整不同框上的重量分布滿足預(yù)定的重心和慣載要求即可，這樣就得到了商載分布。

3.4 全機(jī)重量分布

有了上述的使用空重分布、燃油分布、商載分布，將三者疊加即可得到全機(jī)的重量分布。

4 重量方案與重量分布對(duì)載荷計(jì)算結(jié)果的影響分析

重量方案與重量分布對(duì)載荷計(jì)算的影響可以分為三類：一是總重對(duì)總載荷的影響；二是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)載荷狀態(tài)的影響；三是質(zhì)量分布對(duì)凈載荷的影響。

總重量G直接影響載荷的整體水平，因?yàn)榘匆?guī)范設(shè)計(jì)飛機(jī)過(guò)載基本確定，在重量越大飛機(jī)承受的載荷就會(huì)越大。

全機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，在外界氣動(dòng)力矩一定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，飛機(jī)的整體角加速度越小。

飛機(jī)的凈載荷等于氣動(dòng)載荷與慣性載荷之和，氣動(dòng)載荷與飛機(jī)姿態(tài)及氣動(dòng)性能等有關(guān)系，而慣性載荷則與飛機(jī)質(zhì)量和過(guò)載直接相關(guān)。飛機(jī)任一處的慣性載荷用下式計(jì)算：

Fyi=-（ny+△ny）×Gi （4）

從式（4）可見(jiàn)，當(dāng)過(guò)載確定的情況下飛機(jī)的重量分布直接影響了飛機(jī)該處的慣性載荷，進(jìn)而影響飛機(jī)的凈載荷。

綜上所述，飛機(jī)重量方案和重量分布直接影響飛機(jī)的載荷情況，合理可信的重量方案和重量分布即可以確保飛機(jī)的使用安全又可以確保飛機(jī)的性能，因此，在確定重量方案時(shí)一定要慎重。

參考文獻(xiàn)

[1] CCAR-25-R4，中國(guó)民用航空規(guī)章 第25部 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)民用航空局，2011.endprint