受結構限制的運輸類飛機最小離地速度試飛技術

張建，屈飛舟，劉靜

(中國飛行試驗研究院飛機所，陜西西安710089)

引言

最小離地速度(Vmu)是飛機能夠安全離地并且繼續起飛的最小速度，也是飛機在最大可用迎角條件下安全起飛達到的最低速度。按照民用航空規章要求，申請人選擇的飛機抬前輪速度必須足夠安全，即在審定的推重比范圍內，使用可能的最大可用抬頭速率抬前輪起飛條件下，飛機的離地速度都必須距離最小離地速度存在足夠的速度裕度［1］，即不小于全發工作Vmu的110%，且不小于單發停車確定的Vmu的105%。所以，最小離地速度是制定飛機安全起飛速度的重要限制速度之一。因此，新研制的民用飛機必須進行最小離地速度試飛，確定飛機在整個推重比范圍內的最小離地速度，驗證飛機起飛速度是否滿足規章要求，這對于民用飛機審定試飛意義非凡。最小離地速度是民用飛機最大性能起飛的試驗機動，其試飛是在地面效應影響條件下飛機的低速大迎角試飛科目，試驗難度大、風險高，因此對試飛技術提出了很高的要求。

民用飛機最小離地速度試飛根據飛機氣動特性和結構的不同可分為受機翼失速限制、受俯仰操縱權限限制和受幾何結構限制3種情況，ARJ21-700飛機屬于受幾何結構限制的情況。本文綜合最小離地速度試飛經驗，全面總結了受幾何結構限制的最小離地速度試飛技術，對完成國內其它運輸類飛機的最小離地速度試飛具有重要的借鑒意義。

1 最小離地速度試飛技術

1.1 一般要求

最小離地速度試飛的一般要求有:

(1)應當進行試驗，確定飛機全發工作和單發停車條件下的最小離地速度;

(2)最小離地速度應當在飛機審定的推重比范圍內進行確定，允許使用全發工作模擬單發停車的方法進行全部推重比范圍內的最小離地速度試驗，但需要考慮單發停車最小離地速度的相關因素(如單發條件下由于橫航向操縱導致的阻力增加和升力降低、風車阻力等)，使用分析方法進行全發工作最小離地速度試驗結果修正;

(3)對于受幾何結構限制的飛機，在全發工作條件下，最大可用速率抬前輪的離地速度與最小離地速度之間的速度裕度可以降低到108%，單發停車條件下可降低到104%;

(4)如果認為是受幾何結構限制的飛機，那么應當在全部起飛包線內均受幾何結構限制，否則不能認為受幾何結構限制，最小離地速度和最大可用速率抬前輪的離地速度之間的速度裕度不能降低;

(5)如果臨界推重比狀態的最小離地速度用于審定的全部推重比范圍的最小離地速度，那么可以只進行單發停車和全發工作狀態臨界推重比的最小離地速度試飛。

1.2 最小離地速度試飛程序

飛機離地過程中的動力學方程為［2-3］:

式中，W為飛機重量;γ為航跡角;T為發動機推力;αmu為最小離地速度對應的迎角;φp為發動機安裝角;CLmu為飛機以最小離地速度起飛時對應的升力系數;q為動壓;S為機翼參考面積;Vsr為參考失速速度;CLsr為參考失速速度對應的升力系數。

據式(2)可知:在 αmu，CLmu和 CLsr保持恒定條件下，Vmu/Vsr與T/W呈線性關系，最小離地速度試飛的最終目標就是給出批準的推重比范圍內的Vmu/Vsr與T/W的相互關系。

安全有效的最小離地速度試飛必須得到合理可行試飛程序的保障。圖1給出了最小離地速度試飛的典型程序。

圖1 最小離地速度試飛典型程序

一般情況下程序如下:

(1)需從批準推重比中間部分開始，確保飛機具有足夠的爬升能力和操縱安全性;

圖2 最小離地速度試飛最小推重比確定程序

(2)逐漸降低試驗推重比直至最小推重比。最小離地速度的最小推重比按照圖2所示的方法確定。飛機在場高300～800 m的范圍內以預定的發動機轉速和V2速度進行穩定直線爬升，計算爬升梯度，然后根據爬升梯度調整發動機轉速，直至爬升梯度滿足民用航空規章要求。對于雙發飛機，規章要求在起落架收上階段，以速度V2進行定常爬升的梯度不得小于2.4%;

(3)完成較大推重比的最小離地速度試驗。當推重比增加到一定程度時，尾部觸地到飛機離地之間時間很短，試飛員很難完成操縱調整，因此不可能完成直至審定的最大推重比的最小離地速度試驗，但是，最小離地速度試飛需要演示的最大推重比應比全發工作最小推重比大0.1。

1.3 最小離地速度影響因素

最小離地速度試飛結果的影響因素比較復雜，其主要包括如下幾個方面:

(1)地面效應:地面效應對飛機升力產生影響，從而會影響最小離地速度;

(2)起落架減振支柱:減振支柱伸縮量會影響飛機離地姿態。在較大推重比的最小離地速度試飛中，從尾部觸地到離地的時間間隔較短，飛機離地姿態可能受到減振支柱壓縮量的影響，從而影響最小離地速度;

(3)離地點道面平整度:跑道道面的縱坡或橫坡會對機輪離地狀態和離地點的判斷存在一定的影響，從而影響最小離地速度，因此試驗時希望飛機能夠在較為平整的跑道部分離地起飛;

(4)起飛滾轉姿態:飛機離地過程中，由于坡度的存在會對左右機輪的離地時間產生一定的影響。

大量的飛行試驗結果表明:最小離地速度的精度大約在 ±2%左右［4］。

1.4 最小離地速度試飛駕駛技術

最小離地速度試飛的駕駛技術可概括為:

(1)飛機應當按照試驗的要求設定襟、縫翼位置，飛機滑跑前，試飛員應當明確目標N1對應的油門桿位置;

(2)為了縮短飛機滑跑階段的距離，最小離地速度試飛開始滑跑時，采用起飛功率，在一定速度時收油門到指定位置并盡早拉桿到后極限位置(一般情況下可選擇表速120～150 km/h)，觀察飛機抬頭趨勢;

(3)當飛機具有明顯的抬頭趨勢時，可適當松桿，直到尾部觸地。當飛機尾部觸地時，適當增加拉桿力，確保尾部保持觸地狀態，直到飛機離地。飛機騰空后，以不小于離地的俯仰姿態使飛機爬升，直到脫離地效。試飛員應當根據經驗和飛機自身特性確定松桿的時機和松桿量;

(4)應當加裝能夠為試飛員提供尾部即將觸地和達到觸地狀態的信號指示燈，以避免飛機尾部與地面的撞擊從而損壞飛機結構，同時為試飛員判斷尾部觸地狀態提供參考(見圖3);

(5)在最小離地速度試驗過程中，可以使用稍大于正常配平設置的抬頭配平，以便能夠使飛機在更低的速度抬頭，從而使飛機在尾部觸地到離地之間具有足夠的時間供試飛員進行飛機狀態調整。

圖3 飛機尾部觸地指示信號

2 最小離地速度試飛數據處理技術

2.1 最小離地速度試飛成功準則

最小離地速度試飛屬于高難度、高風險的試飛科目。統計結果表明，最小離地速度試飛滿足成功準則要求的概率大約為30% ～40%，因此，試飛后首先必須表明試飛滿足成功準則。受幾何結構限制的運輸類飛機最小離地速度試飛的成功準則為［5］:

(1)從96%實際離地速度到離地點，飛機的俯仰姿態不得小于尾部擦地姿態的95%;

(2)從96%離地速度直到飛機離地，飛機尾部下表面(尾撬)必須與跑道接觸，而且觸地時間要占到此時間范圍的50%以上;

(3)從離地點到離地10.7 m處，飛機的俯仰姿態不得小于離地點的姿態，或小推重比時速度增加不大于10%;

(4)從起飛滑跑點到10.7 m離地高度處，水平距離不大于民用航空規章CCAR25.113(a)確定的全發工作起飛距離(不增加額外的15%)的105%。

2.2 最小離地速度試飛數據分析

輪速和起落架機輪軸載荷是確定離地點的重要參數，幾個主輪輪速最大值最后一個出現的時刻可認為飛機完全離地。圖4給出了最小離地速度試飛典型時間歷程。由圖4可知，飛機在離地過程中滾轉角幾乎為零，因而根據左右輪速判斷的離地速度相差很小。圖5給出了最小離地速度試飛帶滾轉離地的時間歷程。由圖5可知，此時飛機離地過程中左滾轉角為3°，導致按照左右輪速判定的飛機離地速度相差約5 km/h，從而增加了最小離地速度試飛結果的分散度。圖6給出了較大推重比(T/W=0.32)離地后姿態振蕩的時間歷程曲線。此試驗中，推重比較大，飛機尾部觸地到離地的時間間隔僅為0.2 s，為試飛員調整縱向操縱位移以維持飛機俯仰姿態帶來了很大的難度，俯仰操縱量不能調整到所需要的位置，從而造成飛機離地后俯仰姿態減小和出現振蕩現象。

圖5 最小離地速度試飛典型時間歷程(帶滾轉離地)

圖6 最小離地速度試飛典型時間歷程(T/W=0.32，離地后姿態減小并振蕩)

2.3 最小離地速度數據換算

根據下式計算試驗最小離地速度對應的升力系數，并換算到標準重心位置，同時可計算標準大氣和標準重量條件下的最小離地速度［4］。

式中，CLsy，CLbz分別為試驗重心及修正到標準重心位置的最小離地速度對應的升力系數;bA為機翼平均空氣動力弦長;lt為水平尾翼力臂;CGbz，CGsy分別為標準重心和試驗重心位置;Tzsy，Tzbz分別為試驗狀態和標準狀態的發動機推力矢量法向分量。

3 結束語

通過對民用航空規章最小離地速度相關適航條款要求的研究，并結合ARJ21-700飛機最小離地速度試飛結果分析，研究了受幾何結構限制的運輸類飛機最小離地速度的試飛技術，掌握了最小離地速度試飛程序、試飛駕駛技術、數據處理和分析技術等一系列關鍵技術。此技術具有一定的通用性，為國內其它運輸類飛機的最小離地速度試飛和制定我國自己的民機審定試飛指南具有重要的參考價值。

［1］CAAC．CCAR-25-R3 中國民用航空規章第25部:運輸類飛機適航標準［S］．中國民用航空總局，2001．

［2］黃太平．飛機性能工程［M］．北京:科學出版社，2005:30-35．

［3］張妙嬋，張建，吳密翠．運輸類飛機最小離地速度試飛數據處理方法［J］．飛行力學，2011，29(5):81-83．

［4］Slingerland R．Minimum unstick speed impact on horizontal tail sizing for jet transports［R］．AIAA 2005-815，2005．

［5］FAA．AC25-7B Flight testguide for certification of transport category airplanes［S］．FAA，2011．