卢欢 朱训宁 中国特种飞行器研究所

1 前言

飞机重量重心测定是对理论重量重心的验证，是飞机首飞及交付前的一项重要地面试验。测量结果的精度关系到飞行安全和飞机交付。然而，在对某型飞机空机实际重心测量中发现，飞机重心波动较大，有必要查明重心波动原因，优化测量方法，提高测量精度，以保障飞行安全。

本文通过对飞机重心测量方法的误差进行分析，找到了主要的误差源；基于误差分析的结果，对飞机重心测量方法进行优化。

2 飞机重心测量方法

2.1 测量方法分析

《飞机设计手册》推荐了两种常用的测量方法：千斤顶法和机轮法。某型飞机采用机轮法进行重心的测量。

机轮法是将机轮放置在三个秤上（分别对应前轮和两个主轮），第二种解析法[2]是将前轮抬高不同高度进行称重作业（见图1）。

在测量中，由于某型飞机纵向重心在主轮后方，所以要在前座椅处加配重保证平衡。

图1 飞机称重状态受力示意图

飞机姿态角为 αi、αi+1时，对O2求力矩：

式中：W，空机重量；Pn，前称净重；αi，姿态角；W配，前座椅上配袋重量；x配，前座椅上配重重心x坐标；y配，前座椅上配重重心y坐标。

联立以上两式得到：

将yc代入第1式得xc值，将称重坐标系下的重心坐标转换成机身坐标系下的重心坐标。

xt=2.080-xcyt=-0.215+yc

2.2 测量结果分析

用机轮法对7架飞机进行重量重心测量（见图2）。测量结果波动较大。尤其y 坐标测量值与理论设计值最大相差20%，不满足精度要求。

图2 重心测量结果统计

3 误差分析

3.1 误差源分析

测量工具的精度和人为因素将会导致测量误差。根据误差传播定律，重心yc的误差为：

可知影响重心测量的误差源主要包括飞机重量、配重重量、配重重心、俯仰角等测量误差。和配重相关的有6项，占总项目数的46%。

3.2 某型飞机重心测量误差分析

将测量数据代入重心yc的误差计算式中，分析各误差源的最大可能偏差。结果如下表1。

由表1中的误差分析结果，可发现：

1）表中1、2两项内容都是由前称造成的误差。经计算，前称造成的误差占总误差的22%。

表1 最大可能误差计算表

2）表中3～8项内容都是由于加入了配重产生的误差，经计算，占总误差的62%。其中，由于配重重心产生的误差（4、5、7、8）占总误差的55%。这是因为配重物为沙袋，每次需2～3个沙袋堆叠使用，存在较大的人为误差。

3）表中12、13两项内容都是飞机俯仰角测量值产生的误差。经计算，由飞机俯仰角测量值产生的误差占总误差的14%。

4 测量方法优化

4.1 优化策略

根据以上分析可知，配重的引入是导致某型飞机空机重心测量误差较大的主要原因，为此，考虑改变测量方式以取消配重。

以某飞机为例，其机体坐标系下的重心为（2.124，0.925）。若将飞机处于低头状态（见图3），且保证OW 连线在OY 的左侧，则W 在OXY 坐标系中的x 坐标大于0，飞机的重心在水平面的投影就在主轮和前轮的中间，称重时无需配重。

根据计算，飞机需要低头超过2.7°即可使重心在水平面的投影就在主轮和前轮的中间位置。根据飞机称重的要求，两个称重状态下飞机的俯仰角之差要大于5°[2]，所以，可以将飞机处于2.7°和7.7°两种低头状态下称重。

图3 某型飞机低头状态示意

4.2 改进后的重心测量方法

改进后的飞机重心测量方法具体步骤如下：

1）根据飞机称重方案检查装机状态完整。

2）根据飞机机轮位置关系放置磅秤。

3）安排人员托住尾撬，保证飞机安全。

4）将飞机抬至磅秤上，按需要放置轮挡。

5）根据以往称重重心计算出机头应下沉的高度，参照该值调整飞机状态，保证飞机平衡。

6）根据称重方案测量并记录相应数据。

7）继续降低机头位置，在满足飞机安全性的前提下可以尽量拉大两个称重状态俯仰角的差值，提高飞机称重的精度。

8）根据飞机称重方案计算飞机重量重心。

5 结论

1）配重是造成飞机重心测量误差较大的主要原因，占总误差的62%。使用两个低头状态进行测量可以消除这个误差，提高测量的精度。

2）前称净重对飞机重心测量精度也有较大影响，可以通过提高前称精度来提高测量精度。

3）飞机俯仰角测量需先在飞机座舱底部标记四个测量点，建议在生产过程中即完成四个测量点的标记工作。

4）新的测量方法提高了测量精度，但是要求称重操作人员注意人员和飞机安全。