民用飛機運行重心包線設(shè)計方法

連婷婷

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.002

摘 要：本文介紹了民用飛機運行重心包線的概念，詳細(xì)闡述飛機運行過程中影響重心位置的各種因素，對取證包線進行削減，總結(jié)出民用飛機運行重心包線的設(shè)計方法，為民用飛機生產(chǎn)商及承運人從事配載平衡工作人員提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：運行包線 包線削減 影響因素

中圖分類號：V214 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0002-02

在各飛行運行階段，允許使用的所有重心位置組成的區(qū)域邊界線稱為飛機的重心包線。民用飛機各型號的重心包線包括取證包線和運行包線。取證包線是型號取證時必備的重心包線，由飛機的最大滑行重量、最大起飛重量、最大著陸重量和最大零燃油重量，以及相應(yīng)的重心限制組成。設(shè)計取證包線時，飛機設(shè)計師需考慮裝載能力、結(jié)構(gòu)強度、操穩(wěn)特性和飛機性能四個因素，它們相互影響相互制約，所以取證包線是一個權(quán)衡的結(jié)果。飛機的重心位置在任何時候均不得超出取證包線的限制。

然而，在運行中存在很多因素影響飛機的重心位置，例如飛行中旅客移動、乘務(wù)員送餐、起落架收放和燃油使用等情況都會使飛機重心位置產(chǎn)生變化。為了保持飛機在任何情況下都不會超出取證包線的限制范圍，需要建立運行包線。運行包線是由取證包線削減而來。在實際運行中，航空器承運人使用的重心包線為運行包線。

削減的內(nèi)容包括運行中可能存在的重心移動和計算重心時的不確定量。包線削減量的確定方法是計算取證包線和可能出現(xiàn)的最不利的條件之間的差值而得出。如果飛機的重心時刻保持在取證重心包線范圍內(nèi)，飛機處于穩(wěn)定狀態(tài)。但重心位置不會恒定不變，當(dāng)重心移動到取證包線邊界的時候，遇到某些因素的影響，重心位置就會發(fā)生改變，極有可能移動到重心包線以外，使飛機處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，需要計算出重心位置可能的改變量，在取證包線的基礎(chǔ)上減掉改變量，最終得到運行包線。

1 包線削減使用公式

1.1 平均氣動弦表示的重心

每一型號飛機機翼的平均氣動弦是固定的，使用重心相對平均氣動弦的位置來表示重心的位置。計算方程為：

式中，CG為重心相對機翼平均氣動力弦的位置；HCG為機身坐標(biāo)系下，飛機重心縱向坐標(biāo)，即飛機的平衡力臂；HA為機身坐標(biāo)系下，機翼平均氣動力弦前緣點的縱向坐標(biāo)；CA為機翼平均氣動力弦弦長。

1.2 指數(shù)方程

飛機裝載需要使用力矩的總和來決定飛機、商載和燃油的重心。指數(shù)方程用于簡化艙單中表述力矩的巨大數(shù)值，設(shè)計艙單使用的指數(shù)方程的一般形式是：

式中，Index為重量指數(shù)；W為指數(shù)計算對象的重量；Y為指數(shù)計算對象坐標(biāo)；Yidex0為指數(shù)基準(zhǔn)點的坐標(biāo)；C為指數(shù)縮小倍數(shù)；K為重量指數(shù)取正常數(shù)。

2 重心移動影響因素

在運行時，飛機上的一些物體相對于飛機的基本狀態(tài)發(fā)生位移進而導(dǎo)致飛機重心位置發(fā)生改變的情況稱為重心移動。

2.1 起落架收起

飛機起飛時，起落架移動對重心產(chǎn)生影響。首先設(shè)定起落架的基本狀態(tài)，即收起或放下，其起落架放下為基本狀態(tài)，根據(jù)《重量平衡手冊》提供的起落架各狀態(tài)下的重量和平衡力臂的改變量，計算起落架移動產(chǎn)生的力矩，對取證包線進行削減。

2.2 襟翼放出

飛機飛行時，襟翼的移動對重心產(chǎn)生影響。首先設(shè)定襟翼的基本狀態(tài)，即收上或放出，其襟翼收起為基本狀態(tài)。根據(jù)《重量平衡手冊》提供的襟翼各狀態(tài)下的重量和平衡力臂的改變量，計算襟翼放出產(chǎn)生的力矩，對取證包線進行削減。

2.3 飛行中人員與餐食的移動

飛行中人員與餐食的移動會導(dǎo)致飛機重心的位置改變。首先確定人員的基本狀態(tài)：乘務(wù)員分別位于客艙前部和后部的乘務(wù)員座椅；旅客坐滿客艙；餐車及食物位于廚房相應(yīng)位置。然后列出人員與餐食移動的所有情況，例如：

（1）乘務(wù)員和餐車在客艙內(nèi)移動（餐食服務(wù)）。

（2）乘務(wù)員在客艙內(nèi)移動。

（3）乘務(wù)員從客艙移動到駕駛艙為駕駛員送餐。

（4）乘客移動到盥洗室。

（5）飛行員移動到盥洗室。

在計算對前（后）重心的影響時，應(yīng)將以上情況產(chǎn)生的最大力矩改變量累加，并基于下列原則計算：

（1）各艙旅客使用許可的盥洗室，在此前提下使用最近的盥洗室。

（2）若廚房不在客艙同一方位，使用最近的廚房。

（3）機組使用距離駕駛艙最近的盥洗室。

（4）2個乘務(wù)員負(fù)責(zé)一個餐車。

計算人員與餐食移動對重心的影響所需數(shù)據(jù)來源于《重量平衡手冊》，由于情況多樣，因此在計算時需要根據(jù)客艙布局列出所需項目的重量及平衡力臂，然后計算人員移動對重心產(chǎn)生的力矩。

2.4 水的移動

飛機運行時，由于人員的使用，水從儲水箱移動到廢水箱，隨著廢水箱水量的不斷增加，飛機的重心也隨之改變。根據(jù)《重量平衡手冊》提供的水箱與廢水箱的位置和容積數(shù)據(jù)，計算水的移動對重心位置的影響。飛機的基本狀態(tài)是：運行開始時水箱滿水，廢水箱無水。運行過程中，儲水箱中15%的水量被消耗掉，其余的水從水箱移動到廢水箱。

2.5 燃油使用

飛機在運行過程中重心隨燃油消耗而改變，燃油使用對飛行包線產(chǎn)生影響。為確保運行中燃油重心曲線上的每一點時刻保持在飛行包線之內(nèi)，需要計算燃油重心曲線在零油重量和起飛重量時，燃油使用對飛行包線的影響量。

3 計算誤差影響因素

計算貨物、旅客和燃油的重心位置時，如果貨物密度相同且均勻放置在貨艙內(nèi)、旅客均為標(biāo)準(zhǔn)重量、燃油密度相同，可以按照貨艙、客艙或油箱的幾何中心來計算。但是，在實際運行時貨物的密度和尺寸大小不一、旅客的人數(shù)和體重隨機、不同機場燃油密度不同。因此無法確定重心具體位置，需要將計算時產(chǎn)生的誤差作為削減量計算出來。endprint

3.1 貨物裝載

貨物的裝載位置不同會對重心位置造成影響。如果想確定全部貨物的準(zhǔn)確重心位置，需要知道每一件貨物的重心位置，但是這種情況在實際運行中很難操作。由于在計算貨物的重心位置時，用的是貨艙各分區(qū)的平均重心，因此真實在貨艙裝載的重心會有一定的誤差，若貨艙分區(qū)越細(xì)，這種誤差就越小。

3.2 旅客裝載

使用不同的方法安排旅客座位對重心產(chǎn)生的影響不同。旅客裝載對重心位置的影響取決于：（1）安排旅客座位順序的政策；（2）分區(qū)數(shù)量；（3）航空公司關(guān)于旅客標(biāo)準(zhǔn)重量的政策。如需確定全部旅客的準(zhǔn)確重心位置，需要知道每一位旅客的重心位置。盡管中航信離港系統(tǒng)可以通過旅客值機的實施情況來控制重心，但是在使用紙質(zhì)艙單時無法確定每位旅客的重心位置。因此，在計算旅客的重心位置時，需要按照靠窗-靠過道-中間的順序安排座位，同時將客艙座位分區(qū)，同貨艙分區(qū)原理相同，客艙分區(qū)越細(xì)，誤差越小。按“排”分區(qū)時削減量最小。

3.3 燃油裝載

由于各機場裝載的燃油密度有所不同，不同密度的燃油重心位置不同，因此燃油裝載對飛機重心位置有一定的影響。

4 結(jié)語

本文介紹了運行中引起重心變化的幾種影響因素以及計算包線削減量的方法，旨在探索民用飛機運行重心包線的設(shè)計方法。民用飛機在飛行過程中對重心位置的要求非常精確，在設(shè)計之初時就必須保證飛機在運行過程中重心落在規(guī)定的范圍之內(nèi)。這個規(guī)定的范圍就是飛機的取證包線，然而，僅僅考慮取證包線的限制是不夠的。在運行過程中，有很多因素會引起重心的變化，這些因素是必須要考慮的。每個航班在運行中，重心究竟怎樣變化，變化了多少，是我們難以預(yù)知的。所以，我們需要將所有運行中影響重心的因素考慮到，計算出極限影響值，并對取證包線進行削減，進而得到運行重心包線。包線削減量過大會造成重心限制范圍過小，會影響飛行操作，削減量過小則會造成飛行安全的疏忽。所以，運行包線設(shè)計也是一個各方權(quán)衡的結(jié)果。

參考文獻

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