民機載荷分析與裝載方案研究

朱昱燃

摘 要：載荷分析是計算飛機在飛行、著陸和地面操作過程中作用在飛機整體結(jié)構(gòu)上的載荷。對于民飛機而言，研究載荷分析對于保證飛機飛行的安全性和可靠性具有極其重要的意義。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了民機整機結(jié)構(gòu)的載荷分析基礎(chǔ)知識，同時考慮到商載為飛機重量變化的主要因素，因此針對商載分布進行了詳細(xì)的概述。通常在飛行過程中，確定商載分布情況是載荷分析計算的重要環(huán)節(jié)之一，本文最后進行了商載方案的探析，介紹了計算步驟、計算程序和極限商載情況處理辦法，同時列出了不足之處，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：民機;載荷分析;裝載方案

0 引言

在現(xiàn)代民機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，飛行安全一直研究的重點對象之一。為確保飛行安全，就有必要對整機結(jié)構(gòu)進行受力分析和強度分析，確定各零組件的最大應(yīng)力。為保證強度分析結(jié)果的正確性，需要確保載荷分析計算的準(zhǔn)確性。因此載荷分析計算結(jié)果對于飛機設(shè)計具有巨大的應(yīng)用價值[1]。

飛機的飛行過程非常復(fù)雜，會出現(xiàn)機動飛行、突風(fēng)飛行、著陸等各種飛行情況，為保證飛機的安全，在上述情況下的載荷分析都很有必要。由于飛機結(jié)構(gòu)在飛行過程中可能會發(fā)生振動或變形，大大影響著載荷分析的難易程度。本文通過參考《中國民用航空規(guī)章》第25部有關(guān)條例研究了民機整機結(jié)構(gòu)的載荷分析，考慮到商載為飛機重量變化的主要因素，因此針對商載分布進行了詳細(xì)的概述。最后完成了民機裝載方案的探析。

1 載荷分析與商載分布

飛機的重量及其分布情況影響著載荷的大小，載荷分析必須考慮使用限制內(nèi)可調(diào)配載重的任何實際分布情況。因此在載荷中必須選擇數(shù)量夠多的重量及其分布以保證不會遺漏載荷嚴(yán)重情況。

飛機重量主要包括空機重量、商載（乘客+貨物）和燃油三部分。通常設(shè)計方案確定之后，飛機的空機質(zhì)量為定值，商載和燃油為變值，燃油的重量通常與重心、慣性矩等有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此燃油重量通?？梢怨浪?，而商載是影響飛機重量的最大變數(shù)，同一架次的飛機在不同商載情況下會產(chǎn)生不同重心和慣性矩，使得飛機各零組件及機身結(jié)構(gòu)處于不同載荷下。所以解決與載荷密切相關(guān)的重量分布是載荷分析最為重要的一個環(huán)節(jié)，重量分布是載荷分析計算的重要原始數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響著載荷分析結(jié)果。而重量分布的關(guān)鍵在于解決商載分布。

確定商載分布的步驟是基于商載定義及依據(jù)商載配置原則，利用飛機重量、商載包線圖完成商載配置。

2 確定商載分布

飛機載荷分析時通常需要將是將商載分布作為輸入，確定商載分布方法和思路如下所述：

以商載包線為基本約束條件，按照典型商載配置定義，對應(yīng)不同飛機形態(tài)，以初始的某種商載分布計算出該商載下不含燃油重量的重心、重量和慣性矩。然后通過飛機的飛行狀態(tài)、飛行高度與燃油量的對應(yīng)關(guān)系計算出燃油重心、重量和慣性矩。然后再加入空機重量得到飛機設(shè)計重量。

這時需要設(shè)定一個重心位置的誤差精度。設(shè)定方法如下：檢查各點的縱向重心既不能超越飛機重心限制線，又要保證各點重心位置在誤差精度范圍內(nèi)而且形成曲線的范圍盡可能集中在飛機前重心限制線和后重心限制線。若不能滿足上述條件，需要在商載包線范圍內(nèi)逐步調(diào)整其分布，循環(huán)往復(fù)上述操作，直到曲線上最靠近重心限制線的目標(biāo)點出現(xiàn)，此點的縱向重心和前或后重心限制值的差符合預(yù)先設(shè)定的重心位置誤差精度。

3 裝載方案探析

3.1 計算步驟

本文總結(jié)出了以商載號為參照的飛機重心、重量、慣性矩的計算步驟，如下：

（1）定義飛機的重量特征及幾何特征作為已知的輸入數(shù)據(jù)，主要包括：最大設(shè)計滑行重量、最大設(shè)計起飛重量、最大設(shè)計著陸重量、 最大設(shè)計零油重量、空機重量、最大批準(zhǔn)頂升 重量、最大商載值、最大燃油重量、最小余油、發(fā)動機耗油曲線即 飛機的重量隨高度與速度變化曲線 ） 、平均氣動弦長及其前緣點坐標(biāo)等參數(shù);（2）輸入飛機重心、重量使用限制包線，該包線通常從總體設(shè)計和布置定義而來。飛行情況、地面起飛和著陸情況的不同可能影響重心使用限制線;（3）輸入商載分布包線，該包線通常從總體設(shè)計和布置定義而來，如啞鈴型和集中型商載包線;（4）依據(jù)各種典型商載配置、不同飛機形態(tài)、油密度開展商載號的定義工作;（5）根據(jù)不同飛機形態(tài)（起飛、飛行、著陸）和燃油密度，按典型商載定義計算各商載分布，可以通過編程使用計算機輔助完成計算分析;（6）以商載號為參照，計算出飛機重心、重量、和慣性矩數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后匯總，以表格的形式體現(xiàn)，其中燃油量需要包括零燃油、最小余油、最大燃油及不同飛行形態(tài)和高度下的燃油量，還需包括飛行設(shè)計重量減去空機重量與商載之和的燃油量等。

3.2 計算程序

為順利完成3.1節(jié)的計算過程，除了需要應(yīng)用商載分布程序，還需要開發(fā)下述幾種專用程序：

程序1：已知連續(xù)質(zhì)量分布，計算其重心、重量和慣性矩的專用程序;程序2：已知燃油量 ，考慮到飛機姿態(tài)角的情況下計算其分布、重心和慣性矩的專用程序，或者已知若干燃油量的重心、重量和慣性矩，計算其他燃油量的重心、重量和慣性矩;程序3：己知若干集中質(zhì)量求其合重心、重量和慣性矩的專用程序，如己知各部件重量 、重心和慣性矩求飛機使用空重的重心、重量和慣性矩等。

當(dāng)需要求出典型商載號為參照的飛機各種設(shè)計重量、重心和慣性矩數(shù)據(jù)時，只需以不同商載值進行循環(huán)，疊加使用空重和燃油量即可。

根據(jù)數(shù)據(jù)計算結(jié)果能夠得到以商載號為參照的飛機重量與重心關(guān)系曲線圖，反映出商載分布對飛機重心的影響;還能夠得到以商載號為參照的飛機重量與飛機俯仰、傾斜、航向三個方向的慣性矩關(guān)系曲線圖，反映出商載分布對飛機慣性矩的影響。商載分布對飛機俯仰慣 性矩影響較大，通常同一種商載下，不同飛機重量對俯仰慣性矩值影響很小;商載分布對飛機傾斜慣性矩影響較小，傾斜慣性矩大小通常取決于燃油分布;商載分布和燃油量對飛機航向慣性矩影響均較大。

3.3 極限商載情況處理

極限商載情況通常與飛機的重量重心、客艙的載重和布置情況和貨艙的載重和布置情況相關(guān)。為了保證飛行安全，通常需要保證飛機裝載完成后零油重心不小于臨界裝載零油重心，不大于重心后限。

當(dāng)飛機起飛后發(fā)現(xiàn)有輕微超載這類意外情況時，機內(nèi)相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)參考重心包線，及時進行飛機的重心調(diào)整，如進行乘客及工作人員的疏散和貨物位置的移動及清理、飛機活動面的運動、起落架收放等措施以保證飛行安全。

當(dāng)飛機起飛后發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重的超載現(xiàn)象時，駕駛員應(yīng)當(dāng)立即通知地面指揮控制中心，選擇合適位置緊急迫降，同時完成貨物清理進行減重。通常而言，在設(shè)計重心包線的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)充分考慮實際影響飛機重心的因素，確定飛機的實際載重范圍，同時留有充足的裕量。嚴(yán)格杜絕發(fā)生超載現(xiàn)象，起飛時駕駛員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真反復(fù)核實載重后方可起飛。

3.4 裝載方案的不足

根據(jù)載荷分析計算情況最終需要制定裝載方案。由上節(jié)可知不同的飛機形態(tài)和燃油密度 的以商載號為參照的飛機重心、重量和慣性矩數(shù)據(jù)已經(jīng)提供了載荷分析所需要的全部裝載方案。但是還存在不足之處：如何根據(jù)要求的載荷分析計算情況中合理選擇相應(yīng)的裝載方案完成載荷分析計算。例如當(dāng)飛機飛行中的機動情況和突風(fēng)情況以及著陸情況和操作情況等都應(yīng)當(dāng)提前制定設(shè)計重量下各自不同的裝載方案用于載荷分析計算。

4 總結(jié)

本文首先闡述了民機載荷分析的作用，然后針對載荷分析計算和商載分布進行了詳細(xì)的概述，通常在飛行過程中，給出確定商載分布的方法，最后進行了商載方案的探析，介紹了計算步驟、計算程序和極限商載情況處理辦法，同時點明了方案的不足之處。

參考文獻：

[1]姚少波.重量方案和重量分布在飛機外載荷計算中的影響[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017（33）：6+9.