曾關(guān)輝 王繼亮

摘 要：在空中受油的過(guò)程中，飛機(jī)重量重心控制對(duì)飛行安全影響較大。根據(jù)飛機(jī)油箱分布、燃油管路布置、飛機(jī)不同重量構(gòu)型及各種故障模式，要想減少空中受油對(duì)飛機(jī)重量重心的影響，人們必須合理設(shè)計(jì)飛機(jī)各油箱受油順序。

關(guān)鍵詞：空中受油;重量重心;燃油分配;飛行使用限制

中圖分類號(hào)：V221文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0041-03

Research on the Control Technology of the Receiver Aircrafts Weight and the Center of Gravity

ZENG Guanhui WANG Jiliang

（AVIC Xi'an Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710089）

Abstract： In the process of receiving oil in the air， the control of the center of gravity of the aircraft has a greater impact on flight safety. According to the distribution of aircraft fuel tanks， fuel pipeline layout， aircraft different weight configurations and various failure modes， in order to reduce the impact of airborne fuel on the center of gravity of the aircraft， people must rationally design the order of aircraft fuel tanks.

Keywords： airborne fuel;center of gravity;fuel distribution;flight use restrictions

空中加油技術(shù)對(duì)提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義?？罩屑佑涂梢詳U(kuò)大飛機(jī)航程和作戰(zhàn)半徑，增加飛機(jī)載彈量，延長(zhǎng)飛機(jī)留空時(shí)間，提高飛機(jī)利用率，減少飛機(jī)出動(dòng)數(shù)量[1-3]。現(xiàn)有的空中加油技術(shù)分為兩種，即軟式加油技術(shù)和硬式加油技術(shù)。軟式加油是加油機(jī)空中拋出一根端頭帶漏斗形錐套的軟管，受油機(jī)安裝有受油硬管，在飛行過(guò)程中，受油機(jī)將受油硬管前端插頭插入軟管錐套中，實(shí)施空中加油。硬式加油是加油機(jī)裝有可伸縮加油硬管，受油機(jī)機(jī)背上裝有受油插座，在飛行過(guò)程中，加油機(jī)將加油硬管與受油插座連接，實(shí)施空中加油。

對(duì)于采用軟式加油技術(shù)的受油飛機(jī)來(lái)說(shuō)，人們?cè)谘兄七^(guò)程中不僅需要綜合考慮空中受油硬管的布局形式和加/受油機(jī)氣動(dòng)相容性、受油裝置與飛機(jī)各系統(tǒng)兼容性及其對(duì)氣動(dòng)特性的影響等，還應(yīng)著重考慮受油過(guò)程中燃油在飛機(jī)各油箱的分配，確保飛機(jī)在各種武器掛載構(gòu)型下正常受油和故障模式受油，保證飛機(jī)使用安全。

1 飛機(jī)油箱布局

飛機(jī)油箱一般布置在機(jī)翼、機(jī)身。油箱可以布置在機(jī)翼上，受機(jī)翼后掠角、下反角等因素影響，機(jī)翼油箱大小不同，沿機(jī)身軸線的相對(duì)位置也不相同。因?yàn)樵O(shè)備布置問題，機(jī)身油箱一般分散布置在機(jī)身各處，考慮到飛機(jī)自身耗油對(duì)重心的影響，一般會(huì)將飛機(jī)燃油合計(jì)重心設(shè)計(jì)在飛機(jī)重心附近，盡量減少飛機(jī)耗油對(duì)飛機(jī)重心的負(fù)面影響。

飛機(jī)油箱分布較分散，不同的耗油順序?qū)︼w機(jī)重心影響較大，同理，不同的受油順序?qū)︼w機(jī)重心影響也較大。設(shè)計(jì)好飛機(jī)各油箱受油的順序，直接決定了飛機(jī)在空中受油過(guò)程中的飛行品質(zhì)。例如，如果飛機(jī)重心偏前，在飛行過(guò)程中，飛行員需要控制尾舵面上偏一定角度，平衡掉飛機(jī)重心帶來(lái)的影響，此時(shí)，尾舵面的位置相當(dāng)于尾舵面中立位置，意味著尾舵面上偏能力變?nèi)酢Ｍ?，如果飛機(jī)重心偏后，在飛行過(guò)程中，飛行員需要控制尾舵面下偏一定角度，平衡掉飛機(jī)重心帶來(lái)的影響，意味著尾舵面下偏能力變?nèi)酢Ｒ簿褪钦f(shuō)，飛機(jī)燃油消耗順序決定了飛機(jī)在飛行過(guò)程中的重心位置，影響著尾舵面上偏/下偏的能力，由此影響著飛機(jī)操作性能。同理，設(shè)計(jì)好飛機(jī)各油箱受油順序，使飛機(jī)重心盡量在飛機(jī)壓力重心附近，而且波動(dòng)不大，能夠得到較好的飛行品質(zhì)。

2 飛機(jī)空中受油燃油分配方法

飛機(jī)空中受油燃油分配方法一般有兩種，即順序受油和比例受油[4-6]，或者采用兩種方法的結(jié)合形式，綜合考慮空中受油對(duì)飛機(jī)的重心影響、飛機(jī)自身限制條件和改裝成本等因素，選取最優(yōu)的燃油分配方法。

2.1 順序受油

順序受油就是按一定順序?qū)⒂拖渲饌€(gè)加滿油的方法。決定哪個(gè)油箱先受油，哪個(gè)油箱后受油，首要條件是確保飛機(jī)重心波動(dòng)在受油過(guò)程中始終處于飛行安全使用前極限和后極限之間。其次是盡量降低飛機(jī)重心波動(dòng)且保持在25% MAC附近。

對(duì)于大型飛機(jī)來(lái)說(shuō)，重心變化范圍可以給得較大些，可達(dá)到20% MAC左右[1]。雖然設(shè)計(jì)時(shí)給出的飛機(jī)重心安全使用范圍較大，但是作戰(zhàn)飛機(jī)掛載武器構(gòu)型較多，加上油箱布置限制，飛機(jī)很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)比較貼近使用前極限和后極限的情況。如果采用順序受油方法，油箱布局在飛機(jī)不同位置，那么在受油過(guò)程中，飛機(jī)重心很容易產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，其間受油機(jī)飛行員需要時(shí)刻操縱飛機(jī)，以保持飛機(jī)飛行姿態(tài)，無(wú)疑增加了工作強(qiáng)度。受油前，飛機(jī)各組油箱燃油余量不確定性增加了超出飛機(jī)安全使用前、后極限的可能性。采用與飛機(jī)耗油順序相同的受油程序，雖然能保證正常狀態(tài)下的飛機(jī)重心變化處于安全使用范圍內(nèi)，卻無(wú)法保證故障模式下受油期間飛機(jī)重心不超過(guò)使用限制。同時(shí)，順序加油存在受油管路問題。為匹配加油機(jī)外供速率，受油管路需要設(shè)計(jì)得粗一些，而發(fā)動(dòng)機(jī)耗油或地面加油時(shí)速率都不需要如此大的速率，在設(shè)計(jì)地面加油管路和供油管路時(shí)，也就沒有將其設(shè)計(jì)得那么粗。如果飛機(jī)增加受油功能，無(wú)法借用地面壓力加油管路，就需要重新設(shè)計(jì)燃油管理。

順序受油的缺點(diǎn)較多。一是順序受油對(duì)飛機(jī)重心影響較大，在受油過(guò)程中，飛機(jī)重量重心曲線變化劇烈;二是順序受油采用串聯(lián)式方法，當(dāng)某個(gè)油箱發(fā)生故障時(shí)，其后面的油箱可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法受油的現(xiàn)象;三是受油管路需要重新設(shè)計(jì)，飛機(jī)改動(dòng)量較大，成本較高;四是受油前，飛機(jī)狀態(tài)不固定，各油箱受油順序設(shè)計(jì)難度大，可能需要增加燃油轉(zhuǎn)換點(diǎn)，調(diào)節(jié)飛機(jī)重心。

2.2 比例受油方法

比例受油就是同一時(shí)間給多個(gè)油箱受油，各個(gè)油箱燃油受油速率成比例。比例受油方法的好處有：可以減少受油管路的管徑，更方便在飛機(jī)上布置，減少飛機(jī)改裝的壓力，各個(gè)油箱同時(shí)受油，受油速率綜合等于加油機(jī)外供速率，因此各個(gè)油箱受油速率較小，受油管路可以設(shè)計(jì)細(xì)些;因各個(gè)油箱受油速率較小，可借用原飛機(jī)上的加油管路，減少受油管路的布置，減輕飛機(jī)重量，其間可以借用原飛機(jī)地面加油管路，僅需要將受油裝置連接到加油管路處;如果某個(gè)油箱出現(xiàn)受油故障，對(duì)其他油箱受油無(wú)影響;可以保證飛機(jī)重心變化較為平緩，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)油箱偏后或偏前而導(dǎo)致在受油過(guò)程中飛機(jī)重心劇烈變化。

如果在飛機(jī)受油過(guò)程中調(diào)節(jié)各個(gè)油箱速率，使單位時(shí)間內(nèi)受油總量的重心與飛機(jī)重心重合，則受油過(guò)程中飛機(jī)燃油的變化對(duì)飛機(jī)重心無(wú)影響。但是，各個(gè)油箱最大可用燃油量不相同，在開始空中受油時(shí)，各組油箱里的余油也不相同。因此，空中受油過(guò)程中無(wú)法做到飛機(jī)重心始終保持不變且各組油箱同時(shí)滿油。有的油箱燃油已經(jīng)加滿，無(wú)法再加，其他未滿油箱受油速率會(huì)提升，保證受油機(jī)受油速率等于加油機(jī)外供速率，但是未滿油箱受油速率也不可能無(wú)限制提升，受到受油管路限制，壓力越大，管路的黏滯阻力越大，會(huì)出現(xiàn)總的受油速率達(dá)不到最大外供速率的情況，使得飛機(jī)受油時(shí)間延長(zhǎng)，這是人們不希望看到的。

如何分配各組油箱受油速率，使飛機(jī)重心變化范圍最小，成為飛機(jī)增加受油功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。綜合考慮以上因素，采用各組油箱同時(shí)受油，各組油箱受油速率成比例，相同時(shí)間內(nèi)將飛機(jī)各個(gè)油箱燃油同時(shí)由空加到滿。這樣可以保證飛機(jī)一直以最大受油速率受油。但是，如果采用此方法，飛機(jī)重心就不可能一直保持不變。單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的重量矩（各個(gè)油箱受油速率×各組油箱燃油重心位置或受油總速率×各個(gè)油箱燃油合計(jì)重心）會(huì)改變飛機(jī)重心。在設(shè)計(jì)空中受油順序時(shí)，可以對(duì)幾個(gè)合計(jì)重心在飛機(jī)重心附近的油箱進(jìn)行同時(shí)受油，進(jìn)一步減緩飛機(jī)在空中受油時(shí)的重心變化速率。

3 空中受油過(guò)程的飛機(jī)重量重心分析

在空中受油過(guò)程中，人們不僅需要考慮受油時(shí)刻點(diǎn)、飛機(jī)所剩燃油數(shù)量、燃油分布情況、飛機(jī)此時(shí)的重心位置等計(jì)算條件，還需要考慮武器構(gòu)型等飛機(jī)狀態(tài)[6-7]。人們不僅要計(jì)算正常狀態(tài)下空中受油情況，還需要考慮各種故障模式下的受油對(duì)飛機(jī)重量重心的影響。人們可以通過(guò)枚舉法列出飛機(jī)受油過(guò)程中可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，繪制出空中受油飛機(jī)重量重心變化曲線，查找出最嚴(yán)苛的飛機(jī)狀態(tài)。

在分析正常模式下空中受油時(shí)，人們要明確受油前每個(gè)油箱的狀態(tài)（有余油、滿油、零油）。在分析故障模式下空中受油時(shí)，人們不僅需要明確受油前每個(gè)油箱的狀態(tài)（有余油、滿油、空油），還需要明確哪個(gè)或哪些油箱有故障、油箱故障模式是哪種。

故障模式有三種：油箱不能受油，油箱按零油計(jì)算;油箱不能受油，油箱有余油，而且不能供發(fā)動(dòng)機(jī)使用;油箱不能受油，油箱有余油，能供發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

如此分析，會(huì)有幾千種計(jì)算狀態(tài)，計(jì)算量巨大，人們需要查找出所有超出飛機(jī)使用前極限/后極限的情況，并對(duì)此狀態(tài)進(jìn)行分析，給出合理建議：對(duì)于曲線只有很少部分超出的狀態(tài)，可以通過(guò)飛機(jī)限制受油的重量，保證飛機(jī)重心在安全使用范圍內(nèi);對(duì)于曲線大部分都已經(jīng)超出飛機(jī)安全使用前/后極限的狀態(tài)，在此狀態(tài)下禁止飛機(jī)受油。

4 結(jié)論

飛機(jī)增加空中受油功能，要充分考慮受油過(guò)程對(duì)飛機(jī)重量重心的影響，人們要根據(jù)受油機(jī)自身油箱布置特點(diǎn)，選擇最合適的油箱受油順序。本文給出兩種空中受油方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明。在空中受油過(guò)程中，人們要合理分析油箱受油順序?qū)︼w機(jī)重量重心的影響，明確各種影響因素。當(dāng)某些狀態(tài)下飛機(jī)重量重心超出安全使用范圍時(shí)，人們要采取科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，保證飛行安全。

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