民用飛機(jī)油箱干艙設(shè)計(jì)對燃油消耗曲線的影響分析

王瑞+趙俊輝

【摘 要】民用飛機(jī)在飛行過程中隨著燃油消耗飛機(jī)重心不斷變化，而燃油重心的變化往往很復(fù)雜，油箱干艙的設(shè)計(jì)給燃油重心的計(jì)算增加了復(fù)雜度。本文主要探討油箱干艙的設(shè)置對于燃油消耗曲線的影響，以進(jìn)一步考察燃油消耗曲線的計(jì)算的油箱模型是否有必要對干艙部分進(jìn)行處理。本文建立了帶有干艙和無干艙設(shè)計(jì)兩種油箱模型，對兩種油箱模型的燃油消耗曲線進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，干艙部分對應(yīng)的燃油重心對整個(gè)油箱的燃油消耗曲線計(jì)算分析影響很小，在進(jìn)行燃油消耗曲線計(jì)算時(shí)，在工程誤差的許可范圍內(nèi)，為降低計(jì)算復(fù)雜度可不對干艙進(jìn)行處理。

【關(guān)鍵詞】燃油消耗曲線；重心；油箱；干艙

中圖分類號： V22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0081-002

【Abstract】The center of gravity of the aircraft changes as the fuel consumes during flight.The computation of center of gravity of fuel is usually complex.The design of dry bay increases the complexity of fuel center of gravity computation.In order to investigate the necessity of considering fuel tank dry bay design when fuel consumption curve is computed，the influence of fuel tank dry bay design on fuel consumption curve is discussed.One fuel model with dry bay and other fuel model without dry bay are established.Their fuel consumption curves are computed and analyzed.The analysis results show that the influence of center of gravity of dry bay fuel on fuel consumption curve is very small，and that the dry bay can be ignored during the computation of fuel consumption curve within the allowable range of engineering errors.

【Key words】Fuel consumption curve；Center of gravity；Fuel tank；Dry bay

0 引言

飛機(jī)飛行過程中，重量重心的變化影響著飛機(jī)的飛行性能。而在飛機(jī)整個(gè)飛行過程中，燃油的消耗時(shí)刻改變著飛機(jī)的重量和重心。燃油消耗曲線描述了飛行過程中飛機(jī)燃油重量重心的變化，因而研究分析燃油消耗曲線是飛機(jī)重量工程一個(gè)重要的方向。

根據(jù)適航條款25.863條“可燃液體的防火”與25.1185條“可燃液體”，燃油箱安裝、布置需要考慮到油箱可能的滲漏要避開發(fā)動機(jī)火區(qū)[1]，解決辦法一般是在發(fā)動機(jī)火區(qū)上方可能會有燃油滲漏的區(qū)域設(shè)置不載燃油的防火干艙，使油箱布置避開該區(qū)域。干艙就是油箱中的一塊隔艙，與周圍完全隔離，里面沒有燃油。干艙可以防止碎片擊穿油箱后燃油滴落到發(fā)動機(jī)火區(qū)之上造成火災(zāi)。對于翼吊形式的發(fā)動機(jī)而言，發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)子失效時(shí)產(chǎn)生的大碎片極有可能會擊穿油箱，給飛行造成安全隱患，所以油箱中一般會設(shè)置干艙[2]。但對于燃油消耗曲線計(jì)算來說干艙設(shè)計(jì)增加了計(jì)算的復(fù)雜度?？紤]到干艙部分對應(yīng)的燃油重量不是很大，如果這部分燃油對燃油消耗曲線影響甚微的話，燃油消耗曲線計(jì)算則可以忽略干艙部分的影響，建立更為簡單的油箱模型，如此則能夠提高燃油消耗曲線的計(jì)算效率。

因此，研究干艙設(shè)計(jì)對燃油消耗曲線的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。本文主要探討燃油箱干艙的設(shè)置對于燃油消耗曲線的影響，以進(jìn)一步考察燃油消耗曲線的計(jì)算的油箱模型是否有必要對干艙部分進(jìn)行處理。

1 建立油箱模型

建立無干艙和帶干艙的兩種油箱模型，見圖1、圖2。坐標(biāo)系X軸為航向方向，坐標(biāo)系Z軸為橫向方向，Y軸為垂直于XZ平面，向上為正，XY平面為飛機(jī)的對稱面。由于飛機(jī)油箱是對稱設(shè)計(jì)，油箱油量整體上Z軸坐標(biāo)為0。由于影響飛機(jī)安全主要是縱向重心，所以本文只關(guān)注縱向重心即X方向的影響。

油箱模型中靠近飛機(jī)對稱面的部分為中央油箱，遠(yuǎn)離飛機(jī)對稱面得部分為外翼油箱。各部分的油量情況見表1。

由表1可知，干艙部分對應(yīng)的燃油重量為463kg。

2 燃油消耗曲線計(jì)算說明

2.1 燃油消耗順序定義

在飛機(jī)飛行過程中，燃油在不斷地消耗，飛機(jī)重心隨著燃油消耗不斷地變化。消耗順序的不同影響著飛機(jī)的重心。同時(shí)，燃油裝載在機(jī)翼油箱中，燃油的慣性載荷與機(jī)翼在飛行過程中受到的升力方向相反，對機(jī)翼起到卸載的作用[3]，改善了機(jī)翼的受載情況。因此，從這個(gè)角度來說，應(yīng)盡可能長時(shí)間地將燃油儲存在外翼中，也即先消耗中央油箱中燃油，最后消耗外翼油箱燃油。

2.2 左側(cè)燃油計(jì)算

由于飛機(jī)油箱是對稱設(shè)置，本文只計(jì)算左側(cè)燃油的消耗情況。由于左右對稱性，左側(cè)油箱的燃油消耗的縱向重心變化能夠代表整個(gè)油箱的重心變化情況。本文暫不可慮飛機(jī)出現(xiàn)不平衡油量的情況。

2.3 燃油消耗曲線分析關(guān)鍵點(diǎn)

通過考察民用飛機(jī)的重心云圖[4]（見圖3，圖中C部分為燃油消耗曲線）可發(fā)現(xiàn)，燃油整個(gè)消耗過程中，飛機(jī)重心最靠后時(shí)的燃油狀態(tài)就是中央油箱燃油剛好消耗完、外翼油箱燃油尚未消耗時(shí)的燃油。外翼油箱燃油開始消耗時(shí)燃油重心將前移。所以這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)的燃油重心分析對飛機(jī)重心影響最為關(guān)鍵，設(shè)為分析關(guān)鍵點(diǎn)。endprint

3 燃油消耗曲線計(jì)算分析

根據(jù)建立的油箱模型及定義的消耗順序，對兩種油箱模型的消耗曲線進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4。

從圖4可知，無干艙油箱模型的中央油箱燃油消耗過程中，該部分燃油消耗曲線與帶干艙油箱模型剩余油量相同時(shí)之前的曲線基本重合。也即在大于14960kg的燃油重量時(shí)，兩者油箱模型的燃油重心基本相同。

兩種油箱模型中央油箱燃油消耗完全時(shí)，即分析關(guān)鍵點(diǎn)，無干艙與帶干艙油箱模型燃油重心分別為33.221m，33.294m，兩者差值0.072m。無干艙與帶干艙油箱模型燃油重心變化的最大值分別為2.398m和2.46m，中央油箱燃油消耗完成時(shí)兩種油箱燃油重心差值占整個(gè)消耗過程燃油重心變化量的比例分別為3%和2.9%。由此可見，干艙部分對應(yīng)的燃油重心對整個(gè)油箱的燃油消耗曲線計(jì)算分析影響很小。從燃油重量角度考慮，由表1可知，干艙部分對應(yīng)的燃油重量占油箱燃油總重比例約為1.1%。重量占比也很小。

4 結(jié)論

本文主要研究油箱干艙的設(shè)置對于燃油消耗曲線的影響。通過計(jì)算分析來考察燃油消耗曲線計(jì)算時(shí)油箱模型是否有必要對干艙部分進(jìn)行處理。

通過建立帶有干艙和無干艙兩種不同的油箱模型，計(jì)算并對比了兩種油箱的燃油消耗曲線，從而分析出干艙設(shè)置對燃油消耗曲線的影響。計(jì)算結(jié)果表明，建立的無干艙與帶干艙油箱模型燃油重心變化的最大值分別為2.398m和2.46m，中央油箱燃油消耗完成時(shí)兩種油箱燃油重心差值占整個(gè)消耗過程燃油重心變化量的比例約為3%。干艙部分對應(yīng)的燃油重心對整個(gè)油箱的燃油消耗曲線計(jì)算分析影響很小。干艙部分對應(yīng)燃油重量占油箱燃油總重比例約為1.1%。重量占比很小。在工程誤差的許可范圍內(nèi)，在進(jìn)行燃油消耗曲線計(jì)算時(shí)，為降低計(jì)算復(fù)雜度，可不對干艙進(jìn)行處理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局，2010.

[2]趙海濤.大型客機(jī)機(jī)翼系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)研究[J].科技信息， 2011，24：752-754.

[3]趙俊輝.民用飛機(jī)采用不同油箱分離面對重量重心的影響[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2013（3）：41-44.

[4]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第8冊，重量平衡與控制.北京：航空工業(yè)出版社，1999.endprint