民用飛機著陸載荷第25.473條款要求及符合性驗證研究

劉文斌

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

飛機地面載荷設計的內容包括滑跑、轉彎、剎車等地面操縱載荷，以及著陸情況載荷兩部分，其中著陸載荷需要使用動力學分析方法，從而考慮飛機和起落架的動態特性，還需要進行起落架落震試驗[1]和仿真進行輔助分析，工作難度更大。

民用飛機基于嚴格的安全性要求和適航理念的發展，對著陸載荷的計算情況進行了詳細的要求和假定。CCAR-25是中國民用飛機設計必須滿足的最低要求，其中第25.473條規定著陸載荷的相關內容，包括姿態、重量構型、下沉速度、升力、摩擦系數等，需要進行嚴謹的分析后，才能開展飛機設計和符合性驗證工作。

目前，國內外對適航領域研究的論文文獻都不少[2-5]，但在國內，因為民機發展并不突出的現實情況，地面載荷相關的適航研究并不多。隨著國內民機產業的蓬勃發展，如何以適航的理念研究清楚該條款要求，從而順利進行符合性設計和驗證活動，具有重大價值。本文將對規定著陸載荷計算的CCAR-25部R4版第25.473條款進行研究，包括條款要求解析、與其它條款的關系、符合性方法、審查要點和民機案例等，可以為中國民用飛機著陸載荷設計提供參考。

1 適航條款內容

《中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準》第25.473條“著陸載荷情況和假定”的內容為[6]：

(a)對于第25.479條至第25.485條中規定的著陸情況，假定飛機按下列情況接地：

(1) 以第25.479條和第25.481條中定義的姿態；

(2) 設計著陸重量(以最大下沉速度著陸情況中的最大重量)時的限制下沉速度為3.05 m/s(10 ft/s)；

(3) 設計起飛重量(以減小的下沉速度著陸情況中的最大重量)時的限制下沉速度為1.83 m/s(6 ft/s)；

(4) 如果能表明飛機具有不能達到上述的下沉速度的設計特征，可以修改此下沉速度。

(b) 除系統或程序顯著影響升力外，可假定飛機升力不超過飛機重力。

(c) 飛機和起落架載荷的分析方法至少應考慮下列要素：

(1) 起落架動態特性；

(2) 起旋和回彈；

(3) 剛體響應；

(4) 機體結構動態響應(若顯著)。

(d) 起落架動態特性必須按第25.723(a)條中確定的試驗來驗證。

(e) 可以通過考慮滑行速度和輪胎壓力的效應來確定輪胎與地面之間的摩擦系數，此摩擦系數不必大于0.8。

2 相關條款和關系

根據第25.473條款內容，與其相關條款包括：第25.471條、第25.479條～485條、第25.723條。條款的名稱和根據描述整理的條款間的相關性，見表1、表2。

表1 第25.473條相關條款

表2 第25.473條相關條款的相關性

3 適航條款要求解析

第25.473(a)款：說明了第25.479條至第25.485條規定的載荷情況都是著陸情況，必須考慮飛機的姿態、飛機設計重量和相應的下沉速度。

第25.473(a) (1)款：對著陸情況進行了規定和說明，依據飛機的受載特點對著陸情況分為對稱著陸和非對稱著陸，對稱著陸又根據著陸姿態分為水平著陸和尾沉著陸。第25.479條規定了水平著陸情況，以及非對稱的側偏著陸情況；第25.481條規定了尾沉著陸情況；第25.483條和第25.485條分別規定了單輪著陸情況和側向載荷情況兩種非對稱著陸情況。

第25.473(a) (2)款：對著陸重量和下沉速度進行了規定，應計算設計著陸重量(以最大下沉速度著陸情況中的最大重量)在下沉速度為3.05 m/s(10 ft/s)情況的著陸載荷。

第25.473(a) (3)款：對著陸重量和下沉速度進行了規定，應計算設計起飛重量(以減小的下沉速度著陸情況中的最大重量)在限制下沉速度為1.83 m/s(6 ft/s)情況的著陸載荷。

第25.473(a) (4)款：對特殊設計飛機的下沉速度進行了補充說明，即如果能表明飛機具有不能達到上述規定的下沉速度的設計特征，譬如著陸情況的下沉速度設計指標或駕駛員手冊等證明材料，允許修改(a)(2)和(a)(3)規定的下沉速度。

第25.473(b) 款：規定了在整個著陸撞擊過程中，飛機升力不超過飛機重量，升力可通過詳細計算和試驗獲得，或采用升力等于重力的邊界情況。

第25.473(c)款：規定了采用分析方法計算著陸載荷時應考慮的要求。

第25.473(c) (1)款：應考慮起落架動態因素，包括起落架的剛度特性、緩沖器內部的空氣彈簧力和阻尼力、輪胎壓縮性能和摩擦性能等。

第25.473(c)(2)款：應考慮起落架的起旋和回彈情況，即需要考慮起落架的起旋時刻載荷和回彈時刻載荷[7]，這兩個時刻是著陸過程中起落架航向載荷的兩個邊界情況。

第25.473(c) (3)款：應考慮剛體響應，是指需要考慮重要集中質量分布的影響，比如起落架動力學分析中需要考慮活塞桿、扭力臂、機輪構成的非彈性質量[8]。

第25.473(c) (4)款：如果機體柔性對著陸載荷的影響“顯著”[9]，則需考慮該影響，否則使用剛性機體假設。顯著與否的確定，可根據國內外相似型號經驗，或者試驗和試飛數據決定。

第25.473(d)款：規定用于著陸載荷計算的起落架動態特性，必須按第25.723(a)款中確定的減震試驗來驗證。

第25.473(e)款：規定了起落架輪胎與地面之間的摩擦系數確定方法，此摩擦系數不必大于0.8。

4 符合性驗證思路

4.1 符合性方法表

第25.473條是關于著陸載荷的總則性條款，應通過載荷分析/計算(MOC2)、試驗室試驗(MOC4)來驗證。

針對25.473條的符合性驗證方法見表3，各項具體的驗證工作如下。

表3 符合性方法表

4.2 MOC2

對第25.473條，采用載荷計算分析表明符合性。在著陸載荷計算中，分別考慮最大著陸重量、最大起飛重量下的水平著陸情況、尾沉著陸情況、單起落架著陸情況、側向載荷情況。對應最大著陸重量的限制下沉速度為3.05 m/s，對應最大起飛重量的限制下沉速度為1.83 m/s。借助于運動學和動力學的方法來建立起落架觸地后的撞擊模型和運動微分方程組，再根據初始條件及緩沖特性去求解這些方程，得到前、主起落架垂直載荷、起旋載荷和回彈載荷，再分別進行剛性機體著陸載荷計算和彈性機體著陸動響應分析。在整個著陸過程中，除系統或程序顯著影響升力外，假定飛機升力不超過飛機重力。輪胎與跑道間的地面摩擦系數由輪胎滑移比曲線確定，地面摩擦最大系數不超過0.8。

4.3 MOC4

對第25.473條，按第25.723(a)款中規定開展減震試驗，驗證起落架的動態特性，以表明符合性。試驗應要考慮前、主起落架使用場景的差別，對不同的著陸姿態(水平和尾沉)、下沉速度(1.83 m/s和3.05 m/s)和水平速度進行組合，選取設計著陸重量或設計起飛重量中產生較大著陸沖擊能量的重量狀態，設定合理的試驗工況。阻力載荷的模擬與水平速度嚴格相關，應在飛機著陸載荷分析的使用的水平速度中選取。最后，還需進行下沉速度3.66 m/s的儲備能量吸收試驗，來驗證起落架的吸能特性。

5 某型民機案例

5.1 MOC2案例

某型民機通過不同參數組合的工況設置，以滿足25.473(a)條款對重量、下沉速度、姿態要求，并編制著陸載荷計算報告作為符合性驗證材料，以驗證著陸載荷符合性。供動態仿真使用的工況參數表見表4，25.473(a)(4)對下沉速度的補充要求自動滿足。

表4 工況參數表

通過建立合理的載荷分析/計算模型，以符合25.473(b)和(c)條款的要求。先建立起落架著陸仿真分析模型，進行起落架載荷計算，再進行機體載荷的計算。模型中對機體采用剛體假設，起落架的物理模型[10]如圖1所示，數學模型參考《飛機設計手冊》。模型中考慮了飛機升力、剛體響應、起落架剛度、緩沖器性能、輪胎壓縮和摩擦性能等因素，并通過編寫計算程序實現具體計算。落震仿真模型建模報告、著陸載荷計算程序手冊，作為符合性材料供局方審定，以驗證條款的符合性。

圖1 起落架力學特性示意

采用如圖2所示的滑移比[10]和輪胎摩擦系數曲線，以滿足25.473(e)的要求。

圖2 滑移比和摩擦系數曲線

5.2 MOC4案例

某型民機按照25.723(a)條款要求，開展前、主落震試驗以滿足25.473(d)條款，落震試驗的工況從著陸仿真工況中選擇沖擊能量較大的工況，試驗的設計應具備姿態調整、載荷測量、升力模擬、重量調整等功能。試驗前后和開展過程中，編制試驗大綱、試驗報告、落震試驗模型驗證等文件，并邀請局方代表參與試驗目擊。某型民機主起落架落震試驗的現場照片如圖3所示。

圖3 某型民機起落架落震試驗照片

6 結論

本文研究了運輸類飛機適航標準第25.473條中各項的要求，對條款內容進行了逐條解析，梳理了符合性驗證思路，并給出了某型民機著陸載荷的計算和符合性驗證案例，可為民機著陸載荷設計提供參考。