最小离地速度合格审定飞行试验优化方法研究

屈展文, 张彤, 揭裕文

(中国民用航空上海航空器适航审定中心, 上海 200335)



最小离地速度合格审定飞行试验优化方法研究

屈展文, 张彤, 揭裕文

(中国民用航空上海航空器适航审定中心, 上海 200335)

最小离地速度是制定起飞操作程序表的重要基准速度之一,而最小离地速度飞行试验又是民用飞机适航取证中的高风险科目之一。介绍了起飞速度制定过程中各起飞特征速度间的关系,分析研究了最小离地速度在起飞速度制定中的作用,提出了一种基于起飞速度制定原则的最小离地速度合格审定飞行试验的优化方法。该方法可以优化最小离地速度飞行试验安排,节省适航取证成本和时间。

最小离地速度; 民用飞机; 起飞速度; 合格审定; 飞行试验; 适航

0 引言

最小离地速度VMU是指飞机在起飞构型和不同推重比时,在全发工作或单发失效情况下能够安全离地并继续起飞而不出现危险特性的最小速度。同失速速度VSR和地面最小操纵速度VMCG类似,VMU是制定起飞操作程序表的重要基准速度之一。而适航规章要求在申请审定的整个推重比范围内由申请人选定VMU,并为飞行试验所证实,因此在适航取证过程中需进行多次VMU飞行试验。同时VMU飞行试验又属于高难度、高风险的试飞科目,需要飞机尽可能在接近可能达到的最大升力系数时离地,具有很高的试验风险。本文从VMU与推重比的关系出发,介绍了起飞速度制定过程中各起飞特征速度间的关系,并重点分析了VMU和安全起飞速度V2在抬轮速度VR制定中的作用;同时反向提出了一种基于起飞速度制定原则,根据实际情况优化VMU合格审定飞行试验安排的思路和方法,该方法可以优化和减少VMU飞行试验点,从而减小试验风险,节省取证成本和缩短审定周期。

1 适航规章要求

CCAR 25部第25.107条 (d)款规定[1]:VMU为校正空速,在等于和高于该速度时,飞机可以安全离地并继续起飞。VMU速度必须在申请审定的整个推重比范围内由申请人选定。这些速度可根据自由大气数据制定,条件是这些数据为地面起飞试验所证实。

2 最小离地速度试飞方法

最小离地速度试验是一种最高性能的飞行机动试验,属于高难度、高风险试飞科目。飞行试验时要求飞机在非常接近最大升力系数时离地,而且俯仰姿态在机动期间要求保持常数,但由于环境条件和地面效应的影响可能会导致迎角发生较大变化,因此会给驾驶员操纵带来很大的难度和挑战。

一般情况下,最小离地速度试验的程序为:在起飞线上刹住飞机,按预定的推重比(T/W)调定发动机的推力,正常配平,松刹车,使飞机滑跑加速,在比预定VMU小20～30 kn的速度时拉杆到底，使飞机抬头直至预定的离地姿态角。在此后的整个起飞离地过程中,继续保持这一姿态,直到飞机完全脱离地面效应的影响,然后逐步过渡到正常的起飞爬升状态。飞机在离地后直至35 ft(10.7 m)高度之前,飞机俯仰姿态不得减小,或者速度增大不得大于10%。

试验成功的判断原则为: 如果在最小离地速度试验过程中没有发生飞机严重抖振或丧失操纵能力的征兆,就可以认为试验成功,任何导致危险特性或严重抖振的最小离地速度试验,都是不可接受的[2]。最小离地速度飞行试验应尽可能在接近重心前限条件下进行试验。对于俯仰操纵受限制的飞机,也可允许以较后的重心位置进行试验,但在数据处理时需要把测得的VMU修正到重心前限。同时,可以通过进行双发工作的最小离地速度试验来代替真实的一台发动机不工作的最小离地速度试验,但需考虑单发失效时的VMU试验相关的各种因素。

3 最小离地速度与推重比的关系

图1为飞机离地时力的平衡图,应满足如下动力学平衡方程:

L+Tz-Wcosγ=0

(1)

(2)

式中:L为飞机的升力;Tz为发动机推力矢量的法向分量;W为飞机重量;γ为飞机航迹角;ρ0为标准海平面大气密度;Ve为飞机当量空速。

图1 飞机起飞离地时力的平衡Fig.1 Force balance when aircraft takeoff

根据式(1)和式(2)可以得到飞机离地时的升力系数为:

(3)

以航迹坐标系为基准,在最小离地速度试验中,当飞机离地时,动力学方程应当满足如下条件:

(4)

式中:φp为发动机安装角。

将式(3)带入式(4)可得:

(5)

为了得到最小离地速度与推重比的关系,在此引入基准失速速度Vsref的概念,此速度应当等于相同飞行重量时飞机的失速速度:

(6)

由式(5)和式(6)可得:

(7)

对于受几何限制的飞机,最小离地速度试验对应的飞机迎角是确定的,由于γ值不大,因此可以假设cosγ=1,则式(7)可表示为:

(8)

(9)

显然,VMU/Vsref与推重比(T/W)为线性关系[3]。由气动原理分析可知,这是因为在飞机离地时,飞机的离地姿态较大,推力的垂直分量也较大,该分量有利于减小起飞离地所需机翼升力。因此,在进行最小离地速度试验时需要在整个推重比范围内进行飞行试验,以确定最小离地速度。

而对于非受几何限制的飞机,最小离地速度试验时的CLMU并不固定,但由于离地迎角范围并不太大,同样可通过在整个推重比范围内进行最小离地速度试验,拟合得到近似的曲线如图2所示。

图2 最小离地速度与推重比的关系Fig.2 The relationship between VMU and T/W

4 起飞特征速度及其相互关系

最小离地速度的确定对于保证飞机安全起飞是非常重要的。但是对于飞行员,最小离地速度并不是他们在起飞过程中所关心的,他们所关注的速度是那些与飞行员实际操作相关的速度。因此在讨论最小离地速度对起飞速度制定的影响前,有必要对起飞过程中除VMU外的起飞特征速度及其相互间的关系做一个简单的说明。

(1)VMCG:地面最小操纵速度,飞机在起飞地面加速滑行过程中,当临界发动机突然不工作时,飞机能够继续保持安全可控,且地面轨迹偏离不超过30 ft(10.7 m)的最小速度。

(2)VMCA:空中最小操纵速度,飞机在空中飞行时,当临界发动机突然不工作时,能够继续保持对飞机的操纵,并维持坡度不大于5°的直线飞行的最小速度。

(3)VR:抬轮速度,起飞过程中飞行员实施拉杆使飞机抬轮所对应的速度。该速度需保证飞机在一台发动机失效时能够正常离地,且在35 ft(12.48 m)高度上能够加速到V2速度或V2速度以上。

(4)VEF:临界发动机失效速度,由申请人选定。规章要求VMCG

(5)V1:起飞决断速度,当发生紧急情况,需要中断起飞的最大速度。超过V1速度后，由于不能保证有效的跑道刹车距离,飞机必须完成起飞。规章要求VMCG

(6)VLOF:离地速度,飞机开始腾空时的速度,即飞机与跑道不接触时的校正空速。VLOF与VMU不同,VMU是给定情况下可能的最小VLOF,规章要求VLOF≥1.1VMU,在临界发动机失效情况下VLOF≥1.05VMU。(注:对VMU受尾部擦地限制的飞机可放宽为VLOF≥1.08VMU,临界发动机失效情况下VLOF≥1.04VMU)。

(7)V2:安全起飞速度,当一台发动机在VEF失效后用规定的VR抬前轮,到飞机距离起飞表面35 ft或35 ft之前所达到的速度,V2≥V2MIN。

(8)V2MIN:最小安全起飞速度,对于无措施使一台发动机不工作带动力失速速度显著降低的涡轮喷气飞机,V2MIN≥1.13VSR,V2MIN≥1.10VMCA,取大者。

图3概括了以上各起飞特征速度间的关系和规章的相关要求[4]。图中,VMBE为刹车能量限制速度;VTIRE为最大轮胎速度。

图3 起飞速度间关系及限制图Fig.3 Takeoff speeds relationships and mutual restrictions

5 最小离地速度对起飞速度的影响

5.1 受VMU限制的起飞速度

如前所述,飞行员在起飞过程中所关心的速度为与实际操作相关的速度,如V1,V2和VR。根据第4节的介绍,其中与VMU直接相关的为抬轮速度VR,VMU是确定VR的两大关键因素之一。

适航规章要求在抬轮速度VR以飞机实际可行的最大抬头率抬头,得到的VLOF不得小于全发工作VMU的110%,且不小于按单发停车推重比确定的VMU的105%。通过第3节的分析可得,VMU与推重比T/W有着紧密的联系。

图4为在整个推重比范围内对受VMU所限制的抬轮速度进行分析的示意图。最下方的实线表示VMU与T/W的关系(注:图中直线仅代表趋势,不一定为严格的线性关系),其中左上角的实线为一台发动机不工作时所对应的1.05VMU,而右上角的实线则为全发工作时的1.10VMU限制线。这两条实线代表了确定起飞速度时VLOF的限制。另外,通过快速抬前轮起飞试验可以得到单发失效和全发工作时VR和VLOF的差值ΔV,将这一差值带入图中,可得虚线所示的VR限制。

需要说明的是,规章之所以要求以实际可行的最大抬头率作为限制，是因为最大抬头率起飞时代表了实际运行过程中VR和VLOF间的最短时间;在正常抬头率起飞时,飞机抬轮和飞机离地间的时间更长,因此在同样的VR速度实施抬轮机动时,所得到的VLOF速度将更大,因此以实际可行的最大抬头率起飞时所对应的VR和VLOF间的差值作为限制更为保守[5]。

图4 受VMU限制的VRFig.4 VR determination by VMU restriction

实际运行中,需保证在一台发动机不工作时的VR和全发工作时的VR是相同的。将图4中的左边虚线的横坐标乘2,即得等效的全发工作时的推重比。因为所选取的VR需保证两种情况下都是安全的,取两条线中的大者,即得最终确定的受VMU限制的VR(见图5)。

图5 最终确定的受VMU限制的VRFig.5 Final determination of VR by VMU restriction

5.2 受V2限制的抬轮速度

根据第4节的介绍,VR还受V2速度的限制,实际采用的VR值还需保证飞机在一台发动机失效正常离地起飞时,在35 ft高度上能够加速到V2速度或V2速度以上,因此V2MIN即构成了对VR的限制。按照5.1节类似的方法进行分析,图6中左上角的实线为1.13VSR或1.10VMCA中的大者,即单发失效起飞情况的V2MIN限制值。同样地,根据飞行试验可得单发失效起飞时VLOF与V2之间的速度增量,V2MIN减去该速度增量即为单发失效起飞时的VLOF限制值,用VLOF-EI表示。该值再减去VLOF与VR间的速度增量,得到由V2MIN所限制的VR值,用VR-EI表示。同样地,因为实际运行中一台发动机不工作时的VR和全发工作时的VR是相同的,将VR-EI水平平移,即得双发起飞时的抬轮速度VR-AE,根据双发正常起飞时的速度增量便可得到以该VR速度双发正常起飞时的离地速度VLOF-AE和在35 ft处的速度V35。

图6 受V2MIN限制的VRFig.6 VR determination by V2MIN restriction

综上可知,最小离地速度VMU在制定起飞速度时主要对抬轮速度VR构成限制,但VR同样受V2MIN的限制。只有当两项限制均得到满足时,即取受VMU限制的VR和受V2MIN限制的VR中的大者,所得到的VR方能保证飞机正常起飞时的安全。

6 确定VMU飞行试验的优化分析方法

如前文所述,最小离地速度VMU主要用于制定安全的起飞抬轮速度VR,而在制定起飞速度时,VR主要受VMU和V2MIN的限制。按照规章要求,VMU速度是由申请人在整个推重比范围内选定的,因此本文提出一种根据起飞速度制定原则,视具体型号在推重比范围内选取合理的VMU,优化VMU飞行试验安排的方法。

在运输类飞机的型号合格审定过程中,为保证试飞安全,通常失速速度试验、空中最小操纵速度试验和正常起飞试验是在最小离地速度试验之前进行的。因此在VMU试验之前,可以认为VSR,VMCA和起飞过程中各特征速度间的差值是确定的,而V2MIN是由VSR和VMCA所确定的,于是不难得到受V2MIN限制的VR。另外,根据第4节的分析,对于传统的运输类飞机,VMU是随推重比的趋势变化的,通常VMU随T/W的增大而减小。于是,首先在最小或接近最小T/W情况下进行VMU试验,根据试验结果分析不难得出该机型的VR速度受VMU限制还是V2MIN限制。根据分析结果(见图7,其中“○”表示VMU试验点)。优化后的VMU试验安排为:

(1) 如果由V2MIN限制得到的VR在全推重比范围内均大于该试验点得到的VMU所对应的VR，申请人可在全推重比范围内选择该值作为VMU值,无需再进行其他VMU飞行试验;

(2) 如果根据该试验结果并不能判断在全推重比范围内VR均受V2MIN限制,则逐渐增加推重比进行VMU飞行试验,直至可以判断在后续推重比范围内,飞机的VR速度受V2MIN限制。同样地,对剩余推重比范围,选择最后试验所得的结果作为VMU值,中止VMU飞行试验;

(3) 对于全推重比范围内VR均受VMU限制的机型,则仍需在全推重比范围内进行VMU飞行试验,以保证飞机运行安全。

7 结束语

本文分析了最小离地速度在起飞操作程序表制定中的作用,并根据最小离地速度与其他起飞特征速度间的关系,提出一种基于起飞速度制定原则的最小离地速度合格审定飞行试验优化方法。此方法可用于指导最小离地速度飞行试验的安排和优化,对于抬轮速度VR不是在整个推重比范围内受VMU限制的机型,可以显著节省取证成本和缩短取证周期,减小试验风险,对运输类飞机的最小离地速度合格审定飞行试验具有重要的指导意义。

[1] 中国民用航空总局.运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空总局,2011.

[2] Federal Aviation Administration. Flight test guide for certification of transport category airplanes：AC25-7C[S].USA:Federal Aviation Administration,2012.

[3] 张妙婵,张建,吴密翠.运输类飞机最小离地速度试飞数据处理方法[J].飞行力学,2011,29(5):81-83.

[4] Flight Operations Support & Line Assistance of Airbus.Getting to grips with aircraft performance[Z].France:Airbus,2002.

[5] Walt Blake and the Performance Training Group Flight Operations Engineering Boeing Commercial Airplanes.Jet transport performance methods[Z].USA:Boeing,2009.

(编辑：方春玲)

Research on the optimization method of minimum unstick speed certification flight test

QU Zhan-wen, ZHANG Tong, JIE Yu-wen

(Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)

Minimum unstick speed is one of the important reference speed for the development of scheduled takeoff speeds, and the minimum unstick speed flight test is also one of the high risk flight test subjects during civil aircraft airworthiness certification. This paper introduces the relationship between different operational takeoff speeds in the process of making specific takeoff speeds, analyses and researches the effect of the minimum unstick speed during the development of takeoff speeds, then proposes an optimization method of minimum unstick speed certification flight test based on takeoff speeds determination principles. This method can optimize the minimum unstick speed flight test arrangement, save the cost and time in the airworthiness certification.

minimum unstick speed; civil aircraft; takeoff speeds; certification; flight test; airworthiness

2016-03-07;

2016-06-20;

时间:2016-10-24 12:14

屈展文(1985-)，男，湖南娄底人，工程师，硕士，主要从事民用运输类飞机试飞、性能操稳、驾驶舱与人为因素相关的适航标准审查、研究和制定工作。

V217.31

A

1002-0853(2016)06-0090-05