中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司試飛中心 杜光明

空中最小操縱速度是確定飛機(jī)安全飛行速度限制(如VR、V2min等)時(shí)要用到的幾個(gè)基準(zhǔn)值之一，它的確定與飛機(jī)的操縱性密切相關(guān)，因此，飛機(jī)的空中最小操縱速度準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到飛機(jī)能否安全飛行。CCAR-25-R4對(duì)民用運(yùn)輸類飛機(jī)空中最小操縱速度提出了具體要求，如何正確理解條款規(guī)定、把握條款的內(nèi)涵成為準(zhǔn)確確定飛機(jī)最小操縱速度的基礎(chǔ)。同時(shí)，影響空中最小操縱速度的因素較多，本文在對(duì)非對(duì)稱推力狀態(tài)下飛機(jī)受力分析的基礎(chǔ)上，抓住影響空中最小操縱速度的主要因素進(jìn)行分析，并從飛行試驗(yàn)的角度，對(duì)空中最小操縱速度確定時(shí)的試飛方法、風(fēng)險(xiǎn)分析和安全措施進(jìn)行詳細(xì)介紹，并以某型飛機(jī)飛行試驗(yàn)結(jié)果為例，進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，為其他型號(hào)飛機(jī)空中最小操縱速度等非對(duì)稱推力試飛科目提供重要經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 條款要求和理解

民用航空規(guī)章對(duì)空中最小操縱速度的要求為CCAR-25-R4.149(b)、(c)和(d)條。

§25.149(b)界定了空中最小操縱速度VMCA的含義和目的，反映了飛機(jī)在起飛爬升期間出現(xiàn)非對(duì)稱推力狀態(tài)時(shí)飛行員需要面對(duì)的2個(gè)操縱性問題： (1)發(fā)動(dòng)機(jī)停車后立即恢復(fù)對(duì)飛機(jī)的操縱；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)停車狀態(tài)下保持飛機(jī)穩(wěn)定直線飛行時(shí)的操縱。

§25.149(c)和(d)對(duì)確定VMCA時(shí)的條件、驗(yàn)證內(nèi)容進(jìn)行了闡述。確定VMCA時(shí)主要考慮的條件包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、飛機(jī)重心位置、重量、高度、構(gòu)型等，VMCA試驗(yàn)時(shí)需要驗(yàn)證的內(nèi)容隱含了對(duì)上述2個(gè)操縱性問題的要求。條款同時(shí)對(duì)試驗(yàn)時(shí)方向舵腳蹬力、姿態(tài)變化、飛行員駕駛技能等提出了定量或定性的要求。

AC25-7B中還指出，確定VMCA時(shí)應(yīng)充分考慮燃油不平衡對(duì)橫向操縱的影響。

2 影響因素分析

在進(jìn)行VMCA試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)處于非對(duì)稱推力狀態(tài)，飛機(jī)所受側(cè)力、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩的平衡方程可以寫作(為簡化計(jì)算，假設(shè)Cnδa≈ 0、Clδr≈ 0、sinφ≈φ、cosφ≈ 1)：

側(cè)力方程

偏航力矩方程

滾轉(zhuǎn)力矩方程

式中：β為側(cè)滑角(°)；φ為滾轉(zhuǎn)角(°)；δr為方向舵偏度(°)；δa為副翼偏度(°)；Cnδa為偏航力矩系數(shù)對(duì)副翼偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Clδa為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對(duì)副翼偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cnδr為偏航力矩系數(shù)對(duì)方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Clδr為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對(duì)方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cyδr為側(cè)力系數(shù)對(duì)方向舵偏度的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cyβ為側(cè)力系數(shù)對(duì)側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°);Clβ為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對(duì)側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°)；Cnβ為偏航力矩系數(shù)對(duì)側(cè)滑角的導(dǎo)數(shù)，1/(°)。

(1)飛機(jī)重量和滾轉(zhuǎn)角。條款要求，確定空中最小操縱速度時(shí)要求滾轉(zhuǎn)角不大于5°。通常情況下，在飛行試驗(yàn)中，確定VMCA時(shí)滾轉(zhuǎn)角通常向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)3°～5°。之所以將滾轉(zhuǎn)角限定在上述較小范圍內(nèi)，是因?yàn)榭紤]到飛行員和乘客(如果是民航客機(jī))的感受和飛機(jī)在起飛時(shí)的幾何限制(起飛時(shí)滾轉(zhuǎn)角過大可能會(huì)使飛機(jī)翼尖觸地)。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、高度和溫度。進(jìn)行VMCA試驗(yàn)時(shí)，要求工作發(fā)動(dòng)機(jī)推力為最大推力。非對(duì)稱推力越大，保持直線飛行所需用的方向舵偏度越大或者要求的空速越高[1]。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)推力對(duì)空氣密度(高度)和溫度敏感，那么增加試驗(yàn)高度會(huì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的高度失效，相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)失效后方向舵效能的降低，非對(duì)稱推力會(huì)更小，實(shí)際的VMCA也會(huì)降低。

如果外界溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)推力會(huì)下降[2]，實(shí)際的VMCA也會(huì)降低。如果發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨空氣密度、溫度變化較多，實(shí)際的VMCA也會(huì)變化較大。這也是制造商在飛行手冊(cè)中要提供不同高度下VMCA隨溫度變化曲線的原因。

(3)飛機(jī)重心位置。飛機(jī)的縱向重心和橫向重心都會(huì)對(duì)VMCA產(chǎn)生影響。

縱向重心位置。在VMCA試驗(yàn)中，縱向重心通常為后重心，這是最嚴(yán)酷的重心位置。在后重心，從重心到方向舵?zhèn)攘Φ牧Ρ圩疃?，此時(shí)方向舵操縱效能最低。其他任何重心位置都會(huì)增加重心到方向舵?zhèn)攘Φ牧Ρ?，從而降低方向舵偏度或采用更低的空速來平衡非?duì)稱力矩。

橫向重心位置。橫向重心位置也會(huì)也會(huì)影響VMCA。如果飛機(jī)橫向重心向停車發(fā)動(dòng)機(jī)方向偏離，那么飛機(jī)的非對(duì)稱推力的力臂會(huì)增加，從而非對(duì)稱力矩也會(huì)增加，要保持直線飛行，必須增加方向舵或副翼偏度或提高速度，這都會(huì)影響VMCA。因此，AC25-7B規(guī)定，必須在飛行手冊(cè)允許的最大燃油不平衡狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)螺旋槳的狀態(tài)。對(duì)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)來說，如果發(fā)動(dòng)機(jī)失效后螺旋槳未能順槳，會(huì)產(chǎn)生更大的阻力[3]，從而產(chǎn)生更大的非對(duì)稱力矩，這就需要更大的方向舵偏度或更高的空速來平衡非對(duì)稱力矩。

(5)失速速度。有些飛機(jī)的VMCA會(huì)小于失速速度，如圖1所示，在飛機(jī)向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)5°時(shí)，飛機(jī)的VMCA一直小于失速速度，在這種情況下，可以采用換算的方法得到飛機(jī)向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)5°時(shí)的VMCA。

3 試飛方法和安全

3.1 試飛方法

試驗(yàn)狀態(tài)：飛機(jī)重量/重心為小重量/后重心；飛行高度為1～3km；飛機(jī)構(gòu)型：起飛。

發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)：臨界發(fā)動(dòng)機(jī)停車、其余發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛功率或按需。

試驗(yàn)步驟：

圖1 飛機(jī)重量和滾轉(zhuǎn)角對(duì)VMCA的影響Fig.1 Aircraft weight and roll angle have all effect on VMCA

(1)確定臨界發(fā)動(dòng)機(jī)。在給定速度配平飛機(jī),收一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)到慢車，其他發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛功率，保持機(jī)翼水平并維持航向緩慢減速直到方向舵滿偏，變化左、右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī),重復(fù)上述步驟，方向舵滿偏時(shí)需要較大速度的發(fā)動(dòng)機(jī)為臨界發(fā)動(dòng)機(jī)。

(2) 確定靜態(tài)VMCA。發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛功率，在1.13VSR配平飛機(jī)，臨界發(fā)動(dòng)機(jī)收到慢車或停車，按照下述操縱方法使飛機(jī)直線減速，直到出現(xiàn)下述現(xiàn)象之一：

飛機(jī)航向無法保持；方向舵腳蹬力達(dá)到667N(68kg，150磅)；方向舵或副翼達(dá)到滿偏；飛機(jī)沒有不正常的響應(yīng)(抖振、擺動(dòng)趨勢、機(jī)翼自動(dòng)傾斜、不能保持飛行狀態(tài)等)。

操縱方法：做直線飛行減速，保持機(jī)翼水平，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機(jī)橫向操縱性(向工作的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)壓20°坡度)。評(píng)定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

繼續(xù)做直線飛行減速，向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)3°，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機(jī)橫向操縱性(在原有滾轉(zhuǎn)角基礎(chǔ)上向工作的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)壓20°坡度)。評(píng)定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

繼續(xù)做直線飛行減速，向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)5°，維持此速度10s并做記錄。檢查飛機(jī)橫向操縱性(在原有坡度基礎(chǔ)上向工作的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)壓20°坡度)。評(píng)定方向舵余量和副翼沿坡度方向的余量。

恢復(fù)速度到1.13VSR(必要時(shí)可在更高速度開始試驗(yàn))，向停車發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)3°～5°，做直線減速，維持此速度10s并做記錄。

(3)動(dòng)態(tài)演示。發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛功率，在1.13VSR配平飛機(jī)，調(diào)整空速到稍大于上述確定的靜態(tài)VMCA，臨界發(fā)動(dòng)機(jī)停車，操縱飛機(jī)恢復(fù)到初始航向；要求航向變化≤20°，方向舵腳蹬力≤667N，飛機(jī)不得出現(xiàn)任何危險(xiǎn)的姿態(tài)，不需要特殊的駕駛技巧、機(jī)敏或體力。逐步減小發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)的速度，直到靜態(tài)VMCA或上述其他情況之一出現(xiàn)。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析和安全措施

(1)風(fēng)險(xiǎn)分析。按照相關(guān)規(guī)定，空中最小操縱速度試飛風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)?？罩凶钚〔倏v速度試驗(yàn)的主要風(fēng)險(xiǎn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)故障、機(jī)械故障、供油不足、長時(shí)間在低速大油門下工作；飛機(jī)失控：飛機(jī)失速或偏離；結(jié)構(gòu)破壞：出現(xiàn)大側(cè)滑狀態(tài)，垂尾或方向舵破壞；改出時(shí)超出飛行包線、超過飛機(jī)襟翼/起落架等結(jié)構(gòu)限制。

(2)主要安全措施。為化解或降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采取的主要安全措施為：

加強(qiáng)理論分析，包括風(fēng)洞試驗(yàn)、理論計(jì)算分析結(jié)果等內(nèi)容，要求對(duì)可能出現(xiàn)的復(fù)雜飛行狀態(tài)進(jìn)行全面理論分析并提供可行的解決方案；對(duì)機(jī)組人員的培訓(xùn)要到位，要完成模擬器演練；嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，保證試驗(yàn)的成功率。

保障條件要充分、到位。機(jī)組人員要相對(duì)固定，機(jī)組之間加強(qiáng)協(xié)調(diào)和分工；試驗(yàn)空域氣象條件要好，空域內(nèi)最好無高山和高大建筑物，人煙稀少；機(jī)務(wù)和場務(wù)工作按照Ⅰ類風(fēng)險(xiǎn)科目要求；加強(qiáng)對(duì)飛機(jī)的檢查；座艙內(nèi)加裝座艙顯示器。

循序漸進(jìn)進(jìn)行試驗(yàn)。加強(qiáng)試驗(yàn)前準(zhǔn)備和演練，試驗(yàn)前完成操縱系統(tǒng)地面試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)停車和起動(dòng)檢查；機(jī)組完成應(yīng)急離機(jī)地面演練；空中最小操縱速度試驗(yàn)前應(yīng)完成失速檢查、大側(cè)滑情況下飛機(jī)工作情況檢查、發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車和空中起動(dòng)檢查、非對(duì)稱推力狀態(tài)下飛機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性檢查，可以用發(fā)動(dòng)機(jī)小油門狀態(tài)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)停車來提高試驗(yàn)安全系數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)逐步增加蹬舵量，緩慢減速，密切觀察飛機(jī)反應(yīng)，遇到非正常情況立即改出；完成數(shù)據(jù)分析和飛機(jī)檢查，并形成可繼續(xù)飛行的結(jié)論后，方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

圖1所示為B707飛機(jī)VMCA隨重量和滾轉(zhuǎn)角變化數(shù)據(jù)[4]，這些數(shù)據(jù)基于飛機(jī)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，在1發(fā)停車、其余發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛功率、起飛構(gòu)型、1g直線飛行條件下計(jì)算得到的。從圖中可以看出：

(1)飛機(jī)向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)5°時(shí)，計(jì)算得到的VMCA低于相應(yīng)狀態(tài)的失速速度；

(2)飛機(jī)向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)時(shí)，VMCA隨重量增加而減??；

(3)在機(jī)翼水平情況下，VMCA不隨重量變化而變化，機(jī)翼水平狀態(tài)下的VMCA遠(yuǎn)大于向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)情況下的VMCA；

(4)在同樣重量下，隨飛機(jī)向工作發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)角度增加，VMCA逐漸減??；

(5)如果飛機(jī)向停車發(fā)動(dòng)機(jī)方向滾轉(zhuǎn)，VMCA將會(huì)大幅增加，且VMCA隨重量增加而增大。

5 結(jié)束語

在充分理解空中最小操縱速度相關(guān)規(guī)章條款和分析非對(duì)稱推力狀態(tài)下飛機(jī)受力的基礎(chǔ)上，著重研究了影響空中最小操縱速度的主要因素，對(duì)飛行試驗(yàn)中的試飛方法、風(fēng)險(xiǎn)分析和安全措施進(jìn)行了總結(jié)和歸納，為其他型號(hào)飛機(jī)進(jìn)行空中最小操縱速度等非對(duì)稱推力試驗(yàn)科目提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

[1] Anderson J D，空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).北京：航空工業(yè)出版社,2010.

[2] 劉永泉.航空動(dòng)力技術(shù)發(fā)展展望.航空科學(xué)技術(shù), 2011(4)：1-3.

[3] 鄭連興，任仁良.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)(AV)上冊(cè).北京：兵器工業(yè)出版社,2006.

[4] Harry Horlings.Airplane control after engine failure.AvioConsult,2005.