毛旭明

【摘 要】民用飞机的运行安全一直是民机设计重点。而关于飞机运行环境，尤其是对大气温度环境的研究是非常重要的一环，这不仅仅决定了民用飞机运行安全性，同时也是民用飞机能力的体现之一。本文通过对温度包线设计进行研究，包括温度包线基本要素，环境数据等，给出绘制原则，并与几种典型温度包线进行对比分析，确定方法的合理性，对民用飞机设计具备借鉴和指导意义。

【关键词】温度包线；温度数据；包线设计

0 引言

民用飞机温度包线作为飞机包线之一，是反映其对温度环境适应性的体现，同时也是影响飞机安全的重要指标。温度包线又称环境包线，因其反映了飞机运行过程中所能经受外界环境温度范围的能力，故称温度包线。高低温环境虽然是最常规的飞机运行环境因素，其重要性却不言而喻。高低温环境是飞机运行时时刻刻都面临的环境，极端情况下还会对飞机各个部件和系统造成严重的影响，如高温造成系统工作性能下降甚至故障，低温导致结构某些材料的能力下降和系统无法启动等等，若忽视对温度环境的研究，还会对飞机造成各种限制，影响飞机的正常使用。鉴于温度环境的重要性，需要在飞机方案设计阶段绘制温度包线，并为飞机性能、结构、动力装置、系统或机载设备等设计的提供输入[1]。温度包线的制定，不仅来源于市场的需求，同时还受到飞机运行所可能经历温度环境的影响，合理的设计温度包线，不仅能够在现有设计能力范围内最大化的降低研发设计的风险，同时也能最大化提高飞机的竞争力，由于飞机作为一个多学科集成的高科技产品，其研发周期长和风险较大的特点决定了温度包线设计的重要性。

本文通过温度包线实例，分析温度包线的基本要素，研究温度包线的设计方法，选取相关温度数据和机场高度信息等，给出包线绘制原则，并与几种典型的温度包线进行对比分析，为今后的民用飞机设计提供支持。

1 民用飞机温度包线分析

民用飞机温度包线，需要反映出民用飞机使用的环境，包括温度和压力高度。民用飞机温度包线包含这几点：a）包线是温度和压力高度的曲线；b）包线可以直接反映出飞机运行所经历温度的高温和低温极值范围，以及飞机的运行高度范围；c）包线还需要反映飞机起降的温度及高度范围。

首先根据温度包线所包含的几個要素，确认飞机的升限，选择合适的大气温度数据，以及机场的高度等，这些数据是设计温度高度包线的基础。飞机升限，由于不是温度包线所确定，本文将不包含飞机升限如何确定的内容，默认在温度高度设计时已知。温度数据根据飞机拟运行区域等，对相关标准分析，选取所需的数据，同时引入大气模型。飞机起降限制主要依据飞机运行所需要覆盖的机场高度来给定。

2 温度高度包线设计

民用飞机运行区域通常需要根据市场定位确定，可选取国内或世界范围的数据[3][4]进行温度包线设计。本文使用MIL-HDBK-310标准中世界范围地表温度数据以及世界范围大气环境的温度数据。

根据《飞机设计手册》中第5册民用飞机总体设计里关于飞机环境的建议，地面大气压力应在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和59.5kPa（8.63lbf/in2）（海平面以上4300m）之间。飞行环境大气压力应在108.8kPa（15.78lbf/in2）（海平面以下610m）和17.8kPa（2.54lbf/in2）（海平面以上12500m）之间。依据这部分指导意见，本文大气环境数据高度方向上只列出16km以下的温度极值。

将MIL-HDBK-310全球范围1%时间风险率的大气温度高、低温极值的部分数据罗列如下，并计算出相应的压力高度，见表1。

将1%时间风险率的对应压力高度的温度高低温极值在温度高度坐标系中给出，温度点分布见图1。

为了更好的分析使用数据，引入5种标准大气温度模型[6]，并与温度极值进行比对，见图2。这5种大气温度模型是在针对不同区域气温的均值制定的，其温度变化率在温度包线设计中可提供参考价值。

首先假设市场的需求将飞机的升限定为40000ft。根据图上高温和低温极值分布，对照标准大气模型，可以看出高低温极值分布分别与热带高温均值模型和极地、温带低温均值模型的变化趋势基本一致，大气环境温度极值适用于定义飞机飞行边界，采用ISA+35线以覆盖所有高温极值边界。需要注意的是，因为参照了国际标准大气模型，ISA+35只适用到36086ft高度。0压力高度附近低温极值为-61℃，且高于0压力高度，取0压力高度处的低温极值为-62℃，高空温度极值出现的最低值为-74℃（16km高度低温极值记录-86℃偏离均值模型较大，且出现在较高的高度，可不予考虑），综合分析取-74℃作为飞机飞行环境低温极值，参考极地低温均值模型恒温转折点，将包线低温极值转折点定为35000ft，高于此高度的温度恒定为低温极值-74℃。连接这两点形成低温边界以覆盖所有低温极值点。

需要说明的是，低温极值边界没有根据极地低温均值模型绘制，假如为了包含所有低温极值点，会导致低温边界极值远低于低温极值数据，且大气模型属于理想情况下的绘制的曲线，其存在“拐折”的特点，使得目前尚无法通过已有数据确定较合理的转折点，因此为了包线涵盖所有低温点以及包线便于设计和应用的角度考虑，采用连线方式形成低温极值边界。

下面考虑飞机地面的温度极值，根据MIL-HDBK-310中地表温度极值数据分析，55℃为60年一遇的地表高温极值，高于1%时间风险率高温极值，综合考虑采用55℃作为0压力高度高温极值。鉴于DO160中对于低温耐受温度为-55℃，与10%时间风险率极值-54℃接近，故可采用-54℃作为0压力高度低温极值，高温极值边界参考标准大气模型，采用ISA+40？C线作为地面高温极值边界，低温极值根据极地低温均值模型，以及保守考虑将-54℃温度线作为地面低温极值边界。起降高度上限根据目标航线所覆盖的最高机场高度来给定，假定拉萨贡嘎机场作为运行的高高原目标机场，其海拔高度为3600m。一般情况下航空产品设计推荐使用1%时间风险率气压极值[5]。MIL-HDBK-310中1%时间风险率大气压极值数据如表2所示，根据气压模型公式以及线性内插法[4]获得3600m高度附近的大气压高压和低压值近似为677kPa和588.4kPa，对应的气压高度分别为10741ft和14289ft，考虑后期适航验证，可将飞机起降上限定义为13500ft，起降高度下限可采用MIL-HDBK-310高气压极值1083.8kPa对应的气压高度为-1873ft来给定，取整-2000ft。

根据以上原则绘制出最终的民用飞机设计温度包线，见图3。

3 溫度包线与各机型对比分析

如下给出典型飞机的温度包线[2]，见图4。

从图4所示温度包线可以看出，本文所绘制的温度包线所包含的基本要素与现有机型的温度包线相类似，能够完整的反映飞机气压高度和温度的限制。

如典型的温度包线所示，高温极值线几乎都是与世界范围飞机升限以下1%时间风险率高温极值走势相同，而高温极值边界线“不约而同”的在一定高度出现“台阶”，佐证了本文中包线“台阶”的合理性，但是包括样例在内的很多机型温度包线的“台阶”所对应的高度各有不同。低温极值边界线多采用直线绘制包含几乎所有飞机升限以下1%时间风险率低温极值。升限如前所述，为温度包线的输入，因此不再深入探讨，起降高度上限可以推断是根据目标机场高度来定的，因此存在不同的高度设定。起降高度的压力高度均在0压力高度以下，数值有所不同，典型温度包线将-2000ft定为起降高度下限，本文中描述的方法与之吻合。

4 结论

本文通过对相关标准，环境温度数据的研究，根据民用飞机的特点，对如何设计飞机温度包线的方法进行了探讨，包括边界制定的原则和方法，以及对数据的筛选和处理等，并依据此原则给出温度包线的实例。随后通过研究对比典型民用飞机温度包线，证明了本文所述温度包线设计方法的合理性和可行性，可用于新型号民用飞机的温度包线设计。

【参考文献】

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

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[3]FSA ENVR， MIL-STD-310， Global Climatic Data for Developing Military Products[S]， FSA ENVR，1997.

[4]中华人民共和国第三机械工业部.气候极值、大气温度极值[S].部标准，HB5652·1-81.

[5]中华人民共和国航空工业部.气候极值、大气压力极值[S].部标准，HB5652.2-84.

[6]Physical properties of design atmospheres， 01 AUG 1992， ESDU78008.

[责任编辑：张涛]