金 鐳 劉友丹

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

影響民機飛行安全的因素很多，如結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力裝置、飛控系統(tǒng)、系統(tǒng)安全性工作及制造工藝等。事實上，眾多事故的機理分析表明，飛行過程中重心位置變化問題對民機飛行安全也十分重要。在民機設(shè)計時必須保證飛機在飛行過程中重心能夠落在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，否則將會嚴(yán)重影響飛行安全。當(dāng)重心落在容許重心的前極限之前，將會加大飛機在起飛和著陸時的操縱困難，甚至使飛機無法抬頭而出危險。同樣的，當(dāng)重心落在容許重心的后極限之后時，也會使飛機的俯仰穩(wěn)定性變壞，飛機不穩(wěn)，造成操縱的困難，甚至?xí)斐娠w行事故，因此務(wù)必充分重視重量重心問題。例如：每次航班的裝載情況不同，航空公司配有專業(yè)配重工程師進行裝載布置，目的就是為了保證飛行安全。

為了保證民機研制的安全性，重量重心的分配應(yīng)處于安全的設(shè)計狀態(tài)，適航規(guī)章對重量重心有明確的要求，但適航規(guī)章只是要求，不包括實現(xiàn)方法。本文將以運輸類飛機為例，圍繞重量重心適航規(guī)章要求開展適航性設(shè)計要求與符合性驗證方法研究工作，力求為國內(nèi)民機研制適航性工作提供參考。

1 重量重心分配基本概念

民用飛機重量分類復(fù)雜，對重量重心問題涉及的主要術(shù)語定義在表1中予以介紹。

表1 重量重心問題涉及的主要術(shù)語定義

2 重量重心相關(guān)適航條款和基本要求

以運輸類飛機為例參考國外某型飛機型號合格審定基礎(chǔ)，分析梳理重量重心相關(guān)規(guī)章要求，涉及主要條款和基本要求見表2。

表2 重量重心涉及的主要適航條款和基本要求

3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對重量重心的要求

3.1 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 HB7020-1998 《運輸類飛機重量分類》

HB7020-1998詳細(xì)規(guī)定了運輸類飛機所有構(gòu)件的重量分類，明確指出了適用于CCAR25部運輸類飛機，其它民用飛機可參照使用。該規(guī)范主要基于民機適航標(biāo)準(zhǔn)制定，對運輸類飛機各個構(gòu)件重量的劃分具有較強的指導(dǎo)性。

3.1.2 GJB2183-1994《飛機重量與平衡要求》

GJB2183-1994規(guī)定了飛機重量與平衡控制的各項要求。該規(guī)范對于設(shè)計和制造期間按合同的各項要求制訂重量與平衡控制大綱予以指導(dǎo)，同時能夠幫助確定飛機重量與平衡控制體系。該規(guī)范對飛機合同期間制訂重量與平衡控制系統(tǒng)文件提供了技術(shù)依據(jù)。

3.1.3 HB/Z324-1998《運輸類飛機重量與平衡設(shè)計》

HB/Z324-1998規(guī)定了運輸類飛機商載、空機重量定義與平衡設(shè)計要求。同時明確該標(biāo)準(zhǔn)適用于CCAR25部運輸類飛機，其它民用飛機可參照使用。該項標(biāo)準(zhǔn)給出重量的分類、飛機重量與平衡一般要求、商載的確定、空機重量等方面的技術(shù)內(nèi)容，為運輸類飛機重量與平衡的設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1.4 HB5862-1984 《飛機重量與重心公差》

HB5862-1984規(guī)定了設(shè)計定型后的飛機在生產(chǎn)過程中對空機進行稱重檢驗和沿飛機縱軸方向的重心檢驗。該標(biāo)準(zhǔn)為獲得準(zhǔn)確的飛機重量、重心實測值提供了程序上的指導(dǎo)，為控制飛機重量、重心變化的范圍提供了技術(shù)依據(jù)。

3.1.5 GJB2194-1994《飛機（含旋翼機）重量與平衡數(shù)據(jù)的報告格式》

GJB2194-1994規(guī)定了飛機重量分類及其相應(yīng)的重量與平衡數(shù)據(jù)的報告格式，通常與GJB2183-1994共同使用，為飛機重量與平衡數(shù)據(jù)處理提供了規(guī)范的指導(dǎo)。

3.2 國外相關(guān)技術(shù)文件

美國聯(lián)合重量工程師協(xié)會（SAWE，Society of Allied Weight Engineers）作為國際性重量領(lǐng)域研究專業(yè)機構(gòu)，在如設(shè)計準(zhǔn)則、程序等方面展現(xiàn)了一致性和專業(yè)性，并針對車輛、導(dǎo)彈、火箭、航空、航天、艦船頒布了推薦性的標(biāo)準(zhǔn)。其中，適用于民用飛機的標(biāo)準(zhǔn)如下。

3.2.1 SAWE RP1《飛機載重和平衡系統(tǒng)要求》

該項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了申請人在進行載重和平衡系統(tǒng)（OBWBS）適航合格審定過程中提交檢查常規(guī)的重量和平衡清單要求，同時要求OBWBS應(yīng)由清單系統(tǒng)作為支撐，并能夠檢查所有的重量特性限制。

3.2.2 SAWE RP6《飛行器重量特性報告的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系》

由于物體重量特性的數(shù)值完全取決于所選的坐標(biāo)系，工程設(shè)計人員必須對其重量特性數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系有一個精確的定義。為減小誤解且簡化坐標(biāo)系的定義，SAWE頒布的此項標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩套坐標(biāo)系：

“A”坐標(biāo)系：用于“飛行”的航空器或其他運輸工具。

“S”坐標(biāo)系：用于在地面上的物體。

該項標(biāo)準(zhǔn)目的在于減小由于坐標(biāo)軸系定義不合適引起的誤差和成本。由于該項標(biāo)準(zhǔn)的廣泛使用，SAWE還是建議在飛機設(shè)計初期還是盡量采用標(biāo)準(zhǔn)中的坐標(biāo)定義。

3.2.3 SAWE RP7《飛機和直升機重量和平衡控制系統(tǒng)》

該項標(biāo)準(zhǔn)為飛機和直升機的初步方案、概念設(shè)計、演示/驗證、生產(chǎn)制造、使用及重大改型等各階段提供了一套建立重量管理和控制的方法，包含了一系列的建議方法，用戶可以針對型號研制的不同需求進行剪裁。

3.2.4 SAWE RP8《航空器（包括旋翼機）重量和平衡數(shù)據(jù)報告格式》

該項標(biāo)準(zhǔn)為航空器（包括旋翼機）重量和平衡數(shù)據(jù)報告提供了必要的格式，給出了這些表格的原則，并配有填寫說明。同時，該標(biāo)準(zhǔn)還提供了與SAWE RP7相匹配的重量分組、詳細(xì)重量清單和報告格式。

3.3 與重量重心相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的小結(jié)

美國SAWE頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為飛機重量和平衡控制系統(tǒng)、坐標(biāo)選取、基本重量清單及控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)參考。

國內(nèi)重量和重心相關(guān)工業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從重量的分類（HB7020-1998）、要求（GJB2183-1994）、設(shè)計指南（HB/Z324-1998）、檢驗程序指導(dǎo)（HB5862-1984）及最終數(shù)據(jù)報告編制（GJB2194-1994）等方面均有詳細(xì)的要求。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從飛機工程研制角度出發(fā)為重量重心分配的實現(xiàn)提供了參考。與國外標(biāo)準(zhǔn)（如SAWE RP7）相比，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具體實施性較差，如何參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來保證研制過程中適航性的實現(xiàn)將在后文進行討論。

4 重量重心適航性設(shè)計要求和符合性驗證方法分析

本節(jié)將結(jié)合工業(yè)界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容，對§25.23、§25.25、§25.27、§25.29、§25.519(a)(b)、§25.1519等6個重量重心條款開展適航性設(shè)計要求和符合性驗證方法分析研究。

4.1 §25.23 載重分布限制

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.1.1 設(shè)計要求分析

4.1.1.1 §25.23(a)

本條中的載重分布指飛機的商載分布和燃油分布。燃油分布指燃油在飛機上各個油箱中的載油量。它受到燃油油箱布置、油箱大小以及飛機加油、耗油程序的限制。商載分布指飛機客艙的載客量、貨艙的載貨量及其分布。它受到客艙長度、貨艙長度和體積以及客艙、貨艙地板的線載荷、面載荷及總載荷的限制。燃油和商載除受到上述限制外，還將受到飛機總重量及其重心范圍的限制。飛機的使用空機重量、商載、燃油組成了飛機的總重量并決定了其總重心，飛機的總重量及其重心必須落在規(guī)定的重量、重心范圍之內(nèi)。

飛機的使用空機重量及其重心位置是一個確定不變的值，燃油和商載是可變的。只要飛機的油箱布置、油箱大小、加油和耗油程序一經(jīng)確定，燃油量和其相應(yīng)的重心位置是可以一一確定的。同一飛機總重也可因載油量和商載的不同分配而有不同的重心位置。例如，同一重量的商載，但不同的分布：一種商載分布在前貨艙，另一種商載分布在后貨艙，則就會得到重心位置相差甚大的結(jié)果。因此，在載重分布中商載分布將對全機重心產(chǎn)生較大的影響。所以，燃油和商載必須要有合適的裝載分布。特別是商載分布必須合適，才能使飛機全機總重和總重心落在飛機安全運行要求的重量和重心范圍內(nèi)，而不能隨意裝載飛機商載。

上面所述的全機重心范圍是指飛機縱向（水平）重心范圍。對于橫向重心的限制，應(yīng)符合適航規(guī)章中有關(guān)的規(guī)定。對飛機橫向重心影響較大的是燃油。因此，根據(jù)橫向重心限制的條件應(yīng)確定左右機翼油箱中最大不平衡燃油量。

4.1.1.2 §25.23(b)

載荷分布限制不得超過：

●申請人選定的限制；

●符合結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則和強度校核所使用的限制；

●符合本分部各項飛行要求的限制。

4.1.2 驗證方法

通常采用分析計算和飛行試驗的方法對§25.23條進行符合性驗證，且無單獨試飛項目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗證。

4.2 §25.25 重量限制

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.2.1 設(shè)計要求分析

4.2.1.1 §25.25(a) 最大重量

飛機的最大重量是一個極為重要的原始數(shù)據(jù)，它關(guān)系到飛機的性能、載荷、機場適應(yīng)性等飛機性能。一般應(yīng)確定飛機的最大停機坪重量（即最大滑行重量）、最大起飛重量、最大飛行重量、最大著陸重量及最大零油重量。以上這些飛機特征重量數(shù)據(jù)都是進行飛機性能、載荷、強度、機場適應(yīng)性等的分析、計算所必不可少的重量原始數(shù)據(jù)。

此外環(huán)境條件對于重量限制會有很大影響。例如機場的海拔高度和環(huán)境溫度對飛機最大起飛重量、最大著陸重量有很大限制。對應(yīng)于同一起飛、著陸場長，在不同的海拔高度和不同的環(huán)境溫度的機場，其最大起飛重量和最大著陸重量是不同的。機場的海拔高度越高、環(huán)境溫度越高，則飛機的最大起飛重量和最大著陸重量就越小。所以必須制定不同海拔高度和環(huán)境溫度條件下飛機的最大重量。

載重狀態(tài)對于重量限制也有一定影響。例如飛機的最大零油重量是使用空機重量和最大商載之和。確定了飛機的最大零油重量限制，也就確定了最大商載的限制。因此必須確定飛機安全運行的最大商載。

4.2.1.2 §25.25(b) 最小重量

最小重量是飛機載荷。強度計算中必須要進行校核的一個重要的特征重量。許多嚴(yán)重的飛行情況都是在最小重量下發(fā)生的，如突風(fēng)過載、后重心橫向飛行品質(zhì)等。所以必須要制定最小重量限制。

4.2.2 驗證方法

通常采用設(shè)計說明、分析計算和飛行試驗的方法對§25.25條進行符合性驗證，且無單獨試飛項目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗證。

4.3 §25.27 重心限制

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.3.1 設(shè)計要求分析

制定飛機在不同運行狀態(tài)的重心前限和重心后限，就確定了飛機的重心限制范圍。確定了縱向重心限制范圍也就確定了飛機的縱向重心包線。這些限制要求不得超過：

●申請人選定的極限；

●符合結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核要求所使用的極限；

●符合每項適用的飛行要求的極限。

4.3.2 驗證方法

通常采用設(shè)計說明、分析計算和飛行試驗的方法對§25.27條進行符合性驗證，且無單獨試飛項目，結(jié)合在有關(guān)條款中試飛驗證。

4.4 §25.29 空重和相應(yīng)的重心

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.4.1 設(shè)計要求分析

為了獲得飛機的實際重量和重心，每架飛機總裝后都必須進行全機稱重，確定飛機空機重量和重心。飛機全機稱重可按HB5862-1984《飛機重量與重心公差》進行。

在進行全機稱重時，飛機上一般應(yīng)當(dāng)裝有固定配重。但由于設(shè)計不當(dāng)使飛機的空機重心位置太前或太后而影響了飛機的裝載和飛行性能，且該飛機又已投入生產(chǎn)，同時更改設(shè)計會給生產(chǎn)帶來較大的不利影響，可采用安裝固定配重的方法調(diào)整全機重心，以利于在重量重心限制范圍內(nèi)裝載。但這必然會增加飛機的空機重量，減少飛機的有效裝載。

4.4.2 驗證方法

通常采用分析計算和地面試驗（稱重）的方法對§25.29條進行符合性驗證。

4.5 §25.519(a) (b) 頂升和系留裝置

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.5.1 設(shè)計要求分析

§25.519(a) (b)規(guī)定了臨界重量和重心組合情況下的頂升裝置的極限載荷，規(guī)定了飛機機體的系留接頭、系留點以及飛機機體傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造要求，要求其能承受相應(yīng)的載荷。

4.5.2 驗證方法

通常采用分析計算和地面試驗的方法對§25.519條進行符合性驗證。

4.6 §25.1519 重量、重心和載重分布

條款要求參見CCAR 25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（R4版）。

4.6.1 設(shè)計要求分析

25.1519作為重量、重心和載重分布的使用限制要求，應(yīng)將前述5條重量重心相關(guān)條款適航符合性驗證結(jié)果作為限制要求。其中：

載重分布要求：按飛機允許的重心范圍來配置機上的裝置物（包括固定重量、燃油、貨物、旅客、行李以及飛機上各種液體、氣體等）的重量及其安裝位置。

重量限制要求：必須制定的重量限制，應(yīng)包括對應(yīng)各種不同運行狀態(tài)（如停機坪、滑行、起飛、航路、著陸等）、各種不同環(huán)境條件（如高度和溫度）下的限制值。重量的限制項目，至少應(yīng)包含有最大起飛重量、最大著陸重量、最大停機坪重量、最大零油重量、最大裝載重量及其配置和重心范圍。

4.6.2 驗證方法

應(yīng)引用有關(guān)條款飛行試驗驗證結(jié)果對本條進行符合性驗證工作。因此通常采用符合性說明的方法 對§25.1519條進行符合性驗證。

5 結(jié)論

本文以滿足重量重心適航性要求為目的，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對運輸類飛機重量重心分配適航性設(shè)計要求和符合性驗證方法進行分析研究，提出了各條款相應(yīng)的設(shè)計要求與驗證方法建議，為民用運輸類飛機重量重心分配適航符合性驗證工作提供技術(shù)指引。