劉 偉 黨西軍

(航空工業(yè)西飛，西安 710089)

0 引言

國(guó)內(nèi)大中型民用飛機(jī)機(jī)翼掛裝副油箱構(gòu)形較少，掛裝副油箱時(shí)需滿(mǎn)足適航條款的相關(guān)規(guī)定，在副油箱載荷計(jì)算過(guò)程中，考慮CCAR-25部第25.301(c)條：如果載荷作用下的變形會(huì)顯著改變外部載荷或內(nèi)部載荷的分布，必須考慮載荷分布變化的影響[1]，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題。

大中型民用類(lèi)飛機(jī)一般將機(jī)翼簡(jiǎn)化為懸臂梁，采用升力線(xiàn)理論確定機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性變形的影響[2-8]?！哆\(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》是符合CCAR-25部適航條款，適用于亞音速、大展弦比飛機(jī)的通用載荷計(jì)算軟件，該程序采用上述彈性修正的方法，解決了結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)機(jī)翼載荷分布的影響，具備計(jì)算尾翼、機(jī)翼、機(jī)身等部件載荷的能力，但不具備機(jī)翼掛裝副油箱結(jié)構(gòu)載荷的計(jì)算能力。

本文在《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》基礎(chǔ)上，主要借鑒機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性修正方法，開(kāi)展副油箱靜載荷計(jì)算研究，增加副油箱氣動(dòng)力彈性修正計(jì)算、慣性力計(jì)算、副油箱質(zhì)量實(shí)時(shí)更新等功能模塊，形成了滿(mǎn)足適航條款的機(jī)翼外掛物靜載荷計(jì)算能力，拓展了《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》計(jì)算功能。

1 計(jì)算原理

求解飛機(jī)在不同高度、不同速度、不同重量和不同受載情況下帶外掛物飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，考慮飛機(jī)機(jī)動(dòng)引起外掛物自身攻角和側(cè)滑角的變化以及機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性修正引起的攻角增量，分別得到副油箱氣動(dòng)載荷與慣性載荷，兩者迭加篩選出總載荷。

1.1 外掛物氣動(dòng)力

外掛物風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)得出外掛物氣動(dòng)力，一般未考慮機(jī)翼的真實(shí)剛度，為更精確的得出外掛物氣動(dòng)力，應(yīng)考慮真實(shí)機(jī)翼的彈性變形對(duì)外掛物自身氣動(dòng)迎角的影響，考慮外掛物自身運(yùn)動(dòng)及機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性變形的氣動(dòng)力計(jì)算如下：

[xryrzr]=[xwgywgzwg]-[xcyczc]

(1)

(2)

[Vx·wgVy·wgVz·wg]=[VxVyVz]+[ΔVxΔVyΔVz]

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

xwg、ywg、zwg為外掛質(zhì)心處坐標(biāo)；xcyczc為飛機(jī)質(zhì)心處坐標(biāo)；ωx、ωy、ωz為飛機(jī)運(yùn)動(dòng)角速度；VxVyVz為飛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度；VxwgVywgVzwg為外掛運(yùn)動(dòng)速度；αwg為外掛攻角；αs為機(jī)翼彈性變形引起的外掛物當(dāng)?shù)毓ソ窃隽浚沪聎g為外掛側(cè)滑角；δ為飛機(jī)相關(guān)舵面偏角；dxj為自定義插值函數(shù)；T為插值類(lèi)型；ci_ID、mi_ID為外掛物氣動(dòng)力數(shù)據(jù)集；Fxq、Fyq、FzqFxq、Fyq、Fzq為外掛物氣動(dòng)力；Mxq、Myq、Mzq為外掛物氣動(dòng)力矩。

1.2 外掛物慣性力

在實(shí)際的工程計(jì)算中，由于彈性變形對(duì)慣性載荷的影響較小，可以忽略彈性變形對(duì)慣性載荷的影響，將飛機(jī)視為剛體計(jì)算[9-10]，計(jì)算公式如下：

Fxw=-(nx+Δnx)Gw

(7)

Fyw=-(ny+Δny)Gw

(8)

Fzw=-(nz+Δnz)Gw

(9)

Mxw=-Ixwεx+(Iyw-Izw)ωyωz+Iyzw(ω2y-ω2z)

+Ixzw(εz+ωxωy)+Ixyw(εy-ωxωz)

(10)

Myw=-Iywεy+(Izw-Ixw)ωxωz+Ixzw(ω2z-ω2x)

+Ixyw(εx+ωyωz)+Iyzw(εz-ωxωy)

(11)

Mzw=-Izwεz+(Ixw-Iyw)ωxωy+Ixyw(ω2x-ω2y)

+Izyw(εy+ωxωz)+Ixzw(εx-ωzωy)

(12)

Δnx=[-(ω2y+ω2z)(xwg-xc)+(ωxωy-εz)

(ywg-yc)+(ωxωz+εy)(zwg-zc)]/g

(13)

Δny=[-(ω2x+ω2z)(ywg-yc)+(ωyωz-εx)

(zwg-zc)+(ωxωy+εz)(xwg-xc)]/g

(14)

Δnz=[-(ω2x+ω2y)(zwg-zc)+(ωxωz-εy)

(xwg-xc)+(ωzωy+εx)(ywg-yc)]/g

(15)

式中：

Gw為外掛物的重量；FxwFywFzw為外掛物慣性力；Mxw、Myw、Mzw為外掛物慣性力矩；Δnx、Δny、Δnz為外掛物引起的附加過(guò)載；Ixw、Iyw、Izw為外掛物質(zhì)量塊對(duì)自身質(zhì)心的慣性矩；Ixyw、Iyzw、Ixzw為外掛物質(zhì)量塊對(duì)自身質(zhì)心的慣性積；εx、εy、εz為飛機(jī)角加速度；ωx、ωy、ωz為飛機(jī)角速度；nx、ny、nz為飛機(jī)質(zhì)心處過(guò)載系數(shù)。

1.3 副油箱質(zhì)量特性

根據(jù)全機(jī)質(zhì)量、燃油順序、耗油率，計(jì)算出當(dāng)前工況下副油箱的燃油總質(zhì)量，插值副油箱燃油百分比組成的數(shù)據(jù)矩陣，計(jì)算出燃油質(zhì)量特性，與副油箱本體合并為副油箱總質(zhì)量，副油箱典型質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣見(jiàn)表1。

表1 副油箱質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣

2 載荷工況

CCAR-25部中沒(méi)有針對(duì)類(lèi)似機(jī)翼掛裝副油箱結(jié)構(gòu)的適航條款，計(jì)算載荷時(shí)，參考機(jī)體結(jié)構(gòu)的適航符合性，按照最大包容原則，選取下列條款進(jìn)行分析和計(jì)算，詳見(jiàn)表2，其中突風(fēng)載荷必須通過(guò)動(dòng)態(tài)分析方法確定，本文未考慮。

表2 適航條款

按照上述的適航條款確定出過(guò)載-速度包線(xiàn)，高度-速度包線(xiàn)，重量構(gòu)形，與襟翼收上/放下對(duì)稱(chēng)機(jī)動(dòng)、襟翼收上滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)、偏航機(jī)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)、地面情況等工況組合成多種載荷計(jì)算情況。

3 嚴(yán)重情況的選取

副油箱載荷設(shè)計(jì)嚴(yán)重情況按照載荷需求的不同設(shè)置三個(gè)載荷點(diǎn)分別選取包線(xiàn)，每一點(diǎn)載荷按照單力素極值和組合力素極值等28個(gè)力素選取嚴(yán)重載荷包線(xiàn)。典型副油箱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

注：B點(diǎn)為單獨(dú)副油箱的載荷，用于校核副油箱本體及其連接；C點(diǎn)為副油箱和掛架的載荷，用于校核掛架本體及其連接；D點(diǎn)為副油箱、掛架、過(guò)渡梁三者的總載荷，用于校核過(guò)渡梁本體及其與機(jī)翼連接。圖1 外掛物示意圖

4 應(yīng)用

在充分消化吸收《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》源代碼基礎(chǔ)上，借鑒該程序機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性修正，數(shù)據(jù)采用載數(shù)據(jù)庫(kù)管理、計(jì)算情況采用代碼控制等經(jīng)驗(yàn)，增加副油箱氣動(dòng)彈性修正計(jì)算、慣性力計(jì)算和副油箱質(zhì)量計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)了副油箱靜載荷計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

以某民機(jī)機(jī)翼掛裝副油箱靜載荷計(jì)算為例，計(jì)算了4 740種載荷工況，考慮了彈性修正和未彈性修正的副油箱靜載荷，根據(jù)包線(xiàn)篩選的結(jié)果，僅列出部分副油箱本體嚴(yán)重工況計(jì)算結(jié)果，載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3 B點(diǎn)修正載荷

圖2 外掛物載荷計(jì)算流程

表4 B點(diǎn)未修正載荷

由上計(jì)算結(jié)果可以看出：考慮彈性修正和未彈性修正副油箱載荷相差在1%以?xún)?nèi)，載荷變化不大。

經(jīng)分析彈性修正和未修正載荷變化不大，與該飛機(jī)機(jī)動(dòng)性小，機(jī)翼剛度大、副油箱氣動(dòng)面小，慣性力占比大等因素有關(guān)，后續(xù)載荷計(jì)算時(shí)，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，不必考慮彈性修正。

5 結(jié)論

將外掛物載荷計(jì)算方法程序化，借鑒機(jī)翼結(jié)構(gòu)彈性修正、數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理、計(jì)算情況采用代碼控制等經(jīng)驗(yàn)，在工程應(yīng)用成熟的《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》的基礎(chǔ)上，增加了外掛物載荷計(jì)算模塊，使外掛物載荷計(jì)算滿(mǎn)足CCAR-25部的適航條款要求，擴(kuò)展了《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)載荷計(jì)算程序包》的能力。

目前，只能給出副油箱的集中力，還需單獨(dú)計(jì)算副油箱分布載荷，校核副油箱本體，后續(xù)需要在該外掛物計(jì)算模塊上，增加副油箱分布力計(jì)算方法，使分布載荷能直接用于CAE軟件，校核副油箱本體。