某型民用客機(jī)燃油重量重心研究

趙士洋

【摘 要】民用客機(jī)燃油占據(jù)飛機(jī)總重的較大比例，燃油重量重心的變化對(duì)飛機(jī)的平衡及飛行安全有著重要的影響，計(jì)算民用客機(jī)的燃油重量重心變化是確定飛機(jī)重心變化的重要依據(jù)，本文對(duì)某民用客機(jī)燃油重量重心變化進(jìn)行了初步研究。

【關(guān)鍵詞】民用客機(jī)；燃油；重量重心

Research on the Fuel Weight and Fuel Center of Gravity of a Civil Aircraft

ZHAO Shi-yang

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Fuel weight occupy a large proportion of the total weight of the civil aircraft. The change of fuel weight and fuel center of gravity influence the safety and balance of the aircraft. Calculating the change of fuel weight and fuel center of gravity is an important basis to determine the center of gravity of the aircraft.The fuel weight and fuel center of gravity of a civil aircraft were studied in this paper

【Key words】Civil aircraft；Fuel weight and fuel center of gravity

0 前言

現(xiàn)代民用客機(jī)燃油箱主要采用整體油箱的設(shè)計(jì)，燃油一般貯存在機(jī)翼油箱以及機(jī)身內(nèi)的中央油箱內(nèi)，燃油重量占到飛機(jī)起飛重量的30%-40%左右（如波音737-300的最大燃油重量為17860kg，占最大起飛重量49190kg的約36%）。燃油重量重心的變化對(duì)飛機(jī)的操縱具有重要的影響，正確計(jì)算燃油重量重心的變化是確定飛機(jī)重心變化的重要依據(jù)。部分民用客機(jī)如，波音747、空客A330、空客A340，從全機(jī)的重量重心考慮，還在水平尾翼上設(shè)置配平油箱，配平油箱不直接給飛機(jī)供油，主要用來(lái)調(diào)整飛機(jī)的重心。

1 燃油箱模型處理

民用客機(jī)整體油箱的儲(chǔ)油空間一般由油箱上下壁板、前后梁以及翼肋所包圍的空間確定，并去除油箱內(nèi)的翼肋、管路、設(shè)備以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件。

目前民用客機(jī)主要采用法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的3D可視化建模軟件CATIA進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于利用CATIA軟件創(chuàng)建的模型只是飛機(jī)油箱的裝配模型，因此需要對(duì)飛機(jī)油箱的裝配模型進(jìn)行相應(yīng)的處理，以便將其轉(zhuǎn)化為為油箱的實(shí)際載油容積，一般可以按照下列步驟進(jìn)行：

1.1 創(chuàng)建燃油箱載油實(shí)體模型

為了獲取客機(jī)燃油箱載油實(shí)體模型，可先創(chuàng)建一個(gè)恰好包圍整個(gè)飛機(jī)燃油箱的基本幾何體，具體方法是利用CATIA軟件提取機(jī)翼上下蒙皮的外表面、兩端翼肋的外表面、前后梁的外表面創(chuàng)建基本的曲面，獲得大致的燃油箱外表面結(jié)構(gòu)曲面。

由于民用客機(jī)燃油箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在油箱口蓋以及壁板之間的縫隙，且并不是所有油箱結(jié)構(gòu)內(nèi)均存儲(chǔ)燃油等原因，利用提取方法獲得的若干曲面尚不是一個(gè)封閉的曲面，無(wú)法直接利用封閉曲面生成實(shí)體模型，所以需要對(duì)所生成的曲面進(jìn)行修補(bǔ)、剪切等操作，最終通過(guò)封閉曲面生成燃油箱載油實(shí)體模型。

1.2 從燃油箱載油實(shí)體模型中除去機(jī)翼結(jié)構(gòu)、油箱內(nèi)管路及設(shè)備所占體積

由于上述步驟中創(chuàng)建的燃油箱載油實(shí)體模型是利用油箱外表面提取面生成的，所以其實(shí)際體積比真實(shí)的載油體積要大，可利用CATIA軟件的布爾操作從中去除燃油箱結(jié)構(gòu)、油箱內(nèi)管路及設(shè)備所占的體積，具體步驟為：利用已生成的燃油箱載油實(shí)體模型，利用布爾運(yùn)算逐一去除燃油箱的上下壁板、長(zhǎng)桁、口蓋等結(jié)構(gòu)件以及油箱內(nèi)管路及設(shè)備所占的體積。由于布爾運(yùn)算要求使用實(shí)體進(jìn)行，所以在操作時(shí)應(yīng)注意只利用機(jī)翼機(jī)構(gòu)件以及油箱內(nèi)管路及設(shè)備的有效的實(shí)體參與布爾運(yùn)算。如在操作中遇到不能進(jìn)行布爾運(yùn)算的情況可以利用利用結(jié)構(gòu)件的外表面創(chuàng)建相應(yīng)的曲面，再利用曲面對(duì)燃油箱載油實(shí)體模型進(jìn)行切割處理。

2 燃油重心定義

本文所述的民用客機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系采用機(jī)身軸線為X軸，翼展方向?yàn)閆軸，高度方向?yàn)閅軸，燃油重心計(jì)算坐標(biāo)系采用全機(jī)坐標(biāo)系。

進(jìn)行燃油箱內(nèi)燃油重心的變化分析時(shí)，一般是基于飛機(jī)的平均氣動(dòng)力弦的來(lái)計(jì)算，平均氣動(dòng)力弦的相關(guān)信息由飛機(jī)總體設(shè)計(jì)專業(yè)提供。根據(jù)全機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)，測(cè)量出平均氣動(dòng)力弦前緣在X方向上距離飛機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)的距離xm，然后計(jì)算出燃油X方向上的重心點(diǎn)距離飛機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)的距離xf，根據(jù)下公式計(jì)算燃油重心位置：

上式中各參數(shù)代表的含義見(jiàn)圖1所示，其中MAC為平均氣動(dòng)力弦長(zhǎng)。

如果在CATIA建模軟件中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模的坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)全機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)，則可在CATIA中直接利用上述公式（1）進(jìn)行計(jì)算，如果兩者存在差別，則需要再進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以便得到全機(jī)坐標(biāo)系下的燃油重心計(jì)算數(shù)值。

3 燃油重量重心計(jì)算流程

根據(jù)第2節(jié)中對(duì)燃油重心的定義，可以據(jù)此進(jìn)行燃油重量重心的計(jì)算，本文建立如圖2所示的燃油重量重心計(jì)算簡(jiǎn)要流程。具體步驟為：

（1）首先根據(jù)飛機(jī)的姿態(tài)、耗油方案以及全機(jī)坐標(biāo)系確定計(jì)算狀態(tài)。

（2）確定計(jì)算所需的輸入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含翼盒數(shù)模及其分界面、飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量及相應(yīng)重心、飛機(jī)平均氣動(dòng)力弦數(shù)據(jù)（包含平均氣動(dòng)力弦長(zhǎng)以及平均氣動(dòng)力弦前緣距離全機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的長(zhǎng)度）、燃油密度、理論載油量以及各油箱死油量。

（3）創(chuàng)建燃油箱載油實(shí)體模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)載油實(shí)體模型進(jìn)行修剪，以獲得盡可能逼近真實(shí)飛機(jī)油箱內(nèi)燃油的載油實(shí)體模型。

（4）根據(jù)燃油箱的耗油順序構(gòu)建切割載油實(shí)體模型的切割平面，如切割平面不能切割刀油箱實(shí)體，則需對(duì)切割平面位置進(jìn)行調(diào)整，指導(dǎo)切割到載油實(shí)體模型。

（5）根據(jù)切割燃油箱載油實(shí)體，可以獲得剩余載油實(shí)體的體積、重心等信息，如已知燃油密度，則剩余載油實(shí)體的重量也可得到。

（6）判斷燃油是否消耗至目標(biāo)燃油量，如切割平面顯示剩余燃油量已達(dá)到目標(biāo)耗油量，則可以結(jié)束切割，并根據(jù)前述每次切割的數(shù)據(jù)繪制出燃油重心變化結(jié)果；如果切割平面顯示剩余燃油量尚未達(dá)到目標(biāo)耗油量，則需向下繼續(xù)調(diào)整切割平面，每次切割時(shí)的切割平面高度間距設(shè)定為 ，該數(shù)值越小，則切割燃油載油實(shí)體模型獲得的重量重心變化的數(shù)據(jù)越精細(xì)。

以上為通過(guò)CATIA軟件構(gòu)建燃油箱載油實(shí)體模型，根據(jù)燃油消耗順序手動(dòng)進(jìn)行燃油平面切割的操作。近年來(lái)部分學(xué)者通過(guò)對(duì)CATIA軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在CATIA軟件中自動(dòng)切割燃油平面獲取燃油重量重心的變化，擺脫了純手工設(shè)定與切割操作的煩瑣，另有部分學(xué)者通對(duì)燃油箱載油模型進(jìn)行處理，生成STL格式的易于進(jìn)行處理的數(shù)模格式文件，并結(jié)合OPENGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱燃油消耗以及重量重心變化的研究，同時(shí)亦為燃油箱內(nèi)油量傳感器布置提供重要的參考依據(jù)。

4 計(jì)算結(jié)果

某民用飛機(jī)的燃油箱為三油箱構(gòu)造，包含中央油箱、左外部油箱與右外部油箱，如圖3所示。耗油順序?yàn)槭紫认闹醒胗拖鋬?nèi)的燃油，再消耗外部油箱內(nèi)的燃油，燃油箱加油量根據(jù)航程確定，優(yōu)先給外部油箱加油。

圖3 三油箱構(gòu)造示意圖

根據(jù)第3節(jié)中的燃油重量重心計(jì)算流程，獲得隨著燃油消耗的燃油重心變化結(jié)果見(jiàn)圖4所示。根據(jù)結(jié)果可以看出，該民用客機(jī)燃油重心%MAC變化范圍約為0%～41.8%，該值位于飛機(jī)的重心包線范圍內(nèi)。

圖4 燃油消耗重心變化

5 總結(jié)

本文闡述了民用客機(jī)燃油重量重心對(duì)飛機(jī)的影響，介紹了在全機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)燃油重量的定義以及燃油箱結(jié)構(gòu)模型的處理，最后給出了燃油重量重心的計(jì)算一般流程，以此計(jì)算流程對(duì)某民用客機(jī)的燃油消耗過(guò)程中重心的變化進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示重心在飛機(jī)重量包線范圍內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉志杰.飛機(jī)燃油質(zhì)量特性計(jì)算研究及其軟件開(kāi)發(fā)[D].陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[2]羅景鋒，劉小鋒，洪軍.基于STL模型處理的飛機(jī)燃油質(zhì)量特性計(jì)算[J].航空制造技術(shù)，2011年第1/2期：123-126.