民用运输类飞机指示空速和当量空速对飞机系统影响分析

张琛

摘 要：空速系统设计是民用运输类飞机大气数据系统设计的核心环节，对飞机的安全性有至关重要的影响作用。该文简要介绍了几个重要的飞机速度参数，如指示空速、当量空速，真空速，地速，马赫数等，并详细介绍了各个速度的定义，比较了其区别。同时，该文以现代民用运输类飞机大气数据系统一般架构为例，分析了在设计过程中若使用当量空速代替指示空速输出给交联的机载系统，分别产生的影响，对于指导民用运输类飞机大气数据系统设计具有一定的参考意义。

关键词：民用运输类飞机 大气数据 指示空速 当量空速 真空速

中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0112-02

在民用运输类飞机的飞行过程中，空速、高度、垂直速度等大气数据参数至关重要，不仅直接影响驾驶舱飞行员对飞行状态的认知和对飞机的操纵，也影响到相关机载系统的功能/性能计算，尤其现代飞机广泛采用电传飞控和自动驾驶仪，其会影响飞机整机功能正常和安全性。

飞机的飞行速度指向气流方向，而气动力与速度的平方成正比，因此速度是飞行力学中一个很重要的变量。飞机是在特定的速度下进行起飞、爬升、巡航、进近和着陆，不同的速度表示的意义是不同的，如指示空速（IAS）、当量空速（EAS）、真空速（TAS）、地速（GS），马赫数（M）等。这些参数不能直接被机载传感器测量得到，而是通过飞机上安装的大气数据传感器测量飞机周围的大气压力（全压和静压）等信息，根据特殊的计算公式在大气数据计算机中计算得到，并转成电信号，输出给驾驶舱显示系统，以及其它交联机载系统。

1 各种速度的定义

（1）指示空速，Indicated Airspeed（IAS）， 这个速度参数是大气数据系统测量出来的外部动态气压显示的速度值，即飞机和空气相撞的速度，直接显示在驾驶舱空速显示器上。通过静压源位置误差修正以后得到的指示空速又叫校准空速（CAS），提高了精度。

VIAS2=2×q/ρ（q是大气数据系统测量出来的空气动压，即总压P0与静压Ps之差，ρ是当前高度的大气密度）。

（2）真空速，True Airspeed（TAS），即飞机事实上在空气中移动的速度，也就是经气压换算成海平面高度的指示空速。

TAS=IAS×（T+绝对温度×P0）/（T0+绝对温度×P），T0和P0分别是标准海平面的大气压和温度值

（3）当量空速，Equivalent Airspeed（EAS），由于不同高度的空气密度是不同的，所以以海平面空气密度ρ0为标准就得出EAS当量空速。因为这里ρ0是固定的，所以EAS只跟动压q有关。飞机机体结构强度限制基本上只受空气压力的影响，因此飞机机体强度限制速度用EAS来表征。

EAS=[TAS2/（（ρ0/ρ）×（T/T0））]0.5，ρ0和T0是标准海平面的空气密度和标准温度。

根据这个公式，在飞机爬升的时候，空气密度ρ变小，TAS增加；周围温度下降，TAS下降。一般可以用每增加1000英尺，IAS就多增加2%来估算TAS。在海平面时，

TAS=IAS=EAS

（4）地速，Ground Speed（GS），实际对地速度，即飞机相对地球表面飞行的速度，无风时等于真空速。

（5）马赫数，Mach（M），就是真空速与音速的比值，温度越高，音速越快。因为音速仅仅与温度有关，因此M数类似EAS，主要表征空气动力学特征。

M=TAS/（39*（273+SAT）0.5）， SAT是指周围静止空气的温度。

2 现代大气数据系统及交联系统一般架构

在现在民用运输类飞机设计中，大气数据系统一般包括全压/静压传感器，总温传感器，大气数据计算机及连接的全静压管路等。其中全压/静压传感器感受外界大气压力，总温传感器感受外界大气温度，并通过相应全静压管路及电缆传导给大气数据计算机（ADC）的压力感受及计算模块，按照一定的计算公式和数据处理转换为指示空速IAS，当量空速EAS，真空速TAS，马赫数M等，输出数字参量给其它机载系统使用，如电子飞行仪表系统EFIS，综合处理系统IPS，惯性基准系统IRS，发动机仪表和机组告警系统EICAS，失速保护系统SPS，飞行管理系统FMS，飞行控制系统FCS和中央维护系统CMS等，并把这些信息显示在主飞行显示器PFD上。大气数据系统及交联系统框图如下图1所示。

3 使用指示空速和当量空速对系统影响分析

在按照适航规章CCAR25.1323和25.1325进行指示空速、气压高度校准过程中，有一种方法是使用局部迎角Local AOA和当量空速EAS进行静压源位置误差修正，这样可以忽略高度的影响，得到符合适航法规要求的校准空速CAS（即精度提高后的IAS）。由于EAS是IAS在空气压缩性修正计算后得到的，因此IAS-CAS这一校准过程涉及到了变量的反复迭代，会产生延时和迭代误差。具体过程如下图2所示：

由于大气数据计算机ADC经过静压源位置误差SSEC校准后直接得到了准确的当量空速EAS，此参数可直接通过ARINC429信号发给所有交联系统使用，此时实时性和准确性较好。EAS和IAS在高度低于10000ft时，两者值差别不大。但当高度高于10000ft时EAS与IAS差异不能忽略，高度越高，速度越大，两者差别越大。如35000ft，0.82M时，EAS比CAS小15knot左右，不容小视。就此情况下，对各机载系统的影响初步分析如下：

主飞控系统：飞控基本控制率使用的速度是IAS，且空置率的增益随着IAS的增大而减小。在试飞过程中，若控制律的输入是当量速度，则输出的控制律增益将大于设计值，从而使得实际的舵面偏度大于设计值，因此有可能超出舵面载荷限制的极限偏度，带来安全隐患。

高升力系统：襟缝翼的标牌速度使用的是IAS。放襟翼最大高度为20000ft，因此若高升力系统的速度输入为EAS，则有可能出现在大于标牌速度的情况下进行襟/缝翼收放，带来安全隐患。

导航系统：PFD上显示的是IAS，地形提示与告警系统（TAWS）、飞行管理系统（FMS）和气象雷达WXR等需要IAS作为输入，用于各自计算。若该输入变为EAS，则可能导致飞行员参考了错误的空速数据，TAWS，FMS和WXR等计算也会出现偏差，降低安全裕度。

自动飞行系统 （包括失速保护系统） ：其算法使用的是IAS和TAS。自动飞行控制系统主要使用ADC ARINC429总线的205、206、210三个label作为M数、IAS和TAS输入；失速保护系统主要使用ADC 429总线的206 label作为IAS的输入。如果这些label实际给出的是EAS，则自动飞行控制系统需要重新进行飞行调参试验，马赫数配平功能也需更新性能参数。地面当IAS达到80节若干秒钟后，失速保护系统启动失速保护功能，因此如果实际使用了EAS，则可能会推迟启动失速保护功能。

动力装置系统：动力装置系统的推力管理的输入速度为IAS，空中起动包线的边界速度也是IAS。在试飞过程中，若使用EAS作为推力管理的输入，则发动机实际输出的推力值将小于设计值，虽不影响试飞安全，但将影响发动机性能飞行试验的有效性。

电源系统：对于电源系统，速度仅与RAT系统的使用有关。由于RAT系统需进行结构强度试验，因此确定的释放RAT速度应不大于EAS的某个值。但由于释放RAT时，高度均低于10000ft，此时EAS和IAS差异不大，因此对电源系统无影响。

4 结语

大气数据系统设计是民用运输类飞机设计集成的核心组成部分，直接影响到飞机的安全性指标。该文简要介绍了大气数据系统几个重要速度参数，主要包括指示空速IAS，当量空速EAS，真空速TAS，马赫数M等，通过利用EAS和局部迎角进行静压源位置位差修正得到CAS（即精确的IAS），假设为保证解算的实时性直接使用EAS输出给各机载系统，进行各机载系统影响分析，各重要机载系统响应各异，一些系统功能将不能得到正确执行，性能也将降低，总的说来将降低飞机安全裕度，造成安全隐患。

参考文献

[1] 钟近曦.飞行力学中的几个速度[J].民用飞机设计与研究，1988（4）：15-18.

[2] 中国民用航空规章（CCAR 25 R4）.运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.

[3] 肖建德.大气数据计算机系统[M].北京：国防工业出版社，1992.

[4] 陈子玉.飞机飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，1994.