民用運(yùn)輸類飛機(jī)重量重心分配適航性技術(shù)研究

金 鐳 劉友丹

（中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

影響民機(jī)飛行安全的因素很多，如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力裝置、飛控系統(tǒng)、系統(tǒng)安全性工作及制造工藝等。事實(shí)上，眾多事故的機(jī)理分析表明，飛行過(guò)程中重心位置變化問(wèn)題對(duì)民機(jī)飛行安全也十分重要。在民機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須保證飛機(jī)在飛行過(guò)程中重心能夠落在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，否則將會(huì)嚴(yán)重影響飛行安全。當(dāng)重心落在容許重心的前極限之前，將會(huì)加大飛機(jī)在起飛和著陸時(shí)的操縱困難，甚至使飛機(jī)無(wú)法抬頭而出危險(xiǎn)。同樣的，當(dāng)重心落在容許重心的后極限之后時(shí)，也會(huì)使飛機(jī)的俯仰穩(wěn)定性變壞，飛機(jī)不穩(wěn)，造成操縱的困難，甚至?xí)斐娠w行事故，因此務(wù)必充分重視重量重心問(wèn)題。例如：每次航班的裝載情況不同，航空公司配有專業(yè)配重工程師進(jìn)行裝載布置，目的就是為了保證飛行安全。

為了保證民機(jī)研制的安全性，重量重心的分配應(yīng)處于安全的設(shè)計(jì)狀態(tài)，適航規(guī)章對(duì)重量重心有明確的要求，但適航規(guī)章只是要求，不包括實(shí)現(xiàn)方法。本文將以運(yùn)輸類飛機(jī)為例，圍繞重量重心適航規(guī)章要求開(kāi)展適航性設(shè)計(jì)要求與符合性驗(yàn)證方法研究工作，力求為國(guó)內(nèi)民機(jī)研制適航性工作提供參考。

1 重量重心分配基本概念

民用飛機(jī)重量分類復(fù)雜，對(duì)重量重心問(wèn)題涉及的主要術(shù)語(yǔ)定義在表1中予以介紹。

表1 重量重心問(wèn)題涉及的主要術(shù)語(yǔ)定義

2 重量重心相關(guān)適航條款和基本要求

以運(yùn)輸類飛機(jī)為例參考國(guó)外某型飛機(jī)型號(hào)合格審定基礎(chǔ)，分析梳理重量重心相關(guān)規(guī)章要求，涉及主要條款和基本要求見(jiàn)表2。

表2 重量重心涉及的主要適航條款和基本要求

3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重量重心的要求

3.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 HB7020-1998 《運(yùn)輸類飛機(jī)重量分類》

HB7020-1998詳細(xì)規(guī)定了運(yùn)輸類飛機(jī)所有構(gòu)件的重量分類，明確指出了適用于CCAR25部運(yùn)輸類飛機(jī)，其它民用飛機(jī)可參照使用。該規(guī)范主要基于民機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)各個(gè)構(gòu)件重量的劃分具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

3.1.2 GJB2183-1994《飛機(jī)重量與平衡要求》

GJB2183-1994規(guī)定了飛機(jī)重量與平衡控制的各項(xiàng)要求。該規(guī)范對(duì)于設(shè)計(jì)和制造期間按合同的各項(xiàng)要求制訂重量與平衡控制大綱予以指導(dǎo)，同時(shí)能夠幫助確定飛機(jī)重量與平衡控制體系。該規(guī)范對(duì)飛機(jī)合同期間制訂重量與平衡控制系統(tǒng)文件提供了技術(shù)依據(jù)。

3.1.3 HB/Z324-1998《運(yùn)輸類飛機(jī)重量與平衡設(shè)計(jì)》

HB/Z324-1998規(guī)定了運(yùn)輸類飛機(jī)商載、空機(jī)重量定義與平衡設(shè)計(jì)要求。同時(shí)明確該標(biāo)準(zhǔn)適用于CCAR25部運(yùn)輸類飛機(jī)，其它民用飛機(jī)可參照使用。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)給出重量的分類、飛機(jī)重量與平衡一般要求、商載的確定、空機(jī)重量等方面的技術(shù)內(nèi)容，為運(yùn)輸類飛機(jī)重量與平衡的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1.4 HB5862-1984 《飛機(jī)重量與重心公差》

HB5862-1984規(guī)定了設(shè)計(jì)定型后的飛機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)空機(jī)進(jìn)行稱重檢驗(yàn)和沿飛機(jī)縱軸方向的重心檢驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)為獲得準(zhǔn)確的飛機(jī)重量、重心實(shí)測(cè)值提供了程序上的指導(dǎo)，為控制飛機(jī)重量、重心變化的范圍提供了技術(shù)依據(jù)。

3.1.5 GJB2194-1994《飛機(jī)（含旋翼機(jī)）重量與平衡數(shù)據(jù)的報(bào)告格式》

GJB2194-1994規(guī)定了飛機(jī)重量分類及其相應(yīng)的重量與平衡數(shù)據(jù)的報(bào)告格式，通常與GJB2183-1994共同使用，為飛機(jī)重量與平衡數(shù)據(jù)處理提供了規(guī)范的指導(dǎo)。

3.2 國(guó)外相關(guān)技術(shù)文件

美國(guó)聯(lián)合重量工程師協(xié)會(huì)（SAWE，Society of Allied Weight Engineers）作為國(guó)際性重量領(lǐng)域研究專業(yè)機(jī)構(gòu)，在如設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、程序等方面展現(xiàn)了一致性和專業(yè)性，并針對(duì)車輛、導(dǎo)彈、火箭、航空、航天、艦船頒布了推薦性的標(biāo)準(zhǔn)。其中，適用于民用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)如下。

3.2.1 SAWE RP1《飛機(jī)載重和平衡系統(tǒng)要求》

該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了申請(qǐng)人在進(jìn)行載重和平衡系統(tǒng)（OBWBS）適航合格審定過(guò)程中提交檢查常規(guī)的重量和平衡清單要求，同時(shí)要求OBWBS應(yīng)由清單系統(tǒng)作為支撐，并能夠檢查所有的重量特性限制。

3.2.2 SAWE RP6《飛行器重量特性報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系》

由于物體重量特性的數(shù)值完全取決于所選的坐標(biāo)系，工程設(shè)計(jì)人員必須對(duì)其重量特性數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系有一個(gè)精確的定義。為減小誤解且簡(jiǎn)化坐標(biāo)系的定義，SAWE頒布的此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩套坐標(biāo)系：

“A”坐標(biāo)系：用于“飛行”的航空器或其他運(yùn)輸工具。

“S”坐標(biāo)系：用于在地面上的物體。

該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目的在于減小由于坐標(biāo)軸系定義不合適引起的誤差和成本。由于該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的廣泛使用，SAWE還是建議在飛機(jī)設(shè)計(jì)初期還是盡量采用標(biāo)準(zhǔn)中的坐標(biāo)定義。

3.2.3 SAWE RP7《飛機(jī)和直升機(jī)重量和平衡控制系統(tǒng)》

該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為飛機(jī)和直升機(jī)的初步方案、概念設(shè)計(jì)、演示/驗(yàn)證、生產(chǎn)制造、使用及重大改型等各階段提供了一套建立重量管理和控制的方法，包含了一系列的建議方法，用戶可以針對(duì)型號(hào)研制的不同需求進(jìn)行剪裁。

3.2.4 SAWE RP8《航空器（包括旋翼機(jī)）重量和平衡數(shù)據(jù)報(bào)告格式》

該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為航空器（包括旋翼機(jī)）重量和平衡數(shù)據(jù)報(bào)告提供了必要的格式，給出了這些表格的原則，并配有填寫說(shuō)明。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)還提供了與SAWE RP7相匹配的重量分組、詳細(xì)重量清單和報(bào)告格式。

3.3 與重量重心相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的小結(jié)

美國(guó)SAWE頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為飛機(jī)重量和平衡控制系統(tǒng)、坐標(biāo)選取、基本重量清單及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

國(guó)內(nèi)重量和重心相關(guān)工業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從重量的分類（HB7020-1998）、要求（GJB2183-1994）、設(shè)計(jì)指南（HB/Z324-1998）、檢驗(yàn)程序指導(dǎo)（HB5862-1984）及最終數(shù)據(jù)報(bào)告編制（GJB2194-1994）等方面均有詳細(xì)的要求。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從飛機(jī)工程研制角度出發(fā)為重量重心分配的實(shí)現(xiàn)提供了參考。與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)（如SAWE RP7）相比，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具體實(shí)施性較差，如何參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證研制過(guò)程中適航性的實(shí)現(xiàn)將在后文進(jìn)行討論。

4 重量重心適航性設(shè)計(jì)要求和符合性驗(yàn)證方法分析

本節(jié)將結(jié)合工業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容，對(duì)§25.23、§25.25、§25.27、§25.29、§25.519(a)(b)、§25.1519等6個(gè)重量重心條款開(kāi)展適航性設(shè)計(jì)要求和符合性驗(yàn)證方法分析研究。

4.1 §25.23 載重分布限制

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.1.1 設(shè)計(jì)要求分析

4.1.1.1 §25.23(a)

本條中的載重分布指飛機(jī)的商載分布和燃油分布。燃油分布指燃油在飛機(jī)上各個(gè)油箱中的載油量。它受到燃油油箱布置、油箱大小以及飛機(jī)加油、耗油程序的限制。商載分布指飛機(jī)客艙的載客量、貨艙的載貨量及其分布。它受到客艙長(zhǎng)度、貨艙長(zhǎng)度和體積以及客艙、貨艙地板的線載荷、面載荷及總載荷的限制。燃油和商載除受到上述限制外，還將受到飛機(jī)總重量及其重心范圍的限制。飛機(jī)的使用空機(jī)重量、商載、燃油組成了飛機(jī)的總重量并決定了其總重心，飛機(jī)的總重量及其重心必須落在規(guī)定的重量、重心范圍之內(nèi)。

飛機(jī)的使用空機(jī)重量及其重心位置是一個(gè)確定不變的值，燃油和商載是可變的。只要飛機(jī)的油箱布置、油箱大小、加油和耗油程序一經(jīng)確定，燃油量和其相應(yīng)的重心位置是可以一一確定的。同一飛機(jī)總重也可因載油量和商載的不同分配而有不同的重心位置。例如，同一重量的商載，但不同的分布：一種商載分布在前貨艙，另一種商載分布在后貨艙，則就會(huì)得到重心位置相差甚大的結(jié)果。因此，在載重分布中商載分布將對(duì)全機(jī)重心產(chǎn)生較大的影響。所以，燃油和商載必須要有合適的裝載分布。特別是商載分布必須合適，才能使飛機(jī)全機(jī)總重和總重心落在飛機(jī)安全運(yùn)行要求的重量和重心范圍內(nèi)，而不能隨意裝載飛機(jī)商載。

上面所述的全機(jī)重心范圍是指飛機(jī)縱向（水平）重心范圍。對(duì)于橫向重心的限制，應(yīng)符合適航規(guī)章中有關(guān)的規(guī)定。對(duì)飛機(jī)橫向重心影響較大的是燃油。因此，根據(jù)橫向重心限制的條件應(yīng)確定左右機(jī)翼油箱中最大不平衡燃油量。

4.1.1.2 §25.23(b)

載荷分布限制不得超過(guò)：

●申請(qǐng)人選定的限制；

●符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)度校核所使用的限制；

●符合本分部各項(xiàng)飛行要求的限制。

4.1.2 驗(yàn)證方法

通常采用分析計(jì)算和飛行試驗(yàn)的方法對(duì)§25.23條進(jìn)行符合性驗(yàn)證，且無(wú)單獨(dú)試飛項(xiàng)目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗(yàn)證。

4.2 §25.25 重量限制

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.2.1 設(shè)計(jì)要求分析

4.2.1.1 §25.25(a) 最大重量

飛機(jī)的最大重量是一個(gè)極為重要的原始數(shù)據(jù)，它關(guān)系到飛機(jī)的性能、載荷、機(jī)場(chǎng)適應(yīng)性等飛機(jī)性能。一般應(yīng)確定飛機(jī)的最大停機(jī)坪重量（即最大滑行重量）、最大起飛重量、最大飛行重量、最大著陸重量及最大零油重量。以上這些飛機(jī)特征重量數(shù)據(jù)都是進(jìn)行飛機(jī)性能、載荷、強(qiáng)度、機(jī)場(chǎng)適應(yīng)性等的分析、計(jì)算所必不可少的重量原始數(shù)據(jù)。

此外環(huán)境條件對(duì)于重量限制會(huì)有很大影響。例如機(jī)場(chǎng)的海拔高度和環(huán)境溫度對(duì)飛機(jī)最大起飛重量、最大著陸重量有很大限制。對(duì)應(yīng)于同一起飛、著陸場(chǎng)長(zhǎng)，在不同的海拔高度和不同的環(huán)境溫度的機(jī)場(chǎng)，其最大起飛重量和最大著陸重量是不同的。機(jī)場(chǎng)的海拔高度越高、環(huán)境溫度越高，則飛機(jī)的最大起飛重量和最大著陸重量就越小。所以必須制定不同海拔高度和環(huán)境溫度條件下飛機(jī)的最大重量。

載重狀態(tài)對(duì)于重量限制也有一定影響。例如飛機(jī)的最大零油重量是使用空機(jī)重量和最大商載之和。確定了飛機(jī)的最大零油重量限制，也就確定了最大商載的限制。因此必須確定飛機(jī)安全運(yùn)行的最大商載。

4.2.1.2 §25.25(b) 最小重量

最小重量是飛機(jī)載荷。強(qiáng)度計(jì)算中必須要進(jìn)行校核的一個(gè)重要的特征重量。許多嚴(yán)重的飛行情況都是在最小重量下發(fā)生的，如突風(fēng)過(guò)載、后重心橫向飛行品質(zhì)等。所以必須要制定最小重量限制。

4.2.2 驗(yàn)證方法

通常采用設(shè)計(jì)說(shuō)明、分析計(jì)算和飛行試驗(yàn)的方法對(duì)§25.25條進(jìn)行符合性驗(yàn)證，且無(wú)單獨(dú)試飛項(xiàng)目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗(yàn)證。

4.3 §25.27 重心限制

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.3.1 設(shè)計(jì)要求分析

制定飛機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)的重心前限和重心后限，就確定了飛機(jī)的重心限制范圍。確定了縱向重心限制范圍也就確定了飛機(jī)的縱向重心包線。這些限制要求不得超過(guò)：

●申請(qǐng)人選定的極限；

●符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核要求所使用的極限；

●符合每項(xiàng)適用的飛行要求的極限。

4.3.2 驗(yàn)證方法

通常采用設(shè)計(jì)說(shuō)明、分析計(jì)算和飛行試驗(yàn)的方法對(duì)§25.27條進(jìn)行符合性驗(yàn)證，且無(wú)單獨(dú)試飛項(xiàng)目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗(yàn)證。

4.4 §25.29 空重和相應(yīng)的重心

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.4.1 設(shè)計(jì)要求分析

為了獲得飛機(jī)的實(shí)際重量和重心，每架飛機(jī)總裝后都必須進(jìn)行全機(jī)稱重，確定飛機(jī)空機(jī)重量和重心。飛機(jī)全機(jī)稱重可按HB5862-1984《飛機(jī)重量與重心公差》進(jìn)行。

在進(jìn)行全機(jī)稱重時(shí)，飛機(jī)上一般應(yīng)當(dāng)裝有固定配重。但由于設(shè)計(jì)不當(dāng)使飛機(jī)的空機(jī)重心位置太前或太后而影響了飛機(jī)的裝載和飛行性能，且該飛機(jī)又已投入生產(chǎn)，同時(shí)更改設(shè)計(jì)會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)較大的不利影響，可采用安裝固定配重的方法調(diào)整全機(jī)重心，以利于在重量重心限制范圍內(nèi)裝載。但這必然會(huì)增加飛機(jī)的空機(jī)重量，減少飛機(jī)的有效裝載。

4.4.2 驗(yàn)證方法

通常采用分析計(jì)算和地面試驗(yàn)（稱重）的方法對(duì)§25.29條進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

4.5 §25.519(a) (b) 頂升和系留裝置

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.5.1 設(shè)計(jì)要求分析

§25.519(a) (b)規(guī)定了臨界重量和重心組合情況下的頂升裝置的極限載荷，規(guī)定了飛機(jī)機(jī)體的系留接頭、系留點(diǎn)以及飛機(jī)機(jī)體傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造要求，要求其能承受相應(yīng)的載荷。

4.5.2 驗(yàn)證方法

通常采用分析計(jì)算和地面試驗(yàn)的方法對(duì)§25.519條進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

4.6 §25.1519 重量、重心和載重分布

條款要求參見(jiàn)CCAR 25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.6.1 設(shè)計(jì)要求分析

25.1519作為重量、重心和載重分布的使用限制要求，應(yīng)將前述5條重量重心相關(guān)條款適航符合性驗(yàn)證結(jié)果作為限制要求。其中：

載重分布要求：按飛機(jī)允許的重心范圍來(lái)配置機(jī)上的裝置物（包括固定重量、燃油、貨物、旅客、行李以及飛機(jī)上各種液體、氣體等）的重量及其安裝位置。

重量限制要求：必須制定的重量限制，應(yīng)包括對(duì)應(yīng)各種不同運(yùn)行狀態(tài)（如停機(jī)坪、滑行、起飛、航路、著陸等）、各種不同環(huán)境條件（如高度和溫度）下的限制值。重量的限制項(xiàng)目，至少應(yīng)包含有最大起飛重量、最大著陸重量、最大停機(jī)坪重量、最大零油重量、最大裝載重量及其配置和重心范圍。

4.6.2 驗(yàn)證方法

應(yīng)引用有關(guān)條款飛行試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)本條進(jìn)行符合性驗(yàn)證工作。因此通常采用符合性說(shuō)明的方法 對(duì)§25.1519條進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文以滿足重量重心適航性要求為目的，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)重量重心分配適航性設(shè)計(jì)要求和符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行分析研究，提出了各條款相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求與驗(yàn)證方法建議，為民用運(yùn)輸類飛機(jī)重量重心分配適航符合性驗(yàn)證工作提供技術(shù)指引。