曾关辉 王继亮

摘 要：在空中受油的过程中，飞机重量重心控制对飞行安全影响较大。根据飞机油箱分布、燃油管路布置、飞机不同重量构型及各种故障模式，要想减少空中受油对飞机重量重心的影响，人们必须合理设计飞机各油箱受油顺序。

关键词：空中受油;重量重心;燃油分配;飞行使用限制

中图分类号：V221文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0041-03

Research on the Control Technology of the Receiver Aircrafts Weight and the Center of Gravity

ZENG Guanhui WANG Jiliang

（AVIC Xi'an Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710089）

Abstract： In the process of receiving oil in the air， the control of the center of gravity of the aircraft has a greater impact on flight safety. According to the distribution of aircraft fuel tanks， fuel pipeline layout， aircraft different weight configurations and various failure modes， in order to reduce the impact of airborne fuel on the center of gravity of the aircraft， people must rationally design the order of aircraft fuel tanks.

Keywords： airborne fuel;center of gravity;fuel distribution;flight use restrictions

空中加油技术对提高飞机作战效能具有十分重要的意义。空中加油可以扩大飞机航程和作战半径，增加飞机载弹量，延长飞机留空时间，提高飞机利用率，减少飞机出动数量[1-3]。现有的空中加油技术分为两种，即软式加油技术和硬式加油技术。软式加油是加油机空中抛出一根端头带漏斗形锥套的软管，受油机安装有受油硬管，在飞行过程中，受油机将受油硬管前端插头插入软管锥套中，实施空中加油。硬式加油是加油机装有可伸缩加油硬管，受油机机背上装有受油插座，在飞行过程中，加油机将加油硬管与受油插座连接，实施空中加油。

对于采用软式加油技术的受油飞机来说，人们在研制过程中不仅需要综合考虑空中受油硬管的布局形式和加/受油机气动相容性、受油装置与飞机各系统兼容性及其对气动特性的影响等，还应着重考虑受油过程中燃油在飞机各油箱的分配，确保飞机在各种武器挂载构型下正常受油和故障模式受油，保证飞机使用安全。

1 飞机油箱布局

飞机油箱一般布置在机翼、机身。油箱可以布置在机翼上，受机翼后掠角、下反角等因素影响，机翼油箱大小不同，沿机身轴线的相对位置也不相同。因为设备布置问题，机身油箱一般分散布置在机身各处，考虑到飞机自身耗油对重心的影响，一般会将飞机燃油合计重心设计在飞机重心附近，尽量减少飞机耗油对飞机重心的负面影响。

飞机油箱分布较分散，不同的耗油顺序对飞机重心影响较大，同理，不同的受油顺序对飞机重心影响也较大。设计好飞机各油箱受油的顺序，直接决定了飞机在空中受油过程中的飞行品质。例如，如果飞机重心偏前，在飞行过程中，飞行员需要控制尾舵面上偏一定角度，平衡掉飞机重心带来的影响，此时，尾舵面的位置相当于尾舵面中立位置，意味着尾舵面上偏能力变弱。同理，如果飞机重心偏后，在飞行过程中，飞行员需要控制尾舵面下偏一定角度，平衡掉飞机重心带来的影响，意味着尾舵面下偏能力变弱。也就是说，飞机燃油消耗顺序决定了飞机在飞行过程中的重心位置，影响着尾舵面上偏/下偏的能力，由此影响着飞机操作性能。同理，设计好飞机各油箱受油顺序，使飞机重心尽量在飞机压力重心附近，而且波动不大，能够得到较好的飞行品质。

2 飞机空中受油燃油分配方法

飞机空中受油燃油分配方法一般有两种，即顺序受油和比例受油[4-6]，或者采用两种方法的结合形式，综合考虑空中受油对飞机的重心影响、飞机自身限制条件和改装成本等因素，选取最优的燃油分配方法。

2.1 顺序受油

順序受油就是按一定顺序将油箱逐个加满油的方法。决定哪个油箱先受油，哪个油箱后受油，首要条件是确保飞机重心波动在受油过程中始终处于飞行安全使用前极限和后极限之间。其次是尽量降低飞机重心波动且保持在25% MAC附近。

对于大型飞机来说，重心变化范围可以给得较大些，可达到20% MAC左右[1]。虽然设计时给出的飞机重心安全使用范围较大，但是作战飞机挂载武器构型较多，加上油箱布置限制，飞机很多时候会出现比较贴近使用前极限和后极限的情况。如果采用顺序受油方法，油箱布局在飞机不同位置，那么在受油过程中，飞机重心很容易产生剧烈波动，其间受油机飞行员需要时刻操纵飞机，以保持飞机飞行姿态，无疑增加了工作强度。受油前，飞机各组油箱燃油余量不确定性增加了超出飞机安全使用前、后极限的可能性。采用与飞机耗油顺序相同的受油程序，虽然能保证正常状态下的飞机重心变化处于安全使用范围内，却无法保证故障模式下受油期间飞机重心不超过使用限制。同时，顺序加油存在受油管路问题。为匹配加油机外供速率，受油管路需要设计得粗一些，而发动机耗油或地面加油时速率都不需要如此大的速率，在设计地面加油管路和供油管路时，也就没有将其设计得那么粗。如果飞机增加受油功能，无法借用地面压力加油管路，就需要重新设计燃油管理。

顺序受油的缺点较多。一是顺序受油对飞机重心影响较大，在受油过程中，飞机重量重心曲线变化剧烈;二是顺序受油采用串联式方法，当某个油箱发生故障时，其后面的油箱可能会出现无法受油的现象;三是受油管路需要重新设计，飞机改动量较大，成本较高;四是受油前，飞机状态不固定，各油箱受油顺序设计难度大，可能需要增加燃油转换点，调节飞机重心。

2.2 比例受油方法

比例受油就是同一时间给多个油箱受油，各个油箱燃油受油速率成比例。比例受油方法的好处有：可以减少受油管路的管径，更方便在飞机上布置，减少飞机改装的压力，各个油箱同时受油，受油速率综合等于加油机外供速率，因此各个油箱受油速率较小，受油管路可以设计细些;因各个油箱受油速率較小，可借用原飞机上的加油管路，减少受油管路的布置，减轻飞机重量，其间可以借用原飞机地面加油管路，仅需要将受油装置连接到加油管路处;如果某个油箱出现受油故障，对其他油箱受油无影响;可以保证飞机重心变化较为平缓，不会因为某个油箱偏后或偏前而导致在受油过程中飞机重心剧烈变化。

如果在飞机受油过程中调节各个油箱速率，使单位时间内受油总量的重心与飞机重心重合，则受油过程中飞机燃油的变化对飞机重心无影响。但是，各个油箱最大可用燃油量不相同，在开始空中受油时，各组油箱里的余油也不相同。因此，空中受油过程中无法做到飞机重心始终保持不变且各组油箱同时满油。有的油箱燃油已经加满，无法再加，其他未满油箱受油速率会提升，保证受油机受油速率等于加油机外供速率，但是未满油箱受油速率也不可能无限制提升，受到受油管路限制，压力越大，管路的黏滞阻力越大，会出现总的受油速率达不到最大外供速率的情况，使得飞机受油时间延长，这是人们不希望看到的。

如何分配各组油箱受油速率，使飞机重心变化范围最小，成为飞机增加受油功能的关键技术之一。综合考虑以上因素，采用各组油箱同时受油，各组油箱受油速率成比例，相同时间内将飞机各个油箱燃油同时由空加到满。这样可以保证飞机一直以最大受油速率受油。但是，如果采用此方法，飞机重心就不可能一直保持不变。单位时间内产生的重量矩（各个油箱受油速率×各组油箱燃油重心位置或受油总速率×各个油箱燃油合计重心）会改变飞机重心。在设计空中受油顺序时，可以对几个合计重心在飞机重心附近的油箱进行同时受油，进一步减缓飞机在空中受油时的重心变化速率。

3 空中受油过程的飞机重量重心分析

在空中受油过程中，人们不仅需要考虑受油时刻点、飞机所剩燃油数量、燃油分布情况、飞机此时的重心位置等计算条件，还需要考虑武器构型等飞机状态[6-7]。人们不仅要计算正常状态下空中受油情况，还需要考虑各种故障模式下的受油对飞机重量重心的影响。人们可以通过枚举法列出飞机受油过程中可能出现的所有状态，绘制出空中受油飞机重量重心变化曲线，查找出最严苛的飞机状态。

在分析正常模式下空中受油时，人们要明确受油前每个油箱的状态（有余油、满油、零油）。在分析故障模式下空中受油时，人们不仅需要明确受油前每个油箱的状态（有余油、满油、空油），还需要明确哪个或哪些油箱有故障、油箱故障模式是哪种。

故障模式有三种：油箱不能受油，油箱按零油计算;油箱不能受油，油箱有余油，而且不能供发动机使用;油箱不能受油，油箱有余油，能供发动机使用。

如此分析，会有几千种计算状态，计算量巨大，人们需要查找出所有超出飞机使用前极限/后极限的情况，并对此状态进行分析，给出合理建议：对于曲线只有很少部分超出的状态，可以通过飞机限制受油的重量，保证飞机重心在安全使用范围内;对于曲线大部分都已经超出飞机安全使用前/后极限的状态，在此状态下禁止飞机受油。

4 结论

飞机增加空中受油功能，要充分考虑受油过程对飞机重量重心的影响，人们要根据受油机自身油箱布置特点，选择最合适的油箱受油顺序。本文给出两种空中受油方法，并对其优缺点进行了说明。在空中受油过程中，人们要合理分析油箱受油顺序对飞机重量重心的影响，明确各种影响因素。当某些状态下飞机重量重心超出安全使用范围时，人们要采取科学的应对措施，保证飞行安全。

参考文献：

[1]陈俊章，邵箭，徐桂华.飞机设计手册 第8册 重量平衡与控制[M].北京：航空工业出版社，1999.

[2]彭珂，喻振华，谢超.固定翼飞机空中受油方式研究[J].航空制造技术，2016（3）：97-101.

[3]付强，刘毅，王先伦.一种典型固定式空中受油硬管布局形式研究[J].中国高新区，2018（14）：142-143.

[4]刘康，徐建伟，胡学军.一种飞机空中受油系统：中国，CN107128497A[P].2017-09-05.

[5]罗乖林，王宇.空中受油管尾流特性研究[J].空气动力学学报，2002（3）：367-372.

[6]胡萍，王宇，罗乖林.固定式受油管噪声研究[C]//第二届全国低跨超声速空气动力学交流会.2003.

[7]祝立国，高为民，吕志咏.空中受油管的绕流特性研究[J].流体力学实验与测量，2004（2）：25-28.