高高原機場對飛機著陸性能的影響分析

尚永鋒，蔣剛毅

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢618307)

0 引言

對于現代高原旅行，飛機無疑是一種快捷和舒適的交通工具。隨著西部旅游市場的開拓，執飛高原航線飛機越來越多。飛機剎車系統是飛機的一個重要系統，主要用來保證起飛、著陸滑跑、剎車減速和停放飛機[1]。飛機的起飛和著陸是飛行過程中最關鍵的兩個時段。高高原機場飛機著陸時，受空氣密度減小的影響，失速速度增大，著陸速度增大，飛機著陸動能增大，不僅增大剎車負荷，也增大了飛機著陸滑跑距離，而飛機滑跑距離的增加會有沖出跑道的危險。因此，研究飛機在高高原機場著陸性能顯得十分必要。

1 高高原機場運行環境特點

根據《航空承運人高原機場運行管理規定》，海拔高度在2438m以上的機場稱為高高原機場。目前我國的高高原機場共有16座，其中最高的西藏那曲機場海拔4436m，最低的湖北神農架紅坪機場海拔2580m，高高原機場平均海拔達3657m。

隨著海拔的升高，空氣密度也隨之降低，陸地海拔3000m時空氣密度相當于海平面73%，4000m時相當于海平面63%，而5000米時則不到海平面50%。外界環境溫度隨著海拔升高也降低，國際大氣數據如表1所示。

高原地區晝間陽光充足，輻射強，白天升溫快，午后溫度較高。午夜期間溫度流失速度也快，晝夜溫差變化較大，空氣熱對流加強，高原機場出現強對流，形成大風天氣，且大風天氣數量多，據統計一年大風天氣可達到150天以上，是同緯度平原機場的10倍。

在西藏地區，受冬季西風和夏季西南風的交替影響，旱季雨季明顯，5～9月為雨季。而在濕滑、積雪、積冰跑道上著陸距離也不同。

表1 國際大氣數據表

2 高高原著陸情況分析

現代大型客機的減速力包括放出減速板與襟翼的氣動阻力，發動機反推阻力和剎車時的地面摩擦力。氣動阻力主要來自于各操縱舵面、減速板以及機體本身，且受氣壓影響明顯。在高高原環境下，氣動阻力減小。因此，不能過分依賴氣動阻力對飛機的減速作用。飛機的剎車是安裝在主輪上的多片型剎車裝置，通過兩個獨立系統中的其中一個產生作用[2]，其中，氣動阻力和反推阻力在制動中比重減小，為保持總制動力不變，將增大剎車片制動的使用。

2.1 高高原對著陸速度的影響

飛機的升力是由飛機機翼和空氣的相互作用產生的。在一定升力系數下，飛機的升力由動壓和機翼的面積決定。隨著海拔的升高，大氣密度減小，升力與大氣密度成正比，升力也減小，但升力不能小于飛機重力(在著陸時允許略小于飛機重力)，則只有通過增加飛機著陸速度來保證飛機升力。

飛機剛進入失速的速度稱為失速速度，用Vs表示。查閱空客飛機使用手冊，著陸重量132000磅(60噸)，3姿態著陸速度為136節(70m/s)。根據飛行規則，飛機的著陸速度不小于失速速度的1.23倍。以西藏拉薩貢嘎機場(ICAO代號:LXA)為例。海拔3650m，由表1可知海平面大氣密度標準值1.225kg/m3，LXA機場空氣密度約為海平面空氣密度的70%。根據公式(1)，失速速度約提升20%，著陸速度提升20%，達到84m/s。

式中，L表示飛機的升力；CLmax表示最大升力系數；ρ表示機場的空氣密度；S表示機翼的參考面積。

在同等著陸重量下，飛機的著陸速度取決于目的機場的空氣密度。從公式(1)可知，海拔越高，空氣密度越小，著陸速度就越大?？湛惋w機維護手冊AMM中建議，當飛機接地時，垂直速度超過10英尺/秒(3m/s)或垂直加速度超過基于某一機型的特定值，則進行著陸檢查。按照飛機平飄階段下降角度為2°計算，(3m/s)/sin2°=86m/s，隨著海拔的升高，著陸速度接近或超過最大著陸速度，在垂直方向上分量也增大，則飛機的著陸速度安全裕度減小，那么飛機通過減重方式，降低飛機著陸速度，以避免垂直過載沖擊。根據動能定理，著陸動能增大,且呈非線性增長，海拔對動能和著陸速度的影響如圖1所示。

2.2 高高原對著陸距離的影響

高高原地區機場長期有大風天氣出現，當存在飛機順風著陸時，飛機由于著陸時的速度提高，造成飛機動能增大。順逆風只影響下降角，不影響下降率。根據CCAR-25.125(f)規定可知，著陸距離必須按照著陸航跡≤50%逆風量和著陸航跡≥150%順風分量進行修正，著陸距離與風速風向的關系如圖2所示。以A319的參數為例。在高高原著陸風速達到5m/s時，順風距離將再增大約12.89%，逆風則減少約6.15%。側風降落時，駕駛員需要同時操控副翼和方向舵使飛機的航跡對準跑道。當風速超過一定限度時，飛機側滑著陸將帶來危險或不能側滑著陸。如果著陸時遭遇風切變，飛行員來不及修正，飛機會有較大的著陸速度，較大的地面載荷會損傷飛機的結構，滑跑距離也會加長，如圖2所示。

根據飛機使用手冊可知，飛機實際著陸距離修正如表2所示，在高高原機場降落時，每升高1000英尺(304m)，著陸距離增加3.8%(以全姿態干跑道降落為例)。高高原機場海拔高度對著陸距離的影響較大。高高原機場平均著陸距離相較于海平面機場提升40%。

2.3 高高原反推作用的影響

反推是飛機著陸過程中的重要環節，能夠使得飛機快速減速。慢車狀態是保持發動機穩定工作的最小工作狀態，一般慢車狀態的轉速約為最大轉速的25%～35%，反推力量值約為該轉速下正推力的40%。

發動機推力受大氣溫度、壓力和海拔高度的影響。影響發動機推力的參數有空氣流量和速度增量。高高原飛行的空氣密度小，空氣流量減小。在速度增量不變的情況下，空氣流量減小，推力減小。在高海拔地區雖然低溫會使得發動機的推力增加，但外加壓力降低比溫度降低快，因此發動機的推力是降低的，故反推作用也是降低的。

剎車阻力的大小取決于跑道的環境，跑道環境越差，剎車阻力就越小。反推作用在受污染跑道上著陸的作用更加明顯，在全姿態降落時，反推平均減少7%著陸距離，在3姿態降落時，反推平均推力減少11%著陸距離。高高原地區著陸使用反推和不使用反推也具有較大的區別，全姿態著陸反推作用修正如圖3所示。

圖3全姿態著陸反推作用修正圖

執飛高高原航線的飛機如在著陸時遇反推裝置故障，則會造成制動力不足，導致剎車距離過長，剎車裝置使用強度增大或超過剎車使用限制。高原著陸對反推的可靠性要求高，根據最低設備清單MEL顯示，平原機場飛機反推失效可以達到最低放行標準，但在高海拔機場著陸不允許反推故障放行。

3 高高原著陸對剎車裝置的影響

現代客機剎車盤多采用碳復合材料，具有較好的摩擦系數，穩定性高，磨損率低，膨脹系數小，比熱容高且密度小等優點。但碳復合材料的抗沖擊性差、易氧化性，會在剎車盤高溫時，材料性能下降，嚴重時會導致剎車失效[3]。根據CCAR-25.125規定，陸上飛機降落在跑道上時，機輪剎車壓力系統的壓力不能超過制造商規定值，不得以造成剎車或輪胎過度磨損方式使用剎車。

3.1 縮短剎車片壽命

對于估算飛機剎車壽命，飛機剎車盤在磨損到一定程度的時候，就要更換剎車盤。剎車壽命=(新盤厚度—規定淘汰厚度)÷磨損率。磨損率即是每次著陸剎車過程中所磨損的厚度。影響剎車盤使用壽命的四大因素是飛機制動時的能量、制動時溫度、降落制動的環境以及飛機駕駛員的制動習慣。高高原飛行的飛機，由于著陸速度增大，飛機的剎車距離和剎車時間增加，會增大飛機剎車磨損率，降低其使用壽命。故對執行高高原航線飛行的飛機，應當對飛機的剎車裝置進行詳細的檢測和記錄，時刻關注剎車的磨損狀態，統計和分析剎車盤使用情況，為高高原航線飛行搜集重要的數據。

3.2 剎車片高溫

飛機的減速主要依靠主輪的剎車和飛機的反推兩種方式。反推裝置在高高原時效果減弱，會增加剎車裝置的負擔。飛機在減速制動的過程中，通過剎車裝置與剎車盤之間的摩擦，產生反向的運動力矩，將飛機動能轉化為剎車裝置內能的方式，根據剎車能量吸收公式(2)所示：

式中，W表示剎車吸收的能量，單位J；G表示飛機著陸的重量，單位kg；Va表示飛機著陸的速度，單位m/s；N表示飛機的主機輪數量。

由此可見，飛機的剎車吸收能量與飛機著陸速度二次方成正比，當著陸速度變大時，飛機著陸動能增大，剎車吸收能量也隨之增大。動能的增大勢必會增大剎車的使用程度，長時間和長距離的使用剎車會縮短飛機的剎車使用壽命。高高原運行的飛機剎車裝置通常采用性能更好的碳/碳復合材料，但該剎車裝置也存在溫度極限，當溫度超過規定值時，剎車結構可能受損，剎車性能將下降。在海平面內，A319飛機的典型著陸速度為65m/s，在海拔4000m高度機場的著陸速度約為80m/s，剎車吸收能量將增加約50%，而剎車吸收的能量則全部由剎車副通過升高溫度所吸收，剎車溫度上升量也將增加約50%。以海平面為基準剎車吸能隨速度增量如圖4所示。

3.3 剎車散熱慢影響放行

剎車使用過后，現代大型飛機的剎車系統允許承受的最大溫度一般在450℃～500℃之間，超過這一溫度值，將損壞剎車系統[4]。在使用剎車的2s內剎車溫度迅速上升到最高值，最大時會達到700℃。

飛機剎車時主要通過空氣對流和熱輻射方式將溫度散發到空氣中，受高高原大氣稀薄影響，溫度對外對流散熱減慢，剎車殘余溫度與時間關系如表3所示。通常在飛機停留后2h，剎車的溫度將會降低到原來的30%左右，此時剎車的溫度依然在200℃以上，依舊是較高的溫度，對于機務維修人員是一個潛在的危險，容易造成燙傷。如輪胎溫度沒有降低到指定溫度，在下一次遇到中斷起飛時，能量再次聚集，超過輪胎承受溫度，則有爆胎的危險。

圖4剎車吸能隨速度增量

表3 剎車殘余溫度與時間關系(初始溫度700℃)

根據民航局規定，飛機起飛時候剎車溫度不高于放行溫度，則當飛機的剎車溫度高于放行溫度時，造成航班非故障性延誤。即使飛機在放行時機輪的溫度達到了放行要求，則飛機起飛滑行過程中，由于滑行距離較長，駕駛員長時間點剎車控制飛機速度，也有可能使得飛機到達跑道起飛點時，飛機剎車溫度再次超過放行溫度，則又必須等到剎車溫度降低才能起飛。此時對旅客造成不安，也有可能會造成旅客的猜疑和恐慌。對航空公司也造成名譽和經濟上的影響。簽派員也要對著陸性能進行分析，提供給放行人員必要的機場著陸信息，確保飛機能夠安全著陸[5]。

3.4 輪胎加速老化縮短壽命

輪胎是飛機剎車系統中的重要組成部件之一，是重要的承重部件,承受飛機起飛和著陸時候的全部重量。輪胎的狀態對飛機著陸的安全有顯著的影響。飛機輪胎的構造是由胎面、緩沖層、覆蓋面、束帶層、簾線層、胎體等組成，是多功能層的結合體，而并非一個整體。在高高原運行的飛機，由于較快的著陸速度，常見的飛機輪胎損傷為輪胎的過度磨損、熱損傷以及出現爆胎[6]。

當輪胎超溫時，飛機輪胎的簾線層容易和橡膠層脫開，輪胎的材料性能降低，容易造成脫胎或爆胎現象。輪胎內部的溫度和飛機的著陸速度、飛機的剎車時間有關。飛機輪胎的熱影響主要是輪胎與地面的摩擦產生的熱量，輪胎內部摩擦產生的熱量和來自剎車盤輻射所帶來的熱量，機輪溫度在飛機著陸后的15min左右達到最高。而造成飛機輪胎超溫的原因主要是飛機的著陸速度和飛機的著陸重量。猛烈剎車或長時間長距離剎車，機輪溫度沒有在規定時間內冷卻到安全溫度以內。高高原飛行著陸的飛機著陸速度和減速時間都高于平原機場，剎車溫度變化的顯著特點就是升溫快，降溫慢，迅速地升溫到較高的溫度，且受高原空氣稀薄環境影響，輪胎散熱性較差，溫度難以散失，這會加速輪胎的老化過程，縮短飛機輪胎的使用壽命，同時也給機務維修帶來潛在的危險。

機輪的磨損主要跟輪胎的載荷、胎壓、剎車方式、滑行距離等因素有關。根據氣體學公式PV=nRT(P表示壓強，V表示氣體體積，n表示物質的量，T表示絕對溫度，R表示氣體常數)，當外界溫度降低時，輪胎壓力降低，輪胎可能會出現欠壓狀態，在飛機著陸時，輪胎的形變加大，造成輪胎受力不均勻；輪胎形變過大，摩擦生熱加劇。在高溫和摩擦的作用下，其抗拉性、耐磨性都將急劇繼續下降。據研究統計，當胎壓欠壓25%時，輪胎壽命將縮短為設計壽命的60%；輪胎欠壓50%時，輪胎壽命將縮短為設計壽命的30%。

3.5 輪胎爆胎

當飛機輪胎出現過度磨損、老化、腐蝕等問題時，飛機輪胎的強度會下降，導致爆胎情況的發生。在飛機滑跑過程中，機輪高速轉動，產生巨大離心力，輪胎會因張力過大而破壞?？湛虯319飛機最大輪胎速度為195kt(100m/s)。高高原機場運營的高速著陸會使得飛機輪胎轉速接近最大輪胎轉速，增加了爆胎的風險。而且飛機在高原地區以大速度超載著陸，會對簾線層產生較大的應力，使簾線斷裂或松散。當再次遭到較大的著陸沖擊力量時，也會增大爆胎的風險。

3.6 影響飛行員駕駛

通過查詢飛行機組操作手冊，使用剎車過程中，在正常溫度下，剎車溫度指示是綠色，當剎車溫度超過100℃時候，綠色弧線出現在最熱的機輪上；當相應的剎車溫度超過300℃時，相應的指示會變為琥珀色，并伴隨著ECAM警告。另外，由于飛機在高高原著陸時滑跑減速距離長，持續時間久，對機組造成較大的心理壓力。在滑跑減速過程中，機組容易誤判飛機減速過慢可能沖出跑道時，就會采用更大壓力的人工剎車工作模式，然而采取更大壓力的人工剎車方式，則會使得剎車的磨損加快。

4 結論

在高高原機場著陸過程中，由于受到機場環境的影響，最主要是受機場空氣密度影響和機場風速風向影響，會使得飛機的著陸速度和著陸動能增大。動能的增大會增大剎車距離，剎車制動吸收能量增多，產生高溫，加快輪胎老化，加快飛機剎車盤和輪胎的磨損，增加著陸爆胎的風險。著陸時長距離滑跑增加駕駛員心理壓力，剎車高溫警報影響駕駛員操控水平。散熱降溫減慢也會延誤飛機的放行，造成航班延誤，給航空公司帶來經濟損失。