某型飛機水配重系統重量重心設計綜述

摘 要 水配重系統是一種飛機縱向重心自動調節系統，能夠實現飛機重心的自動調節，對于飛機不同重心的性能驗證有著不可替代的優勢，越來越多的應用于現代飛機的定型試飛過程中。本文主要介紹水配重系統的組成、基本設計要求和某型飛機水配重系統重量重心設計。

關鍵詞 水配重系統;設計要求;重心設計;力矩平衡

引言

飛機飛行過程中隨著燃油的消耗，飛機重心狀態不斷發生變化，試飛驗證時通常需要保持在某一特定重心位置進行試驗，常規利用鉛塊、鋼板或者沙袋等固定配重來調節飛機縱向重心的方法，即使考慮到適航允許的允差范圍，也只能進行非常短時的飛行，之后隨著飛機重心的變化，飛行試驗偏離基準狀態，數據誤差較大，已經無法用于驗證需求，只能通過同一科目多架次的飛行試驗來獲取足夠的試驗點數據，極大地增加了試驗成本。另一方面，飛機重心的前、后極限狀態，經常是飛行科目的高風險點，多次的飛行也極大地增加了試飛風險[1]。

飛機水配重系統是一種飛機縱向重心自動調節系統，能夠實現飛行過程中飛機重心的自動調節，使飛機重心長時間的保持在某一設定狀態，對于縮短試飛周期，節約成本，降低試飛風險，保障安全有著不可替代的優勢，越來越多的應用于現代飛機的定型試飛過程中。

1系統簡介

某型飛機水配重系統示意圖如下，主要由控制系統、電源系統以及重心調節系統組成。

（1）控制系統：控制系統是水配重系統的大腦，一般包括控制臺、控制計算機、控制面板等組成。

（2）電源系統：電源系統是水配重系統的心臟，為整個系統提供能源，一般包括蓄電池、配電盒、線束等組成。

（3）重心調節系統：重心調節系統是水配重系統的功能機構，負責實現重心前后調節功能，主要包括水罐組件、電動泵、控制閥、流量/壓力傳感器、管路等組成。

2設計要求

（1）重量最優原則。最小的配重量達到最優的重心調節效果，同時整個水配重系統重量要求最輕，以盡量較小對飛機空機重量重心的影響。

（2）重心自動調節。根據飛機飛行姿態、燃油量、起落架狀態、舵面狀態等參數，并自動調節飛機重心狀態至設定值。能夠快速完成飛機重心調節，實時響應。

（3）安全可靠。系統設計安全可靠，系統故障時能夠有措施可以使前后配重液達到平衡，不影響試飛安全。

3某型飛機水配重系統重量重心設計

飛機重心調節系統一般指的是飛機縱向重心調節，通常只考慮縱向（X向）重心的影響量。將飛機重量（）組成分為使用空機重量（，使用空機重量包含水配重系統除配重液外的所有固定設備重量）、燃油重量（）和水配重重量，其中水配重重量一般分為前配重（）和后配重（），則基于力矩平衡原理，飛機重量重心計算公式如下：

（1）

（2）

式中：

表示飛機縱向重心，m;

分別表示相應空機、燃油、水配重的縱向重心，m;

，重量重心乘積，表示重量矩，kg·m。

3.1? 空機重心確定

按照CCAR-25R4第25.29條要求飛機空機和相應的重心通過全機稱重的方法確定[2]，通過飛機姿態、前后測量點重量測量得到飛機空機重量和重心位置，計算得出飛機空機重量矩。飛機稱重狀態一般為起落架放下狀態，各操縱面位于中立位置，起落架收放狀態和舵面偏度對空機重心產生影響。以起落架放下狀態為基準，飛機起落架收放對飛機重量矩的影響（）如下表。

舵面狀態以中立位置為基準，評估不同舵面偏度對飛機重量矩變化量如下表。

則飛機任一狀態的空機重量矩等于稱重狀態空機重量矩加上對應的不同起落架狀態、不同操縱面位置的重量矩變化量。

3.2 燃油消耗影響

飛機燃油重量重心隨燃油消耗變化而變化，同時飛行姿態的不同對燃油重心也存在影響，通過飛機油箱模型和試驗數據得到某型飛機燃油曲線如圖2所示。通過機上參數采集器可以確定任一時刻的機上的燃油重量和飛行姿態角，通過對燃油量和姿態角的兩次差值計算可以得到飛機的燃油重量重心數據，從而計算得到飛機燃油重量矩。

3.3 配重計算

根據重量最優原則，為達到以最小的重量獲取最優的重心調節效果之目的，應盡量在飛機前后遠離飛機重心的位置選擇合適地方作為飛機配重點，同時，為減小飛機重心的橫向位移，以免對飛機橫向操作性能造成影響，配重點選擇時還需考慮左右對稱布置。配重點的位置亦即水罐組件的安裝位置。以某型飛機為例，通過對機上空間、設備布置的綜合考量，其前配重點選擇在機頭段17-20框位置，后配重點選擇在后機身段51-54框位置。

水罐組件位置選擇確定后需要確定水配重的量，作為飛機水配重系統水罐組件的基本設計輸入，以確定水罐組件的容積及數量。某型飛機重心前后邊界22%MAC-30%MAC，經計算，某型飛機需要配重液1000kg才能滿足飛機重心范圍內的調節需求。水配重重量矩如下表。

3.4? 重心控制和調節

將飛機重心計算公式、燃油耗油曲線數據、起落架收放狀態、舵面偏度對飛機重心的影響量等預設至飛機重心控制計算機，通過對飛機姿態參數、起落架收放、燃油量數據調取，控制計算機自動完成對飛機重量重心計算，得到飛機的實時重心值。當飛機進行試飛科目飛行時，飛行員輸入預設的飛行重心值，計算機對預設值和實時值進行比對，發送控制指令，控制調節系統中的電動泵工作，將水罐中的配重液進行前后調整，經過不停地迭代計算使實際值與預設值達到一致。

4結束語

本文主要介紹了某型飛機水配重系統組成、基本設計要求和重量重心設計過程，通過對飛機重心影響因素的分析，建立了合理的重心求解模型。水配重系統自動化程度高操作簡單，能夠實現飛行過程中飛機重心的自動調節，使飛機重心長時間的保持在某一設定狀態，提高試飛安全性，在試飛驗證中發揮著獨特作用。

參考文獻

[1] 付瑞.通用型飛機縱向重心自動調節系統的設計與實現[D].西安：西北工業大學，2007.

[2] 運輸類飛機適航標準：CCAR-25R4[S].北京：中國民用航空局， 2011.

作者簡介

周承前（1987-），男;工程師，現就職單位：航空工業通飛，研究方向：飛機重量與平衡控制。