朱昱燃

摘 要：載荷分析是計(jì)算飛機(jī)在飛行、著陸和地面操作過(guò)程中作用在飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)上的載荷。對(duì)于民飛機(jī)而言，研究載荷分析對(duì)于保證飛機(jī)飛行的安全性和可靠性具有極其重要的意義。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了民機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷分析基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)考慮到商載為飛機(jī)重量變化的主要因素，因此針對(duì)商載分布進(jìn)行了詳細(xì)的概述。通常在飛行過(guò)程中，確定商載分布情況是載荷分析計(jì)算的重要環(huán)節(jié)之一，本文最后進(jìn)行了商載方案的探析，介紹了計(jì)算步驟、計(jì)算程序和極限商載情況處理辦法，同時(shí)列出了不足之處，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：民機(jī);載荷分析;裝載方案

0 引言

在現(xiàn)代民機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，飛行安全一直研究的重點(diǎn)對(duì)象之一。為確保飛行安全，就有必要對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度分析，確定各零組件的最大應(yīng)力。為保證強(qiáng)度分析結(jié)果的正確性，需要確保載荷分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此載荷分析計(jì)算結(jié)果對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[1]。

飛機(jī)的飛行過(guò)程非常復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行、突風(fēng)飛行、著陸等各種飛行情況，為保證飛機(jī)的安全，在上述情況下的載荷分析都很有必要。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)在飛行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生振動(dòng)或變形，大大影響著載荷分析的難易程度。本文通過(guò)參考《中國(guó)民用航空規(guī)章》第25部有關(guān)條例研究了民機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷分析，考慮到商載為飛機(jī)重量變化的主要因素，因此針對(duì)商載分布進(jìn)行了詳細(xì)的概述。最后完成了民機(jī)裝載方案的探析。

1 載荷分析與商載分布

飛機(jī)的重量及其分布情況影響著載荷的大小，載荷分析必須考慮使用限制內(nèi)可調(diào)配載重的任何實(shí)際分布情況。因此在載荷中必須選擇數(shù)量夠多的重量及其分布以保證不會(huì)遺漏載荷嚴(yán)重情況。

飛機(jī)重量主要包括空機(jī)重量、商載（乘客+貨物）和燃油三部分。通常設(shè)計(jì)方案確定之后，飛機(jī)的空機(jī)質(zhì)量為定值，商載和燃油為變值，燃油的重量通常與重心、慣性矩等有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此燃油重量通?？梢怨浪?，而商載是影響飛機(jī)重量的最大變數(shù)，同一架次的飛機(jī)在不同商載情況下會(huì)產(chǎn)生不同重心和慣性矩，使得飛機(jī)各零組件及機(jī)身結(jié)構(gòu)處于不同載荷下。所以解決與載荷密切相關(guān)的重量分布是載荷分析最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，重量分布是載荷分析計(jì)算的重要原始數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響著載荷分析結(jié)果。而重量分布的關(guān)鍵在于解決商載分布。

確定商載分布的步驟是基于商載定義及依據(jù)商載配置原則，利用飛機(jī)重量、商載包線(xiàn)圖完成商載配置。

2 確定商載分布

飛機(jī)載荷分析時(shí)通常需要將是將商載分布作為輸入，確定商載分布方法和思路如下所述：

以商載包線(xiàn)為基本約束條件，按照典型商載配置定義，對(duì)應(yīng)不同飛機(jī)形態(tài)，以初始的某種商載分布計(jì)算出該商載下不含燃油重量的重心、重量和慣性矩。然后通過(guò)飛機(jī)的飛行狀態(tài)、飛行高度與燃油量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出燃油重心、重量和慣性矩。然后再加入空機(jī)重量得到飛機(jī)設(shè)計(jì)重量。

這時(shí)需要設(shè)定一個(gè)重心位置的誤差精度。設(shè)定方法如下：檢查各點(diǎn)的縱向重心既不能超越飛機(jī)重心限制線(xiàn)，又要保證各點(diǎn)重心位置在誤差精度范圍內(nèi)而且形成曲線(xiàn)的范圍盡可能集中在飛機(jī)前重心限制線(xiàn)和后重心限制線(xiàn)。若不能滿(mǎn)足上述條件，需要在商載包線(xiàn)范圍內(nèi)逐步調(diào)整其分布，循環(huán)往復(fù)上述操作，直到曲線(xiàn)上最靠近重心限制線(xiàn)的目標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)，此點(diǎn)的縱向重心和前或后重心限制值的差符合預(yù)先設(shè)定的重心位置誤差精度。

3 裝載方案探析

3.1 計(jì)算步驟

本文總結(jié)出了以商載號(hào)為參照的飛機(jī)重心、重量、慣性矩的計(jì)算步驟，如下：

（1）定義飛機(jī)的重量特征及幾何特征作為已知的輸入數(shù)據(jù)，主要包括：最大設(shè)計(jì)滑行重量、最大設(shè)計(jì)起飛重量、最大設(shè)計(jì)著陸重量、 最大設(shè)計(jì)零油重量、空機(jī)重量、最大批準(zhǔn)頂升 重量、最大商載值、最大燃油重量、最小余油、發(fā)動(dòng)機(jī)耗油曲線(xiàn)即 飛機(jī)的重量隨高度與速度變化曲線(xiàn) ） 、平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)及其前緣點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù);（2）輸入飛機(jī)重心、重量使用限制包線(xiàn)，該包線(xiàn)通常從總體設(shè)計(jì)和布置定義而來(lái)。飛行情況、地面起飛和著陸情況的不同可能影響重心使用限制線(xiàn);（3）輸入商載分布包線(xiàn)，該包線(xiàn)通常從總體設(shè)計(jì)和布置定義而來(lái)，如啞鈴型和集中型商載包線(xiàn);（4）依據(jù)各種典型商載配置、不同飛機(jī)形態(tài)、油密度開(kāi)展商載號(hào)的定義工作;（5）根據(jù)不同飛機(jī)形態(tài)（起飛、飛行、著陸）和燃油密度，按典型商載定義計(jì)算各商載分布，可以通過(guò)編程使用計(jì)算機(jī)輔助完成計(jì)算分析;（6）以商載號(hào)為參照，計(jì)算出飛機(jī)重心、重量、和慣性矩?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后匯總，以表格的形式體現(xiàn)，其中燃油量需要包括零燃油、最小余油、最大燃油及不同飛行形態(tài)和高度下的燃油量，還需包括飛行設(shè)計(jì)重量減去空機(jī)重量與商載之和的燃油量等。

3.2 計(jì)算程序

為順利完成3.1節(jié)的計(jì)算過(guò)程，除了需要應(yīng)用商載分布程序，還需要開(kāi)發(fā)下述幾種專(zhuān)用程序：

程序1：已知連續(xù)質(zhì)量分布，計(jì)算其重心、重量和慣性矩的專(zhuān)用程序;程序2：已知燃油量 ，考慮到飛機(jī)姿態(tài)角的情況下計(jì)算其分布、重心和慣性矩的專(zhuān)用程序，或者已知若干燃油量的重心、重量和慣性矩，計(jì)算其他燃油量的重心、重量和慣性矩;程序3：己知若干集中質(zhì)量求其合重心、重量和慣性矩的專(zhuān)用程序，如己知各部件重量 、重心和慣性矩求飛機(jī)使用空重的重心、重量和慣性矩等。

當(dāng)需要求出典型商載號(hào)為參照的飛機(jī)各種設(shè)計(jì)重量、重心和慣性矩?cái)?shù)據(jù)時(shí)，只需以不同商載值進(jìn)行循環(huán)，疊加使用空重和燃油量即可。

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果能夠得到以商載號(hào)為參照的飛機(jī)重量與重心關(guān)系曲線(xiàn)圖，反映出商載分布對(duì)飛機(jī)重心的影響;還能夠得到以商載號(hào)為參照的飛機(jī)重量與飛機(jī)俯仰、傾斜、航向三個(gè)方向的慣性矩關(guān)系曲線(xiàn)圖，反映出商載分布對(duì)飛機(jī)慣性矩的影響。商載分布對(duì)飛機(jī)俯仰慣 性矩影響較大，通常同一種商載下，不同飛機(jī)重量對(duì)俯仰慣性矩值影響很小;商載分布對(duì)飛機(jī)傾斜慣性矩影響較小，傾斜慣性矩大小通常取決于燃油分布;商載分布和燃油量對(duì)飛機(jī)航向慣性矩影響均較大。

3.3 極限商載情況處理

極限商載情況通常與飛機(jī)的重量重心、客艙的載重和布置情況和貨艙的載重和布置情況相關(guān)。為了保證飛行安全，通常需要保證飛機(jī)裝載完成后零油重心不小于臨界裝載零油重心，不大于重心后限。

當(dāng)飛機(jī)起飛后發(fā)現(xiàn)有輕微超載這類(lèi)意外情況時(shí)，機(jī)內(nèi)相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)參考重心包線(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行飛機(jī)的重心調(diào)整，如進(jìn)行乘客及工作人員的疏散和貨物位置的移動(dòng)及清理、飛機(jī)活動(dòng)面的運(yùn)動(dòng)、起落架收放等措施以保證飛行安全。

當(dāng)飛機(jī)起飛后發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重的超載現(xiàn)象時(shí)，駕駛員應(yīng)當(dāng)立即通知地面指揮控制中心，選擇合適位置緊急迫降，同時(shí)完成貨物清理進(jìn)行減重。通常而言，在設(shè)計(jì)重心包線(xiàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)充分考慮實(shí)際影響飛機(jī)重心的因素，確定飛機(jī)的實(shí)際載重范圍，同時(shí)留有充足的裕量。嚴(yán)格杜絕發(fā)生超載現(xiàn)象，起飛時(shí)駕駛員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真反復(fù)核實(shí)載重后方可起飛。

3.4 裝載方案的不足

根據(jù)載荷分析計(jì)算情況最終需要制定裝載方案。由上節(jié)可知不同的飛機(jī)形態(tài)和燃油密度 的以商載號(hào)為參照的飛機(jī)重心、重量和慣性矩?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)提供了載荷分析所需要的全部裝載方案。但是還存在不足之處：如何根據(jù)要求的載荷分析計(jì)算情況中合理選擇相應(yīng)的裝載方案完成載荷分析計(jì)算。例如當(dāng)飛機(jī)飛行中的機(jī)動(dòng)情況和突風(fēng)情況以及著陸情況和操作情況等都應(yīng)當(dāng)提前制定設(shè)計(jì)重量下各自不同的裝載方案用于載荷分析計(jì)算。

4 總結(jié)

本文首先闡述了民機(jī)載荷分析的作用，然后針對(duì)載荷分析計(jì)算和商載分布進(jìn)行了詳細(xì)的概述，通常在飛行過(guò)程中，給出確定商載分布的方法，最后進(jìn)行了商載方案的探析，介紹了計(jì)算步驟、計(jì)算程序和極限商載情況處理辦法，同時(shí)點(diǎn)明了方案的不足之處。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚少波.重量方案和重量分布在飛機(jī)外載荷計(jì)算中的影響[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（33）：6+9.