重量方案和重量分布在飞机外载荷计算中的影响

姚少波

摘 要：重量方案与重量分布作为载荷计算的原始数据占有重要的地位，重量方案和重量分布是载荷计算的重要原始数据，各种规范对重量有着详细的规定，重量方案和分布的差异对载荷的结果有显著的影响，本文通过载荷计算过程的分析，探寻重量数据对载荷计算的影响。

关键词：重量 载荷 方案

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0006-02

1 概述

重量具体包含总重、重心、惯性矩等，在军标和民标（参考文献1）中对重量都做出了详细的规定。

1.1 军标中重量的规定

在飞机设计阶段，重心位置主要有结构布局、有效装载的分布和耗油顺序决定的，自然还应考虑飞行姿态、加速度和飞机弹性变形的影响。

在飞行载荷计算中，应考虑所有可能造成严重载荷的重量分布及装载方案。重量、重心包线上每一点对应一种重量分布和一组惯性矩、惯性积数据。在重量、重心包线上，凡是能对飞机总体或某一部位构成严重受载的计算点，都是应选取的严重受载情况。

1.2 民机中重量的规定

民用飞机飞行载荷计算原始数据与军用飞机类似，具体的规定了飞机的高度、重量、重心。民用飞机载荷计算用的设计重量是从最小飞行重量到最大飞行重量之间的所有可能导致结构严重受载的重量。

在民用飞机飞行载荷计算中，需考虑飞机重量、重心、惯矩等随高度的变化，这种变化主要是燃油消耗引起的。

民用飞机飞行手册中，对飞机重量、重心、最大载重等均有限制，在相同的重量、重心及载重量的情况下，也可以有多种装载方案（惯矩不同），不同的重量分布對结构总体及局部强度（主要是机身）的影响是不同的，必须覆盖这些情况。

2 重量方案的确定

对于大中型运输机来说，飞机设计重量由空机重量、商载（人员+货物）和燃油三部分组成。当飞机设计方案确定后，飞机的使用空机重量、重心、惯量及空机质量分布都是确定的，而当飞机燃油箱布置及加油、耗油程序确定后，燃油量与其重心、惯量以及燃油分布之间的一一对应关系也就确定了。影响全机重心、惯量的最活跃因素是商载。不同重量的商载会产生不同的全机重心、惯量。相同重量的商载因不同的商载配置也会产生不同的全机重心和惯量。而且就是相同的商载重量，相同的全机重心，由于不同的商载配置也会产生不同的全机惯量。为了从繁多的计算状态和可变的商载配置中选择尽可能少但又能满足载荷分析需要的商载配置方案，应进行典型商载配置，一般至少需考虑18种典型商载配置，同时还必须按起落架收上状态和放下状态分别对待。

3 重量分布的计算

重量方案应包括飞机总重、重心（规定的最前重心、最后重心及中间重心）、燃油重量及商载重量，这样重量方案确定后，需要计算空机重量分布、燃油的重量分布、机身的商载分布，最后将三项重量分布进行叠加，得出全机的重量分布。具体可以分以下4个步骤进行。

3.1 空机结构重量分布

由于空机重量大部分为结构重量，这一步相对简单，只是将机上的固定重量相加得出飞机的使用空重。

3.2 燃油重量分布

大中型运输类飞机的油箱一般都布置在机翼翼盒中，计算燃油自身重力对机翼产生的弯矩时可采用如下方法。

（1）简化列出翼盒截面面积展向分布表达式。

翼盒截面面积沿翼展的分布可近似的用一元三次多项式表示：

F（z）=mz3+nz2+pz+q （1）

式中，z为展向位置；m、n、p、q为未知量，需要计算得出。

（2）求解未知量m、n、p、q。

沿机翼展向取4个翼盒控制界面并建立方程组。

F1=mz13+nz12+pz1+q

F2=mz23+nz22+pz2+q

F3=mz33+nz32+pz3+q

F4=mz43+nz42+pz4+q

联立求解上述方程组，可以得到未知量m、n、p、q，将此未知量代入式（1）。

（3）燃油载荷分布计算。

油箱截面面积可以近似的用式（1）表示。对式（1）积分则得到油箱的体积分布表达式。

机翼油箱一般可能分为若干个，如中央翼油箱、中外翼油箱、外翼油箱等，因此应分布计算出每一个油箱对机翼产生的弯矩，还应考虑飞机实际使用过程中油箱的载油情况。

以图1为例进行计算。图1中，zt1和zt2分别表示油箱边界；Wf为此油箱的燃油重量；ι为整个燃油对zt1点的力臂；za1为翼根与zt1之间的任一点。

计算油箱单位体积燃油重量k1：k1=Wf/Vt （2）

对翼根和zt1之间任一点za1燃油产生的弯矩为： Mf=Wf（zt1-za1+ι） （3）

其中：ι=Wft1/Wf

式中，Mft1为整个燃油对zt1点的弯矩。

其余油箱燃油产生的弯矩计算方法同上。这计算弯矩的过程中自然得到机翼每一肋中的燃油重量分布。

3.3 商载重量分布

商载重量分布是全机重量分布的重点，因为方案确定后，空机重量和机翼燃油重量的重心和惯矩就已经确定，只有依靠不同的商载配置方案来实现全机不同重心和惯载的方案。

商载分布还必须考虑飞机地板的承受能力，将飞机地板的承受能力作为限制数据放入程序中，调整不同框上的重量分布满足预定的重心和惯载要求即可，这样就得到了商载分布。

3.4 全机重量分布

有了上述的使用空重分布、燃油分布、商载分布，将三者叠加即可得到全机的重量分布。

4 重量方案与重量分布对载荷计算结果的影响分析

重量方案与重量分布对载荷计算的影响可以分为三类：一是总重对总载荷的影响；二是转动惯量对载荷状态的影响；三是质量分布对净载荷的影响。

总重量G直接影响载荷的整体水平，因为按规范设计飞机过载基本确定，在重量越大飞机承受的载荷就会越大。

全机的转动惯量直接影响飞机的转动角加速度，在外界气动力矩一定的情况下，转动惯量越大，飞机的整体角加速度越小。

飞机的净载荷等于气动载荷与惯性载荷之和，气动载荷与飞机姿态及气动性能等有关系，而惯性载荷则与飞机质量和过载直接相关。飞机任一处的惯性载荷用下式计算：

Fyi=-（ny+△ny）×Gi （4）

从式（4）可见，当过载确定的情况下飞机的重量分布直接影响了飞机该处的惯性载荷，进而影响飞机的净载荷。

综上所述，飞机重量方案和重量分布直接影响飞机的载荷情况，合理可信的重量方案和重量分布即可以确保飞机的使用安全又可以确保飞机的性能，因此，在确定重量方案时一定要慎重。

参考文献

[1] CCAR-25-R4，中国民用航空规章 第25部 运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局，2011.endprint