运输类飞机失配平起飞试飞技术研究

　　摘要：误配平起飞是适航标准中对误操作起飞验证的关键科目之一。通过对误配平起飞的动力学进行分析，得到了误配平起飞造成起飞特性改变的原因，结合适航条款的要求，对试验方案进行分析设计，给出了试飞方案的设计思路和试验结果对比方法。

　　本文源自科技创新与应用,2020(33):155-157.《科技创新与应用》杂志是经中国新闻出版总署备案的学术期刊。主管单位：黑龙江出版集团有限公司，主办单位：黑龙江省报刊出版有限公司、黑龙江省科学技术协会。

　　1、概述

　　飞行员在进行起飞操作前，需要按照快速检查单完成起飞前的各项检查操作。检查单内容众多，需要飞行员精力集中、密切配合，除进行起飞检查外，飞行员还可能需要处理各种突发事件。大量的检查工作、可能出现的突发事件都会导致飞行员在起飞过程中出现错误操作。其中，平尾配平值设置错误是较为可能出现的情况。

　　按照《中国民用航空规章》(第25部)规定，必须对服役中可合理预期的对于所制定飞机起飞操作程序的偏差(如飞机抬头过度及误配平情况)进行验证，不得造成不安全的飞行特性，或使按照程序制定的预定起飞距离显著增加。《运输类飞机合格审定飞行试验指南》中将“起飞距离显著增加”视为超过程序规定起飞距离1%的任何量值。

　　本文采用理论分析与实际试飞结合的方法，对飞行中可能出现的水平安定面误配平情况进行研究，给出了一套较为合理的试飞方案。

　　2、起飞过程的动力学分析

　　误配平试飞需要验证飞机起飞距离，故需要对飞机起飞过程进行分析。在地面滑跑过程中，飞机的运动方程可表示为：

　　式(1)中，W为飞机重量，T为发动机推力，D为气动阻力，Ff为摩擦阻力，LI、LII分别为机翼和平尾升力，φE、φR分别为发动机安装角和跑道坡度。气动阻力D主要有机翼、机身、平尾和发动机吊舱产生，在误配平试飞过程中，仅有平尾配平不同引起的气动阻力变化，且气动阻力随其配平角度增大而增大。

　　假定误配平形式为平尾配平不足，与正常起飞相比，由于误配平起飞时仅平尾的配平角度减小，可以认为发动机推力T不变，由机翼产生的升力LI不变。起飞过程中平尾升力的作用是产生抬头力矩，故LII为负值，平尾配平角度减小会导致平尾产生的负升力减小(LII增加)、气动阻力D减小。在地面滑跑阶段，平尾配平值的减小会引起飞机纵向加速度的增加。

　　飞机在离地过程中的动力学分析比较复杂。平尾配平角度的减小使飞机的俯仰操纵能力减小，飞行员可能会增大拉杆量以产生足够的抬头力矩。若配平不足导致俯仰操纵权限受限，飞机抬头力矩不足，可能会使抬前轮时间明显增加，导致飞机离地时刻的速度增大，离地姿态角变小，地面滑跑距离随之增加，减小的姿态角又会引起爬升段所经水平距离的增加，最终结果是因误配平导致飞机起飞距离增加;若俯仰操纵权限未受到限制，则增大的拉杆量可能会产生更大的抬头力矩，这时飞机的离地姿态较正常起飞可能会有所增加，其离地速度甚至可能会减小，姿态角的增加会缩短爬升段经过的水平距离，这时由误配平导致的起飞距离甚至可能减小。

　　通过以上分析，误配平后飞机在滑跑段和空中段的运动均与正常起飞有所区别，其导致的起飞距离变化不能通过简单的理论分析得到，必须进行试飞验证。

　　3、试飞方案设计

　　3.1试飞技术分析

　　误配平起飞的试验目的是检查飞机在与正常起飞程序相比可合理预期的平尾配平量值偏差时，不得造成不安全的飞行特性，且起飞距离不得“明显增加”。“可合理预期的平尾配平量值偏差”是指不会导致起飞形态警告的最大误配平，它应当计及起飞形态警告系统装配调整允差。误配平试飞应当在飞机重量、重心、机翼襟缝翼位置和发动机功率或推力以及误配平位置的最临界组合情况下开展，对飞行特性予以评估。

　　误配平起飞与正常起飞相比，其平尾配平量发生变化，飞机在起飞过程的操纵响应也发生变化。在以正常抬前轮速度VR抬前轮后，飞机的抬头速率、离地速度、离地姿态均与正常起飞不同，其起飞安全特性与起飞距离均与正常起飞存在差别。由于误配平量值属于“可合理预期的配平偏差”，因此在试验过程中试飞员应按照正常起飞程序执行操纵，若在试验时出现不安全特性，应立即中止试验。为规避试验风险，应当适当安排过渡架次，逐步达到最临界试验条件。

　　3.2试飞实施方案

　　在进行误配平起飞试飞之前，需要制定详细的试飞方案，提高试验效率，规避试验风险。可以从如下几个方面分析制定试飞实施方案。

　　3.2.1了解试验机状态

　　从设计资料和前期试飞结果出发，了解试验机的几何特性和气动特性。

　　在小重量、重心后限，平尾配平过度的试验状态，飞机离地时可能会产生过大的抬头速率，增加飞机尾部撞地风险，因此需要了解飞机尾部触地时的姿态角。

　　在最大起飞重量、重心前限，平尾配平不足的试验状态，由平尾提供的抬头力矩不足，飞机抬头过慢可能导致地面滑跑距离增加。因此需要了解飞机正常配平时的起飞滑跑距离，结合理论分析判断平尾配平不足是否会导致飞机冲出跑道。

　　3.2.2确定试验点

　　在进行试飞方案设计时，先要确定其试验状态。误配平起飞的关键是证明两种最严酷的起飞配平情况满足条款要求。对于重心前后极限位置随重量发生变化的飞机，需要对重量重心包线拐点处的重量重心组合进行分析，确定飞机误配平的最临界状态。若理论分析无法得到最临界状态，则需要对所有可能的重量重心及误配平组合进行试验验证。

　　一般而言，误配平起飞只需要对两种极限情况进行试飞验证。第一种情况是最大起飞重量、重心前限，平尾配平不足(平尾后缘偏至下极限位置)的试验;第二种情况是小重量、重心后限，平尾配平过度(平尾后缘偏至上极限位置)的试验。

　　3.2.3分析试飞风险，制定化解措施

　　误配平试飞的风险主要是平尾配平过度或配平不足引起飞机姿态响应的改变。配平过度会引起飞机抬头速率增大，可能会导致飞机以大迎角姿态离地，引发低高度失速现象，飞机离地角度过大可能会导致尾部触地，必要时可加装尾橇防护;配平不足会引起飞机抬头速率减小，导致飞机抬头无力，增加飞机冲出跑道或意外触地的风险。

　　误配平试飞要对飞机重量重心组合与平尾配平位置的临界条件进行试验，为降低试验风险，可通过循序渐进的方式开展试验，采用平尾配平角度逼近法或重量逼近法逐步逼近临界状态。

　　平尾配平角度逼近法是指试验中以重量为目标重量，平尾配平角度逐步逼近目标值;重量逼近法为，试验中平尾配平角度为目标值，重量由小到大逐步逼近目标。两种逼近方式都能起到降低风险、提高效率的作用，但是水平尾翼配平角度逼近法可以得出配平角度不同引起起飞距离的变化，进一步修正起飞配平误差允带的预定值，而重量逼近法修正误差允带预定值较为困难。因此，该试验最好选择平尾配平角度逼近法进行。

　　3.2.4试飞驾驶技术分析

　　起飞前应当按照试验的要求设定襟、缝翼位置，根据重心位置选取预定的水平尾翼配平角度。

　　在完成最大起飞重量、重心前限，平尾配平不足试验点时，当飞机达到抬前轮速度VR时，由于平尾配平不足导致飞机抬头能力减小，试飞员向后拉动驾驶杆时拉杆量应较正常起飞拉杆量大些(具体拉杆量应根据过渡架次的经验积累而定)。

　　在完成小重量、重心后限，平尾配平过度试验点时，飞机在起飞滑跑过程中，当飞机有明显抬头趋势且表速未达到抬前轮速度VR设计值时，试飞员应适度向前推动驾驶杆(具体推杆量应根据过渡架次的经验积累而定);当表速达到设计抬前轮速度VR时，试飞员适度向后拉动驾驶杆，操纵飞机完成起飞。

　　在操纵飞机抬前轮过程中，试飞员应当注意触地状态的信号指示灯，如果发现指示灯闪亮，应适当减小飞机姿态。

　　3.3试验成功判据

　　根据适航规章条款的要求，误配平起飞试验成功的标准如下：

　　(1)不得发生任何明显失速告警或者机体抖振。

　　(2)起飞场长不应大于程序规定的起飞场长的101%。

　　(3)飞机尾部或尾橇故意触地是不可接受的，不得出现不安全的飞行状态。

　　“不安全的飞行状态”应是飞机在起飞过程中出现的操纵响应的不合理变化。例如，在最大起飞重量、重心前限，平尾配平不足可能会使飞机主俯仰操纵权限不足或操纵杆力过大，也许不可能以正常速率抬前轮，导致抬前轮时出现过度滞后;在小重量、重心后限，平尾配平过度可能出现不易遏制的自动抬头倾向，这可能导致突然且快速的抬前轮，可能导致失速。试飞员在完成起飞试验后应对飞机的安全特性进行评估。

　　表1某运输类飞机正常起飞和误配平起飞试验状态

　　表2修正后试验数据对比

　　4、试飞数据分析

　　根据可接受判据的要求，选取试验中无失速告警、未出现不安全特性的试验结果进行分析，将结果与相同重量重心组合下的正常平尾配平试飞数据对比。

　　4.1试飞数据换算

　　表1是某运输类飞机某次正常起飞和误配平起飞的试验状态对比。由于两次试验的可能不同，其重量、重心以及试验温度发动机状态等条件有所差别，为了对误配平起飞和正常起飞的试飞结果进行对比，需要将两者的数据结果换算到相同条件进行对比。

　　标准条件下离地速度与实际条件下离地速度有如下关系：

　　(公式)

　　式(2)中，Vxz、Vsj分别为修正速度和试验速度，Gxz、Gsj分别为修正重量和试验重量，ρH为试验高度的大气密度，ρ0为标准条件大气密度。

　　对起飞水平距离的换算应分为地面滑跑段和空中段两部分进行。在地面滑跑段需要对大气条件、发动机推力、起飞重量、沿跑道方向风速、跑道路面状况和跑道纵向坡度进行修正;修正公式如下：

　　(公式)

　　式(3)中，Lxz、Lsj分别为修正距离和实际距离，K△、KP、KG、Kf、KZ、KW分别为大气条件、发动机推力、起飞重量、跑道路面状况、跑道纵向坡度和沿跑道方向风速修正系数。

　　空中段只需要修正大气条件、发动机推力、起飞重量、沿跑道方向风速，公式如下：

　　(公式)

　　式(4)中分别为空中段大气条件和发动机推力换算系数和沿跑道方向风速修正系数。

　　4.2试飞结果对比

　　利用上述修正公式将试验数据修正到113t、重心13.2%，温度20℃，风速分量为0m/s的状态，其试验结果如表2所示。

　　通过试验结果对比，可以看出，与正常配平相比，在起飞抬前轮的过程中，误配平试飞时试飞员拉杆量明显增加，这是由于平尾配平不足导致俯仰操纵能力减小，试飞员为保证飞行安全采取的操纵措施。尽管试飞员增加了拉杆量，在离地时刻其俯仰角速率仍小于正常配平的俯仰角速率，说明飞机俯仰操纵能力明显减小。由于正常起飞时拉杆到离地时间与拉杆量均小于误配平试飞，其离地俯仰姿态较小，导致其离地速度略大于误配平试飞，但地面滑跑距离仍小于误配平起飞，这是由于抬前轮时间(试飞员拉杆到飞机离地时间)增加，抬前轮阶段飞机阻力增加导致的，说明因配平不足导致的地面滑跑距离增加明显。

　　在起飞过程空中段，由于误配平时的起飞俯仰角更大，其爬升角明显大于正常起飞，故在空中段其所经水平距离较正常起飞更小，由于在空中爬升段所经水平距离减小明显，误配平起飞所经水平距离小于正常起飞水平距离，符合适航标准要求的“无明显增加”。起飞过程航迹对比见图1，从图中可以明显的看出，在爬升段，误配平起飞爬升角比正常起飞大，空中段所经水平距离明显减小。

　　图1正常起飞与误配平起飞航迹对比

　　5、结束语

　　本文通过分析误配平起飞的动力学方程，对误配平引起的飞机起飞过程变化进行分析。考虑到该科目试飞的特殊性，对其试飞技术和试飞实施方案进行了探讨，最后给出了误配平试飞结果与正常起飞结果的对比。本文可作为误配平起飞的试飞基础，为该类型的试验试飞提供参考。

　　参考文献：

　　[1]CCAR-25.运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局,2001.

　　[2]赵越让.运输类飞机合格审定飞行试验指南[M].上海:上海交通大学出版社,2003:10-12.

　　[4]黄太平.飞机性能工程[M].北京:科学出版社,2005.