某型民用客机燃油重量重心研究

赵士洋

【摘 要】民用客机燃油占据飞机总重的较大比例，燃油重量重心的变化对飞机的平衡及飞行安全有着重要的影响，计算民用客机的燃油重量重心变化是确定飞机重心变化的重要依据，本文对某民用客机燃油重量重心变化进行了初步研究。

【关键词】民用客机；燃油；重量重心

Research on the Fuel Weight and Fuel Center of Gravity of a Civil Aircraft

ZHAO Shi-yang

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Fuel weight occupy a large proportion of the total weight of the civil aircraft. The change of fuel weight and fuel center of gravity influence the safety and balance of the aircraft. Calculating the change of fuel weight and fuel center of gravity is an important basis to determine the center of gravity of the aircraft.The fuel weight and fuel center of gravity of a civil aircraft were studied in this paper

【Key words】Civil aircraft；Fuel weight and fuel center of gravity

0 前言

现代民用客机燃油箱主要采用整体油箱的设计，燃油一般贮存在机翼油箱以及机身内的中央油箱内，燃油重量占到飞机起飞重量的30%-40%左右（如波音737-300的最大燃油重量为17860kg，占最大起飞重量49190kg的约36%）。燃油重量重心的变化对飞机的操纵具有重要的影响，正确计算燃油重量重心的变化是确定飞机重心变化的重要依据。部分民用客机如，波音747、空客A330、空客A340，从全机的重量重心考虑，还在水平尾翼上设置配平油箱，配平油箱不直接给飞机供油，主要用来调整飞机的重心。

1 燃油箱模型处理

民用客机整体油箱的储油空间一般由油箱上下壁板、前后梁以及翼肋所包围的空间确定，并去除油箱内的翼肋、管路、设备以及相应的结构件。

目前民用客机主要采用法国达索公司开发的3D可视化建模软件CATIA进行结构设计。由于利用CATIA软件创建的模型只是飞机油箱的装配模型，因此需要对飞机油箱的装配模型进行相应的处理，以便将其转化为为油箱的实际载油容积，一般可以按照下列步骤进行：

1.1 创建燃油箱载油实体模型

为了获取客机燃油箱载油实体模型，可先创建一个恰好包围整个飞机燃油箱的基本几何体，具体方法是利用CATIA软件提取机翼上下蒙皮的外表面、两端翼肋的外表面、前后梁的外表面创建基本的曲面，获得大致的燃油箱外表面结构曲面。

由于民用客机燃油箱结构复杂，存在油箱口盖以及壁板之间的缝隙，且并不是所有油箱结构内均存储燃油等原因，利用提取方法获得的若干曲面尚不是一个封闭的曲面，无法直接利用封闭曲面生成实体模型，所以需要对所生成的曲面进行修补、剪切等操作，最终通过封闭曲面生成燃油箱载油实体模型。

1.2 从燃油箱载油实体模型中除去机翼结构、油箱内管路及设备所占体积

由于上述步骤中创建的燃油箱载油实体模型是利用油箱外表面提取面生成的，所以其实际体积比真实的载油体积要大，可利用CATIA软件的布尔操作从中去除燃油箱结构、油箱内管路及设备所占的体积，具体步骤为：利用已生成的燃油箱载油实体模型，利用布尔运算逐一去除燃油箱的上下壁板、长桁、口盖等结构件以及油箱内管路及设备所占的体积。由于布尔运算要求使用实体进行，所以在操作时应注意只利用机翼机构件以及油箱内管路及设备的有效的实体参与布尔运算。如在操作中遇到不能进行布尔运算的情况可以利用利用结构件的外表面创建相应的曲面，再利用曲面对燃油箱载油实体模型进行切割处理。

2 燃油重心定义

本文所述的民用客机的机体坐标系采用机身轴线为X轴，翼展方向为Z轴，高度方向为Y轴，燃油重心计算坐标系采用全机坐标系。

进行燃油箱内燃油重心的变化分析时，一般是基于飞机的平均气动力弦的来计算，平均气动力弦的相关信息由飞机总体设计专业提供。根据全机坐标系原点，测量出平均气动力弦前缘在X方向上距离飞机坐标原点的距离xm，然后计算出燃油X方向上的重心点距离飞机坐标原点的距离xf，根据下公式计算燃油重心位置：

上式中各参数代表的含义见图1所示，其中MAC为平均气动力弦长。

如果在CATIA建模软件中，飞机结构建模的坐标原点对应全机坐标系原点，则可在CATIA中直接利用上述公式（1）进行计算，如果两者存在差别，则需要再进行转化，以便得到全机坐标系下的燃油重心计算数值。

3 燃油重量重心计算流程

根据第2节中对燃油重心的定义，可以据此进行燃油重量重心的计算，本文建立如图2所示的燃油重量重心计算简要流程。具体步骤为：

（1）首先根据飞机的姿态、耗油方案以及全机坐标系确定计算状态。

（2）确定计算所需的输入数据，这些数据包含翼盒数模及其分界面、飞机结构重量及相应重心、飞机平均气动力弦数据（包含平均气动力弦长以及平均气动力弦前缘距离全机坐标系原点的长度）、燃油密度、理论载油量以及各油箱死油量。

（3）创建燃油箱载油实体模型，并在此基础上对载油实体模型进行修剪，以获得尽可能逼近真实飞机油箱内燃油的载油实体模型。

（4）根据燃油箱的耗油顺序构建切割载油实体模型的切割平面，如切割平面不能切割刀油箱实体，则需对切割平面位置进行调整，指导切割到载油实体模型。

（5）根据切割燃油箱载油实体，可以获得剩余载油实体的体积、重心等信息，如已知燃油密度，则剩余载油实体的重量也可得到。

（6）判断燃油是否消耗至目标燃油量，如切割平面显示剩余燃油量已达到目标耗油量，则可以结束切割，并根据前述每次切割的数据绘制出燃油重心变化结果；如果切割平面显示剩余燃油量尚未达到目标耗油量，则需向下继续调整切割平面，每次切割时的切割平面高度间距设定为 ，该数值越小，则切割燃油载油实体模型获得的重量重心变化的数据越精细。

以上为通过CATIA软件构建燃油箱载油实体模型，根据燃油消耗顺序手动进行燃油平面切割的操作。近年来部分学者通过对CATIA软件的二次开发，实现了在CATIA软件中自动切割燃油平面获取燃油重量重心的变化，摆脱了纯手工设定与切割操作的烦琐，另有部分学者通对燃油箱载油模型进行处理，生成STL格式的易于进行处理的数模格式文件，并结合OPENGL技术实现对油箱燃油消耗以及重量重心变化的研究，同时亦为燃油箱内油量传感器布置提供重要的参考依据。

4 计算结果

某民用飞机的燃油箱为三油箱构造，包含中央油箱、左外部油箱与右外部油箱，如图3所示。耗油顺序为首先消耗中央油箱内的燃油，再消耗外部油箱内的燃油，燃油箱加油量根据航程确定，优先给外部油箱加油。

图3 三油箱构造示意图

根据第3节中的燃油重量重心计算流程，获得随着燃油消耗的燃油重心变化结果见图4所示。根据结果可以看出，该民用客机燃油重心%MAC变化范围约为0%～41.8%，该值位于飞机的重心包线范围内。

图4 燃油消耗重心变化

5 总结

本文阐述了民用客机燃油重量重心对飞机的影响，介绍了在全机坐标系下对燃油重量的定义以及燃油箱结构模型的处理，最后给出了燃油重量重心的计算一般流程，以此计算流程对某民用客机的燃油消耗过程中重心的变化进行了计算，结果显示重心在飞机重量包线范围内。

【参考文献】

[1]刘志杰.飞机燃油质量特性计算研究及其软件开发[D].陕西：西北农林科技大学，2012.

[2]罗景锋，刘小锋，洪军.基于STL模型处理的飞机燃油质量特性计算[J].航空制造技术，2011年第1/2期：123-126.