民用飞机空中最小操纵速度试验状态点研究

民用飞机空中最小操纵速度试验状态点研究基于CCAR25部的要求及AC25-7C的建议，结合几型民用飞机的空中最小操纵速度（VMCA）试验经验，对VMCA试验中的高度、速度、重量、重心、舵面容差等试验状态进行了研究和总结，可为其他运输类飞机VMCA试验中的试验点状态矩阵设计提供参考。

标签：民用飞机；空中最小操纵速度；试验状态点Abstract：Based on the requirements of CCAR25 department and the suggestion of AC25-7C，in combination with the experience of VMCA test for several types of civil aircraft，this paper studies and summarizes the test states of altitude，velocity，weight，center of gravity，rudder tolerance and so on in the VMCA test. It can be used as a reference for the design of test point state matrix in VMCA test of other transport aircraft.Keywords：civil aircraft；VMCA；test state point1 概述空中最小操縱速度（VMCA）是校正空速，在该速度，当临界发动机突然停车时，能在该发动机继续停车情况下保持对飞机的操纵，在相同的速度下维持坡度不大于5°的直线飞行[1]。

VMCA是民用飞机合格审定试飞最重要的科目之一。

它的大小可能会影响到VEF、V2MIN、VR等起飞速度的确定，对于飞机的起飞着陆性能同样具有重要影响。

试验状态点矩阵设计是试飞中最为重要的环节之一，关系着试飞结果的合理与否。

在VMCA试验中，VMCA不但受高度、速度、重量、重心、发动机推力等常规因素的影响，还与温度、舵面容差等因素息息相关，因此，试验状态点矩阵的设计尤为关键和复杂。

本文基于CCAR25部的要求，结合ARJ21-700、A320、ERJ190-100等飞机的试验经验，对VMCA试验中的试验状态点进行了研究和总结，可为其他同类型飞机的VMCA试验提供参考。

2 试验状态点分析2.1 试验高度AC25-7C[2]指出：CCAR25.149（c）中关于VMCA不超过1.13VSR的要求是基于海平面最大起飞重量时的VSR。

但通常，VMCA试验均不在海平面高度进行，因此，必须选择一个合适的高度进行试验。

一方面，高度会影响发动机可达到的最大推力。

高度越低，推力越大，试验所能达到的VMCA就越大。

另一方面，高度越低，失速速度（VS）就越小。

所以，试验高度越低，试验状态下的VMCA与VS之间的速度裕度就越大，从而就有利于VMCA试验的安全进行。

此外，根据AC25-7C中关于VMCA试验的说明，在VMCA试验时，如果推力达不到飞机飞行手册使用限制所允许的最大不对称推力，应该尽量获得试验条件下允许的最大不对称推力，以使数据换算时的推力外推控制在有效的范围之内。

因此，应该使试验高度尽可能低。

另外，从试验安全角度来讲，试验高度过低将增大试验风险。

根据NASA的VMCA试验风险分析，VMCA试验应该在离地高度至少492m（1500ft）的高度上进行。

总结ARJ21-700、ERJ190-100、A320等飞机的VMCA试验中，各型飞机的试验高度如表1：综上所述，建议VMCA试验高度为离地高度656m（2000ft）。

2.2 试验速度在VMCA试验中，驾驶员会操纵飞机以一个较大的速度开始，逐渐减速，配合蹬舵和压杆，直至速度达到试验状态下的VMCA（排除VMCA受失速速度、脚蹬力及横向操纵限制的情况）。

所以，试验进入速度应该是比试验状态下的VMCA大的某一速度。

但是，另一方面，初始进入速度也不能太大，否则将带来试验过程过长、试验状态不好保持等弊端。

在实际试验中，应该结合试验飞机的VMCA计算值，参考CCAR25.149（c）中对于“VMCA不得超过1.13VSR”的要求，给出一个合理的初始试验速度。

2.3 试验重量CCAR25.149对试验重量的要求如下：在海平面最大起飞重量（或验证VMCA所需的任何较小的重量）确定VMCA。

可见，CCAR25部对于重量没有提出强制性要求。

而AC25-7C指出：CCAR25.149（c）中关于VMCA不超过1.13VSR的要求是基于海平面最大起飞重量时的VSR。

鉴于此，为了验证飞机的VMCA对CCAR25部的符合性，理应在最大起飞重量条件下进行试验。

但是，由于VMCA随重量大小而变化，重量越小，VMCA越大。

另一方面，重量越小，VS越小。

因此，采用较小的重量进行VMCA试验，将使VMCA与VS之间的速度裕度更大，试验也将更为安全。

所以，通常使用小重量进行VMCA试验，而通过数据换算得到最大起飞重量条件下的VMCA来表明与CCAR25部的符合性。

2.4 试验重心CCAR25.149要求“在最不利的重心位置”进行VMCA试验。

对于重心位置，通常从纵向重心和横向重心两个方面来考虑。

对于纵向重心，当飞机处于后重心时，方向舵与重心之间的力臂最短，因方向舵偏转所形成的偏航力矩也最小。

这种情况下，如果一发失效，将需要更大的稳定飞行速度来平衡因发动机不对称推力产生的偏航力矩，亦即在这种情况下通过试验得到的VMCA将更大，试验结果将更为保守。

对于横向重心，AC25-7C指出：当确定VMCA时，应该考虑批准的最大横向燃油不平衡对横向操纵有效性的不利影响。

如果试验或分析表明横向操纵有效性是确定特定VMCA的因素时，尤其应该注意。

由于民用飞机经常将最大横向燃油不平衡值作为飞机运行的使用限制，所以进行VMCA试验时，需要将飞机燃油调整为最大允许的燃油不平衡值以最大化考虑飞机的横向重心偏移。

从偏航力矩上来说，当不工作发动机一侧燃油较重时，发动机不对称推力产生的偏航力矩将更大，试验时将得到更大的VMCA，试验结果将更为保守。

另外，从横向操纵上考虑，由于平衡不对称发动机推力所需的方向舵全偏会引起向不工作发动机一侧的滚转，而向工作发动机滚转5°也会产生侧滑，该侧滑也将导致向不工作发动机一侧的滚转，如果此时再叠加横向燃油不平衡（不工作发动机一侧机翼重），这将导致最临界的横向操纵情况。

综上所述，VMCA试验应该在后重心、左右燃油不平衡（不工作发动机一侧的燃油较重、不平衡量为试验飞机允许的最大燃油不平衡值）条件下进行。

2.5 试验温度CCAR25.149和AC25-7C对于试验温度均没有提出明确要求与说明。

与高度对推力的影响类似，温度会影响发动机可达到的最大推力，溫度越低，推力越大，试验所能达到的VMCA也越大。

所以，试验温度越低，试验状态下的VMCA 与VS之间的速度裕度越大，试验将越安全。

另外，与试验高度的说明类似，为了使推力外推控制在有限的范围之内，应该尽量获得试验条件下允许的最大不对称推力。

因此，试验温度应该尽可能低。

需要说明的是，发动机推力和温度并非是线性关系，对于典型的涡扇发动机，当温度在ISA+20℃以下时（不同型号的涡扇发动机具有不同的平台温度），发动机推力随温度变化而几乎不变，因此，可以结合试验飞机的发动机推力特性确定试验温度。

2.6 发动机推力当一发失效时，发动机的不对称推力越大，由此产生的偏航力矩就越大，试验所能达到的VMCA也越大。

同时，当VS不变时，试验状态下的VMCA与VS之间的速度裕度也越大，试验就越安全。

因此，VMCA试验时的发动机推力要求为：临界发动机不工作、工作发动机最大可用起飞推力。

2.7 高升力系统CCAR25.149部对高升力系统的要求为：飞机处于腾空后沿飞行航迹最临界的起飞形态，但起落架在收起位置，即：在最临界的起飞形态下进行试验。

参考ERJ190-100、A380、A320等飞机的VMCA试验可知，对于高升力系统的选择，各型飞机情况不一，具体如表2：采用一种襟/缝翼构型可以节省试验成本，采用多种襟/缝翼构型可以最大化利用飞机性能。

因此，建议根据试验飞机的特点及研制计划和经费情况，选择最临界的起飞襟/缝翼构型或者所有起飞襟/缝翼构型进行试验。

2.8 舵面容差飞机的航向纠偏能力与方向舵的偏度直接相关，方向舵偏度越大，纠偏能力就越强。

由于VMCA是在方向舵全偏条件下获得，因此，方向舵舵面容差就会对最终获得的VMCA产生明确的影响。

若将方向舵容差设置为容差上限，那么方向舵的最大偏度将变大，纠偏能力也将变强，试验获得的VMCA将更小。

反之，试验获得的VMCA将更大。

因此，试验中需要将方向舵容差设置为容差下限。

另一方面，副翼的最大偏度会对横向操纵能力造成影响，如果试验或分析表明横向操纵可能是影响VMCA的因素，则需要将副翼容差调整为容差下限进行VMCA试验。

2.9 配平位置CCAR25.149对VMCA试验的配平位置要求为：飞机按起飞状态配平。

因此，对于纵向配平位置来说，应该根据飞机的重量重心配置，按照飞机飞行手册中的规定设定相应的起飞配平位置推荐值。

对于横航向配平来说，如果飞机飞行手册中对于起飞时的横航向配平位置没有特别的要求，应将其设置为中立位置。

3 结束语试验状态点矩阵设计涉及很多因素，设计环节非常复杂。

本文对VMCA试验中的试验状态点进行了全面总结，对同类型飞机的VMCA试验有很好的指导作用。

但是，由于文中对很多状态的要求并不是强制性的，在实际试飞中，需要结合试验飞机的特点确定最终的试验状态点，以保证试验合理、有效。

参考文献：[1]中国民航总局.中国民用航空条例第25部-运输类飞机适航标准[S].CCAR-25-R4.北京：中国民航总局，2011.[2]FAA.AC25-7C，Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].2012.。