民用飛機油箱干艙設計對燃油消耗曲線的影響分析

王瑞+趙俊輝

【摘 要】民用飛機在飛行過程中隨著燃油消耗飛機重心不斷變化，而燃油重心的變化往往很復雜，油箱干艙的設計給燃油重心的計算增加了復雜度。本文主要探討油箱干艙的設置對于燃油消耗曲線的影響，以進一步考察燃油消耗曲線的計算的油箱模型是否有必要對干艙部分進行處理。本文建立了帶有干艙和無干艙設計兩種油箱模型，對兩種油箱模型的燃油消耗曲線進行計算分析。計算結果表明，干艙部分對應的燃油重心對整個油箱的燃油消耗曲線計算分析影響很小，在進行燃油消耗曲線計算時，在工程誤差的許可范圍內，為降低計算復雜度可不對干艙進行處理。

【關鍵詞】燃油消耗曲線；重心；油箱；干艙

中圖分類號： V22 文獻標識碼： 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

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

根據適航條款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動機火區[1]，解決辦法一般是在發動機火區上方可能會有燃油滲漏的區域設置不載燃油的防火干艙，使油箱布置避開該區域。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動機火區之上造成火災。對于翼吊形式的發動機而言，發動機在轉子失效時產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置干艙[2]。但對于燃油消耗曲線計算來說干艙設計增加了計算的復雜度。考慮到干艙部分對應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算效率。

因此，研究干艙設計對燃油消耗曲線的影響具有現實意義。本文主要探討燃油箱干艙的設置對于燃油消耗曲線的影響，以進一步考察燃油消耗曲線的計算的油箱模型是否有必要對干艙部分進行處理。

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。坐標系X軸為航向方向，坐標系Z軸為橫向方向，Y軸為垂直于XZ平面，向上為正，XY平面為飛機的對稱面。由于飛機油箱是對稱設計，油箱油量整體上Z軸坐標為0。由于影響飛機安全主要是縱向重心，所以本文只關注縱向重心即X方向的影響。

油箱模型中靠近飛機對稱面的部分為中央油箱，遠離飛機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，干艙部分對應的燃油重量為463kg。

2 燃油消耗曲線計算說明

2.1 燃油消耗順序定義

在飛機飛行過程中，燃油在不斷地消耗，飛機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的重心。同時，燃油裝載在機翼油箱中，燃油的慣性載荷與機翼在飛行過程中受到的升力方向相反，對機翼起到卸載的作用[3]，改善了機翼的受載情況。因此，從這個角度來說，應盡可能長時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 左側燃油計算

由于飛機油箱是對稱設置，本文只計算左側燃油的消耗情況。由于左右對稱性，左側油箱的燃油消耗的縱向重心變化能夠代表整個油箱的重心變化情況。本文暫不可慮飛機出現不平衡油量的情況。

2.3 燃油消耗曲線分析關鍵點

通過考察民用飛機的重心云圖[4]（見圖3，圖中C部分為燃油消耗曲線）可發現，燃油整個消耗過程中，飛機重心最靠后時的燃油狀態就是中央油箱燃油剛好消耗完、外翼油箱燃油尚未消耗時的燃油。外翼油箱燃油開始消耗時燃油重心將前移。所以這一轉折點的燃油重心分析對飛機重心影響最為關鍵，設為分析關鍵點。endprint

3 燃油消耗曲線計算分析

根據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行計算，計算結果見圖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之前的曲線基本重合。也即在大于14960kg的燃油重量時，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，即分析關鍵點，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兩種油箱燃油重心差值占整個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，干艙部分對應的燃油重心對整個油箱的燃油消耗曲線計算分析影響很小。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 結論

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

通過建立帶有干艙和無干艙兩種不同的油箱模型，計算并對比了兩種油箱的燃油消耗曲線，從而分析出干艙設置對燃油消耗曲線的影響。計算結果表明，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兩種油箱燃油重心差值占整個消耗過程燃油重心變化量的比例約為3%。干艙部分對應的燃油重心對整個油箱的燃油消耗曲線計算分析影響很小。干艙部分對應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，在進行燃油消耗曲線計算時，為降低計算復雜度，可不對干艙進行處理。

【參考文獻】

[1]中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空局，2010.

[2]趙海濤.大型客機機翼系統布置設計研究[J].科技信息， 2011，24：752-754.

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

[4]飛機設計手冊第8冊，重量平衡與控制.北京：航空工業出版社，1999.endprint