运输类旋翼航空器非对称载荷适航条款分析研究

崔甲子，黄文斌，彭 勉

(中航工业直升机设计研究所，江西景德镇333001)

0 引言

单旋翼式直升机一般都带有不大的平尾，其主要作用是改善直升机的纵向静稳定性，从而改善纵向操纵性及稳定性。此外，平尾对于速度的静稳定性也有有益的影响。由于气流在到达平尾之前已受到机身、发动机短舱、旋翼桨毂的阻滞作用以及机身蒙皮的摩擦作用，导致流动分离、动量损失而变得紊乱，再和发动机的排气相混合，并由于旋翼、自动倾斜器的旋转而继续被严重搅乱，所以实际中平尾的气动环境比较复杂。

由于旋翼的旋转作用，作用于左、右平尾的气流是非对称的，在前行桨叶一侧平尾处的下洗流较强，在后行桨叶一侧平尾处的下洗流较弱，这将使左、右平尾的受载情况不同。如何确定旋翼航空器不同构型的平尾上的非对称载荷分布，验证平尾及其支承结构满足强度要求，保证旋翼航空器安全，是设计方应重点关注的问题。

为了更好地理解和使用FAR29部运输类旋翼航空器适航规章针对平尾及其支承结构的非对称载荷适航条款，本文将对美国联邦航空局(FAA)颁布的该适航条款的内容和历次修订案进行分析，诠释该条款修订的原因和技术内涵。

1 非对称载荷适航条款的历史发展

FAA颁布的FAR29部主要来源于1956年8月1日颁布的CAR7。CAR7中并未包含“非对称载荷”条款。FAA在1988年3月21日法规制定建议案中提议FAR29中增加与固定翼飞机适航标准FAR25.427条类似的内容，即操纵面和操纵系统的非对称载荷要求，并在1990年4月5日颁布的第29-30修正案中正式增加了本条款，随后在1990年10月22日颁布的第29-31修正案中作了修订(见表1)，中国民航局在2002年补充和修订了相应的适航条款。

表1 FAR29.427修订对照表

2 第一次修订原因分析

2.1 1990年4月5日第29-30修正案［1］

该次修正案提出:在29.413条后，新增29.427条。该条内容如下:

第29.427条 非对称载荷

(a)平尾及其支撑结构必须设计成能承受由偏航和旋翼尾流影响与规定的飞行情况组合所产生的非对称载荷。

(b)为了满足本条(a)的设计准则，在缺乏更合理资料的情况下，必须同时满足:

(1)由29.413条中对称飞行情况下最大载荷的100%作用在对称面一侧的水平尾翼上，而另一侧不加载荷;

(2)由29.413条中对称飞行情况下最大载荷的50%作用在对称面每一侧的水平尾翼上，但方向相反。

(c)对于平尾支撑在垂尾上的尾翼布局，垂尾及其支撑结构必须按分别考虑每一种规定的飞行情况下所产生的垂尾和平尾载荷的组合进行设计。必须按在平尾和垂尾上获得的最大设计载荷来选择飞行情况。在缺乏更合理资料的情况下，平尾的非对称载荷分布必须假定为本条所规定的分布。

2.2 修订原因分析

在增加该条款以前，航空界对29.413(b)能否合理解释非对称载荷设计情况和29.427是否应该与固定翼飞机对非对称载荷的规定一致展开了激烈的讨论［2］。

问题一:29.413(b)能否合理解释非对称载荷设计情况。

第29.413条“安定面和操纵面”内容如下:

(a)各安定面和操纵面必须设计成能承受下列载荷:

(1)限制载荷不小于下列较大值:

(i)15磅/平方英尺;

(ii)最大设计速度时产生的载荷(升力系数CN=0.55)。

(2)操纵面能承受由机动飞行和机动飞行与突风组合引起的临界载荷。

(b)为满足本条(a)必须表明载荷分布很真实地模拟实际压力分布情况。

一些人认为:29.413(b)的要求对解释非对称载荷设计情况是足够的。FAA不同意此种说法，认为:29.413(b)没有清楚和明确地关注非对称载荷情况。新增29.427，一方面是为了清楚和明确地告诉公众:对于非对称载荷设计情况是有相应标准的，同时也将有助于FAA清楚、明确和统一地解释这些要求。另一方面，任何平尾的非对称载荷设计情况必须统一地解释和执行，这样才能在整个业界产生同等和合理的安全水平。通过增加新的适合于平尾非对称载荷的29.427条来达到这个目标。

问题二:29.427是否应该与固定翼航空器对非对称载荷的规定一致。

一些人认为:固定翼飞机在飞行时，翼涡旋和喷气式发动机排气确实会对安定面或操纵面造成影响，产生一些非对称载荷。但在某种程度上，旋翼尾流对直升机安定面或操纵面的影响与固定翼飞机安定面或操纵面上的气动载荷是不同的。与固定翼飞机进行比较，针对直升机安定面或操纵面的不同应考虑可能更严格的标准。

当把提议增加的FAR29.427与针对固定翼飞机FAR23.427和25.427中非对称载荷的规定进行比较时，发现它们是不同的。参会者要求FAA给出解释。

FAA确实找到了证明固定翼航空器和旋翼航空器之间标准不同的证据。通常，典型旋翼航空器的平尾会经受不同飞行状态和旋翼尾流直接影响的复杂气流，这种复杂气流分布引起的载荷分布与固定翼航空器是不同的。在以前型号合格审定项目中也已经找到了作用在旋翼航空器平尾上的非对称载荷。此外，针对固定翼航空器25.427条明确说明:25.427(b)(1)中描述的载荷情况仅适用于常规的螺旋桨、机翼、尾翼和机身的相应位置。旋翼航空器不是25.427(b)(1)中考虑的常规航空器，应该制定与常规航空器不同的设计载荷情况。

提议允许对平尾使用合理的非对称设计载荷，在缺乏合理分析得到的设计载荷的情况下，规定两种不同的经验载荷分布。一种经验情况:29.413规定面载荷的100%作用在一侧的平尾上，另一侧不加载荷。另一种经验情况:29.413规定面载荷的50%作用在每一侧的平尾上，但方向相反。如果平尾仅从机身或尾梁的一侧突出，该标准将不适用。

此次修订明确了运输类旋翼航空器非对称载荷设计要求。

3 第二次修订原因分析

3.1 1990年10月22日第29-31修正案［3］

该次修正案提出:删除29.413，并相应地删除29.427(b)(1)和 (b)(2)中提到的“29.413”。

修订后，29.427其它内容保持不变，(b)(1)和(b)(2)修订为如下内容:

第29.427条 非对称载荷

(b)为了满足本条(a)的设计准则，在缺乏更合理资料的情况下，必须同时满足:

(1)由对称飞行情况下最大载荷的100%作用在对称面一侧的水平尾翼上，而另一侧不加载荷;

(2)由对称飞行情况下最大载荷的50%作用于对称面每一侧的水平尾翼上，但方向相反。

3.2 修订原因分析［4］

由于29.337、29.339 和 29.341 中完全包括了29.413中对结构强度的要求，所以该修正案删除29.413。

1990版的该条款一直应用至今，FAA暂时还没有更新该修订版。

4 非对称载荷适航条款的工程应用分析

4.1 平尾的布局

单旋翼式平尾布置方式通常有以下3种形式:高平尾(T平尾或单侧平尾)，低平尾和前平尾。结构形式上一般有对称的平尾和非对称平尾。

高平尾:高平尾离重心距离最大，平尾尺寸和重量较小，悬停时不受旋翼下洗流作用，无向下载荷损失。AC313型机属于单侧高平尾的布局。

低平尾:处于旋翼下洗流的作用范围之内，直升机纵向力矩会突变，纵向操纵力矩随速度变化较大。AC352型机属于对称低平尾布局。

前平尾:处于旋翼下洗流作用范围之外，过渡飞行时，直升机纵向力矩不会突变，纵向操纵力矩随速度变化较小。悬停时有向下载荷损失，悬停需用功率增大。直11、AC311型机属于前平尾的布局。

图1 平尾布置方式

4.2 平尾的结构验证要求

规定设计载荷是保证设计的航空器结构安全的有效途径，在缺乏更合理资料的情况下，对于这些正常的平尾布局，FAA的咨询通告(AC)中指出必须采用如下规定的两种经验非对称载荷分布进行结构验证［5］:

(1)平尾支承在尾梁或机身上。应按图2所示的六种载荷组合进行结构验证。除非合理的分析表明每组受载情况中的一种或多种情况是非临界的，或者同等的或更真实的载荷分布已得到证实，否则所有的这些经验载荷分布均应予以采用。除非更合理的载荷分布已获得证实，一般应采用沿翼展方向矩形分布的气动载荷。如果平尾上使用了端板，气动载荷也应相应地在其上分布。

(i)第一种非对称受载情况:

(a)对称面一侧的平尾上作用100%飞行载荷，而另一侧的载荷为零;

(b)对安装有端板或其它类似装置的平尾，载荷分布应相应地更改。

(ii)第二种非对称受载情况:

对称面一侧的平尾上向上作用50%飞行载荷，而在对称面另一侧的平尾上向下作用50%飞行载荷。

(2)平尾支承在垂尾上。应按图3所示的六种载荷组合进行结构验证。除非合理的分析表明每组受载情况中的一种或多种情况是非临界的，或者同等的或更真实的载荷分布已得到证实，否则所有的这些经验载荷分布均应予以采用。除非更合理的分布已经过验证，否则一般应采用沿翼展方向矩形分布的气动载荷。如果平尾上使用了端板，气动载荷应相应地在其上分布。

(i)第一种非对称受载情况:

对称面一侧的平尾上作用100%飞行载荷，而另一侧的载荷为零。

(ii)第二种非对称受载情况:

对称面一侧的平尾上向上作用50%飞行载荷，而在对称面另一侧的平尾上向下作用50%飞行载荷。

图2 平尾支承在尾梁上

图3 平尾支承在垂尾上

4.3 平尾的结构验证实例

4.3.1 直 11 型机

直11型机属于平尾支承在机身上的前平尾布局，其在验证非对称载荷适航条款符合性时，先通过考虑各种典型对称飞行情况，包括最大速度平飞、对称俯冲拉起等，选不可逾越速度V=Vne，升力系数Cy=0.7，得到对称飞行情况下最大载荷，然后按(b)(1)“最大载荷100%作用在一侧的平尾上，另一侧不加载荷”、(b)(2)“最大载荷50%作用在每一侧的平尾上，但方向相反”分别进行了验证。

4.3.2 AC313 型机

AC313型机属于平尾支承在垂尾上的单侧高平尾布局，通过对两次修订的主要内容及修订背景分析，可以知道，对于平尾仅从机身或尾梁的一侧突出的结构构型29.427条的要求并不适用。

该型机平尾及支承结构设计可按29.549条“机身和旋翼支撑结构”的要求进行验证。平尾及其支承结构必须设计成能承受第29.337条至29.341条和29.351条中规定的临界飞行载荷，第29.235条、第29.471 条至 29.485 条、第 29.493 条、第 29.505条和第29.521条中规定的适用的地面载荷和水载荷以及在正常使用中预期的任何其他临界情况的载荷。

5 总结

美国联邦航空条例(FAR)在国际上具有广泛的适用性和较高的权威性，是世界上最有影响的适航法规之一。通过对美国联邦航空局(FAA)颁布的FAR29部运输类旋翼航空器非对称载荷适航条款的内容和历次修订案进行分析，加深了对该条款修订的原因和技术内涵的理解，明确了旋翼航空器不同构型的平尾上的非对称载荷分布，完善了我国运输类旋翼航空器适航相关条款的研究，为我国从事旋翼类航空器设计和适航审定的人员提供了技术参考。

［1］Amdt.29-30［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_ Guidance _ Library/rgFAR. nsf/0/9099769288E7A1B685256613006B669C?OpenDocument.

［2］CFR NPRM No.88-7 ［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgNPRM.nsf/2ed8a85bb3dd48e68525644900598dfb/dc842af09e493428862568dd005629fd!OpenDocument.

［3］Amdt.29-31［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and _ Guidance _ Library/rgFAR.nsf/0/28C3 BE916984522B85256613006B67D9?OpenDocument

［4］CFR Final Rule No.25885［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgFinalRule.nsf/a09133bddc7f4fbb8525646000609712/d480cba3e5b9a0ee862568250065a1ba!OpenDocument

［5］AC 29-2C［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance _ Library/rgAdvisoryCircular. nsf/0/4FBE41309FF3D821862574D70053CA8E?OpenDocument