受结构限制的运输类飞机最小离地速度试飞技术

张建，屈飞舟，刘静

(中国飞行试验研究院飞机所，陕西西安710089)

引言

最小离地速度(Vmu)是飞机能够安全离地并且继续起飞的最小速度，也是飞机在最大可用迎角条件下安全起飞达到的最低速度。按照民用航空规章要求，申请人选择的飞机抬前轮速度必须足够安全，即在审定的推重比范围内，使用可能的最大可用抬头速率抬前轮起飞条件下，飞机的离地速度都必须距离最小离地速度存在足够的速度裕度［1］，即不小于全发工作Vmu的110%，且不小于单发停车确定的Vmu的105%。所以，最小离地速度是制定飞机安全起飞速度的重要限制速度之一。因此，新研制的民用飞机必须进行最小离地速度试飞，确定飞机在整个推重比范围内的最小离地速度，验证飞机起飞速度是否满足规章要求，这对于民用飞机审定试飞意义非凡。最小离地速度是民用飞机最大性能起飞的试验机动，其试飞是在地面效应影响条件下飞机的低速大迎角试飞科目，试验难度大、风险高，因此对试飞技术提出了很高的要求。

民用飞机最小离地速度试飞根据飞机气动特性和结构的不同可分为受机翼失速限制、受俯仰操纵权限限制和受几何结构限制3种情况，ARJ21-700飞机属于受几何结构限制的情况。本文综合最小离地速度试飞经验，全面总结了受几何结构限制的最小离地速度试飞技术，对完成国内其它运输类飞机的最小离地速度试飞具有重要的借鉴意义。

1 最小离地速度试飞技术

1.1 一般要求

最小离地速度试飞的一般要求有:

(1)应当进行试验，确定飞机全发工作和单发停车条件下的最小离地速度;

(2)最小离地速度应当在飞机审定的推重比范围内进行确定，允许使用全发工作模拟单发停车的方法进行全部推重比范围内的最小离地速度试验，但需要考虑单发停车最小离地速度的相关因素(如单发条件下由于横航向操纵导致的阻力增加和升力降低、风车阻力等)，使用分析方法进行全发工作最小离地速度试验结果修正;

(3)对于受几何结构限制的飞机，在全发工作条件下，最大可用速率抬前轮的离地速度与最小离地速度之间的速度裕度可以降低到108%，单发停车条件下可降低到104%;

(4)如果认为是受几何结构限制的飞机，那么应当在全部起飞包线内均受几何结构限制，否则不能认为受几何结构限制，最小离地速度和最大可用速率抬前轮的离地速度之间的速度裕度不能降低;

(5)如果临界推重比状态的最小离地速度用于审定的全部推重比范围的最小离地速度，那么可以只进行单发停车和全发工作状态临界推重比的最小离地速度试飞。

1.2 最小离地速度试飞程序

飞机离地过程中的动力学方程为［2-3］:

式中，W为飞机重量;γ为航迹角;T为发动机推力;αmu为最小离地速度对应的迎角;φp为发动机安装角;CLmu为飞机以最小离地速度起飞时对应的升力系数;q为动压;S为机翼参考面积;Vsr为参考失速速度;CLsr为参考失速速度对应的升力系数。

据式(2)可知:在 αmu，CLmu和 CLsr保持恒定条件下，Vmu/Vsr与T/W呈线性关系，最小离地速度试飞的最终目标就是给出批准的推重比范围内的Vmu/Vsr与T/W的相互关系。

安全有效的最小离地速度试飞必须得到合理可行试飞程序的保障。图1给出了最小离地速度试飞的典型程序。

图1 最小离地速度试飞典型程序

一般情况下程序如下:

(1)需从批准推重比中间部分开始，确保飞机具有足够的爬升能力和操纵安全性;

图2 最小离地速度试飞最小推重比确定程序

(2)逐渐降低试验推重比直至最小推重比。最小离地速度的最小推重比按照图2所示的方法确定。飞机在场高300～800 m的范围内以预定的发动机转速和V2速度进行稳定直线爬升，计算爬升梯度，然后根据爬升梯度调整发动机转速，直至爬升梯度满足民用航空规章要求。对于双发飞机，规章要求在起落架收上阶段，以速度V2进行定常爬升的梯度不得小于2.4%;

(3)完成较大推重比的最小离地速度试验。当推重比增加到一定程度时，尾部触地到飞机离地之间时间很短，试飞员很难完成操纵调整，因此不可能完成直至审定的最大推重比的最小离地速度试验，但是，最小离地速度试飞需要演示的最大推重比应比全发工作最小推重比大0.1。

1.3 最小离地速度影响因素

最小离地速度试飞结果的影响因素比较复杂，其主要包括如下几个方面:

(1)地面效应:地面效应对飞机升力产生影响，从而会影响最小离地速度;

(2)起落架减振支柱:减振支柱伸缩量会影响飞机离地姿态。在较大推重比的最小离地速度试飞中，从尾部触地到离地的时间间隔较短，飞机离地姿态可能受到减振支柱压缩量的影响，从而影响最小离地速度;

(3)离地点道面平整度:跑道道面的纵坡或横坡会对机轮离地状态和离地点的判断存在一定的影响，从而影响最小离地速度，因此试验时希望飞机能够在较为平整的跑道部分离地起飞;

(4)起飞滚转姿态:飞机离地过程中，由于坡度的存在会对左右机轮的离地时间产生一定的影响。

大量的飞行试验结果表明:最小离地速度的精度大约在 ±2%左右［4］。

1.4 最小离地速度试飞驾驶技术

最小离地速度试飞的驾驶技术可概括为:

(1)飞机应当按照试验的要求设定襟、缝翼位置，飞机滑跑前，试飞员应当明确目标N1对应的油门杆位置;

(2)为了缩短飞机滑跑阶段的距离，最小离地速度试飞开始滑跑时，采用起飞功率，在一定速度时收油门到指定位置并尽早拉杆到后极限位置(一般情况下可选择表速120～150 km/h)，观察飞机抬头趋势;

(3)当飞机具有明显的抬头趋势时，可适当松杆，直到尾部触地。当飞机尾部触地时，适当增加拉杆力，确保尾部保持触地状态，直到飞机离地。飞机腾空后，以不小于离地的俯仰姿态使飞机爬升，直到脱离地效。试飞员应当根据经验和飞机自身特性确定松杆的时机和松杆量;

(4)应当加装能够为试飞员提供尾部即将触地和达到触地状态的信号指示灯，以避免飞机尾部与地面的撞击从而损坏飞机结构，同时为试飞员判断尾部触地状态提供参考(见图3);

(5)在最小离地速度试验过程中，可以使用稍大于正常配平设置的抬头配平，以便能够使飞机在更低的速度抬头，从而使飞机在尾部触地到离地之间具有足够的时间供试飞员进行飞机状态调整。

图3 飞机尾部触地指示信号

2 最小离地速度试飞数据处理技术

2.1 最小离地速度试飞成功准则

最小离地速度试飞属于高难度、高风险的试飞科目。统计结果表明，最小离地速度试飞满足成功准则要求的概率大约为30% ～40%，因此，试飞后首先必须表明试飞满足成功准则。受几何结构限制的运输类飞机最小离地速度试飞的成功准则为［5］:

(1)从96%实际离地速度到离地点，飞机的俯仰姿态不得小于尾部擦地姿态的95%;

(2)从96%离地速度直到飞机离地，飞机尾部下表面(尾撬)必须与跑道接触，而且触地时间要占到此时间范围的50%以上;

(3)从离地点到离地10.7 m处，飞机的俯仰姿态不得小于离地点的姿态，或小推重比时速度增加不大于10%;

(4)从起飞滑跑点到10.7 m离地高度处，水平距离不大于民用航空规章CCAR25.113(a)确定的全发工作起飞距离(不增加额外的15%)的105%。

2.2 最小离地速度试飞数据分析

轮速和起落架机轮轴载荷是确定离地点的重要参数，几个主轮轮速最大值最后一个出现的时刻可认为飞机完全离地。图4给出了最小离地速度试飞典型时间历程。由图4可知，飞机在离地过程中滚转角几乎为零，因而根据左右轮速判断的离地速度相差很小。图5给出了最小离地速度试飞带滚转离地的时间历程。由图5可知，此时飞机离地过程中左滚转角为3°，导致按照左右轮速判定的飞机离地速度相差约5 km/h，从而增加了最小离地速度试飞结果的分散度。图6给出了较大推重比(T/W=0.32)离地后姿态振荡的时间历程曲线。此试验中，推重比较大，飞机尾部触地到离地的时间间隔仅为0.2 s，为试飞员调整纵向操纵位移以维持飞机俯仰姿态带来了很大的难度，俯仰操纵量不能调整到所需要的位置，从而造成飞机离地后俯仰姿态减小和出现振荡现象。

图5 最小离地速度试飞典型时间历程(带滚转离地)

图6 最小离地速度试飞典型时间历程(T/W=0.32，离地后姿态减小并振荡)

2.3 最小离地速度数据换算

根据下式计算试验最小离地速度对应的升力系数，并换算到标准重心位置，同时可计算标准大气和标准重量条件下的最小离地速度［4］。

式中，CLsy，CLbz分别为试验重心及修正到标准重心位置的最小离地速度对应的升力系数;bA为机翼平均空气动力弦长;lt为水平尾翼力臂;CGbz，CGsy分别为标准重心和试验重心位置;Tzsy，Tzbz分别为试验状态和标准状态的发动机推力矢量法向分量。

3 结束语

通过对民用航空规章最小离地速度相关适航条款要求的研究，并结合ARJ21-700飞机最小离地速度试飞结果分析，研究了受几何结构限制的运输类飞机最小离地速度的试飞技术，掌握了最小离地速度试飞程序、试飞驾驶技术、数据处理和分析技术等一系列关键技术。此技术具有一定的通用性，为国内其它运输类飞机的最小离地速度试飞和制定我国自己的民机审定试飞指南具有重要的参考价值。

［1］CAAC．CCAR-25-R3 中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准［S］．中国民用航空总局，2001．

［2］黄太平．飞机性能工程［M］．北京:科学出版社，2005:30-35．

［3］张妙婵，张建，吴密翠．运输类飞机最小离地速度试飞数据处理方法［J］．飞行力学，2011，29(5):81-83．

［4］Slingerland R．Minimum unstick speed impact on horizontal tail sizing for jet transports［R］．AIAA 2005-815，2005．

［5］FAA．AC25-7B Flight testguide for certification of transport category airplanes［S］．FAA，2011．