文/閆光巍 孫澤鵬

0 引言

飛機(jī)環(huán)境包線，也稱為溫度－高度包線，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)載設(shè)備的選擇和開展環(huán)境試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)，也是飛行手冊中構(gòu)成飛機(jī)運(yùn)行的限制之一。合理制定環(huán)境包線十分重要，但各類飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊、機(jī)型飛行手冊等參考資料中往往只給出某些典型機(jī)型的環(huán)境包線，而如何制定該包線卻很少有討論。本文通過對一些典型環(huán)境包線的分析，總結(jié)編制該包線的原則和方法，為飛機(jī)的型號設(shè)計(jì)者提供參考。

1 環(huán)境包線定義

運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章CCAR-25-R4中第25.27條對制定飛機(jī)的環(huán)境包線提出了要求：必須制定受飛行、結(jié)構(gòu)、動力裝置、功能和設(shè)備的特性限制所允許的最大周圍大氣溫度和最大高度。

國內(nèi)外一些民用運(yùn)輸類飛機(jī)和水陸兩棲飛機(jī)典型的環(huán)境包線，如圖1所示。

圖1 典型飛機(jī)環(huán)境包線

由圖1可見，飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境包線是飛機(jī)運(yùn)行外部大氣溫度與壓力高度組成的包線，主要包含高/低溫限制、最大/最小壓力高度、起降條件的限制等要素，且一般具備以下特點(diǎn)：

a) 地面高溫限制一般為50℃～55℃；

b) 地面低溫限制溫度一般低于-40℃；

c) 高溫邊界平行于ISA曲線，通常為ISA+34℃。

2 制定環(huán)境包線考慮因素

在確定飛機(jī)環(huán)境包線的各邊界時(shí)，主要考慮五方面因素。

2.1 市場目標(biāo)使用地域及其大氣溫度極值

飛機(jī)目標(biāo)使用地域取決于飛機(jī)的市場定位，不同地域的大氣環(huán)境極值可供參考的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要包括HB 5652.1-81、HB5652.2-84和MIL-STD-310。

參考HB5652.1-81，可分別查得1%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率、5%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率、10%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率和20%時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的高低溫極值。將圖1各典型機(jī)型的環(huán)境包線與HB5652.1-81中不同時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的溫度極值進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2 典型飛機(jī)環(huán)境包線與不同時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率對比

由圖2可見，上述幾款典型機(jī)型中A320、Boeing737-800、SF50的環(huán)境包線相對較寬，高溫邊界除SF50，其他均覆蓋了1%風(fēng)險(xiǎn)率高溫極值，低溫邊界除A320在地面低溫極值為-40℃以外，其他均覆蓋了20%風(fēng)險(xiǎn)率的低溫邊界。Y12飛機(jī)的邊界范圍相對最窄，高溫覆蓋了1%風(fēng)險(xiǎn)率的高溫邊界，低溫僅在1 500m～5 000m高度范圍覆蓋了各風(fēng)險(xiǎn)率的低溫邊界。

高低溫邊界所覆蓋的時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率極值越小，飛機(jī)受到環(huán)境溫度影響的概率越低，出勤率越高。

此外氣候溫度極值也可參考ESDU 78008C推薦的氣候溫度極值，如圖3所示。

圖3 ESDU78008C推薦的溫度極值

在編制環(huán)境包線時(shí)可根據(jù)具體機(jī)型的市場定位，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)率覆蓋范圍。

2.2 升限

環(huán)境包線的上邊界應(yīng)覆蓋飛機(jī)的升限，并留有一定的安全裕度。例如，SF50飛機(jī)升限為28000 ft，而低溫邊界為-54℃，對應(yīng)35000 ft（10668 m）高度的標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度值，高于飛機(jī)的升限28000 ft，并留有一定的余量。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要考慮材料（主要為復(fù)合材料）在極限溫度條件下力學(xué)特性的變化，尤其是高溫。對于SF50這類全復(fù)合材料飛機(jī)，短艙、后機(jī)身和舵面均在飛行試驗(yàn)過程中通過安裝溫度傳感器予以檢測溫度是否會超出材料的溫度范圍。對于內(nèi)部溫度，靠近產(chǎn)生較多熱量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部分也同樣予以監(jiān)測。對于可能達(dá)到極限溫度的部分區(qū)域（假設(shè)地面溫度為50℃），還有詳細(xì)的強(qiáng)度分析報(bào)告。對于為滿足防火墻要求使用鈦合金的區(qū)域，也會有詳細(xì)的測試和分析報(bào)告。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境包線的上邊界為飛機(jī)的升限，需要考慮氣源系統(tǒng)和增壓的需求；左邊界低溫會影響到燃油系統(tǒng)，低溫會使燃油析出甚至結(jié)冰，影響飛行安全，此外還需要考慮空調(diào)系統(tǒng)在低溫條件下的制熱能力；右邊界會影響空調(diào)系統(tǒng)、航電等系統(tǒng)設(shè)備以及發(fā)動機(jī)的性能，從而影響到飛機(jī)的機(jī)場運(yùn)行適應(yīng)性。

2.5 太陽輻射

典型的環(huán)境包線右邊界往往會帶有一個(gè)臺階，為考慮在3048 m（即10000英尺）以下太陽輻射的影響，一般考慮增量為5℃。

綜上所述，制定民用運(yùn)輸類飛機(jī)環(huán)境包線需要考慮的因素如圖4所示。

圖4 典型環(huán)境溫度包線及限制因素

3 結(jié)論

飛機(jī)環(huán)境包線的制定需要綜合考慮飛機(jī)的市場定位，根據(jù)潛在使用地域和不同飛行高度的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，制定包含一定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的高低溫邊界；此外還需要考慮由于升限、結(jié)構(gòu)材料選用、航電等系統(tǒng)設(shè)備、燃油、太陽輻射等的限制，經(jīng)合理裁剪后，作為全機(jī)運(yùn)行的限制。