運(yùn)輸類飛機(jī)失配平起飛試飛技術(shù)研究

　　摘要：誤配平起飛是適航標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)誤操作起飛驗(yàn)證的關(guān)鍵科目之一。通過對(duì)誤配平起飛的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，得到了誤配平起飛造成起飛特性改變的原因，結(jié)合適航條款的要求，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，給出了試飛方案的設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比方法。

　　本文源自科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2020(33):155-157.《科技創(chuàng)新與應(yīng)用》雜志是經(jīng)中國(guó)新聞出版總署備案的學(xué)術(shù)期刊。主管單位：黑龍江出版集團(tuán)有限公司，主辦單位：黑龍江省報(bào)刊出版有限公司、黑龍江省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)。

　　1、概述

　　飛行員在進(jìn)行起飛操作前，需要按照快速檢查單完成起飛前的各項(xiàng)檢查操作。檢查單內(nèi)容眾多，需要飛行員精力集中、密切配合，除進(jìn)行起飛檢查外，飛行員還可能需要處理各種突發(fā)事件。大量的檢查工作、可能出現(xiàn)的突發(fā)事件都會(huì)導(dǎo)致飛行員在起飛過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤操作。其中，平尾配平值設(shè)置錯(cuò)誤是較為可能出現(xiàn)的情況。

　　按照《中國(guó)民用航空規(guī)章》(第25部)規(guī)定，必須對(duì)服役中可合理預(yù)期的對(duì)于所制定飛機(jī)起飛操作程序的偏差(如飛機(jī)抬頭過度及誤配平情況)進(jìn)行驗(yàn)證，不得造成不安全的飛行特性，或使按照程序制定的預(yù)定起飛距離顯著增加。《運(yùn)輸類飛機(jī)合格審定飛行試驗(yàn)指南》中將“起飛距離顯著增加”視為超過程序規(guī)定起飛距離1%的任何量值。

　　本文采用理論分析與實(shí)際試飛結(jié)合的方法，對(duì)飛行中可能出現(xiàn)的水平安定面誤配平情況進(jìn)行研究，給出了一套較為合理的試飛方案。

　　2、起飛過程的動(dòng)力學(xué)分析

　　誤配平試飛需要驗(yàn)證飛機(jī)起飛距離，故需要對(duì)飛機(jī)起飛過程進(jìn)行分析。在地面滑跑過程中，飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

　　式(1)中，W為飛機(jī)重量，T為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，D為氣動(dòng)阻力，F(xiàn)f為摩擦阻力，LI、LII分別為機(jī)翼和平尾升力，φE、φR分別為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角和跑道坡度。氣動(dòng)阻力D主要有機(jī)翼、機(jī)身、平尾和發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙產(chǎn)生，在誤配平試飛過程中，僅有平尾配平不同引起的氣動(dòng)阻力變化，且氣動(dòng)阻力隨其配平角度增大而增大。

　　假定誤配平形式為平尾配平不足，與正常起飛相比，由于誤配平起飛時(shí)僅平尾的配平角度減小，可以認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)推力T不變，由機(jī)翼產(chǎn)生的升力LI不變。起飛過程中平尾升力的作用是產(chǎn)生抬頭力矩，故LII為負(fù)值，平尾配平角度減小會(huì)導(dǎo)致平尾產(chǎn)生的負(fù)升力減小(LII增加)、氣動(dòng)阻力D減小。在地面滑跑階段，平尾配平值的減小會(huì)引起飛機(jī)縱向加速度的增加。

　　飛機(jī)在離地過程中的動(dòng)力學(xué)分析比較復(fù)雜。平尾配平角度的減小使飛機(jī)的俯仰操縱能力減小，飛行員可能會(huì)增大拉桿量以產(chǎn)生足夠的抬頭力矩。若配平不足導(dǎo)致俯仰操縱權(quán)限受限，飛機(jī)抬頭力矩不足，可能會(huì)使抬前輪時(shí)間明顯增加，導(dǎo)致飛機(jī)離地時(shí)刻的速度增大，離地姿態(tài)角變小，地面滑跑距離隨之增加，減小的姿態(tài)角又會(huì)引起爬升段所經(jīng)水平距離的增加，最終結(jié)果是因誤配平導(dǎo)致飛機(jī)起飛距離增加;若俯仰操縱權(quán)限未受到限制，則增大的拉桿量可能會(huì)產(chǎn)生更大的抬頭力矩，這時(shí)飛機(jī)的離地姿態(tài)較正常起飛可能會(huì)有所增加，其離地速度甚至可能會(huì)減小，姿態(tài)角的增加會(huì)縮短爬升段經(jīng)過的水平距離，這時(shí)由誤配平導(dǎo)致的起飛距離甚至可能減小。

　　通過以上分析，誤配平后飛機(jī)在滑跑段和空中段的運(yùn)動(dòng)均與正常起飛有所區(qū)別，其導(dǎo)致的起飛距離變化不能通過簡(jiǎn)單的理論分析得到，必須進(jìn)行試飛驗(yàn)證。

　　3、試飛方案設(shè)計(jì)

　　3.1試飛技術(shù)分析

　　誤配平起飛的試驗(yàn)?zāi)康氖菣z查飛機(jī)在與正常起飛程序相比可合理預(yù)期的平尾配平量值偏差時(shí)，不得造成不安全的飛行特性，且起飛距離不得“明顯增加”。“可合理預(yù)期的平尾配平量值偏差”是指不會(huì)導(dǎo)致起飛形態(tài)警告的最大誤配平，它應(yīng)當(dāng)計(jì)及起飛形態(tài)警告系統(tǒng)裝配調(diào)整允差。誤配平試飛應(yīng)當(dāng)在飛機(jī)重量、重心、機(jī)翼襟縫翼位置和發(fā)動(dòng)機(jī)功率或推力以及誤配平位置的最臨界組合情況下開展，對(duì)飛行特性予以評(píng)估。

　　誤配平起飛與正常起飛相比，其平尾配平量發(fā)生變化，飛機(jī)在起飛過程的操縱響應(yīng)也發(fā)生變化。在以正常抬前輪速度VR抬前輪后，飛機(jī)的抬頭速率、離地速度、離地姿態(tài)均與正常起飛不同，其起飛安全特性與起飛距離均與正常起飛存在差別。由于誤配平量值屬于“可合理預(yù)期的配平偏差”，因此在試驗(yàn)過程中試飛員應(yīng)按照正常起飛程序執(zhí)行操縱，若在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)不安全特性，應(yīng)立即中止試驗(yàn)。為規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)安排過渡架次，逐步達(dá)到最臨界試驗(yàn)條件。

　　3.2試飛實(shí)施方案

　　在進(jìn)行誤配平起飛試飛之前，需要制定詳細(xì)的試飛方案，提高試驗(yàn)效率，規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。可以從如下幾個(gè)方面分析制定試飛實(shí)施方案。

　　3.2.1了解試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)

　　從設(shè)計(jì)資料和前期試飛結(jié)果出發(fā)，了解試驗(yàn)機(jī)的幾何特性和氣動(dòng)特性。

　　在小重量、重心后限，平尾配平過度的試驗(yàn)狀態(tài)，飛機(jī)離地時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生過大的抬頭速率，增加飛機(jī)尾部撞地風(fēng)險(xiǎn)，因此需要了解飛機(jī)尾部觸地時(shí)的姿態(tài)角。

　　在最大起飛重量、重心前限，平尾配平不足的試驗(yàn)狀態(tài)，由平尾提供的抬頭力矩不足，飛機(jī)抬頭過慢可能導(dǎo)致地面滑跑距離增加。因此需要了解飛機(jī)正常配平時(shí)的起飛滑跑距離，結(jié)合理論分析判斷平尾配平不足是否會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)沖出跑道。

　　3.2.2確定試驗(yàn)點(diǎn)

　　在進(jìn)行試飛方案設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定其試驗(yàn)狀態(tài)。誤配平起飛的關(guān)鍵是證明兩種最嚴(yán)酷的起飛配平情況滿足條款要求。對(duì)于重心前后極限位置隨重量發(fā)生變化的飛機(jī)，需要對(duì)重量重心包線拐點(diǎn)處的重量重心組合進(jìn)行分析，確定飛機(jī)誤配平的最臨界狀態(tài)。若理論分析無法得到最臨界狀態(tài)，則需要對(duì)所有可能的重量重心及誤配平組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　一般而言，誤配平起飛只需要對(duì)兩種極限情況進(jìn)行試飛驗(yàn)證。第一種情況是最大起飛重量、重心前限，平尾配平不足(平尾后緣偏至下極限位置)的試驗(yàn);第二種情況是小重量、重心后限，平尾配平過度(平尾后緣偏至上極限位置)的試驗(yàn)。

　　3.2.3分析試飛風(fēng)險(xiǎn)，制定化解措施

　　誤配平試飛的風(fēng)險(xiǎn)主要是平尾配平過度或配平不足引起飛機(jī)姿態(tài)響應(yīng)的改變。配平過度會(huì)引起飛機(jī)抬頭速率增大，可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)以大迎角姿態(tài)離地，引發(fā)低高度失速現(xiàn)象，飛機(jī)離地角度過大可能會(huì)導(dǎo)致尾部觸地，必要時(shí)可加裝尾橇防護(hù);配平不足會(huì)引起飛機(jī)抬頭速率減小，導(dǎo)致飛機(jī)抬頭無力，增加飛機(jī)沖出跑道或意外觸地的風(fēng)險(xiǎn)。

　　誤配平試飛要對(duì)飛機(jī)重量重心組合與平尾配平位置的臨界條件進(jìn)行試驗(yàn)，為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，可通過循序漸進(jìn)的方式開展試驗(yàn)，采用平尾配平角度逼近法或重量逼近法逐步逼近臨界狀態(tài)。

　　平尾配平角度逼近法是指試驗(yàn)中以重量為目標(biāo)重量，平尾配平角度逐步逼近目標(biāo)值;重量逼近法為，試驗(yàn)中平尾配平角度為目標(biāo)值，重量由小到大逐步逼近目標(biāo)。兩種逼近方式都能起到降低風(fēng)險(xiǎn)、提高效率的作用，但是水平尾翼配平角度逼近法可以得出配平角度不同引起起飛距離的變化，進(jìn)一步修正起飛配平誤差允帶的預(yù)定值，而重量逼近法修正誤差允帶預(yù)定值較為困難。因此，該試驗(yàn)最好選擇平尾配平角度逼近法進(jìn)行。

　　3.2.4試飛駕駛技術(shù)分析

　　起飛前應(yīng)當(dāng)按照試驗(yàn)的要求設(shè)定襟、縫翼位置，根據(jù)重心位置選取預(yù)定的水平尾翼配平角度。

　　在完成最大起飛重量、重心前限，平尾配平不足試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到抬前輪速度VR時(shí)，由于平尾配平不足導(dǎo)致飛機(jī)抬頭能力減小，試飛員向后拉動(dòng)駕駛桿時(shí)拉桿量應(yīng)較正常起飛拉桿量大些(具體拉桿量應(yīng)根據(jù)過渡架次的經(jīng)驗(yàn)積累而定)。

　　在完成小重量、重心后限，平尾配平過度試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，飛機(jī)在起飛滑跑過程中，當(dāng)飛機(jī)有明顯抬頭趨勢(shì)且表速未達(dá)到抬前輪速度VR設(shè)計(jì)值時(shí)，試飛員應(yīng)適度向前推動(dòng)駕駛桿(具體推桿量應(yīng)根據(jù)過渡架次的經(jīng)驗(yàn)積累而定);當(dāng)表速達(dá)到設(shè)計(jì)抬前輪速度VR時(shí)，試飛員適度向后拉動(dòng)駕駛桿，操縱飛機(jī)完成起飛。

　　在操縱飛機(jī)抬前輪過程中，試飛員應(yīng)當(dāng)注意觸地狀態(tài)的信號(hào)指示燈，如果發(fā)現(xiàn)指示燈閃亮，應(yīng)適當(dāng)減小飛機(jī)姿態(tài)。

　　3.3試驗(yàn)成功判據(jù)

　　根據(jù)適航規(guī)章條款的要求，誤配平起飛試驗(yàn)成功的標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　(1)不得發(fā)生任何明顯失速告警或者機(jī)體抖振。

　　(2)起飛場(chǎng)長(zhǎng)不應(yīng)大于程序規(guī)定的起飛場(chǎng)長(zhǎng)的101%。

　　(3)飛機(jī)尾部或尾橇故意觸地是不可接受的，不得出現(xiàn)不安全的飛行狀態(tài)。

　　“不安全的飛行狀態(tài)”應(yīng)是飛機(jī)在起飛過程中出現(xiàn)的操縱響應(yīng)的不合理變化。例如，在最大起飛重量、重心前限，平尾配平不足可能會(huì)使飛機(jī)主俯仰操縱權(quán)限不足或操縱桿力過大，也許不可能以正常速率抬前輪，導(dǎo)致抬前輪時(shí)出現(xiàn)過度滯后;在小重量、重心后限，平尾配平過度可能出現(xiàn)不易遏制的自動(dòng)抬頭傾向，這可能導(dǎo)致突然且快速的抬前輪，可能導(dǎo)致失速。試飛員在完成起飛試驗(yàn)后應(yīng)對(duì)飛機(jī)的安全特性進(jìn)行評(píng)估。

　　表1某運(yùn)輸類飛機(jī)正常起飛和誤配平起飛試驗(yàn)狀態(tài)

　　表2修正后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

　　4、試飛數(shù)據(jù)分析

　　根據(jù)可接受判據(jù)的要求，選取試驗(yàn)中無失速告警、未出現(xiàn)不安全特性的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將結(jié)果與相同重量重心組合下的正常平尾配平試飛數(shù)據(jù)對(duì)比。

　　4.1試飛數(shù)據(jù)換算

　　表1是某運(yùn)輸類飛機(jī)某次正常起飛和誤配平起飛的試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)比。由于兩次試驗(yàn)的可能不同，其重量、重心以及試驗(yàn)溫度發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等條件有所差別，為了對(duì)誤配平起飛和正常起飛的試飛結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，需要將兩者的數(shù)據(jù)結(jié)果換算到相同條件進(jìn)行對(duì)比。

　　標(biāo)準(zhǔn)條件下離地速度與實(shí)際條件下離地速度有如下關(guān)系：

　　(公式)

　　式(2)中，Vxz、Vsj分別為修正速度和試驗(yàn)速度，Gxz、Gsj分別為修正重量和試驗(yàn)重量，ρH為試驗(yàn)高度的大氣密度，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)條件大氣密度。

　　對(duì)起飛水平距離的換算應(yīng)分為地面滑跑段和空中段兩部分進(jìn)行。在地面滑跑段需要對(duì)大氣條件、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、起飛重量、沿跑道方向風(fēng)速、跑道路面狀況和跑道縱向坡度進(jìn)行修正;修正公式如下：

　　(公式)

　　式(3)中，Lxz、Lsj分別為修正距離和實(shí)際距離，K△、KP、KG、Kf、KZ、KW分別為大氣條件、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、起飛重量、跑道路面狀況、跑道縱向坡度和沿跑道方向風(fēng)速修正系數(shù)。

　　空中段只需要修正大氣條件、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、起飛重量、沿跑道方向風(fēng)速，公式如下：

　　(公式)

　　式(4)中分別為空中段大氣條件和發(fā)動(dòng)機(jī)推力換算系數(shù)和沿跑道方向風(fēng)速修正系數(shù)。

　　4.2試飛結(jié)果對(duì)比

　　利用上述修正公式將試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正到113t、重心13.2%，溫度20℃，風(fēng)速分量為0m/s的狀態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　　通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，與正常配平相比，在起飛抬前輪的過程中，誤配平試飛時(shí)試飛員拉桿量明顯增加，這是由于平尾配平不足導(dǎo)致俯仰操縱能力減小，試飛員為保證飛行安全采取的操縱措施。盡管試飛員增加了拉桿量，在離地時(shí)刻其俯仰角速率仍小于正常配平的俯仰角速率，說明飛機(jī)俯仰操縱能力明顯減小。由于正常起飛時(shí)拉桿到離地時(shí)間與拉桿量均小于誤配平試飛，其離地俯仰姿態(tài)較小，導(dǎo)致其離地速度略大于誤配平試飛，但地面滑跑距離仍小于誤配平起飛，這是由于抬前輪時(shí)間(試飛員拉桿到飛機(jī)離地時(shí)間)增加，抬前輪階段飛機(jī)阻力增加導(dǎo)致的，說明因配平不足導(dǎo)致的地面滑跑距離增加明顯。

　　在起飛過程空中段，由于誤配平時(shí)的起飛俯仰角更大，其爬升角明顯大于正常起飛，故在空中段其所經(jīng)水平距離較正常起飛更小，由于在空中爬升段所經(jīng)水平距離減小明顯，誤配平起飛所經(jīng)水平距離小于正常起飛水平距離，符合適航標(biāo)準(zhǔn)要求的“無明顯增加”。起飛過程航跡對(duì)比見圖1，從圖中可以明顯的看出，在爬升段，誤配平起飛爬升角比正常起飛大，空中段所經(jīng)水平距離明顯減小。

　　圖1正常起飛與誤配平起飛航跡對(duì)比

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過分析誤配平起飛的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)誤配平引起的飛機(jī)起飛過程變化進(jìn)行分析。考慮到該科目試飛的特殊性，對(duì)其試飛技術(shù)和試飛實(shí)施方案進(jìn)行了探討，最后給出了誤配平試飛結(jié)果與正常起飛結(jié)果的對(duì)比。本文可作為誤配平起飛的試飛基礎(chǔ)，為該類型的試驗(yàn)試飛提供參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]CCAR-25.運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)民用航空總局,2001.

　　[2]趙越讓.運(yùn)輸類飛機(jī)合格審定飛行試驗(yàn)指南[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003:10-12.

　　[4]黃太平.飛機(jī)性能工程[M].北京:科學(xué)出版社,2005.