民用飛機空中最小操縱速度試驗狀態點研究

張海妮 屈飛舟

摘 要：基于CCAR25部的要求及AC25-7C的建議，結合幾型民用飛機的空中最小操縱速度（VMCA）試驗經驗，對VMCA試驗中的高度、速度、重量、重心、舵面容差等試驗狀態進行了研究和總結，可為其他運輸類飛機VMCA試驗中的試驗點狀態矩陣設計提供參考。

關鍵詞：民用飛機；空中最小操縱速度；試驗狀態點

中圖分類號：V217 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0059-02

Abstract： Based on the requirements of CCAR25 department and the suggestion of AC25-7C， in combination with the experience of VMCA test for several types of civil aircraft， this paper studies and summarizes the test states of altitude， velocity， weight， center of gravity， rudder tolerance and so on in the VMCA test. It can be used as a reference for the design of test point state matrix in VMCA test of other transport aircraft.

Keywords： civil aircraft； VMCA； test state point

1 概述

空中最小操縱速度（VMCA）是校正空速，在該速度，當臨界發動機突然停車時，能在該發動機繼續停車情況下保持對飛機的操縱，在相同的速度下維持坡度不大于5°的直線飛行[1]。VMCA是民用飛機合格審定試飛最重要的科目之一。它的大小可能會影響到VEF、V2MIN、VR等起飛速度的確定，對于飛機的起飛著陸性能同樣具有重要影響。試驗狀態點矩陣設計是試飛中最為重要的環節之一，關系著試飛結果的合理與否。在VMCA試驗中，VMCA不但受高度、速度、重量、重心、發動機推力等常規因素的影響，還與溫度、舵面容差等因素息息相關，因此，試驗狀態點矩陣的設計尤為關鍵和復雜。本文基于CCAR25部的要求，結合ARJ21-700、A320、ERJ190-100等飛機的試驗經驗，對VMCA試驗中的試驗狀態點進行了研究和總結，可為其他同類型飛機的VMCA試驗提供參考。

2 試驗狀態點分析

2.1 試驗高度

AC25-7C[2]指出：CCAR25.149（c）中關于VMCA不超過1.13VSR的要求是基于海平面最大起飛重量時的VSR。但通常，VMCA試驗均不在海平面高度進行，因此，必須選擇一個合適的高度進行試驗。一方面，高度會影響發動機可達到的最大推力。高度越低，推力越大，試驗所能達到的VMCA就越大。另一方面，高度越低，失速速度（VS）就越小。所以，試驗高度越低，試驗狀態下的VMCA與VS之間的速度裕度就越大，從而就有利于VMCA試驗的安全進行。此外，根據AC25-7C中關于VMCA試驗的說明，在VMCA試驗時，如果推力達不到飛機飛行手冊使用限制所允許的最大不對稱推力，應該盡量獲得試驗條件下允許的最大不對稱推力，以使數據換算時的推力外推控制在有效的范圍之內。因此，應該使試驗高度盡可能低。另外，從試驗安全角度來講，試驗高度過低將增大試驗風險。根據NASA的VMCA試驗風險分析，VMCA試驗應該在離地高度至少492m（1500ft）的高度上進行。總結ARJ21-700、ERJ190-100、A320等飛機的VMCA試驗中，各型飛機的試驗高度如表1：

綜上所述，建議VMCA試驗高度為離地高度656m（2000ft）。

2.2 試驗速度

在VMCA試驗中，駕駛員會操縱飛機以一個較大的速度開始，逐漸減速，配合蹬舵和壓桿，直至速度達到試驗狀態下的VMCA（排除VMCA受失速速度、腳蹬力及橫向操縱限制的情況）。所以，試驗進入速度應該是比試驗狀態下的VMCA大的某一速度。但是，另一方面，初始進入速度也不能太大，否則將帶來試驗過程過長、試驗狀態不好保持等弊端。在實際試驗中，應該結合試驗飛機的VMCA計算值，參考CCAR25.149（c）中對于“VMCA不得超過1.13VSR”的要求，給出一個合理的初始試驗速度。

2.3 試驗重量

CCAR25.149對試驗重量的要求如下：在海平面最大起飛重量（或驗證VMCA所需的任何較小的重量）確定VMCA。可見，CCAR25部對于重量沒有提出強制性要求。而AC25-7C指出：CCAR25.149（c）中關于VMCA不超過1.13VSR的要求是基于海平面最大起飛重量時的VSR。鑒于此，為了驗證飛機的VMCA對CCAR25部的符合性，理應在最大起飛重量條件下進行試驗。但是，由于VMCA隨重量大小而變化，重量越小，VMCA越大。另一方面，重量越小，VS越小。因此，采用較小的重量進行VMCA試驗， 將使VMCA與VS之間的速度裕度更大，試驗也將更為安全。所以，通常使用小重量進行VMCA試驗，而通過數據換算得到最大起飛重量條件下的VMCA來表明與CCAR25部的符合性。

2.4 試驗重心

CCAR25.149要求“在最不利的重心位置”進行VMCA試驗。對于重心位置，通常從縱向重心和橫向重心兩個方面來考慮。對于縱向重心，當飛機處于后重心時，方向舵與重心之間的力臂最短，因方向舵偏轉所形成的偏航力矩也最小。這種情況下，如果一發失效，將需要更大的穩定飛行速度來平衡因發動機不對稱推力產生的偏航力矩，亦即在這種情況下通過試驗得到的VMCA將更大，試驗結果將更為保守。對于橫向重心，AC25-7C指出：當確定VMCA時，應該考慮批準的最大橫向燃油不平衡對橫向操縱有效性的不利影響。如果試驗或分析表明橫向操縱有效性是確定特定VMCA的因素時，尤其應該注意。由于民用飛機經常將最大橫向燃油不平衡值作為飛機運行的使用限制，所以進行VMCA試驗時，需要將飛機燃油調整為最大允許的燃油不平衡值以最大化考慮飛機的橫向重心偏移。從偏航力矩上來說，當不工作發動機一側燃油較重時，發動機不對稱推力產生的偏航力矩將更大，試驗時將得到更大的VMCA，試驗結果將更為保守。另外，從橫向操縱上考慮，由于平衡不對稱發動機推力所需的方向舵全偏會引起向不工作發動機一側的滾轉，而向工作發動機滾轉5°也會產生側滑，該側滑也將導致向不工作發動機一側的滾轉，如果此時再疊加橫向燃油不平衡（不工作發動機一側機翼重），這將導致最臨界的橫向操縱情況。

綜上所述，VMCA試驗應該在后重心、左右燃油不平衡（不工作發動機一側的燃油較重、不平衡量為試驗飛機允許的最大燃油不平衡值）條件下進行。

2.5 試驗溫度

CCAR25.149和AC25-7C對于試驗溫度均沒有提出明確要求與說明。與高度對推力的影響類似，溫度會影響發動機可達到的最大推力，溫度越低，推力越大，試驗所能達到的VMCA也越大。所以，試驗溫度越低，試驗狀態下的VMCA與VS之間的速度裕度越大，試驗將越安全。另外，與試驗高度的說明類似，為了使推力外推控制在有限的范圍之內，應該盡量獲得試驗條件下允許的最大不對稱推力。因此，試驗溫度應該盡可能低。需要說明的是，發動機推力和溫度并非是線性關系，對于典型的渦扇發動機，當溫度在ISA+20℃以下時（不同型號的渦扇發動機具有不同的平臺溫度），發動機推力隨溫度變化而幾乎不變，因此，可以結合試驗飛機的發動機推力特性確定試驗溫度。

2.6 發動機推力

當一發失效時，發動機的不對稱推力越大，由此產生的偏航力矩就越大，試驗所能達到的VMCA也越大。同時，當VS不變時，試驗狀態下的VMCA與VS之間的速度裕度也越大，試驗就越安全。因此，VMCA試驗時的發動機推力要求為：臨界發動機不工作、工作發動機最大可用起飛推力。

2.7 高升力系統

CCAR25.149部對高升力系統的要求為：飛機處于騰空后沿飛行航跡最臨界的起飛形態，但起落架在收起位置，即：在最臨界的起飛形態下進行試驗。

參考ERJ190-100、A380、A320等飛機的VMCA試驗可知，對于高升力系統的選擇，各型飛機情況不一，具體如表2：

采用一種襟/縫翼構型可以節省試驗成本，采用多種襟/縫翼構型可以最大化利用飛機性能。因此，建議根據試驗飛機的特點及研制計劃和經費情況，選擇最臨界的起飛襟/縫翼構型或者所有起飛襟/縫翼構型進行試驗。

2.8 舵面容差

飛機的航向糾偏能力與方向舵的偏度直接相關，方向舵偏度越大，糾偏能力就越強。由于VMCA是在方向舵全偏條件下獲得，因此，方向舵舵面容差就會對最終獲得的VMCA產生明確的影響。若將方向舵容差設置為容差上限，那么方向舵的最大偏度將變大，糾偏能力也將變強，試驗獲得的VMCA將更小。反之，試驗獲得的VMCA將更大。因此，試驗中需要將方向舵容差設置為容差下限。另一方面，副翼的最大偏度會對橫向操縱能力造成影響，如果試驗或分析表明橫向操縱可能是影響VMCA的因素，則需要將副翼容差調整為容差下限進行VMCA試驗。

2.9 配平位置

CCAR25.149對VMCA試驗的配平位置要求為：飛機按起飛狀態配平。因此，對于縱向配平位置來說，應該根據飛機的重量重心配置，按照飛機飛行手冊中的規定設定相應的起飛配平位置推薦值。對于橫航向配平來說，如果飛機飛行手冊中對于起飛時的橫航向配平位置沒有特別的要求，應將其設置為中立位置。

3 結束語

試驗狀態點矩陣設計涉及很多因素，設計環節非常復雜。本文對VMCA試驗中的試驗狀態點進行了全面總結，對同類型飛機的VMCA試驗有很好的指導作用。但是，由于文中對很多狀態的要求并不是強制性的，在實際試飛中，需要結合試驗飛機的特點確定最終的試驗狀態點，以保證試驗合理、有效。

參考文獻：

[1]中國民航總局.中國民用航空條例第25部-運輸類飛機適航標準[S].CCAR-25-R4.北京：中國民航總局，2011.

[2]FAA.AC25-7C， Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].2012.