DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.33.006
重量方案和重量分布在飞机外载荷计算中的影响①
姚少波
（航空工业陕飞 陕西汉中 723000）
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），不同的重量分布对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。
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+qF2=mz23+nz22+pz2+qF3=mz33+nz32+pz3+qF4=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
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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。
①作者简介：姚少波(1980—)，男，汉族，陕西汉中人，本科,高级工程师，现从事飞机载荷设计。
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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据处理程序设计思想是，首先根据预处理的加速度计校准数据的保存特点，分别提取各个加速度计的编号、校准频率点、各频率点处的灵敏度幅值和灵敏度幅值响应。再分析各加速度计灵敏度幅值响应的最大值，并判断其是否满足±5%的计量性能要求，给定频响测试结论。
加速度计幅值线性度数据处理程序，先是从预处理后的数据文件中提取加速度计的编号、各幅值测试点处的灵敏度值和幅值线性度，分析幅值线性度绝对值最大的点，判断其是否满足±3%的计量性能要求，根据判断结果给出线性度测量结论。图4为本系统的程序框图。
2017 NO.33Science and Technology Innovation Herald科技创新导报线性度的判定结果。数据结构清晰，结论明了，能够满足加速度计校准和证书出具的要求。
5 结语
为了提高大批量加速度计的校准效率和准确度，基于LabVIEW软件平台设计了一个加速度计校准数据处理系统。系统具有友好的人机交互界面，操作简单，设置参数少，方便实用。它能够依据加速度计的检定规程对加速度计校准数据进行处理，并通过分析判定给出校准结论，效率得到提高的同时避免了人为判定带来的错误。另外，系统还能够根据校准证书和原始记录的格式和数据要求，将数据处理结果保存在excel文件中，节省了校准证书和原始记录的出具时间，大大提高了工作效率，极大地降低了加速度计的校准数据处理工作量。
4 软件测试与应用
加速度计校准数据处理系统设计完成后，为了研究软件系统的性能，将系统用于某批次加速度计的校准数据的处理中，对校准数据处理系统进行测试。该批次加速度计含两个型号，6个轴，一个轴对应一个Excel文件，分别为编号131525传感器的X、Y、Z轴和编号为CA3ZYD220V-100-00009的X、Y、Z轴的数据。
图5为软件运行之后得到的数据处理结果。软件测试结果为得到一个excel文件，该文件内包含四部分内容，分别为参考灵敏度幅值数据、灵敏度频率响应数据、灵敏度幅值线性度数据和校准结论。其中各加速度计的灵敏度频率响应数据第一行为测量频率点，第二行为各频率点处的灵敏度幅值以及最大灵敏度幅值频响。灵敏度幅值线性读数据为各加速度值下的灵敏度值以及最大灵敏度幅值线性度。校准结论部分显示了系统对所校准加速度计的频响和
参考文献
[1] JJG 233-2008,压电加速度计检定规程[S].北京:中国
计量出版社,2008.[2] 张艳.计量检定与仪器校准的区分[J].科技致富向导,2010(8X):219.
[3] 朱蕾.压电加速度计规程修订后对振动量值溯源的影响分析[A].江苏省计量测试学术会议[C].2013.[4] 蓝伟威,符蓉,余璇,等.基于LabVIEW的荧光光纤氧传感器的信号处理系统[J].仪表技术与传感器,2014(5):1-3. [5] 何玉钧,高会生.LabVIEW虚拟仪器设计教程[M].北京:人民邮电出版社,2012.
(上接6页) 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
燃油Wzzιιzz zz图1 机翼油箱示意图
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
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.
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