民机载荷分析与装载方案研究

朱昱燃

摘 要：载荷分析是计算飞机在飞行、着陆和地面操作过程中作用在飞机整体结构上的载荷。对于民飞机而言，研究载荷分析对于保证飞机飞行的安全性和可靠性具有极其重要的意义。本文从工程应用角度出发，阐述了民机整机结构的载荷分析基础知识，同时考虑到商载为飞机重量变化的主要因素，因此针对商载分布进行了详细的概述。通常在飞行过程中，确定商载分布情况是载荷分析计算的重要环节之一，本文最后进行了商载方案的探析，介绍了计算步骤、计算程序和极限商载情况处理办法，同时列出了不足之处，具有一定的理论指导意义。

关键词：民机;载荷分析;装载方案

0 引言

在现代民机的结构设计中，飞行安全一直研究的重点对象之一。为确保飞行安全，就有必要对整机结构进行受力分析和强度分析，确定各零组件的最大应力。为保证强度分析结果的正确性，需要确保载荷分析计算的准确性。因此载荷分析计算结果对于飞机设计具有巨大的应用价值[1]。

飞机的飞行过程非常复杂，会出现机动飞行、突风飞行、着陆等各种飞行情况，为保证飞机的安全，在上述情况下的载荷分析都很有必要。由于飞机结构在飞行过程中可能会发生振动或变形，大大影响着载荷分析的难易程度。本文通过参考《中国民用航空规章》第25部有关条例研究了民机整机结构的载荷分析，考虑到商载为飞机重量变化的主要因素，因此针对商载分布进行了详细的概述。最后完成了民机装载方案的探析。

1 载荷分析与商载分布

飞机的重量及其分布情况影响着载荷的大小，载荷分析必须考虑使用限制内可调配载重的任何实际分布情况。因此在载荷中必须选择数量够多的重量及其分布以保证不会遗漏载荷严重情况。

飞机重量主要包括空机重量、商载（乘客+货物）和燃油三部分。通常设计方案确定之后，飞机的空机质量为定值，商载和燃油为变值，燃油的重量通常与重心、惯性矩等有一定的对应关系，因此燃油重量通常可以估算，而商载是影响飞机重量的最大变数，同一架次的飞机在不同商载情况下会产生不同重心和惯性矩，使得飞机各零组件及机身结构处于不同载荷下。所以解决与载荷密切相关的重量分布是载荷分析最为重要的一个环节，重量分布是载荷分析计算的重要原始数据，严重影响着载荷分析结果。而重量分布的关键在于解决商载分布。

确定商载分布的步骤是基于商载定义及依据商载配置原则，利用飞机重量、商载包线图完成商载配置。

2 确定商载分布

飞机载荷分析时通常需要将是将商载分布作为输入，确定商载分布方法和思路如下所述：

以商载包线为基本约束条件，按照典型商载配置定义，对应不同飞机形态，以初始的某种商载分布计算出该商载下不含燃油重量的重心、重量和慣性矩。然后通过飞机的飞行状态、飞行高度与燃油量的对应关系计算出燃油重心、重量和惯性矩。然后再加入空机重量得到飞机设计重量。

这时需要设定一个重心位置的误差精度。设定方法如下：检查各点的纵向重心既不能超越飞机重心限制线，又要保证各点重心位置在误差精度范围内而且形成曲线的范围尽可能集中在飞机前重心限制线和后重心限制线。若不能满足上述条件，需要在商载包线范围内逐步调整其分布，循环往复上述操作，直到曲线上最靠近重心限制线的目标点出现，此点的纵向重心和前或后重心限制值的差符合预先设定的重心位置误差精度。

3 装载方案探析

3.1 计算步骤

本文总结出了以商载号为参照的飞机重心、重量、惯性矩的计算步骤，如下：

（1）定义飞机的重量特征及几何特征作为已知的输入数据，主要包括：最大设计滑行重量、最大设计起飞重量、最大设计着陆重量、 最大设计零油重量、空机重量、最大批准顶升 重量、最大商载值、最大燃油重量、最小余油、发动机耗油曲线即 飞机的重量随高度与速度变化曲线 ） 、平均气动弦长及其前缘点坐标等参数;（2）输入飞机重心、重量使用限制包线，该包线通常从总体设计和布置定义而来。飞行情况、地面起飞和着陆情况的不同可能影响重心使用限制线;（3）输入商载分布包线，该包线通常从总体设计和布置定义而来，如哑铃型和集中型商载包线;（4）依据各种典型商载配置、不同飞机形态、油密度开展商载号的定义工作;（5）根据不同飞机形态（起飞、飞行、着陆）和燃油密度，按典型商载定义计算各商载分布，可以通过编程使用计算机辅助完成计算分析;（6）以商载号为参照，计算出飞机重心、重量、和惯性矩数据，将数据处理后汇总，以表格的形式体现，其中燃油量需要包括零燃油、最小余油、最大燃油及不同飞行形态和高度下的燃油量，还需包括飞行设计重量减去空机重量与商载之和的燃油量等。

3.2 计算程序

为顺利完成3.1节的计算过程，除了需要应用商载分布程序，还需要开发下述几种专用程序：

程序1：已知连续质量分布，计算其重心、重量和惯性矩的专用程序;程序2：已知燃油量 ，考虑到飞机姿态角的情况下计算其分布、重心和惯性矩的专用程序，或者已知若干燃油量的重心、重量和惯性矩，计算其他燃油量的重心、重量和惯性矩;程序3：己知若干集中质量求其合重心、重量和惯性矩的专用程序，如己知各部件重量 、重心和惯性矩求飞机使用空重的重心、重量和惯性矩等。

当需要求出典型商载号为参照的飞机各种设计重量、重心和惯性矩数据时，只需以不同商载值进行循环，叠加使用空重和燃油量即可。

根据数据计算结果能够得到以商载号为参照的飞机重量与重心关系曲线图，反映出商载分布对飞机重心的影响;还能够得到以商载号为参照的飞机重量与飞机俯仰、倾斜、航向三个方向的惯性矩关系曲线图，反映出商载分布对飞机惯性矩的影响。商载分布对飞机俯仰惯 性矩影响较大，通常同一种商载下，不同飞机重量对俯仰惯性矩值影响很小;商载分布对飞机倾斜惯性矩影响较小，倾斜惯性矩大小通常取决于燃油分布;商载分布和燃油量对飞机航向惯性矩影响均较大。

3.3 极限商载情况处理

极限商载情况通常与飞机的重量重心、客舱的载重和布置情况和货舱的载重和布置情况相关。为了保证飞行安全，通常需要保证飞机装载完成后零油重心不小于临界装载零油重心，不大于重心后限。

当飞机起飞后发现有轻微超载这类意外情况时，机内相关工作人员应当参考重心包线，及时进行飞机的重心调整，如进行乘客及工作人员的疏散和货物位置的移动及清理、飞机活动面的运动、起落架收放等措施以保证飞行安全。

当飞机起飞后发现有较严重的超载现象时，驾驶员应当立即通知地面指挥控制中心，选择合适位置紧急迫降，同时完成货物清理进行减重。通常而言，在设计重心包线的基础上应当充分考虑实际影响飞机重心的因素，确定飞机的实际载重范围，同时留有充足的裕量。严格杜绝发生超载现象，起飞时驾驶员应当认真反复核实载重后方可起飞。

3.4 装载方案的不足

根据载荷分析计算情况最终需要制定装载方案。由上节可知不同的飞机形态和燃油密度 的以商载号为参照的飞机重心、重量和惯性矩数据已经提供了载荷分析所需要的全部装载方案。但是还存在不足之处：如何根据要求的载荷分析计算情况中合理选择相应的装载方案完成载荷分析计算。例如当飞机飞行中的机动情况和突风情况以及着陆情况和操作情况等都应当提前制定设计重量下各自不同的装载方案用于载荷分析计算。

4 总结

本文首先阐述了民机载荷分析的作用，然后针对载荷分析计算和商载分布进行了详细的概述，通常在飞行过程中，给出确定商载分布的方法，最后进行了商载方案的探析，介绍了计算步骤、计算程序和极限商载情况处理办法，同时点明了方案的不足之处。

参考文献：

[1]姚少波.重量方案和重量分布在飞机外载荷计算中的影响[J].科技创新导报，2017（33）：6+9.