民用飞机运行重心包线设计方法

连婷婷

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.002

摘 要：本文介绍了民用飞机运行重心包线的概念，详细阐述飞机运行过程中影响重心位置的各种因素，对取证包线进行削减，总结出民用飞机运行重心包线的设计方法，为民用飞机生产商及承运人从事配载平衡工作人员提供技术借鉴。

关键词：运行包线 包线削减 影响因素

中图分类号：V214 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0002-02

在各飞行运行阶段，允许使用的所有重心位置组成的区域边界线称为飞机的重心包线。民用飞机各型号的重心包线包括取证包线和运行包线。取证包线是型号取证时必备的重心包线，由飞机的最大滑行重量、最大起飞重量、最大着陆重量和最大零燃油重量，以及相应的重心限制组成。设计取证包线时，飞机设计师需考虑装载能力、结构强度、操稳特性和飞机性能四个因素，它们相互影响相互制约，所以取证包线是一个权衡的结果。飞机的重心位置在任何时候均不得超出取证包线的限制。

然而，在运行中存在很多因素影响飞机的重心位置，例如飞行中旅客移动、乘务员送餐、起落架收放和燃油使用等情况都会使飞机重心位置产生变化。为了保持飞机在任何情况下都不会超出取证包线的限制范围，需要建立运行包线。运行包线是由取证包线削减而来。在实际运行中，航空器承运人使用的重心包线为运行包线。

削减的内容包括运行中可能存在的重心移动和计算重心时的不确定量。包线削减量的确定方法是计算取证包线和可能出现的最不利的条件之间的差值而得出。如果飞机的重心时刻保持在取证重心包线范围内，飞机处于稳定状态。但重心位置不会恒定不变，当重心移动到取证包线边界的时候，遇到某些因素的影响，重心位置就会发生改变，极有可能移动到重心包线以外，使飞机处于不稳定状态。因此，需要计算出重心位置可能的改变量，在取证包线的基础上减掉改变量，最终得到运行包线。

1 包线削减使用公式

1.1 平均气动弦表示的重心

每一型号飞机机翼的平均气动弦是固定的，使用重心相对平均气动弦的位置来表示重心的位置。计算方程为：

式中，CG为重心相对机翼平均气动力弦的位置；HCG为机身坐标系下，飞机重心纵向坐标，即飞机的平衡力臂；HA为机身坐标系下，机翼平均气动力弦前缘点的纵向坐标；CA为机翼平均气动力弦弦长。

1.2 指数方程

飞机装载需要使用力矩的总和来决定飞机、商载和燃油的重心。指数方程用于简化舱单中表述力矩的巨大数值，设计舱单使用的指数方程的一般形式是：

式中，Index为重量指数；W为指数计算对象的重量；Y为指数计算对象坐标；Yidex0为指数基准点的坐标；C为指数缩小倍数；K为重量指数取正常数。

2 重心移动影响因素

在运行时，飞机上的一些物体相对于飞机的基本状态发生位移进而导致飞机重心位置发生改变的情况称为重心移动。

2.1 起落架收起

飞机起飞时，起落架移动对重心产生影响。首先设定起落架的基本状态，即收起或放下，其起落架放下为基本状态，根据《重量平衡手册》提供的起落架各状态下的重量和平衡力臂的改变量，计算起落架移动产生的力矩，对取证包线进行削减。

2.2 襟翼放出

飞机飞行时，襟翼的移动对重心产生影响。首先设定襟翼的基本状态，即收上或放出，其襟翼收起为基本状态。根据《重量平衡手册》提供的襟翼各状态下的重量和平衡力臂的改变量，计算襟翼放出产生的力矩，对取证包线进行削减。

2.3 飞行中人员与餐食的移动

飞行中人员与餐食的移动会导致飞机重心的位置改变。首先确定人员的基本状态：乘务员分别位于客舱前部和后部的乘务员座椅；旅客坐满客舱；餐车及食物位于厨房相应位置。然后列出人员与餐食移动的所有情况，例如：

（1）乘务员和餐车在客舱内移动（餐食服务）。

（2）乘务员在客舱内移動。

（3）乘务员从客舱移动到驾驶舱为驾驶员送餐。

（4）乘客移动到盥洗室。

（5）飞行员移动到盥洗室。

在计算对前（后）重心的影响时，应将以上情况产生的最大力矩改变量累加，并基于下列原则计算：

（1）各舱旅客使用许可的盥洗室，在此前提下使用最近的盥洗室。

（2）若厨房不在客舱同一方位，使用最近的厨房。

（3）机组使用距离驾驶舱最近的盥洗室。

（4）2个乘务员负责一个餐车。

计算人员与餐食移动对重心的影响所需数据来源于《重量平衡手册》，由于情况多样，因此在计算时需要根据客舱布局列出所需项目的重量及平衡力臂，然后计算人员移动对重心产生的力矩。

2.4 水的移动

飞机运行时，由于人员的使用，水从储水箱移动到废水箱，随着废水箱水量的不断增加，飞机的重心也随之改变。根据《重量平衡手册》提供的水箱与废水箱的位置和容积数据，计算水的移动对重心位置的影响。飞机的基本状态是：运行开始时水箱满水，废水箱无水。运行过程中，储水箱中15%的水量被消耗掉，其余的水从水箱移动到废水箱。

2.5 燃油使用

飞机在运行过程中重心随燃油消耗而改变，燃油使用对飞行包线产生影响。为确保运行中燃油重心曲线上的每一点时刻保持在飞行包线之内，需要计算燃油重心曲线在零油重量和起飞重量时，燃油使用对飞行包线的影响量。

3 计算误差影响因素

计算货物、旅客和燃油的重心位置时，如果货物密度相同且均匀放置在货舱内、旅客均为标准重量、燃油密度相同，可以按照货舱、客舱或油箱的几何中心来计算。但是，在实际运行时货物的密度和尺寸大小不一、旅客的人数和体重随机、不同机场燃油密度不同。因此无法确定重心具体位置，需要将计算时产生的误差作为削减量计算出来。endprint

3.1 货物装载

货物的装载位置不同会对重心位置造成影响。如果想確定全部货物的准确重心位置，需要知道每一件货物的重心位置，但是这种情况在实际运行中很难操作。由于在计算货物的重心位置时，用的是货舱各分区的平均重心，因此真实在货舱装载的重心会有一定的误差，若货舱分区越细，这种误差就越小。

3.2 旅客装载

使用不同的方法安排旅客座位对重心产生的影响不同。旅客装载对重心位置的影响取决于：（1）安排旅客座位顺序的政策；（2）分区数量；（3）航空公司关于旅客标准重量的政策。如需确定全部旅客的准确重心位置，需要知道每一位旅客的重心位置。尽管中航信离港系统可以通过旅客值机的实施情况来控制重心，但是在使用纸质舱单时无法确定每位旅客的重心位置。因此，在计算旅客的重心位置时，需要按照靠窗-靠过道-中间的顺序安排座位，同时将客舱座位分区，同货舱分区原理相同，客舱分区越细，误差越小。按“排”分区时削减量最小。

3.3 燃油装载

由于各机场装载的燃油密度有所不同，不同密度的燃油重心位置不同，因此燃油装载对飞机重心位置有一定的影响。

4 结语

本文介绍了运行中引起重心变化的几种影响因素以及计算包线削减量的方法，旨在探索民用飞机运行重心包线的设计方法。民用飞机在飞行过程中对重心位置的要求非常精确，在设计之初时就必须保证飞机在运行过程中重心落在规定的范围之内。这个规定的范围就是飞机的取证包线，然而，仅仅考虑取证包线的限制是不够的。在运行过程中，有很多因素会引起重心的变化，这些因素是必须要考虑的。每个航班在运行中，重心究竟怎样变化，变化了多少，是我们难以预知的。所以，我们需要将所有运行中影响重心的因素考虑到，计算出极限影响值，并对取证包线进行削减，进而得到运行重心包线。包线削减量过大会造成重心限制范围过小，会影响飞行操作，削减量过小则会造成飞行安全的疏忽。所以，运行包线设计也是一个各方权衡的结果。

参考文献

[1] Boeing Weight and Balance[EB/OL].https：//docslide.us/documents/boeing-weight-balance. html.

[2] 杨德林，张铮，刘曦.飞机配载平衡和装载过程优化的力学逻辑[J].航空科学技术，2014（2）：42-44.

[3] 张丽霞.航空货运飞机装载问题研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.endprint