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摘 要：《CCAR-25运输类飞机适航标准》中B部分高速特性考察了高速飞行时飞机的稳定性及操纵性，是适航标准中重要的组成部分。高速特性试飞是民机型号合格审定中必须演示的高风险试飞科目之一。该文在对适航标准的分析理解基础上，进行高速特性试飞计划研究，对试飞中飞机的飞行任务、试飞构型、飞行速度、重量重心和动力设置状态等进行详细定义，可用于组织民用运输类飞机的型号合格审定试飞。
关键词：高速特性 飞行试验 适航标准 型号合格审定 飞行计划
中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0022-02
在民用飞机设计过程中如何满足安全性要求需要考虑多方面因素的影响，其中飞机在高速飞行时的气动特性是最为关键的影响因素之一。在CCAR-25运输类飞机适航标准中针对民用运输类飞机高速特性主要是考察飞机在高速时的动稳定性、静稳定性、及操纵特性。
高速特性是民用运输类飞机必须要进行试飞验证的高风险科目之一，也是适航合格审定试飞的重点科目之一，在民用运输类飞机的试飞中占有重要的地位，试飞结果必须满足中国民用航空条例第25部（CCAR-25）中第25.253、335、1303和1505的要求。该文将探讨如何通过对适航条款的理解分析来进行高速特性的试飞方法及验证计划。
1 高速特性的适航条款
1.1 适航条款的要求
CCAR-25运输类飞机适航标准中与民机在高速时的气动特性有关的条款是CCAR25.253、CCAR25.335、CCAR25.1303、CCAR25.1505[1]，内容如下：
1.1.1 §25.335设计空速
设计俯冲速度VD必须选定VD以使VC/MC不大于0.8VD/MD，或使VC/MC和VD/MD之间的最小速度余量是下列值中的大者：
（1）从以VC/MC定常飞行的初始情况开始，飞机颠倾，沿着比初始航迹低7.5°的飞行航迹飞行20 s，然后以载荷系数1.5（0.5 g的加速度增量）拉起。只要所使用的气动数据是可靠的或保守的，则上述机动中出现的速度增量可采用计算值。开始拉起之前假定具有§25.175（b）（1）（iv）规定的功率（推力），开始拉起时可以假定功率（推力）减小并使用驾驶员操纵的阻力装置。
（2）最小速度余量必须足以应付大气条件的变动（例如，水平突风和穿过急流与冷峰），以及应付仪表误差和飞机机体的制造偏差。这些因素可以基于概率来考虑。但是在MC受到压缩性效应限制的高度上，该余量不得小于0.07 M，除非用合理的分析考虑了所有自动系统的影响得到了更低的余度。在任何情况下，该余量不得小于0.05 M。
1.1.2 §25.1303 飞行和导航仪表
飞机应根据下列规定的情况安装相应的仪表设备：
涡轮发动机飞机和VMO/MMO大于0.8VDF/MDF或0.8VD/MD的飞机，需有速度警告装置。当速度超过VMO+6节或MMO+0.01时，速度警告装置必须向驾驶员发出有效的音响警告（要与其它用途的音响警告有明显区别）。该警告装置的制造允差的上限不得超过规定的警告速度。
1.1.3 §25.1505 最大使用限制速度
最大使用限制速度（VMO/MMO-空速或M数，在特定高度取其临界者）指在任何飞行状态（爬升、巡航或下降）下，都不得故意超过的速度，但在试飞或驾驶员训练飞行中，经批准可以使用更大的速度。VMO/MMO必须制定成不高于设计巡航速度VC，并充分低于VD/MD或VDF/MDF，使得飞行中极不可能无意中超过后一速度。VMO/MMO与VD/MD或VDF/MDF，之间的速度余量不得小于按§25.335（b）确定的余量，或按§25.253进行试飞时认为是必需的余量。
1.1.4 §25.253 高速特性
增速特性和速度恢复特性，必须满足下列对增速特性和速度恢复特性的要求：
（1）很可能引起无意中增速（包括俯仰和滚转的颠倾）的运动状态和特性，必须用配平在直至VMO/MMO的任一很可能使用的巡航速度的飞机来模拟。这些运行状态和特性包括突风颠倾、无意的操纵动作、相对于操纵系统摩擦来说，较低的杆力梯度、旅客的走动、由爬升改为平飞以及由M数限制高度下降到空速限制高度。
（2）计及有效的固有或人为速度警告发出后驾驶员做出反应的时间，必须表明在下述条件下能够恢复到正常的姿态，并且速度降低到VMO/MMO：
①不需要特别大的驾驶杆力或特殊的技巧；②不超过VD/MD，VDF/MDF及各种结构限制；③不出现会削弱驾驶员判读仪表或操纵飞机恢复正常的能力的抖振。
（3）飞机在不超过VMO/MMO的任一速度配平，在直到VDF/MDF的任一速度下，对绕任一轴的操纵输入不得有反逆响应。飞机的俯仰、横滚或偏航的倾向必须轻微，并可用正常驾驶技巧即刻控制。当飞机在VMO/MMO配平后，在大于VFC/MFC的速度下，升降舵操纵力相对速度的关系曲线斜率不一定要稳定，但是在直到VDF/MDF的所有速度下，必须为推力，而且在达到VDF/MDF时，升降舵的操纵力不得有突然或过度的减小。
具有稳定性的最大速度VFC/MFC，VFC/MFC是襟翼和起落架收起时，必须满足§25.143（f）、§25.147（e）、§25.175（b）（1）、§25.177和§25.181要求的最大速度。该速度不得小于VMO/MMO和VDF/MDF的平均值，但在M数成为限制因素的高度，MFC不必超过发出有效速度警告的M数。
1.2 对适航条款的理解
以上相关的适航条款中§25.1505和§25.335建立了确定最大使用限制速度（VMO/MMO）及设计俯冲速度（VD）的准则；§25.1303对超速警告装置提出了要求；§25.253则是建立了演示飞机高速特性时飞机的增速特性和速度恢复特性[3]，确定飞机高速飞行时可接受的稳定性和操纵性准则及确定具有稳定性的最大速度VFC/MFC。 适航条款§25.253“高速特性”规定了飞机的试飞状态、试飞任务、试飞构型、速度及动力设置。涉及的高速特性试飞演示时所要考察的试飞状态及特性包括：重心移动、无意的速度增加、突风颠倾、由爬升改为平飞、由M数限制高度下降到空速限制高度等[2]。
CCAR25.253（a）（3）中明确了高速特性试飞时的配平速度，要求不超过VMO/MMO，可以将此速度作为试飞时配平飞机的基准，空速允差控制在±3%。由于高度越高，空气密度越小，飞机的俯仰摆动、横侧摆动的衰减时间变长，飞机纵向及横航向的稳定性会变低，建议试飞时在高高度进行，这样得到的试飞结果比较保守。高速时襟翼缝翼为巡航状态构型，起落架为收起状态。
AC25-7A《运输类飞机合格审定飞行试验指南》中对高速特性推荐了几种典型的试飞方法，下面逐条对试飞方法及试飞计划进行分析。
1.2.1 重心移动试飞
根据飞机内部实际布局情况，按照典型数量的乘客及服务车，从飞机最后一排座位走到驾驶舱舱门区域，整个过程中飞机重心前移，重心与焦点的距离增大，飞机纵向静稳定性变强，机头下沉，飞机速度增大，在飞机加速到超速告警发出3 s后要求以不超过1.5 g的过载改出，若法向过载超出1.5 g，飞机的乘坐品质会降低，乘客会感到不舒适。某型号飞机高速特性重心移动试飞时推荐的是两乘务人员及一辆餐车满载时的总重量。若试验机安装了水配重系统，可以将水从客舱后部移到前部来模拟乘客向前走动。若试飞时没有加装水配重系统，可以采用真人正常向前移动的办法达到重心移动。
此试飞是模拟重心向前移动后飞机低头增速，如果重心设为前重心，那么试飞过程中重心会超出包线限制，故使用后重心作为审定试飞验证状态。
重量的选取原则是可以让飞机在机头低头后增速最快，这样得到的结果比较临界。机翼水平飞行，同一配平速度下大重量时机身迎角大，发动机推力大，重心前移同样的程度后飞机下滑角小；小重量时虽然机身迎角小，发动机推力小，但重心前移同样的程度后飞机下滑角大。故大小重量都要作为适航试飞状态进行考察。
1.2.2 无意的速度增加
航线飞行中飞行员无意的纵向操纵动作可能会使飞机速度增加直至超出最大使用限制速度。试飞时可通过以下操纵来模拟飞行员的无意操纵：对俯仰操纵机构施加足够大的操纵力使纵向杆快速向前移动，使飞机低头俯冲并产生0.5 g的法向过载，保持5 s，然后拉纵向杆以不大于1.5 g的过载改出增速状态。
一般飞机在大重量前重心下的杆力特性较临界。同一状态下达到同样的负过载，飞机在大重量前重心时需要施加更大的推杆力，且此情况下大重量时飞机增速较明显。后重心时飞机的稳定性较临界，故试飞时建议选取大重量、前后重心都作为试验状态。
1.2.3 突风颠倾试飞
飞机在空中遇到突风时机体会产生纵向、横行及纵横向颠倾。模拟纵向突风导致的颠倾时，先在VMO/MMO速度下配平，然后减小速度，以之前配平时的发动机功率和配平，使机头下沉达到6°～12°的机头下俯姿态，允许飞机加速到超速警告发出后3 s，然后以不大于1.5 g的过载改出。
模拟横向突风时，先将飞机配平于稳定直线水平飞行，然后操纵驾驶盘使飞机迅速滚转到45°～60°滚转角，方向舵和纵向操纵机构保持不变，之后放弃操纵至少10 s或超速警告发出后3 s后（取先出现者），以不大于1.5 g的过载改出。
模拟纵横向颠倾时先按要求完成纵向颠倾，在俯仰姿态已建立但在达到VMO/MMO之前，使飞机滚转15°～25°，应保持既定姿态直到超速警告发出后3 s，以不大于1.5 g的过载改出。从纵、横向操纵后飞机增速及稳定性角度考虑建议用大重量、前后临界重心来作为突风颠倾适航试飞状态进行考察。
1.2.4 由爬升转入平飞试飞
此试飞状态是考查飞机从爬升推力状态改平飞机后，发动机推力保持不变，飞机增速直至超速警告发出后飞机的操稳特性，试飞时一般设置超速警告发出时间是3 s，然后以不超过1.5 g的载荷系数改出。
在相同的爬升推力下小重量时飞机爬升速度较快，且改平后其加速度大，飞机增速快，建议用小重量、前后重心来作为验证状态。
1.2.5 从M数限制高度下降到空速限制高度试飞
在M数限制高度，以MMO配平飞机，按由MMO定义的速度图表下降至空速限制高度，超速警告发出3 s后以不大于1.5 g的过载改出。从增速快及飞机稳定性角度考虑，建议用大重量、前后重心来完成验证试飞。
2 试飞计划安排
基于以上对高速特性适航条款的理解及试飞方法的分析，建议民用运输类飞机高速特性适航试飞时试飞计划安排如表1所示。
3 结语
该文通过对高速特性适航条款的理解分析，对高速特性型号合格审定试飞计划进行研究。制定的高速特性试飞计划，可用于组织民用运输类飞机的适航试飞时作为参考。
参考文献
[1] CCAR-25中国民用航空条例第25部运输类飞机适航标准[S].
[2] AC25-7A运输类飞机合格审定飞行试验指南[Z].
[3] 霍建武，攀力，王启.Y7H一5OO型飞机高速特性适航试飞[J].飞行力学，1995，13（1）.
关键词：高速特性 飞行试验 适航标准 型号合格审定 飞行计划
中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0022-02
在民用飞机设计过程中如何满足安全性要求需要考虑多方面因素的影响，其中飞机在高速飞行时的气动特性是最为关键的影响因素之一。在CCAR-25运输类飞机适航标准中针对民用运输类飞机高速特性主要是考察飞机在高速时的动稳定性、静稳定性、及操纵特性。
高速特性是民用运输类飞机必须要进行试飞验证的高风险科目之一，也是适航合格审定试飞的重点科目之一，在民用运输类飞机的试飞中占有重要的地位，试飞结果必须满足中国民用航空条例第25部（CCAR-25）中第25.253、335、1303和1505的要求。该文将探讨如何通过对适航条款的理解分析来进行高速特性的试飞方法及验证计划。
1 高速特性的适航条款
1.1 适航条款的要求
CCAR-25运输类飞机适航标准中与民机在高速时的气动特性有关的条款是CCAR25.253、CCAR25.335、CCAR25.1303、CCAR25.1505[1]，内容如下：
1.1.1 §25.335设计空速
设计俯冲速度VD必须选定VD以使VC/MC不大于0.8VD/MD，或使VC/MC和VD/MD之间的最小速度余量是下列值中的大者：
（1）从以VC/MC定常飞行的初始情况开始，飞机颠倾，沿着比初始航迹低7.5°的飞行航迹飞行20 s，然后以载荷系数1.5（0.5 g的加速度增量）拉起。只要所使用的气动数据是可靠的或保守的，则上述机动中出现的速度增量可采用计算值。开始拉起之前假定具有§25.175（b）（1）（iv）规定的功率（推力），开始拉起时可以假定功率（推力）减小并使用驾驶员操纵的阻力装置。
（2）最小速度余量必须足以应付大气条件的变动（例如，水平突风和穿过急流与冷峰），以及应付仪表误差和飞机机体的制造偏差。这些因素可以基于概率来考虑。但是在MC受到压缩性效应限制的高度上，该余量不得小于0.07 M，除非用合理的分析考虑了所有自动系统的影响得到了更低的余度。在任何情况下，该余量不得小于0.05 M。
1.1.2 §25.1303 飞行和导航仪表
飞机应根据下列规定的情况安装相应的仪表设备：
涡轮发动机飞机和VMO/MMO大于0.8VDF/MDF或0.8VD/MD的飞机，需有速度警告装置。当速度超过VMO+6节或MMO+0.01时，速度警告装置必须向驾驶员发出有效的音响警告（要与其它用途的音响警告有明显区别）。该警告装置的制造允差的上限不得超过规定的警告速度。
1.1.3 §25.1505 最大使用限制速度
最大使用限制速度（VMO/MMO-空速或M数，在特定高度取其临界者）指在任何飞行状态（爬升、巡航或下降）下，都不得故意超过的速度，但在试飞或驾驶员训练飞行中，经批准可以使用更大的速度。VMO/MMO必须制定成不高于设计巡航速度VC，并充分低于VD/MD或VDF/MDF，使得飞行中极不可能无意中超过后一速度。VMO/MMO与VD/MD或VDF/MDF，之间的速度余量不得小于按§25.335（b）确定的余量，或按§25.253进行试飞时认为是必需的余量。
1.1.4 §25.253 高速特性
增速特性和速度恢复特性，必须满足下列对增速特性和速度恢复特性的要求：
（1）很可能引起无意中增速（包括俯仰和滚转的颠倾）的运动状态和特性，必须用配平在直至VMO/MMO的任一很可能使用的巡航速度的飞机来模拟。这些运行状态和特性包括突风颠倾、无意的操纵动作、相对于操纵系统摩擦来说，较低的杆力梯度、旅客的走动、由爬升改为平飞以及由M数限制高度下降到空速限制高度。
（2）计及有效的固有或人为速度警告发出后驾驶员做出反应的时间，必须表明在下述条件下能够恢复到正常的姿态，并且速度降低到VMO/MMO：
①不需要特别大的驾驶杆力或特殊的技巧；②不超过VD/MD，VDF/MDF及各种结构限制；③不出现会削弱驾驶员判读仪表或操纵飞机恢复正常的能力的抖振。
（3）飞机在不超过VMO/MMO的任一速度配平，在直到VDF/MDF的任一速度下，对绕任一轴的操纵输入不得有反逆响应。飞机的俯仰、横滚或偏航的倾向必须轻微，并可用正常驾驶技巧即刻控制。当飞机在VMO/MMO配平后，在大于VFC/MFC的速度下，升降舵操纵力相对速度的关系曲线斜率不一定要稳定，但是在直到VDF/MDF的所有速度下，必须为推力，而且在达到VDF/MDF时，升降舵的操纵力不得有突然或过度的减小。
具有稳定性的最大速度VFC/MFC，VFC/MFC是襟翼和起落架收起时，必须满足§25.143（f）、§25.147（e）、§25.175（b）（1）、§25.177和§25.181要求的最大速度。该速度不得小于VMO/MMO和VDF/MDF的平均值，但在M数成为限制因素的高度，MFC不必超过发出有效速度警告的M数。
1.2 对适航条款的理解
以上相关的适航条款中§25.1505和§25.335建立了确定最大使用限制速度（VMO/MMO）及设计俯冲速度（VD）的准则；§25.1303对超速警告装置提出了要求；§25.253则是建立了演示飞机高速特性时飞机的增速特性和速度恢复特性[3]，确定飞机高速飞行时可接受的稳定性和操纵性准则及确定具有稳定性的最大速度VFC/MFC。 适航条款§25.253“高速特性”规定了飞机的试飞状态、试飞任务、试飞构型、速度及动力设置。涉及的高速特性试飞演示时所要考察的试飞状态及特性包括：重心移动、无意的速度增加、突风颠倾、由爬升改为平飞、由M数限制高度下降到空速限制高度等[2]。
CCAR25.253（a）（3）中明确了高速特性试飞时的配平速度，要求不超过VMO/MMO，可以将此速度作为试飞时配平飞机的基准，空速允差控制在±3%。由于高度越高，空气密度越小，飞机的俯仰摆动、横侧摆动的衰减时间变长，飞机纵向及横航向的稳定性会变低，建议试飞时在高高度进行，这样得到的试飞结果比较保守。高速时襟翼缝翼为巡航状态构型，起落架为收起状态。
AC25-7A《运输类飞机合格审定飞行试验指南》中对高速特性推荐了几种典型的试飞方法，下面逐条对试飞方法及试飞计划进行分析。
1.2.1 重心移动试飞
根据飞机内部实际布局情况，按照典型数量的乘客及服务车，从飞机最后一排座位走到驾驶舱舱门区域，整个过程中飞机重心前移，重心与焦点的距离增大，飞机纵向静稳定性变强，机头下沉，飞机速度增大，在飞机加速到超速告警发出3 s后要求以不超过1.5 g的过载改出，若法向过载超出1.5 g，飞机的乘坐品质会降低，乘客会感到不舒适。某型号飞机高速特性重心移动试飞时推荐的是两乘务人员及一辆餐车满载时的总重量。若试验机安装了水配重系统，可以将水从客舱后部移到前部来模拟乘客向前走动。若试飞时没有加装水配重系统，可以采用真人正常向前移动的办法达到重心移动。
此试飞是模拟重心向前移动后飞机低头增速，如果重心设为前重心，那么试飞过程中重心会超出包线限制，故使用后重心作为审定试飞验证状态。
重量的选取原则是可以让飞机在机头低头后增速最快，这样得到的结果比较临界。机翼水平飞行，同一配平速度下大重量时机身迎角大，发动机推力大，重心前移同样的程度后飞机下滑角小；小重量时虽然机身迎角小，发动机推力小，但重心前移同样的程度后飞机下滑角大。故大小重量都要作为适航试飞状态进行考察。
1.2.2 无意的速度增加
航线飞行中飞行员无意的纵向操纵动作可能会使飞机速度增加直至超出最大使用限制速度。试飞时可通过以下操纵来模拟飞行员的无意操纵：对俯仰操纵机构施加足够大的操纵力使纵向杆快速向前移动，使飞机低头俯冲并产生0.5 g的法向过载，保持5 s，然后拉纵向杆以不大于1.5 g的过载改出增速状态。
一般飞机在大重量前重心下的杆力特性较临界。同一状态下达到同样的负过载，飞机在大重量前重心时需要施加更大的推杆力，且此情况下大重量时飞机增速较明显。后重心时飞机的稳定性较临界，故试飞时建议选取大重量、前后重心都作为试验状态。
1.2.3 突风颠倾试飞
飞机在空中遇到突风时机体会产生纵向、横行及纵横向颠倾。模拟纵向突风导致的颠倾时，先在VMO/MMO速度下配平，然后减小速度，以之前配平时的发动机功率和配平，使机头下沉达到6°～12°的机头下俯姿态，允许飞机加速到超速警告发出后3 s，然后以不大于1.5 g的过载改出。
模拟横向突风时，先将飞机配平于稳定直线水平飞行，然后操纵驾驶盘使飞机迅速滚转到45°～60°滚转角，方向舵和纵向操纵机构保持不变，之后放弃操纵至少10 s或超速警告发出后3 s后（取先出现者），以不大于1.5 g的过载改出。
模拟纵横向颠倾时先按要求完成纵向颠倾，在俯仰姿态已建立但在达到VMO/MMO之前，使飞机滚转15°～25°，应保持既定姿态直到超速警告发出后3 s，以不大于1.5 g的过载改出。从纵、横向操纵后飞机增速及稳定性角度考虑建议用大重量、前后临界重心来作为突风颠倾适航试飞状态进行考察。
1.2.4 由爬升转入平飞试飞
此试飞状态是考查飞机从爬升推力状态改平飞机后，发动机推力保持不变，飞机增速直至超速警告发出后飞机的操稳特性，试飞时一般设置超速警告发出时间是3 s，然后以不超过1.5 g的载荷系数改出。
在相同的爬升推力下小重量时飞机爬升速度较快，且改平后其加速度大，飞机增速快，建议用小重量、前后重心来作为验证状态。
1.2.5 从M数限制高度下降到空速限制高度试飞
在M数限制高度，以MMO配平飞机，按由MMO定义的速度图表下降至空速限制高度，超速警告发出3 s后以不大于1.5 g的过载改出。从增速快及飞机稳定性角度考虑，建议用大重量、前后重心来完成验证试飞。
2 试飞计划安排
基于以上对高速特性适航条款的理解及试飞方法的分析，建议民用运输类飞机高速特性适航试飞时试飞计划安排如表1所示。
3 结语
该文通过对高速特性适航条款的理解分析，对高速特性型号合格审定试飞计划进行研究。制定的高速特性试飞计划，可用于组织民用运输类飞机的适航试飞时作为参考。
参考文献
[1] CCAR-25中国民用航空条例第25部运输类飞机适航标准[S].
[2] AC25-7A运输类飞机合格审定飞行试验指南[Z].
[3] 霍建武，攀力，王启.Y7H一5OO型飞机高速特性适航试飞[J].飞行力学，1995，13（1）.