大型飛機(jī)最小道面寬度試飛技術(shù)研究

張妙嬋

(中國民用航空適航審定中心西安航空器審定中心，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機(jī)轉(zhuǎn)彎所需最小道面寬度的定義為：飛機(jī)在跑道上進(jìn)行180°的機(jī)動轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的最小跑道寬度。飛機(jī)地面轉(zhuǎn)彎半徑越小，所需的道面寬度越小。因此，飛機(jī)最小道面寬度的試飛也可稱為地面最小轉(zhuǎn)彎半徑試飛。

對于中小型飛機(jī)而言，進(jìn)行最小道面寬度試飛時(shí)，要求飛機(jī)單純依靠前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)來完成，試飛時(shí)保持最大轉(zhuǎn)彎角度穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎超過180°，通過獲取飛機(jī)主起和前起輪胎的轉(zhuǎn)彎半徑來得到最小道面寬度的結(jié)果。

對于大型飛機(jī)而言，轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的轉(zhuǎn)彎力矩較大，且受側(cè)滑的影響，單純依靠前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)保持大角度轉(zhuǎn)彎很困難，或者根本無法實(shí)現(xiàn)。即使可以實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎超過180°所需的試驗(yàn)場地也會很大，試驗(yàn)條件要求很高。由于飛機(jī)所需的最小道面寬度直接影響著飛機(jī)的使用，因此，開展該方面的試驗(yàn)驗(yàn)證必不可少。那么，尋找一種適合大型飛機(jī)進(jìn)行最小道面寬度試飛的方法尤為重要。

本文分析了國外大型飛機(jī)如A380、B777以及國內(nèi)某支線飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動轉(zhuǎn)彎方面的試飛情況，給出了某大型飛機(jī)最小道面寬度試飛方法，包括試飛時(shí)的操作方法以及試飛的數(shù)據(jù)處理方法，并將該方法應(yīng)用于某大型飛機(jī)的實(shí)際試飛，取得了良好的效果，為其它大型飛機(jī)在該方面的試飛提供了參考。

2 國內(nèi)外其它飛機(jī)的相關(guān)情況

通常，飛機(jī)在起飛或著陸地面滑行的過程中需進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操縱。對于前三點(diǎn)式起落架布局的飛機(jī)，主要有3種操縱轉(zhuǎn)彎方式，即操縱前輪轉(zhuǎn)彎、差動剎車轉(zhuǎn)彎和非對稱推力轉(zhuǎn)彎[1-4]。

操縱前輪轉(zhuǎn)彎可使飛機(jī)轉(zhuǎn)彎靈活，飛行員操作簡便，甚至在主起落架輪胎漏氣時(shí)仍能操縱飛機(jī)[5-8]。我國某支線飛機(jī)進(jìn)行最小道面寬度試飛時(shí)即采用該方法轉(zhuǎn)彎一周，獲取了實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)彎所需的道面最小寬度。目前，國內(nèi)外大多數(shù)的中小型飛機(jī)也都采用這種方式。但對于大型飛機(jī)而言，采用該方法實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)彎時(shí)所需道面寬度大，試驗(yàn)所需的試驗(yàn)場地大，無法滿足飛機(jī)在某些機(jī)場條件的180°轉(zhuǎn)彎需求。

對于大型飛機(jī)而言，單純依靠操縱前輪轉(zhuǎn)彎、差動剎車轉(zhuǎn)彎和非對稱推力轉(zhuǎn)彎的方式很難實(shí)現(xiàn)飛機(jī)低速大角度轉(zhuǎn)彎。因此，一般采用差動剎車輔助前輪轉(zhuǎn)彎的方式或者非對稱推力輔助前輪轉(zhuǎn)彎的方式。

采用差動剎車輔助前輪轉(zhuǎn)彎會減小飛機(jī)所需的道面寬度，但對于大型飛機(jī)而言，會導(dǎo)致輪胎磨損和局部高溫，可能引起輪胎爆裂。為了降低試驗(yàn)時(shí)大角度轉(zhuǎn)彎的風(fēng)險(xiǎn)并能使飛機(jī)在盡可能窄的跑道上完成試驗(yàn)，A380-800飛機(jī)在前輪最大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)，采用不對稱推力(轉(zhuǎn)彎一側(cè)兩臺發(fā)動機(jī)停車)+差動剎車(使用轉(zhuǎn)彎一側(cè)的剎車)，來輔助前輪轉(zhuǎn)彎完成180°轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)。A400M飛機(jī)通過發(fā)動機(jī)差動反槳和主起落架的差動剎車輔助前輪轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)在最小30m寬的跑道上掉頭。但是，這樣的操作程序過于復(fù)雜，對飛行員的駕駛技術(shù)提出了考驗(yàn)，不利于飛機(jī)的航線運(yùn)行。

采用非對稱推力輔助前輪轉(zhuǎn)彎進(jìn)行180°轉(zhuǎn)彎的方式，既可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大角度轉(zhuǎn)彎，也不會造成輪胎磨損和局部高溫，而且操作程序相對簡單，容易實(shí)現(xiàn)。B-777-300飛機(jī)前輪最大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)，采用不對稱推力輔助轉(zhuǎn)彎，未使用差動剎車，獲取了實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)彎所需的最小道面寬度。

3 試飛方法

3.1 試驗(yàn)操作方法

根據(jù)以上分析，考慮到一般情況下大型飛機(jī)剎車溫度容易過高的特點(diǎn)和操作的難易程度，在開展最小道面寬度試驗(yàn)時(shí)，采用非對稱推力輔助前輪轉(zhuǎn)彎的方式進(jìn)行180°轉(zhuǎn)彎更加簡便、安全。

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)飛行員座椅已調(diào)到最佳視線位置，并假設(shè)試驗(yàn)跑道為典型的滑行道寬度。由于存在滑行道寬度、圓角尺寸和滑行道面狀況各種不同的組合，所以試驗(yàn)時(shí)必需由飛行員判斷來決定每次轉(zhuǎn)彎的起始點(diǎn)和前輪轉(zhuǎn)彎手輪的移動量。對于前輪轉(zhuǎn)彎最大角度大于30°的飛機(jī)，試驗(yàn)時(shí)開始轉(zhuǎn)彎的速度不能超過10kn。

試驗(yàn)時(shí)，可采用一些滑行技巧以減小飛機(jī)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)所需的試驗(yàn)場地。試驗(yàn)正式開始前，使主輪輪胎盡量接近跑道邊緣，這樣可以有更大的可用道面來轉(zhuǎn)彎。一般先將飛機(jī)完全停住，油門收到慢車，將手輪轉(zhuǎn)到所需的轉(zhuǎn)彎角度，松剎車并增加外側(cè)發(fā)動機(jī)的推力[9]，在轉(zhuǎn)彎中只用一側(cè)發(fā)動機(jī)并保持5kn到10kn的速度以盡量減小轉(zhuǎn)彎半徑，使用正常剎車來控制飛機(jī)速度。當(dāng)飛機(jī)轉(zhuǎn)過90°后，使主輪大約處于跑道中心線上，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，直到飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角度大于180°。

某些飛機(jī)在完全停住時(shí)，手輪打到最大轉(zhuǎn)彎角度，加推力后會產(chǎn)生前輪打滑現(xiàn)象。針對這種情況，可以在飛機(jī)進(jìn)入跑道前低速運(yùn)動的過程中將手輪轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)彎角度，進(jìn)入跑道后利用不對稱推力輔助進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。采用這種技術(shù)能使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)低速轉(zhuǎn)彎且不會對起落架和輪胎造成過大的壓力，但這種方法對飛機(jī)進(jìn)入跑道的切入點(diǎn)有嚴(yán)格的要求，以保證飛機(jī)在進(jìn)行180°轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)輪不會偏出跑道。圖1給出了這種轉(zhuǎn)彎操作方法的示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)彎操作方案示意圖

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

傳統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果的獲取方式為：根據(jù)輪胎在跑道上留下的運(yùn)動痕跡進(jìn)行現(xiàn)場測量，得到飛機(jī)地面轉(zhuǎn)彎所需最小道面寬度。其優(yōu)點(diǎn)是：簡便快速，對于不同類型的最小道面寬度試飛方法均適用。缺點(diǎn)是：由于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎超過180°后輪胎運(yùn)動軌跡較為復(fù)雜，很難尋找各起落架輪胎對應(yīng)的軌跡；在開展多次試驗(yàn)時(shí)，每次試驗(yàn)均需尋找不同的試驗(yàn)場地；該方法不能獲取飛機(jī)各起落架輪胎對應(yīng)的運(yùn)動軌跡。

目前，比較成熟的另一種計(jì)算方法為：利用飛機(jī)上安裝的GPS天線的運(yùn)動軌跡，得到飛機(jī)上GPS天線所在位置的轉(zhuǎn)彎半徑，根據(jù)GPS天線相對飛機(jī)前輪和主輪的位置，進(jìn)而解算出飛機(jī)的前輪轉(zhuǎn)彎半徑和主輪轉(zhuǎn)彎半徑。飛機(jī)所需的最小道面寬度=前輪最小轉(zhuǎn)彎半徑+外側(cè)主輪最小轉(zhuǎn)彎半徑+1.5m(1.5m為安全余量經(jīng)驗(yàn)值)。其優(yōu)點(diǎn)是：計(jì)算方法簡單，且能獲取各起落架輪胎的運(yùn)動軌跡，國內(nèi)某支線飛機(jī)采用的就是該方法。但是，這種方法需要飛機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎一周來獲取平滑的轉(zhuǎn)彎軌跡，即轉(zhuǎn)彎時(shí)各起落架的輪胎軌跡要近似為圓，適用于僅采用操縱前輪轉(zhuǎn)彎進(jìn)行最小道面寬度測試的試飛方法。由于大型飛機(jī)是采用不對稱推力輔助前輪轉(zhuǎn)彎的方式進(jìn)行試飛，試飛時(shí)的軌跡很難為圓或半圓，因此該方法不適用。

針對不對稱推力輔助前輪轉(zhuǎn)彎的試飛方法，需尋找一種可行并可靠的數(shù)據(jù)處理方法。大型飛機(jī)在采用該試飛方法時(shí)，各起落架輪胎的運(yùn)動軌跡不同，必須通過試飛數(shù)據(jù)計(jì)算獲取各起落架輪胎的運(yùn)動軌跡，得到準(zhǔn)確的道面寬度結(jié)果。由于試驗(yàn)時(shí)可以直接獲取的數(shù)據(jù)為飛機(jī)上安裝的GPS天線的運(yùn)動坐標(biāo)，那么如何根據(jù)飛機(jī)上GPS天線的運(yùn)動軌跡計(jì)算出飛機(jī)上各起落架輪胎對應(yīng)的運(yùn)動軌跡是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。

以某型飛機(jī)為例，圖2給出了該飛機(jī)上各輪的相對位置示意圖。

圖2 飛機(jī)上各輪的相對位置示意圖

定義飛機(jī)體軸為OA方向，A點(diǎn)為前起機(jī)輪中軸線中間點(diǎn)的位置，B點(diǎn)和C點(diǎn)分別為左主起和右主起中軸線中間點(diǎn)的位置，D點(diǎn)為GPS天線位置，E為左右主起連線中點(diǎn)。根據(jù)飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以獲取飛機(jī)的前主輪距|AE|、主輪距|BC|，根據(jù)飛機(jī)上GPS天線安裝位置相對于前起的垂向距離可獲取|DA|。設(shè)|AE|=a、|BC|=b，|DA|=c，主起中軸線到主起輪胎邊緣的距離為d、主起輪胎直徑為e、前起中軸線到前起輪胎邊緣的距離為f。如果主起落架為多排輪胎，設(shè)相鄰前后排輪胎的距離為g。ψ為航向角，即飛機(jī)機(jī)體軸與磁北(北向)的夾角。可以得出：

(1)

(2)

式(1)中各長度的單位均為m，式(2)中角度的單位為(°)。

AE=c×cos(90°-ψ)

(3)

AN=c×sin(90°-ψ)

(4)

BE=|DB|×cos(90°-ψ+∠BDA)

(5)

BN=|DB|×sin(90°-ψ+∠BDA)

(6)

CE=|DB|×cos(90°-ψ-∠CDA)

(7)

CN=|DB|×sin(90°-ψ-∠CDA)

(8)

由圖2可知：

A點(diǎn)的東向坐標(biāo)=D點(diǎn)的東向坐標(biāo)+AE

(9)

A點(diǎn)的北向坐標(biāo)=D點(diǎn)的北向坐標(biāo)+AN

(10)

B點(diǎn)的東向坐標(biāo)=D點(diǎn)的東向坐標(biāo)+BE

(11)

B點(diǎn)的北向坐標(biāo)=D點(diǎn)的北向坐標(biāo)+BN

(12)

C點(diǎn)的東向坐標(biāo)=D點(diǎn)的東向坐標(biāo)+CE

(13)

C點(diǎn)的北向坐標(biāo)=D點(diǎn)的北向坐標(biāo)+CN

(14)

由試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可直接獲取飛機(jī)的航向角ψ。由于式(1)～式(8)中等式右側(cè)的參數(shù)均已知，可解算出式(3)～式(8)的結(jié)果。根據(jù)機(jī)上測試數(shù)據(jù)，很容易獲取D點(diǎn)的東向和北向坐標(biāo)。將式(3)～式(8)的結(jié)果和D點(diǎn)的坐標(biāo)代入式(9)～式(14)中，即可求出A、B、C點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)A、B、C點(diǎn)的坐標(biāo)，可得出前起和左右主起的輪胎運(yùn)動軌跡。在軌跡圖上畫出跑道方向以及垂直于跑道的方向，即可得出飛機(jī)前起、主起機(jī)輪的運(yùn)動所占的跑道寬度LR1。

由于前起和主起的位置是中軸線中間點(diǎn)的位置，要考慮中間點(diǎn)與前后、左右相對位置的影響，需在得到的跑道寬度上加上這個(gè)影響量。設(shè)影響量為n，則：

(15)

最終飛機(jī)所需要的跑道寬度LR為：

LR=LR1+n+1.5

(16)

式(15)和式(16)中，各參數(shù)的單位均為m，式(16)中的1.5為安全余量。

將多次180°轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)所得到的道面寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終給出合適的最小道面寬度。

4 試飛結(jié)果與分析

以某大型飛機(jī)為例，根據(jù)上文中給出的試驗(yàn)方法，最終得出飛機(jī)180°轉(zhuǎn)彎所需的最小道面寬度，表1給出了計(jì)算得到的道面寬度與實(shí)際測量的道面寬度。為了保證實(shí)際測量的準(zhǔn)確性，每進(jìn)行完一次轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)后更換試驗(yàn)場地，確保道面輪胎軌跡的清晰度。從表1可以看出，計(jì)算得到的結(jié)果和現(xiàn)場測量的結(jié)果基本一致，證明所采用的計(jì)算方法是正確的。

表1 計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果的比較

5 結(jié)束語

最小道面寬度試飛已經(jīng)成為目前大型飛機(jī)必須要驗(yàn)證的試驗(yàn)，大型飛機(jī)最小道面寬度試飛方法與普通的中小型飛機(jī)不同。本文以此為主旨，介紹了國外大型飛機(jī)在該方面的試飛情況，進(jìn)而研究得出了更加便捷有效的大型飛機(jī)最小道面寬度試飛方法，包括試飛時(shí)的操作程序和數(shù)據(jù)處理方法。將研究得出的試飛方法應(yīng)用于某大型飛機(jī)的最小道面寬度試飛驗(yàn)證，計(jì)算得到的結(jié)果和現(xiàn)場測量的結(jié)果基本一致，證明計(jì)算方法是正確的。該技術(shù)對其他類型的飛機(jī)也具有通用性，可為其他飛機(jī)在該方面的試飛提供很好的技術(shù)支持。