民用飞机重心包线研究

民用飞机设计与研究Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ民用飞机重心包线研究 王小平 （上海飞机设计研究院总体气动设计研究部，上海２００２３５） Ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ＣＧ ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｐｉｎｇ （Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ＳＡＤＲＩ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３５，Ｃｈｉｎａ） 摘要：民用飞机重心包线是保证飞机使用安全的重要防线，是飞机飞行使用中不可逾越的一道屏障。重心包线设计的好坏不仅影响毪机的飞 行性能，更直接影响毪机使用的经济性和安全性，其确定是总体、气动、操稳、性能、强度、重罱等多专业分析、权衡的结果。从重心对性能的影 响，蘑心限制边界的分析及如何设计好蘑心包线三个方【卣进行了较系统的分析研究，为民用飞机重心及重心包线的设计提供借鉴和参考。 关键词：重心包线；性能影响；限制分析；重心设计 ［Ａｂｓｔｒａｃｔｌ Ｔｈｅ ＣＧ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｃｉｖｉｌａｉｒｃｒａｆｔ ｓａｆｅＬ１ｓｅ ａｌｌｉｎｓｕｒｍｏｕｎｔａｂｌｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｆｌｉｇｈｔ．Ｔｈｅｄｅ— ｓｉｇｎ ｑｕａｌｉｔｙ ＣＧｅｎｖｅｌｏｐｅ ｄｏｅｓ ｏｎｌｙａｆｆｅｃｔ ｆｌｉｇｈｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｉｒｃｒａｆｔ，ｂｕｔａｌｓｏ ｉｔｓ ｅｃｏｎｏｍｙ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｉｔｓｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｍｕｌｔｉ－ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｔｒａｄｅ－ｏｔ匠ｏｆ Ｇｅｎｅｒａ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ。

ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗｅｉｇｈｔ ｅｔｃ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅｓ ｂｒｉｅｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ＣＧｂｏｕｎｄａｒｙ ｄｅｓｉｇｎａｇｏｏｄ ＣＧ ｅｎｖｅｌｏｐｅ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ＣＧｅｎｖｅｌｏｐｅ ｃｉｖｉｌａｉｒｃｒａｆｔ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ＣＧ ｅｎｖｅｌｏｐｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｌｉｍｉｔｓａｎａｌｙｚｅ；ＣＧ ｄｅｓｉｇｎ ０引言 研究。 民用飞机重心包线是指民用飞机在各飞行使用 阶段中，允许使用的所有重心位置包络线，是民用飞 机飞行使用中不可逾越的一道屏障。飞机重心位置 直接影响飞机的飞行性能和操作使用安全。从飞行 性能角度上看，不同的飞机使用重心，对飞机各飞行 阶段性能均会产生不同程度的影响，其总体趋势是， 重心越靠后，飞机性能越好；重心越靠前，飞机性能 越差。但飞机使用重心位置受到１５ｌ机的飞行操纵要 求、装载操作使用和结构强度等条件限制。（１）在 安全性方面，飞机重心是保证飞机安全飞行的重要 因素，重心包线的所有重心点均要能满足飞机在所 有飞行阶段的安全、可靠操纵飞行；（２）在装载操作 使用方面，为了尽可能减少装载限制，方便操作使 用，希望重心包线尽可能宽；（３）在结构强度方面， 由于飞机重心直接影响起飞、着陆过程中前、主起落 架系统的载荷分配，重心包线必须要保证起落系统 满足结构强度的设计要求等。

所以重心包线设计是 集飞行性能、飞行操纵稳定性、装载操作使用和结构 强度等的综合权衡优化结果，是气动布局、总体布 置、性能、操稳、载荷、系统设备、航电电气及结构强 度等多专业集体智慧的结晶。下面从重心对飞行性 能的影响、重心包线的约束分析及如何设计好重心 包线三个方面对民用飞机重心包线作一简要的分析 ８１重心对飞行性能的影响 飞机重心对飞行性能的影响随着起飞、巡航和 着陆等不同飞行阶段的变化而变化，但主要还是因 为重心位置的变化将使纵向配平特性发生变化，重 心越往后，需要的纵向配平力矩越小，由配平引起的 升力损失就越少。在相同条件下，飞机保持稳定飞 行所需的升力越小，从而使飞机的失速速度降低。 有资料显示：Ａ３４０飞机采用２６％ＲＣ（平均气动 弦）基准重心的失速速度（Ｖ。）比采用１８％ＲＣ前重 心的失速速度小１．５ｋｔｓ。 １．１起飞性能的影响 飞机的起飞速度（Ｖ：）与失速速度（Ｖ。）有如下 关系： 在起飞阶段：Ｋ１．２Ｋ。 失速速度越小，则起飞速度越小，所需的起飞距 离（ＴＯＤ）越短，即： Ｖｓ＿Ｖ２＿ＴｏＤ 同理，在保持起飞距离不变的条件下，起飞速度 越小，则允许的起飞重量越大。

所以，在相同条件 下，飞机的起飞重心越靠后，飞机所需的起飞距离越 短，起飞重量越大。 重心往后，也有利起飞抬前轮和起飞爬升陛能 的改善。 万方数据 王小平：民用飞机重心包线研究 １．２巡航性能的影响 在巡航阶段，重心往前，则配平导致飞行升力减 少，阻力增加，从而增加燃油消耗；反之，重心往后， 可降低燃油消耗。表１为空客的几个主要型号在 １０００Ｎｍ条件下，使用２５％ＲＣ重心比使用３５％ＲＣ 重心需多消耗的燃油量数据。 不同重心位置对燃油消耗的差量机型 Ａ３３０ Ａ３４０ Ａ３１０ Ａ３００一６００ Ｉ燃油消耗差量（ＫＳ） ２２０ ３８０ ２５０ ２３０ １．３着陆性能影响 飞机的着陆速度（Ｖ哪）与失速速度（Ｖ。）有如 下关系： 在着陆阶段：％，１．３蚝。 失速速度越小，则着陆速度越小，所需的着陆距 离（ＬＤ）越短，即： Ｖａｐｐ—Ｖ２＿ＬＤ 同理，在保持着陆距离不变的条件下，着陆速度 越小，则允许的着陆重量越大。所以，在相同条件 下，飞机的着陆重心越靠后，飞机所需的着陆距离越 短，着陆重量越大。 有资料显示：对于Ａ３２０系列飞机，当使用前重 心（１５％ＲＣ）进行着陆时，其着陆距离应在基准重心 （２５％ＲＣ）的着陆距离基础上增加２％。

业内人士介绍，飞机在起飞前，机场配载室会根据旅客人数、行李重量、货物重量、航程所需油量、飞机自重等，计算出飞机的最大起飞重量、最大落地重量等重要数据，再计算出飞机平衡中心，做成载重平衡表交给机长。总的来看飞机巡航重心的变化，在满载情况下，最大起飞重量242吨的a330-300飞机航程较现有最大起飞重量235吨的a330-300提高约500海里（926公里）飞机巡航重心的变化，最大起飞重量242吨的a330-200飞机的航程较较现有最大起飞重量238吨的a330-200提高约350海里（650公里）。像美国贝尔206b-3最大起飞重量1，但是机动性不好，一般都是运输机采用，采用6片桨叶， 你图上这个飞机这种弯刀桨叶使用特殊材料制造 十分坚固 叶片很薄 相对直径较小，起飞重量越大的直升机，采用8片桨叶，起飞重量又涉及到桨盘面积。

／ｇ重心点位置 安全操纵要求（升降舵最大偏度十操纵裕度） 气动焦点位置 飞行阶段 最大过载时的升降舵操纵能力 ｌ。／ｇ重心点位置 复飞时的升降舵操纵能力 平尾不失速的最大操纵能力 极限攻角下的升降舵操纵能力 前起载荷要求（大起飞重茸） 主起载荷要求（大起飞重量） 安全操纵要求（升降舵最大偏度＋操纵裕度） 气动焦点位置 着陆阶段 １。／ｇ重心点位置 最大过载时的升降舵操纵能力 复飞时的升降舵操纵能力 平尾不失速的最大操纵能力 极限攻角下的升降舵操纵能力 ２．３重心包线的构建 飞机性能要求飞机重心往后，但从飞行使用、装 载和乘客乘坐方便性上又希望飞行使用重心范围越 大越好，因此飞行使用重心包线是飞行性能与操作 使用的权衡结果。一般情况下，在飞机性能和飞机 安全允许条件下，重心包线应尽可能宽，以减少对飞 机装载操作的约束和限制。 图１为重心包线典型示意图以及各边界线段的 万方数据民用飞机设计与研究２０１１年第２期 主要权衡确定方法。 线１：性能和装载权衡确定；线２：飞机实际重心位置确定； 线３：前轮载荷限制；线４：最大起飞设计重最；线５：主轮载荷 限制；线６：操纵能力限制（复飞和极限攻角飞行等）；线７：前 轮地面操控性；线８：最小飞行重量 图Ｉ重心包线示意图 ３如何设计好重心包线 设计好民用飞机的重心包线是提高民机使用经 济性和飞机操作安全性的重要环节，必须从飞机概 念设计时就开始重视，要设计好重心包线，主要应从 下列几个方面着手。

３．１使用空机重心位置 对于民用飞机来说，飞机有效载荷（商载和燃 油）在飞机起飞重量中占比较大（一般在４０％以 上），不同商载量（货物、人员和行李）、不同装载过 程和不同燃油加载及消耗将产生不同的飞机重心， 而重心包线应尽可能地包容这些重心点，使飞机在 使用中受到的装载限制尽可能少，而这些重心变化 的基础是使用空机重心，所以要控制好飞机的重心 包线，首先要设计好飞机的使用空机重心。 如前所述，飞机性能希望飞机重心越靠后越好， 所以在保证飞行安全的情况下，应尽可能把飞机设 计的使用空机重心往后，从而也使重心包线整体后 移。随着电传飞控技术的发展，这种趋势得到进一 步贯彻。较早的波音７３７系列飞机，使用空机重心 在２０％ＲＣ左右，而Ａ３２０系列飞机，使用空机重心 已后移至３０％ＲＣ左右，对于Ａ３８０这种新一代飞 机，据说使用窄机重心已后移至３５％ＲＣ左右。 ３．２平尾设计 平尾及升降舵是飞机实现纵向操纵的主要手 段。从重心边界约束要求可知，平尾及升降舵的操 纵能力、操纵效率及失速特性是飞机重心包线的主 要约束限制。若采用大尾容量设计，平尾的配平能 １０ 力强，重心包线将变宽，但平尾的结构重量也增大； 若采用小尾容量设计，平尾结构重量轻了，但由于配 平能力弱，重心包线将变窄，从而限制了飞机装载使 用。

6. 飞机装载及重心情况。一，操纵副翼可使飞机滚转. 机身——机身的主要功用是装载乘员，阻力也越大，飞机就是靠空气动力升空飞行的。为了实现对空中目标的瞄准，飞机不仅要有复杂的操纵系统，还要有可改变推力矢量的发动机，这是为了能在低速飞行中、在大迎角状态下获得足够的操纵力矩，因为在这种条件下，空气动力操纵面的效率几乎已降到零。

使用空机重心与重心包线对照表使用空机蓐心位置 飞行重心包线 Ａ３２０飞机 ＇Ｉ＇３０％ＲＣ １３％ＲＣ一４５％ＲＣ ＇跛音７８７—８００飞机 一２０％ＲＣ ５％ＲＣ＇－＂３６％ＲＣ ４结论 本文从重心对性能的影响，重心限制边界分析 以及如何设计好重心包线三个方面对重心包线的相 关内容进行了简要而较系统的分析研究。研究表 明，重心包线不仅仅是重量工作者对重心工作的计 算和分析，更是飞行使用安全的重要保护线，同时对 飞机性能和使用装载操作均产生不同程度的影响， 是飞机设计的一项关键而重要的内容，需要多专业 的共同努力。 （下转第５５页） 万方数据 许海峰：持续适航文件人为因素浅析 下，根据文件的描述执行维修程序以确保程序可靠 性的一种方法。持续适航文件验证的目的是确定操 作程序能否按文件中所写的内容安全有效地得以执 行。虽然部分制造商曾经进行过相关验证工作，但 由于验证工作的不系统性，验证人员与勤务人员在 自身特点、经验等方面存在较大差异以及验证的环 境、工装、设备等与航线实际情况不同等各种原因， 并不能表明其验证结果与实际航线情况一致。 但尽管目前验证还存在不少问题，制造商仍应 积极开展相关工作，并制定详细完善的验证程序和 流程，以确保操作程序的可用性。

当然，也并非所有 的维修程序都需要进行实际操作验证。出于安全、 经济等方面因素的考虑，除与安全相关或经常执行 的程序需进行操作验证外，对于一些与安全联系不 紧密或极少使用的操作程序，也可采用书面验证或 模拟计算等验证方法，并与实际操作验证构成一套 完整的验证工具。 ３．３构建问题数据库，跟踪并分析持续适航文件的 可靠性 对于一个飞机系统，收集和分析其在飞机运行 过程中的数据是判断其可靠性的一个重要方面。而 对于持续适航文件，建立一个包括所有用户问题报 告、问题处理情况以及其他后续信息的问题数据库， 对于跟踪文件的可靠性也至关重要。 大多数制造商都将用户的反馈作为持续适航文 件问题的发现机制。而在对用户提出的问题进行评 估及文件更改后，删除相关问题报告来表明已完成 问题处理。表面上看，文件的更改以用户提出的问 题为依据，修订后的文件又重新分发给用户，文件的 质量将逐步得到完善。然而，随着时间的推移，由于 数据的缺失，将很难对过去的问题进行跟踪，制造 商、运营人乃至整个工业方将不得不付出巨大的代 价来一次次处理相似的问题。反之，问题数据库的 建立，作为一种有效的质量控制方法，可帮助制造商 大幅减少相似问题的识别和验证所占用的资源。

《高端装备制造业“十二五”发展规划》将航空装备列为第一大重点发展方向，将以市场可大规模应用的重点产品研制为主线，重点加快推进大型飞机研制，大力发展系列支线飞机、通用飞机和直升机。通过项目的研制和应用，能够促进国家应急救援航空装备体系建设的跨越式发展，填补国内大型水陆两栖飞机的研制空白，形成具有自主知识产权的水陆两栖飞机设计研发技术体系，全面提升我国水面飞行器(包括水上飞机、水陆两栖飞机、地效飞机等)的设计和制造能力，促进通用航空产业和民机工业的大跨越。而关于俄罗斯新一代轰炸机的研制,维克多也表示,俄罗斯新型轰炸机即“远程航空兵的未来航空综合体”(pak da)将在2019年首飞,该机的研制是图波列夫设计局和喀山飞机生产联合体联合承担的专项计划,到目前为止未出出现延迟。