某型飞机水配重系统重量重心设计综述

摘 要 水配重系统是一种飞机纵向重心自动调节系统，能够实现飞机重心的自动调节，对于飞机不同重心的性能验证有着不可替代的优势，越来越多的应用于现代飞机的定型试飞过程中。本文主要介绍水配重系统的组成、基本设计要求和某型飞机水配重系统重量重心设计。

关键词 水配重系统;设計要求;重心设计;力矩平衡

引言

飞机飞行过程中随着燃油的消耗，飞机重心状态不断发生变化，试飞验证时通常需要保持在某一特定重心位置进行试验，常规利用铅块、钢板或者沙袋等固定配重来调节飞机纵向重心的方法，即使考虑到适航允许的允差范围，也只能进行非常短时的飞行，之后随着飞机重心的变化，飞行试验偏离基准状态，数据误差较大，已经无法用于验证需求，只能通过同一科目多架次的飞行试验来获取足够的试验点数据，极大地增加了试验成本。另一方面，飞机重心的前、后极限状态，经常是飞行科目的高风险点，多次的飞行也极大地增加了试飞风险[1]。

飞机水配重系统是一种飞机纵向重心自动调节系统，能够实现飞行过程中飞机重心的自动调节，使飞机重心长时间的保持在某一设定状态，对于缩短试飞周期，节约成本，降低试飞风险，保障安全有着不可替代的优势，越来越多的应用于现代飞机的定型试飞过程中。

1系统简介

某型飞机水配重系统示意图如下，主要由控制系统、电源系统以及重心调节系统组成。

（1）控制系统：控制系统是水配重系统的大脑，一般包括控制台、控制计算机、控制面板等组成。

（2）电源系统：电源系统是水配重系统的心脏，为整个系统提供能源，一般包括蓄电池、配电盒、线束等组成。

（3）重心调节系统：重心调节系统是水配重系统的功能机构，负责实现重心前后调节功能，主要包括水罐组件、电动泵、控制阀、流量/压力传感器、管路等组成。

2设计要求

（1）重量最优原则。最小的配重量达到最优的重心调节效果，同时整个水配重系统重量要求最轻，以尽量较小对飞机空机重量重心的影响。

（2）重心自动调节。根据飞机飞行姿态、燃油量、起落架状态、舵面状态等参数，并自动调节飞机重心状态至设定值。能够快速完成飞机重心调节，实时响应。

（3）安全可靠。系统设计安全可靠，系统故障时能够有措施可以使前后配重液达到平衡，不影响试飞安全。

3某型飞机水配重系统重量重心设计

飞机重心调节系统一般指的是飞机纵向重心调节，通常只考虑纵向（X向）重心的影响量。将飞机重量（）组成分为使用空机重量（，使用空机重量包含水配重系统除配重液外的所有固定设备重量）、燃油重量（）和水配重重量，其中水配重重量一般分为前配重（）和后配重（），则基于力矩平衡原理，飞机重量重心计算公式如下：

（1）

（2）

式中：

表示飞机纵向重心，m;

分别表示相应空机、燃油、水配重的纵向重心，m;

，重量重心乘积，表示重量矩，kg·m。

3.1  空机重心确定

按照CCAR-25R4第25.29条要求飞机空机和相应的重心通过全机称重的方法确定[2]，通过飞机姿态、前后测量点重量测量得到飞机空机重量和重心位置，计算得出飞机空机重量矩。飞机称重状态一般为起落架放下状态，各操纵面位于中立位置，起落架收放状态和舵面偏度对空机重心产生影响。以起落架放下状态为基准，飞机起落架收放对飞机重量矩的影响（）如下表。

舵面状态以中立位置为基准，评估不同舵面偏度对飞机重量矩变化量如下表。

则飞机任一状态的空机重量矩等于称重状态空机重量矩加上对应的不同起落架状态、不同操纵面位置的重量矩变化量。

3.2 燃油消耗影响

飞机燃油重量重心随燃油消耗变化而变化，同时飞行姿态的不同对燃油重心也存在影响，通过飞机油箱模型和试验数据得到某型飞机燃油曲线如图2所示。通过机上参数采集器可以确定任一时刻的机上的燃油重量和飞行姿态角，通过对燃油量和姿态角的两次差值计算可以得到飞机的燃油重量重心数据，从而计算得到飞机燃油重量矩。

3.3 配重计算

根据重量最优原则，为达到以最小的重量获取最优的重心调节效果之目的，应尽量在飞机前后远离飞机重心的位置选择合适地方作为飞机配重点，同时，为减小飞机重心的横向位移，以免对飞机横向操作性能造成影响，配重点选择时还需考虑左右对称布置。配重点的位置亦即水罐组件的安装位置。以某型飞机为例，通过对机上空间、设备布置的综合考量，其前配重点选择在机头段17-20框位置，后配重点选择在后机身段51-54框位置。

水罐组件位置选择确定后需要确定水配重的量，作为飞机水配重系统水罐组件的基本设计输入，以确定水罐组件的容积及数量。某型飞机重心前后边界22%MAC-30%MAC，经计算，某型飞机需要配重液1000kg才能满足飞机重心范围内的调节需求。水配重重量矩如下表。

3.4  重心控制和调节

将飞机重心计算公式、燃油耗油曲线数据、起落架收放状态、舵面偏度对飞机重心的影响量等预设至飞机重心控制计算机，通过对飞机姿态参数、起落架收放、燃油量数据调取，控制计算机自动完成对飞机重量重心计算，得到飞机的实时重心值。当飞机进行试飞科目飞行时，飞行员输入预设的飞行重心值，计算机对预设值和实时值进行比对，发送控制指令，控制调节系统中的电动泵工作，将水罐中的配重液进行前后调整，经过不停地迭代计算使实际值与预设值达到一致。

4结束语

本文主要介绍了某型飞机水配重系统组成、基本设计要求和重量重心设计过程，通过对飞机重心影响因素的分析，建立了合理的重心求解模型。水配重系统自动化程度高操作简单，能够实现飞行过程中飞机重心的自动调节，使飞机重心长时间的保持在某一设定状态，提高试飞安全性，在试飞验证中发挥着独特作用。

参考文献

[1] 付瑞.通用型飞机纵向重心自动调节系统的设计与实现[D].西安：西北工业大学，2007.

[2] 运输类飞机适航标准：CCAR-25R4[S].北京：中国民用航空局， 2011.

作者简介

周承前（1987-），男;工程师，现就职单位：航空工业通飞，研究方向：飞机重量与平衡控制。