[科普中国]-飞行载荷

简介

准确地确定一架飞机在设计环境下承受的载荷是实现精确设计流程中首要的关键环节之一。它的完成质量、进度及成本直接影响到飞机的设计质量和研制生产的进度、成本，最终影响飞机的市场竞争能力。

一架飞机，从滑跑、起飞、爬升、巡航、直至下滑、着陆，无时不在承受着载荷。这些载荷主要可分为二大类:一类为气动力载荷；另一类为惯性力载荷。决定载荷大小及分布的主要因素也为二个方面:一为大气环境；二为飞机自身特性。大气环境系指空气的温度、密度、压力、离散突风或者连续紊流(晴空紊流或风暴紊流)等等;而飞机的自身特性系指飞机的构形、重量、惯量、速度、加速度、飞行姿态等等，而这其中的许多方面又取决于驾驶员的操纵动作。在这众多的决定条件中，有些还是随机变化的。

飞行载荷专业工程师必须从这些繁杂的组合中，不仅仅要找出各个部件最大受载发生在那种情况之下，而且要确定它的大小及分布情况。因为机体结构的强度不仅与所承受载荷的大小有关，而且还与这些载荷的分布有关，因此对所提供的载荷大小及分布要求尽可能地反映真实情况。在给定的各种飞机构型下，载荷的分布还要受M数、迎角、温度和结构柔性等因素的影响，要使载荷分布完全符合实际情况是十分困难的，因此常采用偏保守的近似方法来确定载荷的分布。

问题在于：各个部件，甚至机翼、尾翼的各个肋位，前、后梁，机身的各个框位的严重受载并非同时发生，而是分属于多种飞行情况;而决定着这些载荷的条件又具有随机性。所以，必须要有一个设计标准保证严重受载不被遗漏，同时又不使结构过重以确保飞机的性能。这个设计标准就是飞机强度及刚度设计规范。飞机强度及刚度设计规范是集科研、设计、生产使用经验积累甚至飞行事故血的教训而制定的一套必须在设计中遵循的标准。

飞行载荷是飞机结构设计和强度计算的主要原始数据，它直接影响到飞机的重量、作战性能和飞行安全。选用合适的飞行载荷规范和可靠的计算方法，是获得合理、可靠载荷的重要条件。据资料了解，国外飞行载荷计算方法可分为两种。一种是针对已规定好的设计情况，按照给定的成套公式和大量的经验数据、图表，按飞机各部件进行载荷计算。另一种是按照飞机各种飞行情况，对飞机整体各部件同时受载进行计算，利用大量、可靠的气动力数据、飞机几何参数、速度包线、过载包线等，从求解飞机运动方程求出飞机各部件所受的载荷。两种方法各有特点。前者有成套的计算公式和经验数据，使用比较方便，但有局限性。后者规定合理但需要具备一定条件，如大量、可靠的气动力实验数据、可靠的计算和试验方法等等。目前，多数国家(包括我国)立足于后者。1

飞行载荷的确定设计规范选定之后，要确定一架飞机的飞行载荷，通常有几个重要环节：

首先，对规范的理解正确与否有着重要的意义。在正确理解的基础上，根据规范要求和工程设计经验选定飞行载荷计算的原始数据，例如:重量、‘质量、高度、设计速度、机动过载包线等等。在计算中，还需要利用大量的风洞试验或理论计算得到的气动数据。

其次，将规范中规定的要求抽象为一定的物理模型，并通过数学方法对此物理模型做出描述;求解这些数学问题则解决了飞行载荷计算中的第一大方面问题一飞机运动参数及各主要部件的总载荷。

再次，还需解决第二大方面的问题一即通过测压试验或理论计算求解出这些总载荷的气动分布载荷。

最后，求解出惯性载荷。只有在考虑了飞机每项质量的惯性力后，才能使飞机达到平衡。并将气动载荷分布、惯性载荷分布叠加求出“净载荷”的分布;再扫描这些堆积的、大量的(数万种之多)净载荷，筛选出临界载荷情况，作为强度设计的依据，使整个问题得以解决。

对于一架新设计的飞机，通过飞行实测来验证和修正全机气动力数据和某些飞行情况的载荷，也是现代飞机正确确定飞行载荷的一种主要补充手段和程序。

主要原始数据重量与重心飞行载荷计算要求从设计最小重量到设计最大重量之间的每一种重量。对于不同的使用状态以及装载条件，有不同的设计重量。即使在相同的重量、重心及载重量的情况下，也可以有多种装载方案(‘惯矩不同)。在载荷计算时必须覆盖这些情况，因而实际需要计算的重量分布方案是非常多的。绘制飞机重量重心包线，从中确定若干状态进行计算，基本上可保证受载严重情况不被遗漏。

气动构型在飞行载荷计算时，必须考虑飞机实际可能具有的各种气动构型。

速度与高度在飞行载荷计算时，选择的高度必须包括海平面和一些特定的高度(如马赫数限制高度)。在海平面至最大飞行高度之间再选择足够多的高度，然后与各利，速度组合形成各个计算状态。

气动力数据及压力分布数据飞行载荷计算所需气动数据及压力分布数据通常用下述几利，途径获得：

1）理论计算及工程估算；

2）风洞试验；

3）采用同类飞机的经验数据分析后确定；

4）飞行试验。

如果载荷的大小和分布是采用可靠的风洞试验结果或同类飞机的经验数据确定的，那么就可以认为这样确定的载荷大小及分布是可靠的，己经接近地反映了真实情况，否则就必须用飞行试验中的载荷测量结果予以证实。

其他数据进行飞行载荷计算时还需要一些其他的原始数据，包括发动机推力、几何外形、飞行包线、飞机部件设计使用状态及限制，各舵面的偏度限制。在进行飞机飞行载荷计算时候除应该保证各部件在正常使用状态下的强度外，有时还需考虑故障状态的强度要求。2

载荷筛选在民用飞机飞行载荷设计时，需要根据规范各种机动和突风的要求，对重量、重心、惯矩、速度、高度等多种组合进行计算，会得到数万种载荷情况，如果对所有情况都考虑时间历程中每个点的载荷，将使得载荷点的数目十分庞大，在工程实际中是不切实际、难以实现的。因此，需要从如此浩瀚的数据堆中，根据一定的原则对上述所有载荷情况进行筛选，得到有限的载荷设计严重工况，用以提供强度进行校核计算，这样既能保证不遗漏载荷的严重工况，又能大大减少计算的工作量。飞行载荷筛选使用了四种方法:设计点方法、参数分析与选择法、单值包线法以及组合包线法，其中前三种为经典的筛选方法，组合包线法是对经典法的补充。

设计点方法对于一个机动过程的时间历程，采用设计点的概念来选取典型的载荷特征点。设计点法用于载荷筛选的初选，以偏航机动的垂尾载荷为例，用垂尾的三个设计点来概括，如图所示。

参数分析与选择法在机动过程的时间历程中，按照极值(包含最大值、最小值)进行筛选，如过载系数、角速度、角加速度、飞机姿态角、操纵面偏角、尾翼载荷、无尾载荷等重要参数。对于纵向机动，筛选对象为过载系数、迎角、平尾偏度、升降舵偏度、俯仰角速度、俯仰角加速度、平尾载荷、无尾载荷等，而侧向机动，以侧滑角、方向舵偏度、偏航角速度、偏航角加速度、侧向过载、垂尾载荷等参数为筛选对象；滚转机动，以滚转角、侧滑角、副翼偏度、滚转角速度、滚转角加速度等参数为筛选对象。

单值包线法对计算的所有总载荷工况，在进行气动分布载荷和惯性力分布载荷计算后，对于翼面类部件按照肋位累计，机身类部件按照框位累计得出各个站位的最大剪力、弯矩、扭矩，绘制出单值包线图，以此筛选出严重载荷情况。

组合包线法为保证能筛选到局部站位载荷严重情况，采用了组合包线法进行筛选，对于机翼而言一般选取4~5个站位，机身选取20个站位，平尾和垂尾选取1~2个站位，这些站位主要是一些外形突变处、结构对接面、气动力突变处，机翼选取了翼根剖面、发房区、襟翼区、副翼区，平尾和垂尾选取了翼根站位，分别绘制选取站位处的剪力-弯矩、弯矩-扭矩、剪力-扭矩组合包线，选取所有边界点处作为严重工况进行校核。对机身而言，惯性载荷起主要作用，组合包线法挑选尤为重要，前起框、主起框、前段、中段、尾段框及一些结构对接框都需要选取。机身组合包线类型会更多，增加了侧向力、侧弯等组合。3