關(guān)于大型運輸機(jī)機(jī)翼翼載設(shè)計方法的探討

潘偉

（陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司設(shè)計研究院，陜西漢中 723000）

1.概述

現(xiàn)有的軍民用運輸類飛機(jī)中，對于機(jī)翼翼載的設(shè)計方法主要有3種：第一種是軍用標(biāo)準(zhǔn)，如我國的《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》（GJB 67A-2008）、美國的《軍用飛機(jī)強(qiáng)度和剛度規(guī)范》（MIL-A-008860A）以及蘇聯(lián)的53年規(guī)范等；第二種是國際民航的標(biāo)準(zhǔn)，如我國的CCAR-25、美國的FAR-25、歐洲的CS-25和英國的JAR-25等；第三種是歐洲的A400M運輸機(jī)所使用的設(shè)計方法，根據(jù)裝載或者所執(zhí)行的任務(wù)性質(zhì)來限制機(jī)動過載系數(shù)。

本文主要就上述3種設(shè)計方法進(jìn)行對比分析，討論其設(shè)計思路，然后以某飛機(jī)為例，分別按照3種不同的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計下的機(jī)翼載荷。比較運輸機(jī)機(jī)翼的機(jī)動載荷和突風(fēng)載荷，討論突風(fēng)情況對運輸類飛機(jī)在方案論證階段的機(jī)翼翼載設(shè)計的影響。通過算例的比較分析，得到一個適合該飛機(jī)的機(jī)翼翼載設(shè)計范圍，并為其他軍用運輸類飛機(jī)的翼載設(shè)計提供一種思路。

2.3種機(jī)翼翼載設(shè)計方法

2.1 基于軍標(biāo)的機(jī)翼翼載設(shè)計方法

在GJB 67-1985中提到基本飛行設(shè)計重量（GBF）和飛機(jī)的最大機(jī)動過載系數(shù)（nzmax）是飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，它基本確定了一架飛機(jī)的強(qiáng)度水平。而飛機(jī)的機(jī)翼所承受的最大氣動載荷約為GBF?nzmax的102%～105%，在扣除對應(yīng)的慣性載荷，即為機(jī)翼所需承受的凈載荷。

對于運輸機(jī)，在國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中分類為輕型運輸機(jī)和重型運輸機(jī)，并在GJB 67.2A-2008中的“3.2.1.2.2 對稱機(jī)動飛行參數(shù)”規(guī)定“飛機(jī)的對稱機(jī)動飛行參數(shù)應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定。當(dāng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求不明確時，可參照表1和表2對稱機(jī)動飛行參數(shù)的規(guī)定”（其中表1針對陸基飛機(jī)，表2針對艦載飛機(jī)）。

表1 對稱機(jī)動飛行參數(shù)（陸基飛機(jī)）

從表1中可知，對于重量小的飛機(jī)，在基本飛行設(shè)計重量下的最大機(jī)動過載系數(shù)要求也更大，這主要是由于對于大展弦比的運輸機(jī)而言，突風(fēng)載荷往往是嚴(yán)重載荷情況，而且飛機(jī)越輕飛行速度越低，突風(fēng)載荷與機(jī)動載荷之間的差距也會越大。運輸機(jī)的最大突風(fēng)過載系數(shù)往往大于最大機(jī)動過載系數(shù)。對于輕型運輸機(jī)，最大機(jī)動過載系數(shù)若取值過小，可能會導(dǎo)致在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，能夠經(jīng)受住突風(fēng)載荷，卻限制了飛機(jī)的機(jī)動性能。若取值過大，則有可能是飛機(jī)背負(fù)不必要的結(jié)構(gòu)重量，影響飛機(jī)的性能。

在GJB 67A-2008中，對基本飛行設(shè)計重量的定義如：應(yīng)是以最大載荷系數(shù)和最小載荷系數(shù)作機(jī)動飛行所允許的飛機(jī)最大飛行重量，規(guī)定如下：

（1）對于殲擊機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)，應(yīng)根據(jù)空機(jī)重量、乘員、滑油、氧氣重量、按戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求攜帶的基本武器重量以及按戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定的機(jī)內(nèi)燃油重量之和確定。（2）對于其他類飛機(jī)，應(yīng)根據(jù)帶基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載起飛，燃油量從發(fā)動機(jī)起動時計算的飛機(jī)重量確定，或者根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求確定。

從中可知，對于運輸機(jī)的基本飛行重量應(yīng)是從基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載的重量起飛，并扣除一部分燃油后的重量，但并未明確基本任務(wù)有效負(fù)荷和燃油負(fù)載的重量對應(yīng)的是哪一個重量和扣除多少燃油。

在GJB 67-1985中對基本飛行設(shè)計重量的定義與GJB 67A-2008中相同，但在解釋條文中給出了MIL-A-008860A的規(guī)定，是以機(jī)內(nèi)滿油加基本外掛武器的全機(jī)重量作為飛機(jī)的基本飛行設(shè)計重量。但實際上，在查找美國有關(guān)飛機(jī)的設(shè)計參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，美國各飛機(jī)設(shè)計公司的有些飛機(jī)是按照50%機(jī)內(nèi)燃油加上基本外掛武器重量來設(shè)計的；同時考慮到飛機(jī)通常在訓(xùn)練飛行和戰(zhàn)斗時方作最大設(shè)計過載的機(jī)動飛行，且此時飛機(jī)不掛副油箱和炸彈或早已投掉，再則為了爬升到一定的作戰(zhàn)高度或飛行到作戰(zhàn)區(qū)域，機(jī)內(nèi)燃油會有一定的消耗。因此我國的規(guī)范制定者們認(rèn)為MIL-A-008860A的規(guī)定偏于保守，不夠合理，故在《飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范》（試用本）中給出了基本飛行設(shè)計重量的2種確定方法：（1）飛機(jī)的正常起飛重量與基本飛行設(shè)計重量之比為1.1左右；（2）在正常起飛重量中扣除30%～40%燃油后的飛機(jī)重量。

經(jīng)查，在國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中，并未對飛機(jī)的正常起飛重量進(jìn)行定義，但在蘇聯(lián)的53年規(guī)范中對運輸類飛機(jī)的正常起飛重量的定義為：飛機(jī)為完成戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求規(guī)定的基本任務(wù)所需裝載狀態(tài)下的起飛重量，不扣除試車、暖機(jī)、滑行所消耗的燃料。并且在戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求未規(guī)定時，推薦最大起飛重量與正常起飛重量的比值取1.1。同時對基本飛行設(shè)計重量的規(guī)定為以正常起飛重量起飛，開始進(jìn)入作戰(zhàn)（巡航）高度和速度時的飛機(jī)重量。

以安-12飛機(jī)為例，最大起飛重量為61t，則正常起飛重量為61/1.1≈55.5t，從試車開始，到完成爬升達(dá)到巡航高度的燃油消耗約為2.5t（參考運8C型飛機(jī)的起飛、爬升燃油消耗），55.5-2.5=53t，剛好符合安-12飛機(jī)給出基本飛行設(shè)計重量。同時，在GJB 67.2A-2008中“第3.1.1重量”規(guī)定：本部分規(guī)定的設(shè)計重量，應(yīng)是飛機(jī)最小飛行重量和最大飛行重量間的所有能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受載的重量。按照最大對稱限制載荷系數(shù)定義的各種機(jī)動飛行情況，應(yīng)采用下述規(guī)定：

（1）當(dāng)重量小于或等于基本飛行設(shè)計重量時，對基本飛行設(shè)計重量下規(guī)定參數(shù)值的所有情況，均應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；（2）當(dāng)重量大于基本飛行設(shè)計重量時，應(yīng)在保持“nzG”乘積不變的條件下，檢查飛機(jī)的強(qiáng)度，但載荷系數(shù)nz不應(yīng)小于表1（陸基飛機(jī)）和表2（艦載飛機(jī)）中對最大飛行重量的規(guī)定值。

表2 A400M運輸機(jī)不同任務(wù)時的特征重量/kg

按照此條款，在最大飛行重量時，飛機(jī)所允許的最大機(jī)動過載系數(shù)一般都比表1中規(guī)定的大，在載荷設(shè)計時，取兩者中的大者。

2.2 基于民標(biāo)的機(jī)翼翼載設(shè)計方法

在CCAR-25-R4中“第25.337條限制機(jī)動載荷系數(shù)”規(guī)定：

（1）除受到最大（靜）升力系數(shù)的限制外，假定飛機(jī)經(jīng)受對稱機(jī)動并達(dá)到本條所規(guī)定的限制機(jī)動載荷系數(shù)。必須考慮相應(yīng)于飛機(jī)拉起和定常轉(zhuǎn)彎機(jī)動的合適的俯仰速度。

（2）對于直到VD的任一速度，正限制機(jī)動載荷系數(shù)“n”不得小于：

但是“n”不得小于2.5，不必大于3.8，此處W為設(shè)計最大起飛重量。

（3）對于負(fù)限制機(jī)動載荷系數(shù)，采用下列規(guī)定：在直到VC的各種速度下，不得小于-1.0；必須隨速度從VC時的對應(yīng)值線性變化到VD時的零值。

（4）如果飛機(jī)具有的設(shè)計特征使其在飛行中不可能超過本條規(guī)定的機(jī)動載荷系數(shù)，則可采用小于本條規(guī)定的值。

按照式（1）的規(guī)定，對于不同設(shè)計最大重量的運輸機(jī)的最大機(jī)動過載系數(shù)取值如圖1所示。

圖1 不同最大起飛重量運輸機(jī)的最大機(jī)動過載系數(shù)

從本條款可知，對于民用運輸機(jī)，是要求從設(shè)計最小重量到設(shè)計最大重量，都需要按照最大機(jī)動過載系數(shù)（對于零油狀態(tài)和放襟翼狀態(tài)有單獨條款的設(shè)計要求）來分析飛機(jī)的受載情況。同時從圖1可知，飛機(jī)的設(shè)計最大重量越小，飛機(jī)的最大機(jī)動過載系數(shù)的取值要求就越大，同樣是出自對突風(fēng)載荷影響的考量。

2.3 A400M運輸機(jī)的機(jī)翼翼載設(shè)計方法

2013年3月13日，A400M運輸機(jī)獲得了EASA頒發(fā)的全民用型號合格證，在同年8月獲得了7個國家的軍用型號合格證。但A400M運輸機(jī)的最大機(jī)動過系數(shù)限制與軍用標(biāo)準(zhǔn)和民航標(biāo)準(zhǔn)均不相同，不是按照總重量取限制，而是根據(jù)飛機(jī)的裝載情況去限制飛機(jī)所允許的最大機(jī)動過載系數(shù)。

A400M運輸機(jī)的最大機(jī)動過載限制方案為：（1）后勤任務(wù)，2.25；（2）戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，2.5，并同時規(guī)定了執(zhí)行后勤任務(wù)和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時的最大有效裝載、最大起飛重量、最大著陸重量和最大零燃油重量，具體如表2所示。

根據(jù)可查到的A400M運輸機(jī)的空機(jī)重量、機(jī)翼面積、最大巡航馬赫數(shù)等參數(shù)，并估算了在海平面高度不同重量狀態(tài)下的巡航速度，Cnα取5.7（1/rad）按照軍標(biāo)突風(fēng)包線中突風(fēng)過載算法（民標(biāo)相同）和機(jī)動載荷分析方法，分別計算了不同狀態(tài)下A400M運輸機(jī)的氣動載荷翼載和凈載荷翼載，見表3。

表3 A400M運輸機(jī)不同裝載情況下的翼載估算值

而根據(jù)全機(jī)各部件的嚴(yán)重載荷情況分析，在飛行情況下機(jī)身的主要承受氣密載荷、慣性載荷以及尾翼的傳遞載荷，其中機(jī)身承受的慣性載荷主要受機(jī)身裝載情況和過載系數(shù)影響，同時考慮到A400M運輸機(jī)機(jī)身設(shè)計成近似于方型橫截面形狀能在貨艙空間利用率上獲得最大化的益處，但是其也存在一個嚴(yán)重的問題——機(jī)身應(yīng)力都集中在底部2側(cè)的角上，這在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計上是個很大的難題。空客從2個方向上來解決這個問題，一方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加強(qiáng)，另一方面通過使用場景（不同場景所允許的最大裝載和最大過載系數(shù)限制不同）來降低大載荷出現(xiàn)的頻次，從而使機(jī)身結(jié)構(gòu)既滿足了靜強(qiáng)度要求，又具備了飛行30000h的壽命指標(biāo)要求。

3.結(jié)語

在大型運輸機(jī)的設(shè)計過程中，首要目標(biāo)是保證飛機(jī)在所需應(yīng)對的各種作戰(zhàn)場景下能夠完成作戰(zhàn)任務(wù)，這就對飛機(jī)裝載能力、航程、航時、機(jī)動能力提出了相應(yīng)的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。當(dāng)在飛機(jī)的氣動外形和最大起飛重量確定的情況下，飛機(jī)的空機(jī)重量直接影響著飛機(jī)的裝載能力、航程和航時等性能。基本飛行設(shè)計重量和對應(yīng)的機(jī)動過載限制決定著飛機(jī)的載荷水平。因此，需要根據(jù)需求導(dǎo)出合適的基本飛行設(shè)計重量，同時需要根據(jù)基本飛行設(shè)計重量設(shè)計進(jìn)行合理的氣動布局，如翼型參數(shù)、機(jī)翼面積和巡航速度范圍等，盡可能的保證飛機(jī)的機(jī)動載荷水平和陣風(fēng)載荷水平相當(dāng)。