基于多体动力学仿真的运输类飞机“地面突风情况”适航符合性方法研究

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中航通飞华南飞机工业有限公司　广东　珠海　519040

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摘要：本文以某大型灭火/水上救援水陆两栖飞机方向舵操纵系统为例，介绍了一种计算“地面突风情况”动响应载荷的计算方法，从而给出了CS25.415地面突风情况的符合性方法。首先基于多体动力学仿真建立了考虑操纵系统弹性的多体动力学仿真模型，然后施加典型的风载，从而计算得出操纵系统的动响应载荷，调整操纵系统的弹性，可以获得动响应载荷随操纵系统弹性的变化规律。在此基础上结合规章要求和工程经验，总结了运输类飞机“地面突风情况”适航符合性方法。

关键词：地面突风;操纵系统;多体动力学仿真;动响应

引言：

飞机在地面停机或滑行时，可能遭遇地面突风，使飞机飞控系统舵面及相关操纵系统构件承受较大的地面突风载荷。根据飞机不同的设计特征，飞机有滑行时飞控系统锁死，滑行时飞控系统未锁及停机时飞控系统锁死等3种不同的使用情况。在这些使用情况下，地面突风载荷会传递至突风锁与舵面之间的结构上，而对于连杆或钢索等老式操纵系统，该载荷会一直传递到驾驶舱内操纵系统构件处。历史上也曾发生过，因为严重的地面突风载荷造成操纵系统内的隐性损伤，从而导致飞机事故的事件。

目前，CCAR25部中关于“25.415地面突风情况”的适航要求与FAR25部一致。但该两部法规对于飞控系统在承受地面突风载荷时，由于系统的柔度特性而造成的，比相应静载荷更高的动态载荷的没有提出明确要求，对于由于不同的设计特征，造成飞控系统在地面突风载荷下产生冲击载荷的情况也没有提出明确的要求。而这与“CS25.415 Ground gust conditions”条款有明显的区别。

目前国际上大型飞机的突风验证都采用了EASA规章的CS25.415条作为等效安全，该条款较FAA的对应规章更为合理，符合目前飞机的典型设计，较陈旧的FAA载荷条款更加提高了飞机的安全性，补充了需考虑的载荷情况。而CS25.415条给出的地面突风动态铰链力矩系数为1.2～1.6，对于飞机设计师来说，不经过研究直接取1.6的系数当然可以满足条款要求，但同时也造成了重量上的损失，因此研究动响应载荷的作用原理，取到合适的动载荷系数是设计师的迫切需求。

1. 操纵系统弹性对地面突风载荷影响分析

为了研究操纵系统弹性对地面突风载荷的影响，以某大型灭火/水上救援水陆两栖飞机方向舵操纵系统为研究对象，建立仿真计算模型，该模型把助力器作为一弹性体，并调整该弹性体的刚度，在舵面施加风载，经过仿真计算可获得弹性体上的载荷。

突风形状对突风载荷的影响较大，经过研究，参考CCAR25.341条中所述的突风形状比较合理，即1-cos形，考虑9.1米（30英尺）到106.7米（350英尺）范围内的突风梯度（T），33.33m/s的风速，载荷曲线如图2所示。

结构阻尼力与弹性恢复力成正比，比例系数一般取3%，即。

典型的载荷曲线如图3和图4所示，动响应载荷系数随操纵系统刚度的变化曲线如图5所示，拉杆变形与刚度的对应关系如图6所示。

从以上的计算可以得到下述结论：

1）考虑操纵系统的弹性对地面突风载荷的影响是必要的;

2）操纵系统的动响应系数与突风梯度T相关，T越小，动响应系数峰值越大。

3）操纵系统的动响应系数并不是随着刚度的增大而一直减小，而是随着刚度的增大，动响应载荷系数先达到一个极值1.6左右，然后再减小，当刚度达到一定值后，动响应载荷系数便对刚度不再敏感，基本维持在1.1附近。

4）满足方向舵操纵系统颤振要求时，对于TA600对应弹簧刚度为20E6Nm，对应无阻尼的动响应系数为1.2，有结构阻尼的动响应系数为1.12。大型客机一般带助力装置，所以，在满足颤振要求的情况下，突风锁开启时，舵面到助力器（或止动器）段操纵系统的动响应载荷系数取CS25.415条所要求的下限值1.2，可满足要求。

5）如果突风锁离舵面较近，即舵面到突风锁段的操纵系统刚度较大，则在突风锁锁定时该段可以不考虑动响应载荷系数。但同时也需考虑顺风滑行时，舵面遭遇地面突风的影响。

6）对于不带助力的操纵系统由于操纵系统的刚度较弱，动响应系数对操纵系统刚度较敏感，在未有详细分析的情况下，取1.6是合适的。

2.“地面突风情况”适航符合性方法

首先，根据CCAR25.415提供的公式计算限制铰链力矩H。其次，把带助力的操纵系统和人力操纵系统分开考虑，验证方法如下：

2.1 人力操纵系统

采用人力操纵系统的飞机通常是把人的操纵力通过拉杆或钢索传递到舵面，以克服舵面铰链力矩操纵舵面。在地面停放时，该类型的飞机通常采用突风锁或舵面夹固定舵面，但在地面滑行时必须打开突风锁或舵面夹。因此，该类型的飞机在突风锁锁住（舵面夹夹住）和打开的情况下均有可能遭遇地面突风。地面突风载荷的适用范围需分开考虑：

对于动态响应系数，CS25.415规定取1.6，在有详细分析的情况下可降低到1.2。经过分析认为，人力操纵系统的刚度一般较弱，若平衡地面突风载荷的止动器或突风锁离多面较远则需取上限1.6，若较近（比如在舵面上的突风锁和止动器）则可以取1.2。

注：1.操纵面上的载荷呈三角形分布，载荷峰值出现在机翼后缘。

2.Fmax—下列两种载荷：与25.397（c）中规定的单个驾驶员独立操作时的驾驶员最大作用力相应的载荷;与25.399（b）中规定的两个驾驶员同向施加的每个驾驶员最大作用力的75%相对应的载荷。

2.2 带助力操纵系统

对于带助力器的操纵系统分两种情况：1）在顺风滑行（即助力器正常工作）时，地面突风载荷在助力器部位形成反作用力，传不到助力器前面;2）在地面停放时，有突风锁的操纵系统，地面突风载荷在突风锁位置形成反作用力;无突风锁的操纵系统通常具备突风减缓装置，地面突风载荷在助力器部位形成反作用力。

对于动态响应系数，CS25.415规定取1.6，在有详细分析的情况下可降低到1.2。经过分析认为，带助力器的操纵系统，在满足颤振要求的情况下，助力器后的操纵系统刚度一般都较大，因此动态响应系数可取到下限值1.2，若此时又有地面突风减缓系统，在经过详细分析的情况下，动态响应系数可进一步降低到1.0。

注：1.操纵面上的载荷呈三角形分布，载荷峰值出现在机翼后缘。

3.Pmax—助力器最大输出力。

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].

[2] CS25 Certification Specifications for Large Aero planes[Z].

[3] R25 AIRWORTHINESS STANDARDS： TRANSPORT CATEGORY AIRPLANES[Z].

[4] AMC25.415 Ground gust conditions[Z].

[5] AC25-21 Certification of Transport Airplane Structure[Z].

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