渦槳飛機濕跑道地面最小操縱速度確定方法研究

趙登錄 譚洪偉

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安710089）

某渦槳飛機的審定基礎是中國民用航空規章第25 部 運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R3），因此該型飛機為了適航取證并進入市場,根據適航標準的相關要求，除了干跑道外,還必須進行濕跑道條件下的起飛性能的計算及試飛驗證工作,而地面最小操縱速度的確定影響著飛機起飛性能程序的制定，尤其是起飛過程中，臨界發動機失效速度（VEF）、起飛決策速度（V1）等的制定則與其直接相關聯。按照聯邦航空局咨詢通報AC25-7A的相關解釋，所謂“濕跑道”，就是飛機滑跑時，跑道必須是浸透水的，同時飛機滑跑過跑道時又不能濺起很大的水花。相對于干跑道，濕跑道的機輪摩擦系數和機輪側向運動的側力系數有很大的差異，這就使得與此密切相關的確定濕跑道地面最小操縱速度（VMCG）的工作成為亟待解決的關鍵難題之一。本文首先對CCAR-25 部149（A）、（E）地面最小操縱速度條款理解作了簡明闡述，推導出計算VMCG所使用的數學模型，并選取某型飛機的相應臨界狀態進行編程計算，給出了飛機在濕跑道上的地面最小操縱速度VMCG，從而保證了該渦槳飛機適航工作按時順利完成，取得了令人滿意的結果。

1 計算所用原始數據

1.1 基本數據

幾何尺寸數據取自飛機理論三面圖；質量質心及慣量慣矩數據取自飛機全機質量特性計算報告；氣動數據取自飛機氣動數據集報告，相關數據已經過雷諾數修正；鉸鏈力矩數據取自飛機操縱面鉸鏈力矩數據集報告，以導數形式給出；發動機動力數據取自飛機發動機性能計算報告；失速速度取自飛機失速速度報告。

1.2 其他數據

副翼傳動比、副翼傳動比、方向舵傳動比、發動機的拉力損失，機輪側向運動的側力系數，濕跑道時機輪側向運動的側力系數CZK值相對于干跑道而言發生了很大變化，本次計算時取干跑道該值的1/4、1/3、1/2、3/4 等一系列值進行敏感性檢查分析。

1.3 條款簡要說明

本文涉及的適航條款是CCAR25.149 最小操縱速度（A）、（E）。滿足條款的準則是：在地面最小操縱速度VMCG下，當臨界發動機突然停車時，僅使用飛機主操縱即可恢復對飛機的控制，且橫向側移量最大不得超過9m，腳蹬力不得超過667N（即68kgf），使得采用正常的駕駛技巧就能安全的繼續起飛。在此過程中，不得使用前輪轉向和使機翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機的操縱。

2 數學模型的建立

飛機的地面最小操縱速度VMCG是保證飛機安全的最小速度。通過推導，建立了如下的計算地面最小操縱速度VMCG的數學模型（計算公式和方程）。

非對稱停車后沿穩定軸系0xwywzw的動力學方程及沿地軸的運動學方程（略去下標“W”）：

式中：Xd、Zd 為軸向和側向位移，Vx、Vz 為軸向和側向速度，ωy 為偏航角速度，Fx、Fz 為軸向和側向力，ψ 為偏航角，My 為偏航力矩。

3 計算狀態的選取

根據CCAR25.149（A）、（E）的條款要求，檢查選取了飛機幾種典型的臨界狀態進行模擬計算。具體計算狀態如表1 所示。

表1 計算狀態

4 計算結果及分析

從發動機出現故障到駕駛員開始蹬舵操縱存在一個故障發生、飛機偏移、故障判斷、蹬舵操縱的過程。根據試飛員的飛行經驗，在飛機偏離中心線大約0.4m左右時，駕駛員判斷出飛機發動機出現故障，再開始蹬舵操縱飛機，整個過程一般大約需要2.0s（一般為1～3 秒），故仿真計算時設定駕駛員的操作延遲時間為2.0s。以此計算的VMCG如表2 所示。

表2 VMCG 計算結果（H=0m）

根據上面表2 的計算結果可以看出，前質心、飛機質量是19000.0kg 時干、濕跑道VMCG（CAS）差值最大，其差量達1.15kn。圖1（a）為前質心、質量19000.0kg時干、濕跑道側向位移時間歷程曲線，圖1（b）為前質心、質量19000.0kg時濕跑道側向位移、滑跑速度、方向舵偏角及腳蹬力時間歷程曲線。

圖1 計算結果

5 濕跑道上地面最小操縱速度的確定

為了進一步減小計算誤差，濕跑道上地面最小操縱速度的計算結果僅取差量，即濕跑道地面最小操縱速度選取方法如下：在某飛機地面最小操縱速度VMCG（CAS）手冊值（干跑道）的基礎上，再增加1.2kn（干、濕跑道計算差量）。最終，某渦槳飛機在濕跑道上的地面最小操縱速度確定為105.7kn（CAS）。

6 結論

經過該型機適航試飛驗證，濕跑道地面最小操縱速度確定方法是完全實用和可行的，VMCG計算結果是可信的，令人滿意，表明本文研究所采用的計算數學模型與計算方法是正確的。該研究分析方法對相關專業技術人員有重要的參考價值。