運(yùn)輸類飛機(jī)地面最小操縱速度試飛研究

印帥

【摘 要】地面最小操縱速度是飛機(jī)起飛性能中的重要參數(shù)。本文以適航條款CCAR25.149（a） （e）為基礎(chǔ)，分析了該條款對制定地面最小操縱速度的具體適航要求；系統(tǒng)梳理和歸納了該條款的符合性驗(yàn)證思路及表明對該條款符合性的飛行試驗(yàn)中需要關(guān)注的問題，可為民用飛機(jī)的地面最小操縱速度試飛提供經(jīng)驗(yàn)參考。

【關(guān)鍵詞】地面最小操縱速度；適航要求；飛行試驗(yàn)；符合性驗(yàn)證

0 引言

當(dāng)飛機(jī)在起飛滑跑過程中發(fā)生單發(fā)失效時(shí)，單側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生一個(gè)偏航力矩，如果飛機(jī)的滑跑速度不夠高，方向舵將不能產(chǎn)生足夠的恢復(fù)力矩，在這種情況下，飛機(jī)將可能因此沖出跑道。因此需要制定一個(gè)速度，飛機(jī)不低于該速度時(shí)，單發(fā)失效后方向舵能夠產(chǎn)生足夠的恢復(fù)力矩克服因發(fā)動(dòng)機(jī)失效產(chǎn)生的偏航力矩，使飛機(jī)能夠恢復(fù)航向繼續(xù)起飛，將該速度定義為地面最小操縱速度。地面最小操縱速度（VMCG）是指飛機(jī)在起飛滑跑過程中臨界發(fā)動(dòng)機(jī)突然失效時(shí)，僅使用方向舵操縱和保持機(jī)翼水平的橫向操縱就能保持對飛機(jī)的操縱，并且利用正常飛行技能且腳蹬力不超過規(guī)定值能繼續(xù)安全起飛的最小速度。本文對CCAR25.149（a） （e）進(jìn)行研究和分析，明確該條款的適航要求，并結(jié)合某型飛機(jī)的適航驗(yàn)證試飛，詳細(xì)描述試飛方法，歸納總結(jié)表明對該條款符合性的適航驗(yàn)證試飛中需關(guān)注的問題。

1 適航條款

1.1 條款原文

CCAR25-R4中對VMCG的相關(guān)要求如下[1]：

第25.149 條最小操縱速度

（a）在制定本條要求的最小操縱速度時(shí)，用以模擬臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效的方法，必須體現(xiàn)在服役中預(yù)期對操縱性最臨界的動(dòng)力裝置失效模式。

（e）VMCG，地面最小操縱速度是起飛滑跑期間的校正空速，在該速度，當(dāng)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)，能僅使用操縱力限制在667牛（68公斤；150磅）的方向舵操縱（不使用前輪轉(zhuǎn)向）和使用機(jī)翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機(jī)的操縱，使得采用正常駕駛技巧就能安全地繼續(xù)起飛。在確定VMCG時(shí)，假定全發(fā)工作時(shí)飛機(jī)加速的航跡沿著跑道中心線，從臨界發(fā)動(dòng)機(jī)停車點(diǎn)到航向完全恢復(fù)至平行于該中心線的一點(diǎn)的航跡上任何點(diǎn)偏離該中心線的橫向距離不得大于9米（30英尺）。VMCG必須按下列條件制定：

1）飛機(jī)處于每一種起飛形態(tài)，或者按申請人的選擇，處于最臨界的起飛形態(tài)；

2）工作發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大可用起飛功率（推力）狀態(tài)；

3）重心在最不利的位置；

4）飛機(jī)按起飛狀態(tài)配平；

5）起飛重量范圍內(nèi)的最不利重量。

1.2 條款分析

第25.149條（a）、（e）條對地面最小操縱速度的制定提出了具體的要求。對該條款進(jìn)行歸納，制定地面最小操縱速度時(shí)需滿足以下幾點(diǎn)要求：

1）制定地面最小操縱速度時(shí)使用模擬臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效的方法進(jìn)行；

2）考慮飛機(jī)的每一種起飛構(gòu)型，或處于最臨界的起飛構(gòu)型；

3）重量重心均處于最不利狀態(tài)；

4）工作發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大推力狀態(tài)；

5）飛機(jī)按起飛位置配平。

CCAR25.149（e）明確給出了確定VMCG的可接受的判據(jù)：

1）在VMCG操縱時(shí)，偏離跑道中心線的橫向距離為9m，不需要特殊的駕駛技巧就能使飛機(jī)安全起飛；

2）糾偏過程中方向舵操縱力≤68kg（667N），使用機(jī)翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機(jī)的操縱，使得采用正常駕駛技巧就能安全地繼續(xù)起飛。

1.3 條款演變

自1985年12月31日發(fā)布以來，CCAR25.149條款共經(jīng)歷過三次修訂，其中與CCAR25.149（e）直接相關(guān)的是1995年12月18日的第二次修訂版本。這次修訂中，將“恢復(fù)對飛機(jī)的操縱”改為“保持對飛機(jī)的操縱”，目的在于強(qiáng)調(diào)說明在飛行演示中飛機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)脫離控制的狀態(tài)，即不存在“恢復(fù)”的概念；修訂同時(shí)將原有的“僅使用氣動(dòng)主操縱”明確為使用方向舵和橫向操縱來保持飛機(jī)的操縱。

1.4 建議的符合性方法

建議的§25.149（a） （e）條款的符合性驗(yàn)證方法有飛行試驗(yàn)（MOC6）、分析/計(jì)算（MOC2）[2-3]。

飛行試驗(yàn)（MOC6）：通過地面最小操縱速度試飛，確定符合條款要求的地面最小操縱速度；

分析/計(jì)算（MOC2）：根據(jù)試飛確定的地面最小操縱速度，采用分析擴(kuò)展的方法，獲得任意高度任意溫度下的地面最小操縱速度。

本文主要針對MOC6的符合性方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述和分析。

2 試飛方法

2.1 確定臨界發(fā)動(dòng)機(jī)

按照CCAR25.149（a）的要求，在制定最小操縱速度時(shí)，用以模擬臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效的方法，必須體現(xiàn)在服役中預(yù)期對操縱性最臨界的動(dòng)力裝置失效模式。AC25-7中要求“在開始最小操縱速度試驗(yàn)之前，應(yīng)該通過試飛進(jìn)行評定，以確定哪一臺發(fā)動(dòng)機(jī)的失效會(huì)產(chǎn)生最大的不對稱偏航力矩（即，臨界發(fā)動(dòng)機(jī)）。一般，把一臺外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)推桿至最大起飛推力，而把相對的那臺發(fā)動(dòng)機(jī)拉桿至慢車推力，通過副翼或擾流板保持機(jī)翼水平，同時(shí)飛機(jī)減速直到方向舵全偏。變換左右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)重新進(jìn)行試驗(yàn)。把方向舵全偏時(shí)需要較大的最小速度來保持恒定航向的那臺慢車發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定為臨界發(fā)動(dòng)機(jī)”[4-5]。

2.2 確定地面最小操縱速度

按照CCAR25.149（e）的要求，地面最小操縱速度試飛是在最臨界的重量重心及規(guī)定的起飛構(gòu)型下，在可用的最大起飛推力狀態(tài)下進(jìn)行的。

確定地面最小操縱速度的一般試飛方法如下：

將飛機(jī)設(shè)置為規(guī)定的起飛構(gòu)型，并按起飛程序配平，機(jī)頭對準(zhǔn)跑道中心線，保持飛機(jī)停止在起飛線上；

設(shè)置雙發(fā)油門桿為起飛工作狀態(tài)，在預(yù)先選定速度上飛行員按壓前輪轉(zhuǎn)彎開關(guān)，使前輪轉(zhuǎn)彎處于自由轉(zhuǎn)向模式，僅利用方向舵控制飛機(jī)，其它操縱僅用于保持機(jī)翼水平；

在預(yù)先選定的速度（VEF）切斷臨界發(fā)動(dòng)機(jī)燃油，飛行員感覺到飛機(jī)航向明顯改變時(shí)全偏方向舵將飛機(jī)恢復(fù)到平行于跑道中心線滑行；

安排試飛時(shí)，每架次試飛的速度采用逐次減速逼近的方法，從較高速度開始，視情況逐漸降低速度，直到側(cè)偏距離約9m為止；

用確定的VMCG進(jìn)行演示一次繼續(xù)起飛，確定飛機(jī)是安全可操縱的。

飛機(jī)的運(yùn)行軌跡如圖1所示。

3 試飛影響因素

3.1 受力分析

圖2給出了飛機(jī)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效后在地面滑跑過程中所受到的主要作用力，其中Fr為方向舵受到的氣動(dòng)力，F(xiàn)v為垂尾受到的氣動(dòng)力，F(xiàn)e為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，Mr、Mv、Me分別為對應(yīng)的力矩。

定義力矩值向右為正。當(dāng)ΣMZ=0時(shí)，飛機(jī)能保持航向，當(dāng)ΣMZ>0時(shí)，飛機(jī)向右偏航，偏離跑道中心線，當(dāng)ΣMZ<0時(shí)，飛機(jī)向左偏航，恢復(fù)航向。

3.2 重量重心

CCAR25.149（e）要求在制定地面最小操縱速度時(shí)，重量重心要處于最不利的狀態(tài)。

按照圖2的受力分析，Mr通過方向舵產(chǎn)生的糾偏力矩，為獲得最臨界的試飛結(jié)果，方向舵作用力的力臂值需最小。因此，條款要求的“重心在最不利的位置”為后重心位置。

條款要求飛機(jī)重量為起飛重量范圍內(nèi)的最不利重量。根據(jù)AC25-7C的建議，應(yīng)在VMCG可能影響V1速度的范圍內(nèi)，以最臨界重量，進(jìn)行VMCG試驗(yàn)。

3.3 駕駛員操縱反應(yīng)

在VMCG的試飛過程中，駕駛員反應(yīng)時(shí)間是一項(xiàng)關(guān)鍵的影響因素。這里所指的反應(yīng)時(shí)間主要是飛行員判定臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效的反應(yīng)時(shí)間及判定發(fā)動(dòng)機(jī)失效后施加腳蹬力到腳蹬到底的反應(yīng)時(shí)間。在相同的臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度下，飛行員反應(yīng)越快，飛機(jī)偏移距離卻小；飛行員反應(yīng)越慢，飛機(jī)偏移距離越大。根據(jù)咨詢通告的建議，飛行員主要可以通過駕駛艙內(nèi)部顯示或者外界環(huán)境參考發(fā)現(xiàn)飛機(jī)航向發(fā)生明顯的變化。

為準(zhǔn)確體現(xiàn)試飛過程中飛行員判定臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效的反應(yīng)時(shí)間及判定發(fā)動(dòng)機(jī)失效后施加腳蹬力到腳蹬到底的反應(yīng)時(shí)間，定義飛行員反應(yīng)時(shí)間為臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效到方向舵腳蹬到底的間隔時(shí)間。適航條款和相關(guān)咨詢通告中未對飛行員反應(yīng)時(shí)間的穩(wěn)定性提出具體的要求，但該值的穩(wěn)定性直接影響地面最小操縱速度試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

因此在試飛前，應(yīng)對試飛員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，以減少飛行員的響應(yīng)時(shí)間誤差；同時(shí)建議整個(gè)地面最小操縱速度的試飛由同一飛行機(jī)組執(zhí)行，盡量保持飛行員響應(yīng)時(shí)間的穩(wěn)定性。

3.4 前輪輪載的設(shè)置

CCAR25.149（e）條款要求當(dāng)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)，能僅使用方向舵操縱（不使用前輪轉(zhuǎn)向）和使用機(jī)翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機(jī)的操縱，條款明確不能使用前輪轉(zhuǎn)向來操縱飛機(jī)。為滿足此要求，需在預(yù)先選定速度上按壓駕駛盤前輪轉(zhuǎn)彎開關(guān)，使前輪轉(zhuǎn)彎置自由轉(zhuǎn)向模式；同時(shí)為了盡量消除前輪對試飛結(jié)果的影響，將前輪抬至剛離開地面的臨界狀態(tài)，在此狀態(tài)下，輪載約等于0，不對飛機(jī)的任何狀態(tài)產(chǎn)生影響。

4 試飛數(shù)據(jù)處理

4.1 繪制時(shí)間歷程曲線

繪制校準(zhǔn)空速、發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、橫向偏移量、方向舵偏度、腳蹬力、腳蹬位移等參數(shù)的時(shí)間歷程曲線，同時(shí)剔除腳蹬力大于68kg（667N）的數(shù)據(jù)；

4.2 繪制Vc～△y曲線圖

針對每個(gè)試飛動(dòng)作讀出相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)N1開始下降時(shí)的空速和飛機(jī)航向完全恢復(fù)至平行于跑道中心線航向的最大側(cè)偏距離△y，繪制Vc～△y曲線圖，確定側(cè)偏距離為9m時(shí)的Vc，此時(shí)的Vc即為試驗(yàn)條件下的VMCG。

5 結(jié)論

VMCG是運(yùn)輸類飛機(jī)起飛性能的重要速度。本文分析了VMCG相關(guān)的適航條款CCAR25.149（a） （e），結(jié)合某型飛機(jī)的VMCG試飛，介紹了VMCG的試飛方法及試飛過程中應(yīng)該注意的問題，為民用飛機(jī)表明對CCAR25.149（a） （e）的符合性而進(jìn)行的地面最小操縱速度VMCG試飛提供參考。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]