高原机场飞机减载使用分析

邵 斌, 李 柯,2, 黄文广, 王观虎, 侯 照, 陈奇奇

(1.空军工程大学航空工程学院, 西安 710038； 2.中国人民解放军91867部队, 金华 322000； 3.空军研究院, 北京 100195)

高原地区与平原地区相比,最大的特点是海拔高、空气稀薄,常常出现对飞行不利的高温低压气象特征。对于飞机起飞着陆来说,最不利季节的气温在15～28 ℃,气压仅为0.6～0.8个标准大气压。高温低压的环境特点影响飞机的起飞着陆性能,影响飞行员的驾驶和操纵飞机,可能需要减小飞机的最大起飞质量和最大着陆质量,即飞机减载。

针对高原机场飞机的起降和运行,中外学者做了大量研究,取得了丰富的成果。万憬等[1]研究表明,高原机场的低压缺氧环境,使飞行员心理压力增大、反应时间延长,注意力下降。Legg等[2]认为,高原环境对飞行员感知、决策和执行能力产生影响,使飞行员更容易产生疲劳,是威胁飞行安全的重要因素之一。杨乐[3]、段钧剑[4]分析高原机场飞机起飞性能,进行计算与仿真分析,研究了飞机起飞越障方法,制作了一发失效的应急程序。文献[5-8]基于高原机场的复杂环境特点,分析飞机起飞、着陆滑跑过程,建立了高原机场飞机起飞滑跑距离、着陆滑跑距离计算模型,并通过实测验证了模型的准确性。潘军等[9-10]采用神经网络的计算方法,利用MATLAB/Simulink仿真平台构建高原机场飞机决断速度的计算模型,并分析了决断速度的影响因素。张序等[11]分析了高原环境对飞机起飞质量的限制,总结了影响高原机场空中交通运行的因素和高原机场运行的特点,提出了飞机签派放行的辅助决策方法。飞行手册对飞机起降质量有明确规定,飞机起降质量受多种因素影响,主要包括跑道长度、轮胎速度、刹车能量、道面承载能力等。

目前，前人研究主要集中在高原环境对飞行员的影响,对飞机起飞滑跑距离、决断速度的影响,对飞机签派放行的影响等方面,但系统分析飞机最大起飞质量和最大着陆质量的研究较少。鉴于高原特殊的气象环境影响飞机性能和机场运行,出于安全的考虑和适航的要求,飞机在高原机场起降,必须考虑高原特殊环境对飞机起降质量的影响。结合中外高原机场运行研究状况及飞行手册的规定,飞机减载研究,应在分析高原环境对飞机起飞着陆的影响,考虑必要的因素,建立判定准则和分析方法,分析各个因素对减载的影响,确定飞机起降的最大起飞质量和最大着陆质量。

1 高原环境对飞机起飞着陆影响分析

高原地区环境复杂,气候恶劣,时常出现对飞行不利的高温低压天气,降低了飞机性能,影响了飞行员对飞机的操纵,影响机场的运行,主要表现在以下两个方面。

1.1 高原环境对飞机发动机推力的影响

高原机场海拔高,空气稀薄,发动机推力下降,导致飞机起飞滑跑加速度减小,使飞机从加速到起飞离地需要更长的滑跑距离,增大了起飞距离。同时,发动机推力减小,会导致飞机起飞爬升梯度减小,而高原地区的多山环境使飞机起飞爬升过程所处的净空条件更加恶劣,对飞行员驾驶技术和飞行程序设计的要求更高。发动机推力与大气条件密切相关,在气温升高到一定程度时发动机推力迅速减小；海拔越高,发动机推力越小。空客某型飞机发动机推力与海拔高度(H)和大气温度(T)的变化曲线,如图1所示。

图1 空客某型飞机发动机推力与海拔、气温的关系Fig.1 Relationship between thrust of an airbus aircraft engine and altitude and temperature

1.2 高原环境对飞机起飞离地速度的影响

无论是在高原机场还是在平原机场,在飞机起飞离地时,升力与重力基本平衡。升力与空气密度、升力系数、机翼面积、滑跑速度成正相关,升力系数与飞机的迎角成正相关,而空气密度随海拔升高减小,因此飞机以同一质量、同一迎角起飞,在高原机场的起飞离地速度要大于平原机场。某型飞机起飞离地速度(Vq)与T、气压(p)的关系,如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出,在气压相同的条件下,飞机的起飞离地速度随着气温的升高而增大；在气温相同的条件下,飞机的起飞离地速度随气压的增加而减小。在高原机场,计算气温相对较高,计算气压相对较低,使飞机的起飞离地速度较平原机场大大增加。

图2 起飞离地速度与气温的关系Fig.2 Relationship between take-off speed and air temperature

图3 起飞离地速度与气压的关系Fig.3 Relationship between take-off speed and air pressure

2 高原机场飞机减载的判定准则和分析方法

2.1 高原机场飞机起降减载的判定准则

跑道长度与飞机起飞着陆质量有关,对于同一种飞机,飞机质量越大,需跑道长度越长。跑道长度通常是根据特定机型设计的,当其他机型使用该跑道时,应核算跑道长度是否满足飞机以最大质量起飞和着陆的需要。如不满足,则飞机需要减载才能使用。高原环境对飞机性能要求较平原机场更为严苛,飞机在高温低压条件下起降时,飞机的起飞离地和着陆接地速度增大,轮胎和刹车受到更大考验。此外,道面承载能力是道面自身的属性条件,虽然与气温气压无关,但道面承载能力直接影响飞机的起降质量,承载能力评定一般采用ACN-PCN评价法。因此,若跑道长度满足飞机起飞着陆滑跑的要求,在轮胎速度、刹车能量满足飞机结构要求的限值,道面承载能力满足飞机的使用需要,飞机无需减载；否则飞机应减载使用。判定准则具体如表1所示。

表1 高原机场飞机起降减载的判定准则Table 1 Determination criteria for aircraft take-off and landing load reduction at plateau airports

2.2 高原机场飞机减载使用的分析方法

结合高原机场的气象特点,应综合考虑跑道长度、飞机轮胎速度、飞机刹车能量、道面承载能力等因素的影响,分析计算确定飞机减载方案。飞机制造商根据飞机结构确定飞机的最大起飞质量和最大着陆质量,因此飞机最大起飞着陆质量也应满足飞机结构的要求。

飞机最大起飞质量(mq)和飞机最大着陆质量(ml)计算公式为

mq=min(mq1,mq2,mq3,mq4,mq5)

(1)

ml=min(ml1,ml2,ml3,ml4,ml5)

(2)

式中:mq1、mq2、mq3、mq4,mq5分别为根据跑道长度、轮胎速度、刹车能量、道面承载能力、飞机结构确定的飞机最大起飞质量；ml1、ml2、ml3、ml4、ml5分别为根据跑道长度、轮胎速度、刹车能量、道面承载能力、飞机结构确定的最大着陆质量。

3 高原机场飞机减载各个影响因素分析研究

跑道长度与飞机起飞离地速度、着陆接地速度有关,飞机刹车能量也与轮胎速度有关,因此首先分析轮胎速度对飞机起飞着陆质量的限制。

3.1 轮胎速度限制的飞机载重

飞机在起飞滑跑加速时,轮胎转速逐渐增大,轮胎内部材料所承受的离心力越来越大[12]。轮胎的最大允许转速由轮胎结构决定,由轮胎制造商确定。在起飞滑跑和着陆滑跑时,轮胎速度一旦超出最大允许转速,可能导致轮胎结构出现问题,产生安全隐患。

在起飞过程中,飞机从静止开始加速滑跑,前轮在抬起瞬间、主轮在飞机离地瞬间速度最大；在着陆过程中,飞机开始主轮接地、两点滑跑、三点滑跑,刹车减速,滑出跑道,在接地瞬间主轮速度最大。飞机起飞质量越大,离地速度越大；飞机着陆质量越大,接地速度越大。由于起飞时飞机抬前轮速度小于主轮离地速度,着陆时放前轮速度小于主轮接地速度,因此通过飞机主轮轮胎的最大允许转速确定飞机的最大起飞着陆质量。

飞机在离地瞬间,飞机升力与发动机推力的垂直分量之和等于飞机的起飞重量；飞机在接地瞬间飞机升力与发动机慢车推力的垂直分量之和等于飞机的着陆质量[13]，即

Y+Psin(α+αP)=G

(3)

式(3)中：飞机α、αP都很小,Psin(α+αP)≈0。在标准大气条件和实际大气条件两种情况下,均采用标准的驾驶动作,对于飞机起飞离地,有

(4)

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可得飞机实际起飞离地速度(Vq)与实际起飞质量(mq)的关系:

(7)

对于着陆过程,飞机实际接地速度(Vl)与ml的关系为

(8)

同理可得

(9)

(10)

式中:Y为飞机升力；P为发动机推力；Vq0为标准大气条件下的离地空速；mq0为Vq0对应的起飞质量；Vl0为按标准驾驶动作得出的相对于空气的着陆接地速度；ml0为Vl0对应的飞机着陆质量；Δ为空气相对密度；p为计算气压；T为计算气温。

飞机制造商在飞机性能手册中给出,标准大气条件下相应质量的飞机离地、接地速度,以及飞机主轮的最大允许速度。根据式(9)、式(10)建立离地速度与起飞质量、接地速度与着陆质量的关系。

某型飞机在不同海拔的高原机场起降,该飞机Vq，max=330 km/h,Vl，max=280 km/h,离地速度与起飞质量的关系、接地速度与着陆质量的关系,如图4、图5所示。

图4 某型飞机起飞离地速度在不同海拔高度与质量的关系Fig.4 Relationship between takeoff velocity and mass of an aircraft at different altitudes

图5 某型飞机着陆接地速度在不同海拔高度与质量的关系Fig.5 Relationship between landing velocity and mass of an aircraft at different altitudes

从图4、图5可以看出,在相同的气温气压条件下,随着飞机起飞质量的增大,离地速度和接地速度增大。高原机场高温低压的大气环境影响飞机的起飞着陆性能,Vq、Vl较标准条件增幅较大,在有的机场Vq、Vl超出飞机最大允许速度的限值,因此需要减小飞机起飞和着陆质量,使轮胎速度小于最大允许速度。

以D′机场为例,采用多项式拟合的方法,得到飞机离地速度和起飞质量、飞机接地速度与着陆质量的关系,如图6、图7所示。

图6 某型飞机在D′机场的起飞质量与离地速度拟合曲线Fig.6 Fitting curve of take-off mass and departure velocity of an aircraft at D′ airport

图7 某型飞机在D′机场的着陆质量与接地速度拟合曲线Fig.7 Fitting curve of landing mass and departure velocity of an aircraft at D′ airport

从图6、图7可以看出,起飞质量与离地速度、着陆质量与接地速度高度线性相关,拟合精度可以满足计算需要。某型飞机在D′机场起飞和着陆时,轮胎速度限制的最大起飞质量mq=160.5 t,最大着陆质量ml=122.6 t。

3.2 跑道长度限制的飞机载重

跑道供飞机起飞着陆滑跑使用。高原机场跑道长度一般较长,对歼击机起降质量一般不会产生限制,但对运输机而言,由于发动机推力下降,起飞离地速度增大,飞机所需的跑道长度较平原机场要长,跑道长度会限制飞机的起飞质量和着陆质量。从运输机全发正常起飞、正常着陆、一发失效继续起飞和一发失效中断起飞4种情况进行分析[13]。

(1)运输机以全发正常起飞,飞机所需跑道长度为起飞滑跑距离加上折减后的初始爬升距离(即飞机离地点至爬升10.7 m所对应的水平距离,考虑一定折减),再考虑驾驶误差安全系数。飞机正常起飞所需的跑道长度应不超过实际跑道的可用起飞距离不超过实际的可用起飞距离(如设置净空道时,可用起飞距离即为跑道长度与净空道长度之和)，即

La=Ka(Sa+CSh)≤L

(11)

式(11)中:Sa=Sqg+Sqr；L为实际的跑道长度；La为运输机在全发正常情况下起飞所需跑道长度；Sa为飞机起飞滑跑距离；Sqg为飞机三点滑跑距离；Sqr为飞机两点滑跑距离；Sh为飞机离地点至爬升10.7 m 所对应的水平距离；C为初始爬升距离的折减系数；Ka为考虑飞行员驾驶误差而采用的安全系数。

(2)运输机正常着陆,飞机所需跑道长度为着陆滑跑距离考虑飞行员驾驶误差安全系数,应不超过实际跑道的可用加速停止距离，即

Lb=KbSb≤L

(12)

式(12)中:Sb=Sk+Slr+Sls1+Sls2+Sls3+Sls4,Lb为飞机着陆所需跑道长度；Sb为飞机着陆距离；Sk为飞机以15.2 m 飘落至着陆接地点对应的水平距离；Slr为飞机两点滑跑阶段的滑跑距离；Sls1为飞机三点滑跑刹车工作阶段的滑跑距离；Sls2为飞机三点滑跑刹车工作和减速板打开阶段的滑跑距离；Sls3为飞机三点滑跑刹车工作、减速板打开和反推装置打开阶段的滑跑距离；Sls4为飞机三点滑跑刹车不工作、减速板和反推装置关闭阶段的滑跑距离；Kb为考虑飞行员驾驶误差而采用的安全系数。

(3)运输机在起飞滑跑过程中有一台发动机出现故障(一发失效)时,若继续起飞时,发动机推力仍为最大状态推力,飞机将继续加速,此时飞机所需的起飞滑跑距离增加,飞机爬升梯度减小。起飞滑跑距离与折减后的初始爬升距离之和不得超过实际的可用起飞距离(如设置净空道时,可用起飞距离即为跑道长度与净空道长度之和)，即

Lc=Sc+CSjh≤L

(13)

式(13)中:Lc、Sc、Sjh分别为飞机在起飞滑跑过程中一发失效能够安全继续起飞所需的跑道长度、继续起飞滑跑距离、初始爬升距离。

(4)运输机在起飞滑跑过程中有一台发动机出现故障时,若中断起飞时,飞行员将采取收油、刹车以及打开减速板等动作。飞机减速至完全停止所经过的距离不得超过可用加速停止距离(设置停止道时,即跑道长度与停止道长度之和)，即

Ld=Sd-l0≤L

(14)

式(14)中:Ld为飞机在起飞滑跑过程中一发失效能够安全中断起飞所需的跑道长度；Sd为中断起飞滑跑距离；l0为停止道或可用的端保险道长度。

飞机在起飞滑跑过程中一发失效时,飞行员并不能立刻识别,需要2～3 s进行判断。根据民航试验和研究,细化故障时刻到实际中断起飞操作的过渡过程,划分为1 s识别、1.4 s过渡,并增加2 s考虑一定的安全裕度。中断起飞滑跑距离可表示为

Sd=Sd1+Szd1+Szd2+Szd3+Szd4+Szd5

(15)

式(15)中:Sd1为飞机从静止至发动机故障的滑跑距离；Szd1为飞行员识别发动机故障过程中的飞机滑跑距离；Szd2为飞行员识别发动机故障后在采取中断起飞操作过程中的飞机滑跑距离；Szd3为飞机刹车工作和减速板打开阶段的飞机滑跑距离；Szd4为飞机刹车工作、减速板打开、反推装置打开阶段的滑跑距离；Szd5为飞机三点滑跑刹车工作、减速板打开、反推装置关闭阶段的滑跑距离。

运输机在起飞滑跑过程中一发失效,选择继续起飞还是中断起飞,通过比较飞机的故障认定速度V1与决断速度V1B的大小决定。一发失效最不利的情况是V1=V1B时,此时继续起飞所需跑道长度与中断起飞所需跑道长度相等,即平衡跑道长度。

综合上述情况,则飞机所需跑道长度应满足:

max(La,Lb,Lc,Ld)≤L

(16)

分析可知,计算飞机起飞滑跑距离(Sa)、初始爬升距离(Sh)、着陆滑跑距离(Sb)、V1B对应的继续起飞滑跑距离(Sc)或中断起飞滑跑距离(Sd)是确定飞机所需跑道长度的关键,即确定飞机最大起飞着陆质量的关键。

根据飞机运动学方程,结合运动定律,计算飞机滑跑距离、初始爬升距离的一般积分表达式[13]为

Sx=

(17)

(18)

(19)

式中:Sx为起飞着陆滑跑距离；Sh为起飞爬升距离；g为重力加速度；V0为初始空速；Vx为末端空速；V为空速；Vw为滑跑方向的风速(逆风取负、顺风取正)；VLOF为起飞离地速度；V2为起飞安全速度；n为飞机发动机的个数；Pq为单台发动机推力；α为滑跑迎角；αp为发动机安装角；f为道面摩擦系数；i为跑道坡度(逆坡取正、顺坡取负)；m为飞机的质量；Cx为空气阻力系数；Cxs为空气附加阻力系数；Cy为升力系数；Sy为机翼面积；ρ为空气密度；θ为航迹角；θ0为初始航迹角,Δt为时间增量。

分析可知,跑道长度对飞机起飞着陆质量的限制受到多种因素影响,包括发动机推力、机场气温、机场气压、空气密度、跑道摩擦系数、航迹角、升力系数、阻力系数、风速等。

利用式(17),通过改变V0、Vx、Pq、n、f,考虑荷载分配系数(k),可以计算飞机起飞着陆以及V1B对应的中断起飞等各阶段的飞机滑跑距离。

发动机厂商一般以海拔高度和马赫数为基础提供发动机推力原始数据。考虑到发动机推力数据不连续,不能满足各种海拔的机场跑道长度计算需要,采用五阶拟合的方法计算发动推力,并采用实际气温进行修正,将发动机推力转化为飞机滑跑速度的函数,用于跑道长度的计算[14]。飞行手册中要求飞行员在飞机速度达到抬前轮速度后,缓慢线性拉杆,可以认为迎角在二轮滑跑阶段线性增加,直到增加为离地迎角,迎角与飞机滑跑速度之间可建立函数；升力、阻力系数与迎角之间有函数关系,因此升力、阻力系数转化为飞机滑跑速度的函数,用于跑道长度的计算。

在此基础上,利用MATLAB软件编程,采用解析积分法计算跑道长度。某型飞机在高原机场起降,根据机场现有跑道长度分别计算了飞机全发正常起飞、一发失效下的最大起飞质量(mq),以及飞机正常着陆下的最大着陆质量(ml),如表2所示。

从表2可以看出,该型飞机在D′机场起飞着陆,正常起飞情况下mq为161.9 t；一发失效情况下,mq为157.2 t；正常着陆情况下ml为151.5 t。跑道长度对于飞机起降质量的限制,还与机场所在地的海拔高度、气温、气压以及跑道纵坡等因素有关。

表2 某型飞机不同海拔高度机场的最大起飞着陆质量Table 2 The maximum take-off and landing mass of an aircraft at different altitudes

3.3 刹车能量限制的飞机载重

在着陆的过程中,飞机使用刹车、减速板、阻力伞等措施,使着陆滑跑速度减小,安全滑入停机坪。当刹车被启用以减小飞机的着陆滑跑速度时,轮胎与道面摩擦产生大量的热能。一旦产生的热能超过安全水平,刹车和轮胎就可能会失效,甚至导致起落架着火[15]。高原机场空气稀薄,飞机机体和空气的摩擦阻力减小,着陆时飞机动能更多由刹车吸收,需要考虑刹车能量对着陆质量的影响。刹车能量计算公式为

(20)

式(20)中:EB为刹车能量；VB为刹车时的地速,取正常刹车的最大允许速度；CL和CD分别为刹车阶段(包括扰流板升起)的升力系数和阻力系数；μB为刹车摩擦系数；Vw为风速,顺风为负,逆风为正；i为跑道坡度；S为机翼面积。

高温低压环境使飞机起飞离地速度、着陆接地速度增大,刹车能量相应增加。以某型飞机为例,其刹车能量与气温、气压的关系,如图8、图9所示。

由图8、图9可知,随着气温的增大、气压的减小,着陆时需要消耗的刹车能量增大。高原机场高温低压不利因素对刹车能量的影响更加显著。

图8 气温对刹车能量的影响Fig.8 Effect of air temperature on brake energy

分析飞机的起飞着陆过程可知,飞机对刹车能量要求最为严苛的情况,是在起飞过程中发生一发失效中断起飞。刹车能量一般通过最大允许刹车速度(Vmax)限制。比较决断速度和最大允许刹车速度,减小飞机起飞质量使决断速度V1B小于Vmax。某型飞机在不同海拔高度的机场起降,V1B=240 km/h,计算决断速度下的飞机起飞质量,即可得到刹车能量限制的飞机起飞质量,计算结果如表3所示。

从表3可以看出,随着气温升高、气压下降,飞机决断速度增大,飞机的最大起飞质量受到刹车能量的限制。

表3 某型飞机不同海拔高度机场的决断速度Table 3 The decision velocity of an aircraft at different altitudes

3.4 道面承载能力限制的飞机载重

道面承载能力的评定一般采用ACN-PCN评价法。道面的PCN可通过机场基础资料获取,也可采用当量单轮荷载法计算；飞机的ACN是飞机制造商公布的参数,可通过查阅有关标准规范获取,采用线性插值的方法可计算不同强度土基道面的飞机ACN[16]。

在一个起飞着陆架次中,不仅要起飞质量满足起飞机场道面承载能力的要求,还要着陆质量满足降落机场道面承载的要求。某机场道面PCN通报为25/R/A/W/T,R表示道面为刚性道面,A表示土基强度为高强度,W表示无胎压限制,T表示PCN采用技术评定的方法。某型飞机在该土基强度上最大质量对应的ACN为29,最小质量对应的ACN为10,通过内插法计算,得到该机场道面允许该型飞机使用的最大质量为151.2 t。

4 案例分析

以某高原机场一个起降架次为例,给出飞机起降减载方案。机场跑道长度5 000 m,PCN通报为48/R/A/W/T,飞机主轮最大允许离地速度为330 km/h,最大允许接地速度为280 km/h,最大允许刹车速度为240 km/h,计算气温为15.9 ℃,计算气压为64 230 Pa,按照飞机减载的判定准则,确定不同限制条件下的最大起飞质量和着陆质量。按照前文所述的高原机场飞机减载的判定准则和分析方法,确定了不同限制条件下飞机的最大起飞质量和着陆质量,如表4所示。

表4 不同限制条件下的飞机最大起飞着陆质量Table 4 The maximum take-off and landing weight of the aircraft under different restrictions

从表4可以看出,不考虑一发失效的情况,飞机最大起飞质量为160.5 t,最大着陆质量为122.6 t,均由轮胎速度限制；考虑一发失效的情况,飞机最大起飞质量为130.8 t,最大着陆质量为122.6 t,最大起飞质量由刹车能量限制,最大着陆质量由轮胎速度限制。

5 结论

飞机在高原机场起降时,需要进行飞机减载分析,以保证起飞和着陆的安全。分析了高原机场高温低压气象对飞机性能的影响,提出了高原机场飞机减载的判定准则和分析方法,研究了跑道长度、轮胎速度、刹车能量、道面承载能力4个因素对飞机起飞质量和着陆质量的限制,结合飞机起降机场的实例给出了飞机减载方案。得出如下主要结论。

(1)飞机在高原机场起降时,高温低压的环境特点对飞机起降尤为不利,飞机最大起飞质量和最大着陆质量均小于平原机场。

(2)考虑了跑道长度、轮胎速度、刹车能量、道面承载能力四个方面的因素,分析研究飞机在高原机场起降的减载情况是合理的,计算结果可供飞机机组或机场管制人员参考。

(3)重点考虑了高原机场气温、气压等常规气象特征对飞机减载的影响,但高原地区其他极端天气也是飞机减载的影响因素,在以后的研究中应予以考虑。