民用飛機偏航機動飛行載荷適航技術研究

高昊潼

【摘 要】民用飛機飛行必須保證飛機符合最低安全要求，即適航標準。對飛行載荷專業來說，進行載荷設計計算以表明對適航標準的符合性，是一個極其重大的課題。飛行載荷設計人員要表明對適航標準的符合性，順利地通過適航取證，需要對適航技術進行仔細研究。本文選取了偏航機動適航條款為研究對象，對其條款的理解和符合性驗證方法進行了深入的研究和探討。

【關鍵詞】民用飛機；飛行載荷；偏航機動；適航取證

Analysis and Research on the Airworthiness Technology of the Yawing Maneuver of Flight Load for Civil Aircraft

GAO Hao-tong

（General Configuration and Aerodynamics Department of Shanghai Aircraft Design and Research Institute of COMAC，Shanghai 201210，China）

【Abstract】It must be ensured the minimum safety demand namely the airworthiness regulation for civil aircraft.It is a greatly important project to indicate the compliance with the airworthiness regulation for the flight load group，who need pay much and deep attention to the airworthiness technology finally to succeed obtaining the airworthiness certificate.This paper puts forward much and deep research to the compliance with the airworthiness regulation according with the selected object of the yawing maneuver as the airworthiness item.

【Key words】Civil aircraft；Flight load；Yawing maneuver；Airworthiness certificate

0 引言

適航性[1]是按公眾批準的最低安全要求繼續飛行的航空器固有品質，公眾要求設計人員嚴格按照適航要求設計飛機，保證飛機符合最低安全要求，并向局方（國內局方是指中國民航總局及其地方管理局）表明其符合性。公眾還要求局方確認設計人的設計確實符合最低安全要求。適航審定的宗旨是：維護公眾利益，保證航空安全，促進航空工業的發展。但是飛機的安全性是設計制造出來的，不是審查出來的，審查是公眾派來的“第三只眼”，通過運用適航標準進行審查。

適航標準[2]是一類特殊的技術性標準，是民用飛機設計、研制、生產及使用維護中必須滿足的最低安全標準。適航標準與其他標準不同，是國家法規的一部分，必須嚴格執行。同時適航標準又是通過幾十年來世界運輸類飛機研制、生產及其使用維護經驗的總結，吸取了歷次飛行事故的教訓，是用生命和鮮血換來的，是沒有知識產權限制的民機產業寶貴知識，是我國民機產業走向世界的重要知識源泉之一，是民用航空產業可持續發展的基石。

目前，各國適航標準中較有影響的是美國的FAR、英國的BCAR、歐洲聯合航空局的CS。我國主要參考了國際上應用最廣泛的美國適航標準，結合實際國情，于1985年頒布了運輸類飛機適航標準（CCAR25）。

1 適航符合性驗證方法

適航符合性驗證方法[3]，是指申請人為表明對適航標準的符合性，所采用的各種驗證方法。符合性驗證方法主要有十種：符合性聲明（MOC0），圖樣/說明（MOC1），計算和分析（MOC2），安全性評估（MOC3），實驗室試驗（MOC4），地面試驗（MOC5），飛行試驗（MOC6），航空器檢查（MOC7），模擬器試驗（MOC8）和設備合格性證明文件（MOC9）。

2 飛行載荷適航技術

我國民用飛機設計起步晚，經驗不足，對飛行載荷專業而言，如何進行載荷設計計算以表明對適航標準的符合性，是一個極其重大的課題。通過適航取證過程，我們感覺到，要表明對適航標準的符合性，順利地通過適航取證，還需要大力的提高我們的適航技術水平。而飛行載荷適航取證中存在著兩大主要技術難點是：1）對適航條款的理解；2）如何驗證和表明對條款的符合性。

本文選取了飛行載荷專業一個非常重要的適航條款為研究對象，即偏航機動，對其條款的理解和符合性驗證方法進行了深入的研究和探討，希望能對民用飛機航取證及飛行載荷適航技術的未來提供一些參考。

3 偏航機動

3.1 CCAR25.351條款規定

飛機必須按本條（a）到（d）規定的偏航機動[4]情況引起的載荷進行設計，速度范圍從VMC到VD。對重心的不平衡氣動力矩必須以合理或保守的方式予以平衡，并考慮飛機慣性力。在計算尾翼載荷時，可以假定偏航速度為零。

（a）當飛機以零偏航角非加速飛行時，假定方向舵操縱器件突然移動使方向舵偏轉到受下列條件限制的偏轉量；

（1）操縱面止動器；或

（2）駕駛員作用力的限制值，從VMC到VA為1330牛（136公斤，300磅），從VC/MC到VD/MD為890牛（90.7公斤，200磅），在VA與VC/MC之間按線性變化。endprint

（b）當方向舵操縱器件偏轉，以始終保持在本條（a）中規定的限制值內可用的最大方向舵偏轉時，假定飛機偏航到過漂側滑角。

（c）當飛機偏航到靜平衡側滑角時，假定方向舵操縱器件保持，以獲得在本條（a）中規定的限制值內最大可用方向舵偏轉。

（d）當飛機偏航到本條（c）的靜平衡側滑角時，假定方向舵操縱器件突然回到中立位置。

3.2 條款解析

偏航機動是由方向舵誘發的側向機動。機動中因飛機產生側滑，造成飛機不對稱受載，方向舵偏轉和側滑使得垂尾產生很大的載荷。

飛機結構必須按照本條款要求的偏航機動情況引起的載荷情況進行設計。偏航機動考慮的速度范圍是VMCA 至VD。VMCA 為空中最小操縱速度，即臨界發動機不工作時的最小操縱速度，以校正空速表示，該速度的定義可參考§25.149。

VD為設計俯沖速度，以當量空速表示，該速度的定義可參考§25.335。條款規定，計算尾翼載荷時，可假定偏航角速度為零，其意義實際上是忽略垂尾上的阻尼載荷，而阻尼載荷是減載的，所以這是種偏保守的假設。

條款規定了機動中方向舵的偏角，假定方向舵突然移動到操縱面止動器或由1330 牛的方向舵腳蹬力所限制的最大偏轉，兩者取小值。對于帶有助力器及其它非機械操縱系統（例如增穩系統、主動控制系統等）應考慮操縱系統特性對方向舵偏度的影響。

本條（a）款中規定的限制可以認為是在兩種情況下：

i.飛機在小速壓情況下，偏轉舵面需要的操縱力很小，很容易將舵面偏轉到舵面制動器的位置（即舵面完全偏轉）；

ii.飛機在大速壓情況下飛行，偏轉舵面需很大的操縱力，即使達到了規定的操縱力限制值也不能完全偏轉舵面，則此時需按最大操縱力限制對應的舵偏來考慮。

對駕駛員操縱力的限制，規定為在VMC 至VA 之間為恒定值300 磅，在VC至Vd 間為恒定值200 磅，操縱力在VA 與VC 之間按線性關系變化。

對于電傳操縱的飛機如何確定其偏轉角還需要結合其實際控制律，必要時需制定專用條件。

根據上述理解再結合條款要求，在偏航機動中主要有三個設計點，見下圖：

上圖中的三種垂尾受載情況分別對應于下圖中的三個設計點，第一設計點為方向舵偏轉到限制值，第二設計點為飛機偏航到過漂側滑角方向舵保持最大偏角，第三設計點為飛機偏航到靜穩定側滑角，方向舵回到中立位置。

靜穩定側滑角是指對應于飛機的方向舵偏角飛機能夠在到達此側滑角位置時達到氣動力的平衡。過漂側滑角是指飛機在整個過程中能夠達到的最大側滑角。

3.3 符合性驗證方法

偏航機動是CCAR-25.351（a）規定的重要設計情況。機動中因飛機產生側滑，造成飛機不對稱受載，方向舵偏轉和側滑導致垂尾承受很大載荷。本情況是垂尾、后機身的主要受載情況。規范要求在VMC到VD的所有速度下考慮偏航機動。在計算垂尾載荷時可以假定偏航角速度為零。該條款還規定了最大舵偏角δr的大小及δr-t操縱規律。

按規范定義考慮偏航機動時，飛機響應可用側滑及偏航二自由度方程描述：

式中LV為垂尾相對重心的尾力臂。

初值為：t=0時，β=ω z=0。

δrmax由CCAR-25.397（b）規定的操縱力（1330N）確定。首先，按下圖（a）中的δr偏至δrmax后，保持不動，求出β的響應，從而得出穩態側滑角βs的出現時刻ts （βs≈-）。然后，按下圖（b）正式計算——δr偏至δrmax后，保持至ts開始回舵，并按方程求出整個過程的β，ωz響應，則可得垂尾載荷：

4 結論

民用飛機適航設計中，飛行載荷適航取證是一項非常重要的工作。而要順利的獲得適航證，不但要求申請人能夠深刻透徹的理解相關的適航條款，還要求申請人有足夠的能力和先進的手段去驗證和表明對相關條款的符合性。而飛行載荷適航中，這兩點恰恰是關鍵技術，是重中之重，也是難點所在。本文先介紹了適航相關的一些概念和基本知識，然后著重介紹了飛行載荷的一個關鍵條款的適航驗證技術：包括對條款詳細深入的理解和對條款的符合性計算方法介紹。本文的意義在于提供了一種思路和啟發，拋磚引玉，為今后的民用飛機適航取證工作和相關的適航技術研究提供了有價值的參考。

【參考文獻】

[1]《適航的理念與原則》，中國商飛適航基礎知識系列教材第一分冊.

[2]《適航標準與簡介》，中國商飛適航基礎知識系列教材第六分冊.

[3]CCAR-25，中國民用航空規范第25部運輸類飛機適航標準.中國民用航空局，2001.

[4]《飛機設計手冊》第9冊——載荷、強度和剛度[M] 北京：航空工業出版社，2001.

[責任編輯：田吉捷]endprint