飞行阶段中基于飞行性能的超限事件

飞行阶段中基于飞行性能的超限事件参数研究 一个完整的飞行过程主要包括：滑跑、起飞、巡航、下降、进近和着陆。经过多年来的事故统计和民航专业人士的分析出“黑色的11分钟”的说法，即起飞爬升的3分钟和进近着陆的8分钟[6]，绝大多数的民航飞行事故是发生在这11分钟里的。因此，在整个飞行过程中，分析这11分钟的飞行数据尤为关键。根据某航空公司2006-2007年度超限事件的数量统计结果（附表B）可知，超限事件也大都集中在起飞和进近着陆阶段，这进一步说明了飞行安全的重点阶段是起飞爬升和进近着陆阶段。而影响超限事件的产生有多种因素，同时各个飞行阶段有不同的飞行性能衡量标准，所以为了降低这两个阶段的超限事件发生次数，不仅要结合可能影响超限事件发生的QAR参数（简称特征参数）进行分析，还要结合这两个阶段的飞行性能进行分析，从而为下一章开展超限事件特征参数中异常值的数据挖掘奠定了理论基础，同时这种研究思路还创新了超限事件的研究方法和研究途径，对航空公司开展超限事件分析工作具有重要的借鉴意义。 本章分别介绍了起飞、进近着陆两个阶段的飞行性能及各阶段可能发生的超限事件及特征参数的选取，并依据某航空公司某机型一年中发生的超限事件数量和类别进行了统计分析，根据最常发生的超限事件开展了基于飞行性能的特征参数分析。 3.1起飞阶段飞行性能及超限事件特征参数的选取 3.1.1 主要性能及其影响因素分析 起飞阶段一般是指飞机从跑道上开始滑跑起，到爬升至离地垂直高度50英尺的过程。起飞性能一般包括起飞决断速度V1、抬前轮速度VR、离地速度VLOF、起飞安全速度V2、起飞滑跑距离和起飞距离等。一般起飞过程如图3-1所示。 图3-1一般起飞过程 起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2的数值每次飞行均不同，每一架飞机在起飞前都需要由飞机性能计算人员根据飞机载重、重心位置等进行计算来确定本次飞行的起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2，因此这些参数的值并不固定，每一次飞行都不同。这些参数的计算和确定都是为了确保飞行员在起飞过程中具有足够的安全裕度对飞机进行必要的飞机操纵，如侧风修正等等。下面针对这五个性能指标介绍如下。 1.起飞决断速度V1。V1是起飞滑跑过程中出现发动机停车等严重故障时飞行员决定中断起飞或继续起飞的重要依据。即当飞机达到V1速度时未出现发动机停车等严重故障，飞行员必须继续起飞；而当飞机还未达到V1速度时就出现了发动机停车等严重故障，飞行员必须中断起飞。 2.抬前轮速度VR。VR是起飞滑跑过程中飞行员决定拉杆使飞机前轮抬起时的重要依据。当飞机速度达到VR时，飞行员应当进行拉杆操纵，使飞机前轮抬起，从而增大飞机俯仰角，升力增大，便于飞机正常起飞离地。若未达到VR时就抬前轮，可能导致离地速度VLOF过小，飞机升力不足影响正常起飞；若滑跑速度超过VR后拉杆动作过晚，则很可能导致离地速度VLOF大。 3.起飞安全速度V2。V2是指飞机离地后距离起飞跑道表面的垂直高度大于50英尺时所必须达到的速度。在此速度下飞行员才能够确保在起飞爬升阶段具有足够的安全裕度，以确保飞机的稳定性和操纵性。同时起飞安全速度V2还是衡量离地速度VLOF大小的参考标准。 4.离地速度VLOF。VLOF是指飞机起飞滑跑时主轮离地时的瞬时速度，也就是当升力正好等于重力时的瞬时速度，其近似计算公式表示为： （3.1） 可以看出，离地速度VLOF与飞机的起飞重量W、升力系数CL、机翼面积S、空气密度 等相关，在起飞阶段起飞重量、空气密度可以视为常数不变，而升力系数CL与机翼形状、机翼上下压力差相关，一般而言在飞机迎角小于临界迎角时，升力系数随迎角增大而线性增大，当迎角达到临界迎角时升力系数达到最大值 ，根据升力公式此时升力也达到最大，升力L的近似计算公式为： （3.2） 而当迎角超过临界迎角后，发生“失速”。此时升力系数快速减小，从而升力L快速减小，飞机产生掉头等失速状态，极大危害飞行安全。总的来说，飞机起飞重量越大，迎角越小（即升力系数越小），机翼面积越小（即收起襟翼），离地速度VLOF则越大。离地速度过大可能会导致飞机冲出跑道，离地速度过小会影响飞机的操纵性和稳定性，降低安全裕度。 5.起飞滑跑距离与起飞距离。起飞滑跑距离是指飞机从开始滑跑至主轮离地之间的距离；起飞距离是指飞机从开始滑跑至达到离地50英尺垂直高度时所经过的水平距离。这两个距离大小与离地速度、离地姿态等密切相关，是衡量飞机正常起飞的重要性能标准。起飞滑跑距离大，可能会导致冲出跑道等事故发生。 综上所述，影响飞机起飞阶段上述飞行性能的主要因素主要包括以下8个方面。 第一，油门位置。油门的大小与发动机转速等参数直接相关，并会影响到离地速度、滑跑距离等性能。油门大，发动机转速高，推力就大，因而加速度就大，所以起飞滑跑时速度就大。一般情况下，起飞滑跑阶段飞机处于全发满油门状态。但是由于成功的起飞还由离地姿态（如俯仰角）等其他因素影响，因而简单的加大油门并不会确保完成成功的起飞滑跑。 第二，离地姿态。离地姿态主要指离地时的俯仰角。俯仰角是指飞机纵轴与地平面之间的夹角。俯仰角的变化一般通过驾驶杆控制升降舵从而改变尾翼升力从而使飞机抬头或低头，最终改变俯仰角。起飞时飞机离地仰角过大可能会导致擦尾，甚至失速的发生；仰角过小可能会导致升力不足而需要更长的起飞滑跑距离，甚至导致飞机离地后又下沉接地。决定离地姿态的主要操纵因素包括要抬前轮速度、离地仰角、抬头速率等。 第三，襟翼位置。襟翼直接影响飞机的气动力（包括阻力和升力），放下襟翼，增大机翼面积，可增大升力，导致离地速度小，缩短起飞滑跑距离。 第四，起飞重量。根据公式（3.1），起飞时的重量越大，离地速度就越大，同时也就需要更长的起飞滑跑距离。与起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2相同，起飞重量W的具体数值必须在每次飞行前根据飞机性能计算得出，一般情况下实际起飞重量不能超过最大起飞重量。 第五，跑道表面质量。跑道表面如果不够光滑平坦，摩擦系数就大，导致飞机阻力大，飞机加速度变小，从而滑跑距离就长。 第六，风向、风速。若要使飞机的升力大于重力而离地，无论逆风顺风，飞机离地时相对于空气的速度（即空速，或表速）是一定的，即为离地速度VLOF。而相对于地面的速度（即地速）则决定了飞机的滑跑距离，因此在离地前主要是看它的地速而不是空速，所以无论在顺风还是逆风情况下，飞机的地速是决定飞机滑跑距离的最终因素。逆风滑跑时，“地速＝空速－风速”，离地时空速不变，故离地地速小，起飞滑跑的距离短；顺风滑跑时，“地速＝空速＋风速”，离地时空速不变，故离地地速大，滑跑距离就长。 另外，风向和风速的快速变化对于起飞阶段的飞行安全具有重要影响，即风切变。风切变表现为气流运动速度和方向的突然变化。它可以出现在垂直方向上，也可以出现在水平方向上。600米以下的叫低空风切变，飞机在这种环境中飞行，相应地就要发生突然性的空速变化。根据升力公式（公式3.2），空速变化引起升力变化，升力变化又引起飞行高度的变化。因此风向和风速会影响起飞阶段的离地速度VLOF、抬头速率等。 第七，跑道坡度。在一些特殊的机场，比如高原机场，跑道会有一定的坡度。下坡起飞时，容易达到离地速度，滑跑的距离就短。而上坡起飞时，则需要更长的滑跑距离。同时，下坡滑跑容易导致抬前轮速度大、离地速度大、抬头速率大；而上坡滑跑容易导致抬前轮速度小、离地速度小、抬头速率小等事件； 第八，机场的压力、高度与气温。机场的压力、高度和气温会引起空气密度变化，根据公式3.1和3.2可知，密度小导致升力小和离地速度大，起飞滑跑距离增长。比如在高原机场，起飞滑跑距离相应就要增大。 3.1.2 起飞阶段可能发生的超限事件及其特征参数的选取 一般情况下，起飞阶段超限事件可能发生的超限事件主要有：离地速度大、离地速度小、超过最大起飞重量、中断起飞、起飞形态警告、抬前轮速度大、抬前轮速度小、离地仰角大、抬头速率大、抬头速率小、超过轮胎限制速度等。 超限事件的监控标准在业界并没有统一规定，一般都由各航空公司根据实际情况制定，并在FOQA软件系统中须事先设定后才能进行超限事件的筛选。超限事件产生后，地面分析人员可以根据需要选择与超限事件相关的QAR参数进行飞行数据的输出，以便进行超限事件的原因分析。超限事件相关的QAR参数可称为特征参数，一般来说每个超限事件对应不同的特征参数。 在起飞阶段各超限事件的发生都有各自不同的原因，相关特征参数的选取一般是各航空公司自定，同时也具有一些通行的标准。比如，对于超过最大起飞重量超限事件，影响其发生的因素是飞机重量，因此应选取飞机重量这一QAR参数。所有起飞阶段超限事件及其特征参数的选取见表3.1所示。 表3.1 某航空公司737-800 机型起飞阶段超限事件及特征参数 起飞阶段 超限事件名称 超限事件代号 超限标准 某航空公司超限事件 特征参数 离地速度大 113 ≥（V2+25）kn 空速、主空地电门、俯仰角、发动机转速、驾驶杆位置、拉杆力 离地速度小 115 ≤V2 kn 超过最大起飞重量 104 ＞最大起飞重量 飞机重量 中断起飞 105 探测到 发动机转速 起飞形态警告 107 探测到 襟翼位置 抬前轮速度大 109 ≥(VR＋20) kn 地速、空速、发动机转速、前轮空地电门 抬前轮速度小 111 ≤VR kn 离地仰角大 117 ≥9.5° 地速、表速、主空地电门、驾驶杆位置、俯仰角、无线电高度 抬头速率大 119 ≥3.5°/s 俯仰角、前空地开关、主空地开关 抬头速率小 121 ≤1.3°/s 超过轮胎限制速度 122 ＞195kn 地速         3.2 进近着陆阶段飞行性能及超限事件特征参数的选取 3.2.1 主要性能及其影响因素分析 进近着陆阶段一般是指飞机从进场离地垂直高度50英尺起，到接地停止的过程。着陆距离即为此阶段的水平距离，进近着陆分为两个阶段：进场拉平段和减速滑跑段。进场拉平段是指飞机从离地垂直高度50英尺，以进场速度Vref开始进场，经过下降拉平至主轮着地阶段，进场拉平段的水平距离 的近似计算公式为： （3.3） 其中H为进场高度（一般为50英尺）， 为下滑角，n为进场拉平段的平均垂直过载（即垂直加速度，一般为1.2左右）。减速滑行段是指飞机从主轮着地后经过减速滑行至速度为零的阶段，减速滑行段的距离即为着陆滑跑距离，该距离 的近似计算公式为： （3.4） 其中a为按照等减速度设计的刹车制动系统的平均减速度。 一般着陆过程如图3-2所示。 图3-2一般着陆过程 着陆性能一般包括进场速度Vref、着陆滑跑距离 和着陆距离L等。这三个性能指标的数值每次飞行均不同，每一架飞机在起飞前都需要由飞机性能计算人员根据飞机着陆重量、风速风向等进行计算来确定，因此这些参数的值并不固定，每一次飞行都不同。这些参数的计算和确定都是为了确保飞行员在起飞过程中具有足够的安全裕度对飞机进行必要的飞机操纵，如应付低空风切变等。下面针对性能指标介绍如下。 继续阅读