运输类飞机地面最小操纵速度试飞研究

印帅

【摘 要】地面最小操纵速度是飞机起飞性能中的重要参数。本文以适航条款CCAR25.149（a） （e）为基础，分析了该条款对制定地面最小操纵速度的具体适航要求；系统梳理和归纳了该条款的符合性验证思路及表明对该条款符合性的飞行试验中需要关注的问题，可为民用飞机的地面最小操纵速度试飞提供经验参考。

【关键词】地面最小操纵速度；适航要求；飞行试验；符合性验证

0 引言

当飞机在起飞滑跑过程中发生单发失效时，单侧发动机推力产生一个偏航力矩，如果飞机的滑跑速度不够高，方向舵将不能产生足够的恢复力矩，在这种情况下，飞机将可能因此冲出跑道。因此需要制定一个速度，飞机不低于该速度时，单发失效后方向舵能够产生足够的恢复力矩克服因发动机失效产生的偏航力矩，使飞机能够恢复航向继续起飞，将该速度定义为地面最小操纵速度。地面最小操纵速度（VMCG）是指飞机在起飞滑跑过程中临界发动机突然失效时，仅使用方向舵操纵和保持机翼水平的横向操纵就能保持对飞机的操纵，并且利用正常飞行技能且脚蹬力不超过规定值能继续安全起飞的最小速度。本文对CCAR25.149（a） （e）进行研究和分析，明确该条款的适航要求，并结合某型飞机的适航验证试飞，详细描述试飞方法，归纳总结表明对该条款符合性的适航验证试飞中需关注的问题。

1 适航条款

1.1 条款原文

CCAR25-R4中对VMCG的相关要求如下[1]：

第25.149 条最小操纵速度

（a）在制定本条要求的最小操纵速度时，用以模拟临界发动机失效的方法，必须体现在服役中预期对操纵性最临界的动力装置失效模式。

（e）VMCG，地面最小操纵速度是起飞滑跑期间的校正空速，在该速度，当临界发动机突然停车时，能仅使用操纵力限制在667牛（68公斤；150磅）的方向舵操纵（不使用前轮转向）和使用机翼保持水平的横向操纵来保持对飞机的操纵，使得采用正常驾驶技巧就能安全地继續起飞。在确定VMCG时，假定全发工作时飞机加速的航迹沿着跑道中心线，从临界发动机停车点到航向完全恢复至平行于该中心线的一点的航迹上任何点偏离该中心线的横向距离不得大于9米（30英尺）。VMCG必须按下列条件制定：

1）飞机处于每一种起飞形态，或者按申请人的选择，处于最临界的起飞形态；

2）工作发动机处于最大可用起飞功率（推力）状态；

3）重心在最不利的位置；

4）飞机按起飞状态配平；

5）起飞重量范围内的最不利重量。

1.2 条款分析

第25.149条（a）、（e）条对地面最小操纵速度的制定提出了具体的要求。对该条款进行归纳，制定地面最小操纵速度时需满足以下几点要求：

1）制定地面最小操纵速度时使用模拟临界发动机失效的方法进行；

2）考虑飞机的每一种起飞构型，或处于最临界的起飞构型；

3）重量重心均处于最不利状态；

4）工作发动机处于最大推力状态；

5）飞机按起飞位置配平。

CCAR25.149（e）明确给出了确定VMCG的可接受的判据：

1）在VMCG操纵时，偏离跑道中心线的横向距离为9m，不需要特殊的驾驶技巧就能使飞机安全起飞；

2）纠偏过程中方向舵操纵力≤68kg（667N），使用机翼保持水平的横向操纵来保持对飞机的操纵，使得采用正常驾驶技巧就能安全地继续起飞。

1.3 条款演变

自1985年12月31日发布以来，CCAR25.149条款共经历过三次修订，其中与CCAR25.149（e）直接相关的是1995年12月18日的第二次修订版本。这次修订中，将“恢复对飞机的操纵”改为“保持对飞机的操纵”，目的在于强调说明在飞行演示中飞机不应出现脱离控制的状态，即不存在“恢复”的概念；修订同时将原有的“仅使用气动主操纵”明确为使用方向舵和横向操纵来保持飞机的操纵。

1.4 建议的符合性方法

建议的§25.149（a） （e）条款的符合性验证方法有飞行试验（MOC6）、分析/计算（MOC2）[2-3]。

飞行试验（MOC6）：通过地面最小操纵速度试飞，确定符合条款要求的地面最小操纵速度；

分析/计算（MOC2）：根据试飞确定的地面最小操纵速度，采用分析扩展的方法，获得任意高度任意温度下的地面最小操纵速度。

本文主要针对MOC6的符合性方法进行详细的阐述和分析。

2 试飞方法

2.1 确定临界发动机

按照CCAR25.149（a）的要求，在制定最小操纵速度时，用以模拟临界发动机失效的方法，必须体现在服役中预期对操纵性最临界的动力装置失效模式。AC25-7中要求“在开始最小操纵速度试验之前，应该通过试飞进行评定，以确定哪一台发动机的失效会产生最大的不对称偏航力矩（即，临界发动机）。一般，把一台外侧发动机推杆至最大起飞推力，而把相对的那台发动机拉杆至慢车推力，通过副翼或扰流板保持机翼水平，同时飞机减速直到方向舵全偏。变换左右侧发动机重新进行试验。把方向舵全偏时需要较大的最小速度来保持恒定航向的那台慢车发动机规定为临界发动机”[4-5]。

2.2 确定地面最小操纵速度

按照CCAR25.149（e）的要求，地面最小操纵速度试飞是在最临界的重量重心及规定的起飞构型下，在可用的最大起飞推力状态下进行的。

确定地面最小操纵速度的一般试飞方法如下：

将飞机设置为规定的起飞构型，并按起飞程序配平，机头对准跑道中心线，保持飞机停止在起飞线上；

设置双发油门杆为起飞工作状态，在预先选定速度上飞行员按压前轮转弯开关，使前轮转弯处于自由转向模式，仅利用方向舵控制飞机，其它操纵仅用于保持机翼水平；

在预先选定的速度（VEF）切断临界发动机燃油，飞行员感觉到飞机航向明显改变时全偏方向舵将飞机恢复到平行于跑道中心线滑行；

安排试飞时，每架次试飞的速度采用逐次减速逼近的方法，从较高速度开始，视情况逐渐降低速度，直到侧偏距离约9m为止；

用确定的VMCG进行演示一次继续起飞，确定飞机是安全可操纵的。

飞机的运行轨迹如图1所示。

3 试飞影响因素

3.1 受力分析

图2给出了飞机临界发动机失效后在地面滑跑过程中所受到的主要作用力，其中Fr为方向舵受到的气动力，Fv为垂尾受到的气动力，Fe为发动机推力，Mr、Mv、Me分别为对应的力矩。

定义力矩值向右为正。当ΣMZ=0时，飞机能保持航向，当ΣMZ>0时，飞机向右偏航，偏离跑道中心线，当ΣMZ<0时，飞机向左偏航，恢复航向。

3.2 重量重心

CCAR25.149（e）要求在制定地面最小操纵速度时，重量重心要处于最不利的状态。

按照图2的受力分析，Mr通过方向舵产生的纠偏力矩，为获得最临界的试飞结果，方向舵作用力的力臂值需最小。因此，条款要求的“重心在最不利的位置”为后重心位置。

条款要求飞机重量为起飞重量范围内的最不利重量。根据AC25-7C的建议，应在VMCG可能影响V1速度的范围内，以最临界重量，进行VMCG试验。

3.3 驾驶员操纵反应

在VMCG的试飞过程中，驾驶员反应时间是一项关键的影响因素。这里所指的反应时间主要是飞行员判定临界发动机失效的反应时间及判定发动机失效后施加脚蹬力到脚蹬到底的反应时间。在相同的临界发动机失效速度下，飞行员反应越快，飞机偏移距离却小；飞行员反应越慢，飞机偏移距离越大。根据咨询通告的建议，飞行员主要可以通过驾驶舱内部显示或者外界环境参考发现飞机航向发生明显的变化。

为准确体现试飞过程中飞行员判定临界发动机失效的反应时间及判定发动机失效后施加脚蹬力到脚蹬到底的反应时间，定义飞行员反应时间为临界发动机失效到方向舵脚蹬到底的间隔时间。适航条款和相关咨询通告中未对飞行员反应时间的稳定性提出具体的要求，但该值的稳定性直接影响地面最小操纵速度试验结果的稳定性。

因此在试飞前，应对试飞员进行相应的培训，以减少飞行员的响应时间误差；同时建议整个地面最小操纵速度的试飞由同一飞行机组执行，尽量保持飞行员响应时间的稳定性。

3.4 前轮轮载的设置

CCAR25.149（e）條款要求当临界发动机突然停车时，能仅使用方向舵操纵（不使用前轮转向）和使用机翼保持水平的横向操纵来保持对飞机的操纵，条款明确不能使用前轮转向来操纵飞机。为满足此要求，需在预先选定速度上按压驾驶盘前轮转弯开关，使前轮转弯置自由转向模式；同时为了尽量消除前轮对试飞结果的影响，将前轮抬至刚离开地面的临界状态，在此状态下，轮载约等于0，不对飞机的任何状态产生影响。

4 试飞数据处理

4.1 绘制时间历程曲线

绘制校准空速、发动机油门位置、发动机转速、横向偏移量、方向舵偏度、脚蹬力、脚蹬位移等参数的时间历程曲线，同时剔除脚蹬力大于68kg（667N）的数据；

4.2 绘制Vc～△y曲线图

针对每个试飞动作读出相应于发动机N1开始下降时的空速和飞机航向完全恢复至平行于跑道中心线航向的最大侧偏距离△y，绘制Vc～△y曲线图，确定侧偏距离为9m时的Vc，此时的Vc即为试验条件下的VMCG。

5 结论

VMCG是运输类飞机起飞性能的重要速度。本文分析了VMCG相关的适航条款CCAR25.149（a） （e），结合某型飞机的VMCG试飞，介绍了VMCG的试飞方法及试飞过程中应该注意的问题，为民用飞机表明对CCAR25.149（a） （e）的符合性而进行的地面最小操纵速度VMCG试飞提供参考。

【参考文献】

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

[2]中国民用航空局航空器适航审定司.AP-21-AA-2011-03-R4 航空器型号合格审定程序[S].北京：中国民用航空局，2011.

[3]Federal Aviation Administration.14 CFR Part 21 Certification procedures for products and parts[S].USA：FAA，2009.

[4]Federal Aviation Administration.AC25-7C，Flight Test Guide For Certification of Transport Category Airplanes[S].USA：FAA，2012.

[5]杨翠霞，程伟豪，等.民机地面最小操纵速度试飞技术研究[J].飞行力学， 2007，25（3）：75-78.

[责任编辑：田吉捷]