運輸類飛機地面最小操縱速度試飛研究

印帥

【摘 要】地面最小操縱速度是飛機起飛性能中的重要參數(shù)。本文以適航條款CCAR25.149（a） （e）為基礎，分析了該條款對制定地面最小操縱速度的具體適航要求；系統(tǒng)梳理和歸納了該條款的符合性驗證思路及表明對該條款符合性的飛行試驗中需要關注的問題，可為民用飛機的地面最小操縱速度試飛提供經(jīng)驗參考。

【關鍵詞】地面最小操縱速度；適航要求；飛行試驗；符合性驗證

0 引言

當飛機在起飛滑跑過程中發(fā)生單發(fā)失效時，單側發(fā)動機推力產(chǎn)生一個偏航力矩，如果飛機的滑跑速度不夠高，方向舵將不能產(chǎn)生足夠的恢復力矩，在這種情況下，飛機將可能因此沖出跑道。因此需要制定一個速度，飛機不低于該速度時，單發(fā)失效后方向舵能夠產(chǎn)生足夠的恢復力矩克服因發(fā)動機失效產(chǎn)生的偏航力矩，使飛機能夠恢復航向繼續(xù)起飛，將該速度定義為地面最小操縱速度。地面最小操縱速度（VMCG）是指飛機在起飛滑跑過程中臨界發(fā)動機突然失效時，僅使用方向舵操縱和保持機翼水平的橫向操縱就能保持對飛機的操縱，并且利用正常飛行技能且腳蹬力不超過規(guī)定值能繼續(xù)安全起飛的最小速度。本文對CCAR25.149（a） （e）進行研究和分析，明確該條款的適航要求，并結合某型飛機的適航驗證試飛，詳細描述試飛方法，歸納總結表明對該條款符合性的適航驗證試飛中需關注的問題。

1 適航條款

1.1 條款原文

CCAR25-R4中對VMCG的相關要求如下[1]：

第25.149 條最小操縱速度

（a）在制定本條要求的最小操縱速度時，用以模擬臨界發(fā)動機失效的方法，必須體現(xiàn)在服役中預期對操縱性最臨界的動力裝置失效模式。

（e）VMCG，地面最小操縱速度是起飛滑跑期間的校正空速，在該速度，當臨界發(fā)動機突然停車時，能僅使用操縱力限制在667牛（68公斤；150磅）的方向舵操縱（不使用前輪轉向）和使用機翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機的操縱，使得采用正常駕駛技巧就能安全地繼續(xù)起飛。在確定VMCG時，假定全發(fā)工作時飛機加速的航跡沿著跑道中心線，從臨界發(fā)動機停車點到航向完全恢復至平行于該中心線的一點的航跡上任何點偏離該中心線的橫向距離不得大于9米（30英尺）。VMCG必須按下列條件制定：

1）飛機處于每一種起飛形態(tài)，或者按申請人的選擇，處于最臨界的起飛形態(tài)；

2）工作發(fā)動機處于最大可用起飛功率（推力）狀態(tài)；

3）重心在最不利的位置；

4）飛機按起飛狀態(tài)配平；

5）起飛重量范圍內(nèi)的最不利重量。

1.2 條款分析

第25.149條（a）、（e）條對地面最小操縱速度的制定提出了具體的要求。對該條款進行歸納，制定地面最小操縱速度時需滿足以下幾點要求：

1）制定地面最小操縱速度時使用模擬臨界發(fā)動機失效的方法進行；

2）考慮飛機的每一種起飛構型，或處于最臨界的起飛構型；

3）重量重心均處于最不利狀態(tài)；

4）工作發(fā)動機處于最大推力狀態(tài)；

5）飛機按起飛位置配平。

CCAR25.149（e）明確給出了確定VMCG的可接受的判據(jù)：

1）在VMCG操縱時，偏離跑道中心線的橫向距離為9m，不需要特殊的駕駛技巧就能使飛機安全起飛；

2）糾偏過程中方向舵操縱力≤68kg（667N），使用機翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機的操縱，使得采用正常駕駛技巧就能安全地繼續(xù)起飛。

1.3 條款演變

自1985年12月31日發(fā)布以來，CCAR25.149條款共經(jīng)歷過三次修訂，其中與CCAR25.149（e）直接相關的是1995年12月18日的第二次修訂版本。這次修訂中，將“恢復對飛機的操縱”改為“保持對飛機的操縱”，目的在于強調(diào)說明在飛行演示中飛機不應出現(xiàn)脫離控制的狀態(tài)，即不存在“恢復”的概念；修訂同時將原有的“僅使用氣動主操縱”明確為使用方向舵和橫向操縱來保持飛機的操縱。

1.4 建議的符合性方法

建議的§25.149（a） （e）條款的符合性驗證方法有飛行試驗（MOC6）、分析/計算（MOC2）[2-3]。

飛行試驗（MOC6）：通過地面最小操縱速度試飛，確定符合條款要求的地面最小操縱速度；

分析/計算（MOC2）：根據(jù)試飛確定的地面最小操縱速度，采用分析擴展的方法，獲得任意高度任意溫度下的地面最小操縱速度。

本文主要針對MOC6的符合性方法進行詳細的闡述和分析。

2 試飛方法

2.1 確定臨界發(fā)動機

按照CCAR25.149（a）的要求，在制定最小操縱速度時，用以模擬臨界發(fā)動機失效的方法，必須體現(xiàn)在服役中預期對操縱性最臨界的動力裝置失效模式。AC25-7中要求“在開始最小操縱速度試驗之前，應該通過試飛進行評定，以確定哪一臺發(fā)動機的失效會產(chǎn)生最大的不對稱偏航力矩（即，臨界發(fā)動機）。一般，把一臺外側發(fā)動機推桿至最大起飛推力，而把相對的那臺發(fā)動機拉桿至慢車推力，通過副翼或擾流板保持機翼水平，同時飛機減速直到方向舵全偏。變換左右側發(fā)動機重新進行試驗。把方向舵全偏時需要較大的最小速度來保持恒定航向的那臺慢車發(fā)動機規(guī)定為臨界發(fā)動機”[4-5]。

2.2 確定地面最小操縱速度

按照CCAR25.149（e）的要求，地面最小操縱速度試飛是在最臨界的重量重心及規(guī)定的起飛構型下，在可用的最大起飛推力狀態(tài)下進行的。

確定地面最小操縱速度的一般試飛方法如下：

將飛機設置為規(guī)定的起飛構型，并按起飛程序配平，機頭對準跑道中心線，保持飛機停止在起飛線上；

設置雙發(fā)油門桿為起飛工作狀態(tài)，在預先選定速度上飛行員按壓前輪轉彎開關，使前輪轉彎處于自由轉向模式，僅利用方向舵控制飛機，其它操縱僅用于保持機翼水平；

在預先選定的速度（VEF）切斷臨界發(fā)動機燃油，飛行員感覺到飛機航向明顯改變時全偏方向舵將飛機恢復到平行于跑道中心線滑行；

安排試飛時，每架次試飛的速度采用逐次減速逼近的方法，從較高速度開始，視情況逐漸降低速度，直到側偏距離約9m為止；

用確定的VMCG進行演示一次繼續(xù)起飛，確定飛機是安全可操縱的。

飛機的運行軌跡如圖1所示。

3 試飛影響因素

3.1 受力分析

圖2給出了飛機臨界發(fā)動機失效后在地面滑跑過程中所受到的主要作用力，其中Fr為方向舵受到的氣動力，F(xiàn)v為垂尾受到的氣動力，F(xiàn)e為發(fā)動機推力，Mr、Mv、Me分別為對應的力矩。

定義力矩值向右為正。當ΣMZ=0時，飛機能保持航向，當ΣMZ>0時，飛機向右偏航，偏離跑道中心線，當ΣMZ<0時，飛機向左偏航，恢復航向。

3.2 重量重心

CCAR25.149（e）要求在制定地面最小操縱速度時，重量重心要處于最不利的狀態(tài)。

按照圖2的受力分析，Mr通過方向舵產(chǎn)生的糾偏力矩，為獲得最臨界的試飛結果，方向舵作用力的力臂值需最小。因此，條款要求的“重心在最不利的位置”為后重心位置。

條款要求飛機重量為起飛重量范圍內(nèi)的最不利重量。根據(jù)AC25-7C的建議，應在VMCG可能影響V1速度的范圍內(nèi)，以最臨界重量，進行VMCG試驗。

3.3 駕駛員操縱反應

在VMCG的試飛過程中，駕駛員反應時間是一項關鍵的影響因素。這里所指的反應時間主要是飛行員判定臨界發(fā)動機失效的反應時間及判定發(fā)動機失效后施加腳蹬力到腳蹬到底的反應時間。在相同的臨界發(fā)動機失效速度下，飛行員反應越快，飛機偏移距離卻??；飛行員反應越慢，飛機偏移距離越大。根據(jù)咨詢通告的建議，飛行員主要可以通過駕駛艙內(nèi)部顯示或者外界環(huán)境參考發(fā)現(xiàn)飛機航向發(fā)生明顯的變化。

為準確體現(xiàn)試飛過程中飛行員判定臨界發(fā)動機失效的反應時間及判定發(fā)動機失效后施加腳蹬力到腳蹬到底的反應時間，定義飛行員反應時間為臨界發(fā)動機失效到方向舵腳蹬到底的間隔時間。適航條款和相關咨詢通告中未對飛行員反應時間的穩(wěn)定性提出具體的要求，但該值的穩(wěn)定性直接影響地面最小操縱速度試驗結果的穩(wěn)定性。

因此在試飛前，應對試飛員進行相應的培訓，以減少飛行員的響應時間誤差；同時建議整個地面最小操縱速度的試飛由同一飛行機組執(zhí)行，盡量保持飛行員響應時間的穩(wěn)定性。

3.4 前輪輪載的設置

CCAR25.149（e）條款要求當臨界發(fā)動機突然停車時，能僅使用方向舵操縱（不使用前輪轉向）和使用機翼保持水平的橫向操縱來保持對飛機的操縱，條款明確不能使用前輪轉向來操縱飛機。為滿足此要求，需在預先選定速度上按壓駕駛盤前輪轉彎開關，使前輪轉彎置自由轉向模式；同時為了盡量消除前輪對試飛結果的影響，將前輪抬至剛離開地面的臨界狀態(tài)，在此狀態(tài)下，輪載約等于0，不對飛機的任何狀態(tài)產(chǎn)生影響。

4 試飛數(shù)據(jù)處理

4.1 繪制時間歷程曲線

繪制校準空速、發(fā)動機油門位置、發(fā)動機轉速、橫向偏移量、方向舵偏度、腳蹬力、腳蹬位移等參數(shù)的時間歷程曲線，同時剔除腳蹬力大于68kg（667N）的數(shù)據(jù)；

4.2 繪制Vc～△y曲線圖

針對每個試飛動作讀出相應于發(fā)動機N1開始下降時的空速和飛機航向完全恢復至平行于跑道中心線航向的最大側偏距離△y，繪制Vc～△y曲線圖，確定側偏距離為9m時的Vc，此時的Vc即為試驗條件下的VMCG。

5 結論

VMCG是運輸類飛機起飛性能的重要速度。本文分析了VMCG相關的適航條款CCAR25.149（a） （e），結合某型飛機的VMCG試飛，介紹了VMCG的試飛方法及試飛過程中應該注意的問題，為民用飛機表明對CCAR25.149（a） （e）的符合性而進行的地面最小操縱速度VMCG試飛提供參考。

【參考文獻】

[1]中國民用航空局.CCAR-25-R4運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2]中國民用航空局航空器適航審定司.AP-21-AA-2011-03-R4 航空器型號合格審定程序[S].北京：中國民用航空局，2011.

[3]Federal Aviation Administration.14 CFR Part 21 Certification procedures for products and parts[S].USA：FAA，2009.

[4]Federal Aviation Administration.AC25-7C，F(xiàn)light Test Guide For Certification of Transport Category Airplanes[S].USA：FAA，2012.

[5]楊翠霞，程偉豪，等.民機地面最小操縱速度試飛技術研究[J].飛行力學， 2007，25（3）：75-78.

[責任編輯：田吉捷]