文/闫光巍 孙泽鹏

0 引言

飞机环境包线，也称为温度－高度包线，为飞机结构和各系统设计、机载设备的选择和开展环境试验提供设计参考和依据，也是飞行手册中构成飞机运行的限制之一。合理制定环境包线十分重要，但各类飞机设计手册、机型飞行手册等参考资料中往往只给出某些典型机型的环境包线，而如何制定该包线却很少有讨论。本文通过对一些典型环境包线的分析，总结编制该包线的原则和方法，为飞机的型号设计者提供参考。

1 环境包线定义

运输类飞机适航规章CCAR-25-R4中第25.27条对制定飞机的环境包线提出了要求：必须制定受飞行、结构、动力装置、功能和设备的特性限制所允许的最大周围大气温度和最大高度。

国内外一些民用运输类飞机和水陆两栖飞机典型的环境包线，如图1所示。

图1 典型飞机环境包线

由图1可见，飞机运行环境包线是飞机运行外部大气温度与压力高度组成的包线，主要包含高/低温限制、最大/最小压力高度、起降条件的限制等要素，且一般具备以下特点：

a) 地面高温限制一般为50℃～55℃；

b) 地面低温限制温度一般低于-40℃；

c) 高温边界平行于ISA曲线，通常为ISA+34℃。

2 制定环境包线考虑因素

在确定飞机环境包线的各边界时，主要考虑五方面因素。

2.1 市场目标使用地域及其大气温度极值

飞机目标使用地域取决于飞机的市场定位，不同地域的大气环境极值可供参考的国内外标准主要包括HB 5652.1-81、HB5652.2-84和MIL-STD-310。

参考HB5652.1-81，可分别查得1%时间风险率、5%时间风险率、10%时间风险率和20%时间风险率的高低温极值。将图1各典型机型的环境包线与HB5652.1-81中不同时间风险率的温度极值进行对比，如图2所示。

图2 典型飞机环境包线与不同时间风险率对比

由图2可见，上述几款典型机型中A320、Boeing737-800、SF50的环境包线相对较宽，高温边界除SF50，其他均覆盖了1%风险率高温极值，低温边界除A320在地面低温极值为-40℃以外，其他均覆盖了20%风险率的低温边界。Y12飞机的边界范围相对最窄，高温覆盖了1%风险率的高温边界，低温仅在1 500m～5 000m高度范围覆盖了各风险率的低温边界。

高低温边界所覆盖的时间风险率极值越小，飞机受到环境温度影响的概率越低，出勤率越高。

此外气候温度极值也可参考ESDU 78008C推荐的气候温度极值，如图3所示。

图3 ESDU78008C推荐的温度极值

在编制环境包线时可根据具体机型的市场定位，适当调整风险率覆盖范围。

2.2 升限

环境包线的上边界应覆盖飞机的升限，并留有一定的安全裕度。例如，SF50飞机升限为28000 ft，而低温边界为-54℃，对应35000 ft（10668 m）高度的标准大气温度值，高于飞机的升限28000 ft，并留有一定的余量。

2.3 结构设计

需要考虑材料（主要为复合材料）在极限温度条件下力学特性的变化，尤其是高温。对于SF50这类全复合材料飞机，短舱、后机身和舵面均在飞行试验过程中通过安装温度传感器予以检测温度是否会超出材料的温度范围。对于内部温度，靠近产生较多热量系统的结构部分也同样予以监测。对于可能达到极限温度的部分区域（假设地面温度为50℃），还有详细的强度分析报告。对于为满足防火墙要求使用钛合金的区域，也会有详细的测试和分析报告。

2.4 系统设计

环境包线的上边界为飞机的升限，需要考虑气源系统和增压的需求；左边界低温会影响到燃油系统，低温会使燃油析出甚至结冰，影响飞行安全，此外还需要考虑空调系统在低温条件下的制热能力；右边界会影响空调系统、航电等系统设备以及发动机的性能，从而影响到飞机的机场运行适应性。

2.5 太阳辐射

典型的环境包线右边界往往会带有一个台阶，为考虑在3048 m（即10000英尺）以下太阳辐射的影响，一般考虑增量为5℃。

综上所述，制定民用运输类飞机环境包线需要考虑的因素如图4所示。

图4 典型环境温度包线及限制因素

3 结论

飞机环境包线的制定需要综合考虑飞机的市场定位，根据潜在使用地域和不同飞行高度的历史统计数据，制定包含一定时间风险率的高低温边界；此外还需要考虑由于升限、结构材料选用、航电等系统设备、燃油、太阳辐射等的限制，经合理裁剪后，作为全机运行的限制。