商用飞机不可用燃油量确定方法研究

赵士洋

【摘 要】商用飞机不可用燃油量是影响飞机营运空重的一个重要因素，运输类飞机适航标准对不可用燃油量有专门的条款规定。本文对商用飞机的不可用燃油量的确定方法进行了研究。

【关键词】商用飞机；不可用燃油量

0 前言

AC25-7A对不可用燃油量的解释为：不可用燃油量为在飞机完成不可用油试验后，使飞机处于水平地面上，可以从燃油箱排液口排出的燃油量。

运输类飞机适航标准CCAR-25-R4第25.959 条规定：每个燃油箱及其燃油系统附件的不可用燃油量必须制定为不小于下述油量：对于需由该油箱供油的所有预定运行和机动飞行，在最不利供油条件下，发动机工作开始出现不正常时该油箱内的油量。不必考虑燃油系统部件的失效。

同时，运输类飞机适航标准CCAR-25-R4第25.1337（b）（1）条规定：每个燃油油量表必须经过校准，使得在平飞过程中当油箱内剩余燃油量等于按第25.959 条确定的不可用燃油量时，其读数为“零”。

由此可见，商用飞机必须按照适航条款要求来确定不可用燃油量，并根据确定的不可用燃油量校准燃油油量表，以确保飞机燃油量指示准确可靠。确定商用飞机不可用燃油量的适航验证活动也是围绕CCAR-25-R4第25.959 条与第25.1337（b）（1）的要求来进行的。

1 设计要求

由于商用飞机的突出载人、载物的需求，所以对飞机的整机重量有一定的要求，飞机的整机重量对航程与商载有着重要影响，商用飞机的设计师们也不遗余力地降低每一克多余飞机重量。不可用燃油量属于贮存在飞机油箱内且无法提供给发动机消耗的那部分燃油，属于营运空重的一部分，所以为降低营运燃油消耗成本，要尽可能地将不可用燃油量降至最低。在飞机燃油箱与燃油系统设计时，就必须制定最大的不可用燃油量指标，并按该不可用燃油量指标要求指导油箱结构以及燃油系统管路、设备的布置。

2 分析方法

针对飞机设计时确定的整机不可用燃油量指标，需要在基本确定油箱结构数模的时候进行不可用燃油量分析，以获取理论的不可用燃油量数值。如分析结果显示不可用燃油量小于等于设计给定的不可用燃油量指标，则可以进行下一步详细设计工作；如分析结果显示不可用燃油量远远大于设计给定的不可用燃油量，则需要重新考虑对油箱结构模型或燃油系统设备布置进行相应调整。

2.1 燃油箱载油模型

商用运输类飞机的燃油一般贮存在飞机机翼与机身内的整体油箱内。机翼与机身内油箱结构根据总体设计要求来确定，在结构专业设计出初步的燃油箱结构时，便可以根据油箱结构进行初步的载油量与不可用燃油量分析。

在进行载油量与不可用燃油量分析时，利用结构油箱数模，在商用建模软件CATIA中提取出油箱内膜面，再利用内膜面生成燃油载油部分数模。由于油箱结构复杂，包含肋板、口盖、长桁、壁板、油箱内管路及设备等众多部位，提取的油箱内膜面数量往往数以千计且曲面不规则。即使全部提取出这些内膜面，仍然是无法直接生成燃油实体模型，需要对众多局部细节进行修补方可生成。这部分内膜面的提取与修补的工作目前基本由人工手动完成，工作量极大，目前国内商用飞机设计单位尚未具备自动生成油箱载油部分数模的专用工具。

2.2 油面角确定

适航条款25.959条中对不可用燃油量的界定中提到了“所有预定运行和机动飞行”、“最不利供油条件”等关键词，申请人在试验与试飞时一般按平飞、爬升、下降、侧滑等飞机姿态来确定不可用燃油量，并以这四种典型状态下获得的最大不可用燃油量数值校准油量表。

飞机在垂直剖面内飞行时，飞机的倾斜角为0，同时在飞机倾斜方向上不存在过载，故倾斜方向上的油面角均为零。在垂直剖面内飞行时，飞机姿态主要有平飞、爬升及下降，相应的油面示意图分别如图1、图2和图3所示，图中所示的符号说明见表1。

表1 符号说明

2.2.1 平飞状态

2.2.2 爬升状态

2.2.3 下降状态

2.2.4 侧滑状态

侧滑状态下，可认为飞机在水平剖面内飞行，考虑按照倾斜带侧滑直线飞行时能够保持的最大倾斜角来确定燃油箱内的油面角。

在计算侧滑状态下的油面角时，考虑飞机按照起飞阶段、巡航阶段、进近阶段及着陆阶段等来进行计算，并考虑不同的飞机重量与飞机重心情况，从而得出在侧滑状态下不同组合情况下的飞机油箱内的油面角。

2.3 不可用燃油量计算

在根据2.1节获得燃油箱载油模型及根据2.2节获得燃油油面角后，即可利用获得的油面角与油箱载油模型分析获得理论的油箱不可用燃油量，一般的不可用燃油量计算分析步骤如下：

a）按2.1节所述，利用油箱内形面围成一个实体，去除油箱结构等所占体积；

b）按2.2节所述，通过飞机姿态和过载确定油面角；

c）根据发动机工作状态，确定供油系统不能抽吸的油面位置；

d）使用不可用油面切割油箱围成的几何实体，测量余下的数模体积；

e）相同原理根据放沉淀阀安装位置切割出不可放油量（不可放油量：无法通过油箱上的放油槽放出的燃油）；

f）用步骤d）中切割出的燃油量减去不可放油量即为不可用燃油量。

如下图4所示，为油箱内不可用燃油量分析示意图，该分析结果综合考虑了燃油箱载油模型、油面角、燃油泵及放油槽的安装位置等因素。

图4 不可用燃油量分析示意图

3 试飞确定方法

尽管可以通过理论分析计算得出飞机燃油箱的不可用燃油量，但最终的用来校准飞机油量表的不可用燃油量数据仍然需要通过试飞进行实际验证，特别是对油箱预计使用范围内确定的最大不可用燃油量及姿态进行试飞验证。试飞中应考虑以下一些因素：

（1）预期在飞机正常进近和着陆中出现的稳态侧滑；

（2）对于具有高速俯仰和横滚操纵能力的飞机，应考虑突然的机动动作影响；

（3）以最大加速率和能达到最大俯仰姿态的最大上仰速率复飞；

（4）燃油晃动对不可用燃油量的影响。

4 总结

本文对商用飞机不可用燃油量的概念及相关的适航条款进行了介绍，并重点介绍了不可用燃油量的理论计算方法，最后简要阐述了不可用燃油量试飞时需要考虑的相关因素。

【参考文献】

[1]AC25-7A运输类飞机合格审定飞行试验指南[S].美国运输部联邦航空局，1998.

[2]中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准CCAR-25-R4[S].中国民航局，2011.

[3]飞机燃油系统[M].上海交通大学出版社，2010.