發動機油封油對飛機重量重心的影響分析

王從軍，趙先竹，陳愛成，李鮮花

（1.中國人民解放軍93147 部隊某軍代室，貴州 安順 561000；2.貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

0 引言

在現代飛機設計過程中，飛機的重量重心設計貫穿飛機設計、生產、試驗、交付、使用全過程，并且是其他相關專業設計分析的基礎，在重量重心計算過程中的準確與否將直接關系到飛機設計的成敗[1-2]。

在飛機設計的各個階段，對飛機重量重心的要求也不盡相同。飛機設計初始階段，飛機重量管理人員根據飛機用途及相關性能要求，通過經驗或公式估算出飛機正常起飛重量及最大起飛重量，再經過與相關專業的迭代計算，確定出較為合適的正常起飛重量[3]。此時，對飛機的重量重心的精度要求較低。發圖階段則需要各專業提供相對精確的飛機各部件重量及重心站位，總體重量專業人員通過計算得出此階段的飛機重量重心，此時飛機重量重心較為接近實際狀態飛機。在生產階段，各專業應根據實際情況，復查相關重量數據，并提供總體重量進行專業核查，此階段計算的飛機重量重心可作為實際飛機稱重定重心的依據，根據《飛機設計手冊》第8 冊，該階段理論計算值允許與實際飛機重量誤差為±0.5%，重心誤差為±0.5%bA[4]。

隨著科技進步，戰場上先進武器的應用，對作戰飛機的飛行性能要求也越來越高，飛機重心安全范圍也在相應地縮小，要求在重量重心計算時盡可能詳細準確。

1 研究目的

新機總裝完成后需移交相關專業進行稱重定重心試驗，在此過程中，飛機發動機處于油封狀態。發動機的油封是指將油封油液注入并充滿發動機燃油系統，防止系統及部件表面產生銹蝕而導致系統故障[5-6]。某型外貿飛機配裝的發動機未啟封時含油封油共42.4 kg，且相對集中于飛機后部，力矩較大。在理論計算過程中是否包含此油封油重量及力矩對飛機重量重心影響較大，可能會導致實際稱重與理論計算不相符，不符合稱重定重心相關要求，且在某些極限狀態下可能會影響飛行品質及用戶使用安全。經過查閱國內外相關文獻資料，暫未發現在理論計算時對發動機油封油的準確處理，飛機在不同狀態下的理論計算是否應該包含發動機油封油重量未進行明確[7-8]。

因此，為明確發動機油封油與飛機各狀態重量重心的關系，需通過理論計算確定在飛機重量重心理論計算過程中是否應該包含發動機油封油，并進行實際稱重定重心試驗驗證，通過兩者的對比來驗證油封油與飛機各狀態重量重心的關系[9]。因為在研究飛機操穩特性時，較為關注飛機縱向的重心情況，所以本研究僅從飛機縱向重心進行計算分析及驗證[10]。

2 理論計算

2.1 油封油與基本空機重量的關系

飛機的基本空機重量（BEW）即滿足基本作戰任務而設計的結構部件、動力裝置、通用設備和專用設備所構成的飛機的重量，不包括有用載荷和外場可拆卸的外掛物[1]。在計算標準空機重量（BEW）時，應包括飛機基本結構重量（含機身、機翼及尾翼）、飛機配裝發動機重量、航電設備重量和起落架重量、環控系統重量、電氣系統重量及操縱系統重量等除有用載荷及在外場可拆卸的外掛物外的所有重量。即：

式中，WBEW為飛機標準空機重量，單位kg；WS為飛機機體結構重量，單位kg；WP為飛機發動機重量，單位kg；WFEQ為飛機固定設備重量，單位kg；WELE為飛機電氣系統重量，單位kg；WFU為飛機燃油系統重量，單位kg；WEN為飛機環控系統重量，單位kg；WOX為飛機氧氣系統重量，單位kg；WLG為飛機著陸裝置重量，單位kg；WCTL為飛機飛控系統重量，單位kg；WNA為飛機航電系統重量，單位kg。

發動機重量WP為干質量，不包含發動機油封油重量。因此在計算標準空機重量（BEW）時，未包含發動機油封油重量，在實際稱重過程中由于飛機發動機內部已包含油封油，應在稱重數據中減去相關重量及力矩。

2.2 油封油與正常起飛重量的關系

飛機在進行發動機啟動前需進行發動機啟封，啟封過程是向發動機的內部注入航空煤油以擠出滑油[9]。因此，飛機在發動機啟封后，發動機內部已不含發動機油封油，全部被航空煤油所替代，且該替代燃油在飛行過程中存在消耗與補充相平衡，即總量不隨燃油消耗而發生變化。

建立重量重心坐標系，如圖1 所示，以機身中部接近重心位置的某框平面為坐標原點，飛機水平基準面與飛機對稱平面的交線為X軸，指向尾翼方向為正；飛機對稱面與該框平面的交線為Y軸，向上為正；垂直于XY平面為Z軸，指向右側機翼為正。

圖1 飛機重量重心坐標系

飛機正常起飛重量即對應戰術技術要求中特指的構型（通常是指基本性能考核構型），由相應的使用空機重量及相應的固定與消耗裝載所構成的飛機，在起飛前的全機總重（含暖機和滑行中用油）。飛機正常起飛重量的計算如下所示：

式中，WTO為飛機正常起飛重量，單位kg；WEXP為飛機消耗載荷重量，單位kg；WFIX為飛機固定載荷重量，單位kg；WFUL為飛機機內燃油重量，單位kg；WLUB為滑油重量，單位kg；WOXY為氧氣重量，單位kg；WFIR為飛行員及設備重量，單位kg；WWP為武器設備重量，單位kg。

已知該外貿飛機的發動機油封油質量為WFC，體積為VFC，密度為ρFC，其質心在飛機重心坐標系中X方向坐標為XFC，力矩為MFC；經航空燃油代替后，代替部分的燃油質量為Wop，體積為Vop，密度為ρop，其質心在飛機重心坐標系中X方向坐標為Xop，力矩為Mop。由于發動機油封油及啟封燃油均為可流動液態，考慮均勻分布情況，可得：

在發動機未啟封時，WFUL包含油箱燃油和管路燃油，當發動機啟封后，WFUL應包含油箱燃油、管路燃油及代替油封油部分燃油，所以在計算正常起飛重量時，應包含代替油封油部分燃油，即：

由于發動機啟封是用啟封燃油代替油封油存于發動機中，在此過程中，雖然發動機油封油被排除飛機外部，但相應地注入了等體積的航空煤油，變相地導致了飛機內部不可用燃油增加。因此，在計算飛機正常起飛重量時，應先將發動機油封油轉換為等體積的啟封燃油，并計入飛機正常起飛重量中。

3 試驗驗證

為驗證理論計算是否正確，按相關文件要求對某型機進行稱重定重心試驗。現有飛機重量重心測量方法包括千斤頂、稱重平臺、千斤頂與稱重平臺結合等多種方法[9]，本次試驗采用機輪稱重方法進行稱重定重心試驗。試驗在無風的室內進行，避免了外界其他因素對試驗的影響。試驗嚴格按照相關要求進行，試驗前對飛機狀態進行了確認，確保飛機稱重狀態與理論計算狀態一致，排除了因多件或缺件導致的測量誤差。

試驗共五組，每組三次，取平均值，消除偶然事件引起的測量誤差。

第一組：飛機發動機未啟封，機內尚未加入燃油，即機內燃油為零，此時重量為標準空機與油封油重量之和。稱重試驗進行三次，并分別記錄稱重重量W1-1、W1-2、W1-3，力矩M1-1、M1-2、M1-3，并計算平均值W1、M1。

第二組：飛機發動機未啟封，并向機內加油直至加滿，此時重量為標準空機、油封油及機內燃油重量之和。稱重試驗進行三次，并分別記錄稱重重量W2-1、W2-2、W2-3，力矩M2-1、M2-2、M2-3，并計算平均值W2、M2。

第三組：飛機發動機未啟封，通過放油口模擬耗油過程，直至無法放出，此時重量為標準空機、油封油及不可用燃油重量之和。稱重試驗進行三次，并分別記錄稱重重量W3-1、W3-2、W3-3，力矩M3-1、M3-2、M3-3，并計算平均值W3、M3。

第四組：按相關啟封要求啟封發動機，并向機內加入燃油直至加滿，此時飛機發動機內已無油封油，此時重量為標準空機、啟封燃油及機內燃油重量之和。稱重試驗進行三次，并分別記錄稱重重量W4-1、W4-2、W4-3，力矩M4-1、M4-2、M4-3，并計算平均值W4、M4。

第五組：在第四組的狀態下，通過放油口模擬耗油過程，直至無法放出，此時重量為標準空機、啟封燃油與不可用燃油重量之和。稱重試驗進行三次，并分別記錄稱重重量W5-1、W5-2、W5-3，力矩M5-1、M5-2、M5-3，并計算平均值W5、M5。

已知發動機油封油重量WFC、密度ρFC，當時燃油密度ρful，稱重數據如表1所示。

表1 稱重定重心試驗數據

第三組與第一組重量差值為不可用燃油重量Winfu，力矩差值為不可用燃油引起的力矩差，即：

第四組與第二組重量差值為啟封燃油重量與油封油重量差值，力矩差值為啟封燃油與油封油差值引起的力矩差，即：

第五組與第三組重量差值同樣為啟封燃油重量與油封油重量差值，力矩差值為啟封燃油與油封油差值引起的力矩差，即：

第五組與第一組重量差值為不可用燃油重量與啟封燃油減去油封油重量之和，力矩差值為不可用燃油與啟封燃油減去油封油之和引起的力矩差，即：

通過上述計算結果可得：

式（8）與式（9）均為啟封燃油與油封油差值，式（7）與式（10）均為不可用燃油，且結果相近，由于實際操作過程中機內燃油重量存在小范圍變動，誤差在允許范圍內。

將上述試驗數據經過計算整理，與理論計算數據對比，如表2 所示。

表2 試驗數據與理論計算數據對比

通過表2 分析可知，實際稱重數據與理論計算數據相吻合，局部差異因為機內燃油重量誤差在允許范圍內。

4 結語

通過對飛機技術要求及試飛前標準空機狀態和正常起飛狀態等實際狀態之間的差異研究，結果表明，在進行標準空機計算時，由于計算及狀態要求發動機質量為干質量，不包含發動機油封油質量。因此，在實際稱重過程中應減去油封油質量和力矩，此時稱重狀態才與理論計算狀態相符。當飛機發動機進行啟封后，發動機油封油被啟封燃油取代，并作為不可用燃油的一部分存于發動機內部。在計算發動機啟封后的任何飛行狀態的飛機重量及重心時，均應相應增加啟封燃油的重量及力矩，才能保證理論計算狀態與實際使用狀態一致，更好地掌握飛機各使用狀態下重量重心的變化。在后續用戶技術資料編寫、飛機稱重定重心要求及飛機重量重心計算報告等文件資料中，應該對相應狀態進行說明，完善理論計算方法，使理論計算與實際使用狀態相吻合，更好地確保飛行使用安全。