民用飞机振动与抖振适航符合性方法研究

2020-09-18贾春刘海明中国商用飞机有限责任公司民用飞机试飞中心

航空维修与工程 2020年7期

贾春刘海明/中国商用飞机有限责任公司民用飞机试飞中心

0 引言

飞机结构是一个弹性体的组合，各部件都有其固有模态特性，结构阻尼和气动阻尼较小，在飞机飞行速度包线内，任一速度下都会出现气流分离引起的机体抖振[1]。当飞机超过抖振边界后，在抖振区内，飞机操纵困难，严重时引起结构损伤和疲劳[2]，因此，确定抖振边界是保证飞机舒适性和安全性的重要验证科目。

FAR25.251[3]与CCAR25.251 条款[4]对飞机振动与抖振的要求基本一致。民用飞机的设计需满足条款要求，目的是为了确定在巡航状态下初始抖动发生时升力系数与马赫数组合的边界。本文通过对CCAR25.251 条款的详细分析，提出振动与抖振适航符合性验证方法。

1 振动与抖振条款分析

1）根据飞机升力系数与马赫数（M）组合制定飞机限制，以表明在任何给定的飞机重量、高度和M 数限制范围内，飞机能够按规定的法向加速度作机动飞行[5]。

2）飞行试验应保证不超过本节规定的限制范围，飞行试验也不应超过CCAR25 部C 分部有关结构的限制。

3）根据CCAR25.251（b）和（c）的规定，出现下列的振动和抖振就应认为是过度的：能引起结构破损或其作用一段时间后能导致结构疲劳的[3]；能引起驾驶员疲劳和烦恼，从而影响其对飞机运行和对飞机各系统进行操纵的；能影响飞行仪表可读性的。

4）依据CCAR25.251（d）的要求，在巡航状态时不允许有可以感觉到的抖振。为满足这一要求，需要在飞行手册中对重量/高度加以限制。在使用扰流板和其他高阻力装置时，允许的合理抖振量必须在本条（b）和（c）的要求内。

5）飞行手册中规定的初始抖振边界数据（在飞机合格审定的空速/M 数、重量、高度和载荷系数等范围内）在前重心边界应是可靠的判据。如用飞行手册中的程序修正到前重心，应制定驾驶员座位处的抖振标准，在没有这种标准时，应由驾驶员确定，一般建议法向加速度值为±0.05g。

6）当机翼流场等气动力外形发生变化时，飞机的振动和抖振特性也相应发生变化，需重新评价初始抖振边界和超过抖振边界的机动特征。

7）CCAR25.571 规定了飞机结构的疲劳和损伤容限设计准则，包括功能和可靠性的试验大纲，故需从疲劳观点对低于这种设计准则而出现的CCAR25.251（b）和（c）所述操纵问题的振动值进行分析。

8）在进行评价机动稳定性的试飞时，应先确定纵向机动特性，以保证飞机在巡航形态下可安全操纵和机动，且保证试飞员能预测飞机的俯仰姿态对纵向主操纵机构的响应。

2 符合性验证方法

2.1 验证方法

低速抖振边界将在失速速度试飞中予以确定。高速抖振边界将在高速试飞和整个M 数范围内的收敛转弯机动试飞中予以确定[6]，以便能够确定初始抖振时的升力系数CL 随M 数变化的曲线。

CCAR25.251 条款验证可采用分析/计算（MOC2）和飞行试验（MOC6）作为符合性方法，详见表1 所示。如果（b）、（c）、（d）、（e）条款已完成符合性验证，则（a）条款自动符合条款要求。

表1 符合性验证方法

2.2 试飞验证因素

CCAR25.251（b）：飞机应能以演示的飞行俯冲速度（VDF/MDF）在多个高度上飞行，高度范围从实用的最大巡航高度到最低的实际高度。飞行试验从最大使用限制速度（VMO/MMO）配平状态开始，推力不超过最大连续推力。飞机总重应为在巡航状态下实际能达到的最大重量，重心处于或接近前限。

在VDF/MDF速度上，还应进行高阻力装置（扰流器和减速板）打开试验以及反推力装置试验，试验速度应达到极限速度。对装有气动除冰套的飞机，应在VDF/MDF速度上将除冰装置接通和断开（如是自动的），或在不工作状态下进行试飞评定。如申请人要求在除冰装置接通时将VMO/MMO限制在一个较低值，则应表明在新的VMO/MMO+20%VDF速度上不会出现过分的振动或抖振。

CCAR25.251（c）：试飞飞机重量应与实际达到最大合格审定高度时的重量一致。

CCAR25.251（d）：以巡航构型的试飞中，在直到VMO/MMO的任一速度的直线飞行中不出现可觉察的抖振，以表明与CCAR25.251（d）的符合性。从临界重量和高度的初始组合（如果能达到，此时飞机距按CCAR25.251（e）确定的抖振起始边界有0.3g 的余量）开始满足上述要求。应在前重心边界使用名义巡航M 数建立此初始状态，并从初始状态开始使用最大连续推力将飞机在1.0g飞行中加速到VMO/MMO。如果需要达到VMO/MMO，下降飞行是可以接受的。