高原機(jī)場飛機(jī)減載使用分析

邵 斌, 李 柯,2, 黃文廣, 王觀虎, 侯 照, 陳奇奇

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院, 西安 710038； 2.中國人民解放軍91867部隊, 金華 322000； 3.空軍研究院, 北京 100195)

高原地區(qū)與平原地區(qū)相比,最大的特點是海拔高、空氣稀薄,常常出現(xiàn)對飛行不利的高溫低壓氣象特征。對于飛機(jī)起飛著陸來說,最不利季節(jié)的氣溫在15～28 ℃,氣壓僅為0.6～0.8個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。高溫低壓的環(huán)境特點影響飛機(jī)的起飛著陸性能,影響飛行員的駕駛和操縱飛機(jī),可能需要減小飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量和最大著陸質(zhì)量,即飛機(jī)減載。

針對高原機(jī)場飛機(jī)的起降和運(yùn)行,中外學(xué)者做了大量研究,取得了豐富的成果。萬憬等[1]研究表明,高原機(jī)場的低壓缺氧環(huán)境,使飛行員心理壓力增大、反應(yīng)時間延長,注意力下降。Legg等[2]認(rèn)為,高原環(huán)境對飛行員感知、決策和執(zhí)行能力產(chǎn)生影響,使飛行員更容易產(chǎn)生疲勞,是威脅飛行安全的重要因素之一。楊樂[3]、段鈞劍[4]分析高原機(jī)場飛機(jī)起飛性能,進(jìn)行計算與仿真分析,研究了飛機(jī)起飛越障方法,制作了一發(fā)失效的應(yīng)急程序。文獻(xiàn)[5-8]基于高原機(jī)場的復(fù)雜環(huán)境特點,分析飛機(jī)起飛、著陸滑跑過程,建立了高原機(jī)場飛機(jī)起飛滑跑距離、著陸滑跑距離計算模型,并通過實測驗證了模型的準(zhǔn)確性。潘軍等[9-10]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算方法,利用MATLAB/Simulink仿真平臺構(gòu)建高原機(jī)場飛機(jī)決斷速度的計算模型,并分析了決斷速度的影響因素。張序等[11]分析了高原環(huán)境對飛機(jī)起飛質(zhì)量的限制,總結(jié)了影響高原機(jī)場空中交通運(yùn)行的因素和高原機(jī)場運(yùn)行的特點,提出了飛機(jī)簽派放行的輔助決策方法。飛行手冊對飛機(jī)起降質(zhì)量有明確規(guī)定,飛機(jī)起降質(zhì)量受多種因素影響,主要包括跑道長度、輪胎速度、剎車能量、道面承載能力等。

目前，前人研究主要集中在高原環(huán)境對飛行員的影響,對飛機(jī)起飛滑跑距離、決斷速度的影響,對飛機(jī)簽派放行的影響等方面,但系統(tǒng)分析飛機(jī)最大起飛質(zhì)量和最大著陸質(zhì)量的研究較少。鑒于高原特殊的氣象環(huán)境影響飛機(jī)性能和機(jī)場運(yùn)行,出于安全的考慮和適航的要求,飛機(jī)在高原機(jī)場起降,必須考慮高原特殊環(huán)境對飛機(jī)起降質(zhì)量的影響。結(jié)合中外高原機(jī)場運(yùn)行研究狀況及飛行手冊的規(guī)定,飛機(jī)減載研究,應(yīng)在分析高原環(huán)境對飛機(jī)起飛著陸的影響,考慮必要的因素,建立判定準(zhǔn)則和分析方法,分析各個因素對減載的影響,確定飛機(jī)起降的最大起飛質(zhì)量和最大著陸質(zhì)量。

1 高原環(huán)境對飛機(jī)起飛著陸影響分析

高原地區(qū)環(huán)境復(fù)雜,氣候惡劣,時常出現(xiàn)對飛行不利的高溫低壓天氣,降低了飛機(jī)性能,影響了飛行員對飛機(jī)的操縱,影響機(jī)場的運(yùn)行,主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

1.1 高原環(huán)境對飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力的影響

高原機(jī)場海拔高,空氣稀薄,發(fā)動機(jī)推力下降,導(dǎo)致飛機(jī)起飛滑跑加速度減小,使飛機(jī)從加速到起飛離地需要更長的滑跑距離,增大了起飛距離。同時,發(fā)動機(jī)推力減小,會導(dǎo)致飛機(jī)起飛爬升梯度減小,而高原地區(qū)的多山環(huán)境使飛機(jī)起飛爬升過程所處的凈空條件更加惡劣,對飛行員駕駛技術(shù)和飛行程序設(shè)計的要求更高。發(fā)動機(jī)推力與大氣條件密切相關(guān),在氣溫升高到一定程度時發(fā)動機(jī)推力迅速減小；海拔越高,發(fā)動機(jī)推力越小。空客某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力與海拔高度(H)和大氣溫度(T)的變化曲線,如圖1所示。

圖1 空客某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力與海拔、氣溫的關(guān)系Fig.1 Relationship between thrust of an airbus aircraft engine and altitude and temperature

1.2 高原環(huán)境對飛機(jī)起飛離地速度的影響

無論是在高原機(jī)場還是在平原機(jī)場,在飛機(jī)起飛離地時,升力與重力基本平衡。升力與空氣密度、升力系數(shù)、機(jī)翼面積、滑跑速度成正相關(guān),升力系數(shù)與飛機(jī)的迎角成正相關(guān),而空氣密度隨海拔升高減小,因此飛機(jī)以同一質(zhì)量、同一迎角起飛,在高原機(jī)場的起飛離地速度要大于平原機(jī)場。某型飛機(jī)起飛離地速度(Vq)與T、氣壓(p)的關(guān)系,如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出,在氣壓相同的條件下,飛機(jī)的起飛離地速度隨著氣溫的升高而增大；在氣溫相同的條件下,飛機(jī)的起飛離地速度隨氣壓的增加而減小。在高原機(jī)場,計算氣溫相對較高,計算氣壓相對較低,使飛機(jī)的起飛離地速度較平原機(jī)場大大增加。

圖2 起飛離地速度與氣溫的關(guān)系Fig.2 Relationship between take-off speed and air temperature

圖3 起飛離地速度與氣壓的關(guān)系Fig.3 Relationship between take-off speed and air pressure

2 高原機(jī)場飛機(jī)減載的判定準(zhǔn)則和分析方法

2.1 高原機(jī)場飛機(jī)起降減載的判定準(zhǔn)則

跑道長度與飛機(jī)起飛著陸質(zhì)量有關(guān),對于同一種飛機(jī),飛機(jī)質(zhì)量越大,需跑道長度越長。跑道長度通常是根據(jù)特定機(jī)型設(shè)計的,當(dāng)其他機(jī)型使用該跑道時,應(yīng)核算跑道長度是否滿足飛機(jī)以最大質(zhì)量起飛和著陸的需要。如不滿足,則飛機(jī)需要減載才能使用。高原環(huán)境對飛機(jī)性能要求較平原機(jī)場更為嚴(yán)苛,飛機(jī)在高溫低壓條件下起降時,飛機(jī)的起飛離地和著陸接地速度增大,輪胎和剎車受到更大考驗。此外,道面承載能力是道面自身的屬性條件,雖然與氣溫氣壓無關(guān),但道面承載能力直接影響飛機(jī)的起降質(zhì)量,承載能力評定一般采用ACN-PCN評價法。因此,若跑道長度滿足飛機(jī)起飛著陸滑跑的要求,在輪胎速度、剎車能量滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)要求的限值,道面承載能力滿足飛機(jī)的使用需要,飛機(jī)無需減載；否則飛機(jī)應(yīng)減載使用。判定準(zhǔn)則具體如表1所示。

表1 高原機(jī)場飛機(jī)起降減載的判定準(zhǔn)則Table 1 Determination criteria for aircraft take-off and landing load reduction at plateau airports

2.2 高原機(jī)場飛機(jī)減載使用的分析方法

結(jié)合高原機(jī)場的氣象特點,應(yīng)綜合考慮跑道長度、飛機(jī)輪胎速度、飛機(jī)剎車能量、道面承載能力等因素的影響,分析計算確定飛機(jī)減載方案。飛機(jī)制造商根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量和最大著陸質(zhì)量,因此飛機(jī)最大起飛著陸質(zhì)量也應(yīng)滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)的要求。

飛機(jī)最大起飛質(zhì)量(mq)和飛機(jī)最大著陸質(zhì)量(ml)計算公式為

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

(1)

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

(2)

式中:mq1、mq2、mq3、mq4,mq5分別為根據(jù)跑道長度、輪胎速度、剎車能量、道面承載能力、飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定的飛機(jī)最大起飛質(zhì)量；ml1、ml2、ml3、ml4、ml5分別為根據(jù)跑道長度、輪胎速度、剎車能量、道面承載能力、飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定的最大著陸質(zhì)量。

3 高原機(jī)場飛機(jī)減載各個影響因素分析研究

跑道長度與飛機(jī)起飛離地速度、著陸接地速度有關(guān),飛機(jī)剎車能量也與輪胎速度有關(guān),因此首先分析輪胎速度對飛機(jī)起飛著陸質(zhì)量的限制。

3.1 輪胎速度限制的飛機(jī)載重

飛機(jī)在起飛滑跑加速時,輪胎轉(zhuǎn)速逐漸增大,輪胎內(nèi)部材料所承受的離心力越來越大[12]。輪胎的最大允許轉(zhuǎn)速由輪胎結(jié)構(gòu)決定,由輪胎制造商確定。在起飛滑跑和著陸滑跑時,輪胎速度一旦超出最大允許轉(zhuǎn)速,可能導(dǎo)致輪胎結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題,產(chǎn)生安全隱患。

在起飛過程中,飛機(jī)從靜止開始加速滑跑,前輪在抬起瞬間、主輪在飛機(jī)離地瞬間速度最大；在著陸過程中,飛機(jī)開始主輪接地、兩點滑跑、三點滑跑,剎車減速,滑出跑道,在接地瞬間主輪速度最大。飛機(jī)起飛質(zhì)量越大,離地速度越大；飛機(jī)著陸質(zhì)量越大,接地速度越大。由于起飛時飛機(jī)抬前輪速度小于主輪離地速度,著陸時放前輪速度小于主輪接地速度,因此通過飛機(jī)主輪輪胎的最大允許轉(zhuǎn)速確定飛機(jī)的最大起飛著陸質(zhì)量。

飛機(jī)在離地瞬間,飛機(jī)升力與發(fā)動機(jī)推力的垂直分量之和等于飛機(jī)的起飛重量；飛機(jī)在接地瞬間飛機(jī)升力與發(fā)動機(jī)慢車推力的垂直分量之和等于飛機(jī)的著陸質(zhì)量[13]，即

Y+Psin(α+αP)=G

(3)

式(3)中：飛機(jī)α、αP都很小,Psin(α+αP)≈0。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和實際大氣條件兩種情況下,均采用標(biāo)準(zhǔn)的駕駛動作,對于飛機(jī)起飛離地,有

(4)

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可得飛機(jī)實際起飛離地速度(Vq)與實際起飛質(zhì)量(mq)的關(guān)系:

(7)

對于著陸過程,飛機(jī)實際接地速度(Vl)與ml的關(guān)系為

(8)

同理可得

(9)

(10)

式中:Y為飛機(jī)升力；P為發(fā)動機(jī)推力；Vq0為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的離地空速；mq0為Vq0對應(yīng)的起飛質(zhì)量；Vl0為按標(biāo)準(zhǔn)駕駛動作得出的相對于空氣的著陸接地速度；ml0為Vl0對應(yīng)的飛機(jī)著陸質(zhì)量；Δ為空氣相對密度；p為計算氣壓；T為計算氣溫。

飛機(jī)制造商在飛機(jī)性能手冊中給出,標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下相應(yīng)質(zhì)量的飛機(jī)離地、接地速度,以及飛機(jī)主輪的最大允許速度。根據(jù)式(9)、式(10)建立離地速度與起飛質(zhì)量、接地速度與著陸質(zhì)量的關(guān)系。

某型飛機(jī)在不同海拔的高原機(jī)場起降,該飛機(jī)Vq，max=330 km/h,Vl，max=280 km/h,離地速度與起飛質(zhì)量的關(guān)系、接地速度與著陸質(zhì)量的關(guān)系,如圖4、圖5所示。

圖4 某型飛機(jī)起飛離地速度在不同海拔高度與質(zhì)量的關(guān)系Fig.4 Relationship between takeoff velocity and mass of an aircraft at different altitudes

圖5 某型飛機(jī)著陸接地速度在不同海拔高度與質(zhì)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between landing velocity and mass of an aircraft at different altitudes

從圖4、圖5可以看出,在相同的氣溫氣壓條件下,隨著飛機(jī)起飛質(zhì)量的增大,離地速度和接地速度增大。高原機(jī)場高溫低壓的大氣環(huán)境影響飛機(jī)的起飛著陸性能,Vq、Vl較標(biāo)準(zhǔn)條件增幅較大,在有的機(jī)場Vq、Vl超出飛機(jī)最大允許速度的限值,因此需要減小飛機(jī)起飛和著陸質(zhì)量,使輪胎速度小于最大允許速度。

以D′機(jī)場為例,采用多項式擬合的方法,得到飛機(jī)離地速度和起飛質(zhì)量、飛機(jī)接地速度與著陸質(zhì)量的關(guān)系,如圖6、圖7所示。

圖6 某型飛機(jī)在D′機(jī)場的起飛質(zhì)量與離地速度擬合曲線Fig.6 Fitting curve of take-off mass and departure velocity of an aircraft at D′ airport

圖7 某型飛機(jī)在D′機(jī)場的著陸質(zhì)量與接地速度擬合曲線Fig.7 Fitting curve of landing mass and departure velocity of an aircraft at D′ airport

從圖6、圖7可以看出,起飛質(zhì)量與離地速度、著陸質(zhì)量與接地速度高度線性相關(guān),擬合精度可以滿足計算需要。某型飛機(jī)在D′機(jī)場起飛和著陸時,輪胎速度限制的最大起飛質(zhì)量mq=160.5 t,最大著陸質(zhì)量ml=122.6 t。

3.2 跑道長度限制的飛機(jī)載重

跑道供飛機(jī)起飛著陸滑跑使用。高原機(jī)場跑道長度一般較長,對殲擊機(jī)起降質(zhì)量一般不會產(chǎn)生限制,但對運(yùn)輸機(jī)而言,由于發(fā)動機(jī)推力下降,起飛離地速度增大,飛機(jī)所需的跑道長度較平原機(jī)場要長,跑道長度會限制飛機(jī)的起飛質(zhì)量和著陸質(zhì)量。從運(yùn)輸機(jī)全發(fā)正常起飛、正常著陸、一發(fā)失效繼續(xù)起飛和一發(fā)失效中斷起飛4種情況進(jìn)行分析[13]。

(1)運(yùn)輸機(jī)以全發(fā)正常起飛,飛機(jī)所需跑道長度為起飛滑跑距離加上折減后的初始爬升距離(即飛機(jī)離地點至爬升10.7 m所對應(yīng)的水平距離,考慮一定折減),再考慮駕駛誤差安全系數(shù)。飛機(jī)正常起飛所需的跑道長度應(yīng)不超過實際跑道的可用起飛距離不超過實際的可用起飛距離(如設(shè)置凈空道時,可用起飛距離即為跑道長度與凈空道長度之和)，即

La=Ka(Sa+CSh)≤L

(11)

式(11)中:Sa=Sqg+Sqr；L為實際的跑道長度；La為運(yùn)輸機(jī)在全發(fā)正常情況下起飛所需跑道長度；Sa為飛機(jī)起飛滑跑距離；Sqg為飛機(jī)三點滑跑距離；Sqr為飛機(jī)兩點滑跑距離；Sh為飛機(jī)離地點至爬升10.7 m 所對應(yīng)的水平距離；C為初始爬升距離的折減系數(shù)；Ka為考慮飛行員駕駛誤差而采用的安全系數(shù)。

(2)運(yùn)輸機(jī)正常著陸,飛機(jī)所需跑道長度為著陸滑跑距離考慮飛行員駕駛誤差安全系數(shù),應(yīng)不超過實際跑道的可用加速停止距離，即

Lb=KbSb≤L

(12)

式(12)中:Sb=Sk+Slr+Sls1+Sls2+Sls3+Sls4,Lb為飛機(jī)著陸所需跑道長度；Sb為飛機(jī)著陸距離；Sk為飛機(jī)以15.2 m 飄落至著陸接地點對應(yīng)的水平距離；Slr為飛機(jī)兩點滑跑階段的滑跑距離；Sls1為飛機(jī)三點滑跑剎車工作階段的滑跑距離；Sls2為飛機(jī)三點滑跑剎車工作和減速板打開階段的滑跑距離；Sls3為飛機(jī)三點滑跑剎車工作、減速板打開和反推裝置打開階段的滑跑距離；Sls4為飛機(jī)三點滑跑剎車不工作、減速板和反推裝置關(guān)閉階段的滑跑距離；Kb為考慮飛行員駕駛誤差而采用的安全系數(shù)。

(3)運(yùn)輸機(jī)在起飛滑跑過程中有一臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障(一發(fā)失效)時,若繼續(xù)起飛時,發(fā)動機(jī)推力仍為最大狀態(tài)推力,飛機(jī)將繼續(xù)加速,此時飛機(jī)所需的起飛滑跑距離增加,飛機(jī)爬升梯度減小。起飛滑跑距離與折減后的初始爬升距離之和不得超過實際的可用起飛距離(如設(shè)置凈空道時,可用起飛距離即為跑道長度與凈空道長度之和)，即

Lc=Sc+CSjh≤L

(13)

式(13)中:Lc、Sc、Sjh分別為飛機(jī)在起飛滑跑過程中一發(fā)失效能夠安全繼續(xù)起飛所需的跑道長度、繼續(xù)起飛滑跑距離、初始爬升距離。

(4)運(yùn)輸機(jī)在起飛滑跑過程中有一臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時,若中斷起飛時,飛行員將采取收油、剎車以及打開減速板等動作。飛機(jī)減速至完全停止所經(jīng)過的距離不得超過可用加速停止距離(設(shè)置停止道時,即跑道長度與停止道長度之和)，即

Ld=Sd-l0≤L

(14)

式(14)中:Ld為飛機(jī)在起飛滑跑過程中一發(fā)失效能夠安全中斷起飛所需的跑道長度；Sd為中斷起飛滑跑距離；l0為停止道或可用的端保險道長度。

飛機(jī)在起飛滑跑過程中一發(fā)失效時,飛行員并不能立刻識別,需要2～3 s進(jìn)行判斷。根據(jù)民航試驗和研究,細(xì)化故障時刻到實際中斷起飛操作的過渡過程,劃分為1 s識別、1.4 s過渡,并增加2 s考慮一定的安全裕度。中斷起飛滑跑距離可表示為

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

(15)

式(15)中:Sd1為飛機(jī)從靜止至發(fā)動機(jī)故障的滑跑距離；Szd1為飛行員識別發(fā)動機(jī)故障過程中的飛機(jī)滑跑距離；Szd2為飛行員識別發(fā)動機(jī)故障后在采取中斷起飛操作過程中的飛機(jī)滑跑距離；Szd3為飛機(jī)剎車工作和減速板打開階段的飛機(jī)滑跑距離；Szd4為飛機(jī)剎車工作、減速板打開、反推裝置打開階段的滑跑距離；Szd5為飛機(jī)三點滑跑剎車工作、減速板打開、反推裝置關(guān)閉階段的滑跑距離。

運(yùn)輸機(jī)在起飛滑跑過程中一發(fā)失效,選擇繼續(xù)起飛還是中斷起飛,通過比較飛機(jī)的故障認(rèn)定速度V1與決斷速度V1B的大小決定。一發(fā)失效最不利的情況是V1=V1B時,此時繼續(xù)起飛所需跑道長度與中斷起飛所需跑道長度相等,即平衡跑道長度。

綜合上述情況,則飛機(jī)所需跑道長度應(yīng)滿足:

max(La,Lb,Lc,Ld)≤L

(16)

分析可知,計算飛機(jī)起飛滑跑距離(Sa)、初始爬升距離(Sh)、著陸滑跑距離(Sb)、V1B對應(yīng)的繼續(xù)起飛滑跑距離(Sc)或中斷起飛滑跑距離(Sd)是確定飛機(jī)所需跑道長度的關(guān)鍵,即確定飛機(jī)最大起飛著陸質(zhì)量的關(guān)鍵。

根據(jù)飛機(jī)運(yùn)動學(xué)方程,結(jié)合運(yùn)動定律,計算飛機(jī)滑跑距離、初始爬升距離的一般積分表達(dá)式[13]為

Sx=

(17)

(18)

(19)

式中:Sx為起飛著陸滑跑距離；Sh為起飛爬升距離；g為重力加速度；V0為初始空速；Vx為末端空速；V為空速；Vw為滑跑方向的風(fēng)速(逆風(fēng)取負(fù)、順風(fēng)取正)；VLOF為起飛離地速度；V2為起飛安全速度；n為飛機(jī)發(fā)動機(jī)的個數(shù)；Pq為單臺發(fā)動機(jī)推力；α為滑跑迎角；αp為發(fā)動機(jī)安裝角；f為道面摩擦系數(shù)；i為跑道坡度(逆坡取正、順坡取負(fù))；m為飛機(jī)的質(zhì)量；Cx為空氣阻力系數(shù)；Cxs為空氣附加阻力系數(shù)；Cy為升力系數(shù)；Sy為機(jī)翼面積；ρ為空氣密度；θ為航跡角；θ0為初始航跡角,Δt為時間增量。

分析可知,跑道長度對飛機(jī)起飛著陸質(zhì)量的限制受到多種因素影響,包括發(fā)動機(jī)推力、機(jī)場氣溫、機(jī)場氣壓、空氣密度、跑道摩擦系數(shù)、航跡角、升力系數(shù)、阻力系數(shù)、風(fēng)速等。

利用式(17),通過改變V0、Vx、Pq、n、f,考慮荷載分配系數(shù)(k),可以計算飛機(jī)起飛著陸以及V1B對應(yīng)的中斷起飛等各階段的飛機(jī)滑跑距離。

發(fā)動機(jī)廠商一般以海拔高度和馬赫數(shù)為基礎(chǔ)提供發(fā)動機(jī)推力原始數(shù)據(jù)。考慮到發(fā)動機(jī)推力數(shù)據(jù)不連續(xù),不能滿足各種海拔的機(jī)場跑道長度計算需要,采用五階擬合的方法計算發(fā)動推力,并采用實際氣溫進(jìn)行修正,將發(fā)動機(jī)推力轉(zhuǎn)化為飛機(jī)滑跑速度的函數(shù),用于跑道長度的計算[14]。飛行手冊中要求飛行員在飛機(jī)速度達(dá)到抬前輪速度后,緩慢線性拉桿,可以認(rèn)為迎角在二輪滑跑階段線性增加,直到增加為離地迎角,迎角與飛機(jī)滑跑速度之間可建立函數(shù)；升力、阻力系數(shù)與迎角之間有函數(shù)關(guān)系,因此升力、阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為飛機(jī)滑跑速度的函數(shù),用于跑道長度的計算。

在此基礎(chǔ)上,利用MATLAB軟件編程,采用解析積分法計算跑道長度。某型飛機(jī)在高原機(jī)場起降,根據(jù)機(jī)場現(xiàn)有跑道長度分別計算了飛機(jī)全發(fā)正常起飛、一發(fā)失效下的最大起飛質(zhì)量(mq),以及飛機(jī)正常著陸下的最大著陸質(zhì)量(ml),如表2所示。

從表2可以看出,該型飛機(jī)在D′機(jī)場起飛著陸,正常起飛情況下mq為161.9 t；一發(fā)失效情況下,mq為157.2 t；正常著陸情況下ml為151.5 t。跑道長度對于飛機(jī)起降質(zhì)量的限制,還與機(jī)場所在地的海拔高度、氣溫、氣壓以及跑道縱坡等因素有關(guān)。

表2 某型飛機(jī)不同海拔高度機(jī)場的最大起飛著陸質(zhì)量Table 2 The maximum take-off and landing mass of an aircraft at different altitudes

3.3 剎車能量限制的飛機(jī)載重

在著陸的過程中,飛機(jī)使用剎車、減速板、阻力傘等措施,使著陸滑跑速度減小,安全滑入停機(jī)坪。當(dāng)剎車被啟用以減小飛機(jī)的著陸滑跑速度時,輪胎與道面摩擦產(chǎn)生大量的熱能。一旦產(chǎn)生的熱能超過安全水平,剎車和輪胎就可能會失效,甚至導(dǎo)致起落架著火[15]。高原機(jī)場空氣稀薄,飛機(jī)機(jī)體和空氣的摩擦阻力減小,著陸時飛機(jī)動能更多由剎車吸收,需要考慮剎車能量對著陸質(zhì)量的影響。剎車能量計算公式為

(20)

式(20)中:EB為剎車能量；VB為剎車時的地速,取正常剎車的最大允許速度；CL和CD分別為剎車階段(包括擾流板升起)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；μB為剎車摩擦系數(shù)；Vw為風(fēng)速,順風(fēng)為負(fù),逆風(fēng)為正；i為跑道坡度；S為機(jī)翼面積。

高溫低壓環(huán)境使飛機(jī)起飛離地速度、著陸接地速度增大,剎車能量相應(yīng)增加。以某型飛機(jī)為例,其剎車能量與氣溫、氣壓的關(guān)系,如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知,隨著氣溫的增大、氣壓的減小,著陸時需要消耗的剎車能量增大。高原機(jī)場高溫低壓不利因素對剎車能量的影響更加顯著。

圖8 氣溫對剎車能量的影響Fig.8 Effect of air temperature on brake energy

分析飛機(jī)的起飛著陸過程可知,飛機(jī)對剎車能量要求最為嚴(yán)苛的情況,是在起飛過程中發(fā)生一發(fā)失效中斷起飛。剎車能量一般通過最大允許剎車速度(Vmax)限制。比較決斷速度和最大允許剎車速度,減小飛機(jī)起飛質(zhì)量使決斷速度V1B小于Vmax。某型飛機(jī)在不同海拔高度的機(jī)場起降,V1B=240 km/h,計算決斷速度下的飛機(jī)起飛質(zhì)量,即可得到剎車能量限制的飛機(jī)起飛質(zhì)量,計算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出,隨著氣溫升高、氣壓下降,飛機(jī)決斷速度增大,飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量受到剎車能量的限制。

表3 某型飛機(jī)不同海拔高度機(jī)場的決斷速度Table 3 The decision velocity of an aircraft at different altitudes

3.4 道面承載能力限制的飛機(jī)載重

道面承載能力的評定一般采用ACN-PCN評價法。道面的PCN可通過機(jī)場基礎(chǔ)資料獲取,也可采用當(dāng)量單輪荷載法計算；飛機(jī)的ACN是飛機(jī)制造商公布的參數(shù),可通過查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范獲取,采用線性插值的方法可計算不同強(qiáng)度土基道面的飛機(jī)ACN[16]。

在一個起飛著陸架次中,不僅要起飛質(zhì)量滿足起飛機(jī)場道面承載能力的要求,還要著陸質(zhì)量滿足降落機(jī)場道面承載的要求。某機(jī)場道面PCN通報為25/R/A/W/T,R表示道面為剛性道面,A表示土基強(qiáng)度為高強(qiáng)度,W表示無胎壓限制,T表示PCN采用技術(shù)評定的方法。某型飛機(jī)在該土基強(qiáng)度上最大質(zhì)量對應(yīng)的ACN為29,最小質(zhì)量對應(yīng)的ACN為10,通過內(nèi)插法計算,得到該機(jī)場道面允許該型飛機(jī)使用的最大質(zhì)量為151.2 t。

4 案例分析

以某高原機(jī)場一個起降架次為例,給出飛機(jī)起降減載方案。機(jī)場跑道長度5 000 m,PCN通報為48/R/A/W/T,飛機(jī)主輪最大允許離地速度為330 km/h,最大允許接地速度為280 km/h,最大允許剎車速度為240 km/h,計算氣溫為15.9 ℃,計算氣壓為64 230 Pa,按照飛機(jī)減載的判定準(zhǔn)則,確定不同限制條件下的最大起飛質(zhì)量和著陸質(zhì)量。按照前文所述的高原機(jī)場飛機(jī)減載的判定準(zhǔn)則和分析方法,確定了不同限制條件下飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量和著陸質(zhì)量,如表4所示。

表4 不同限制條件下的飛機(jī)最大起飛著陸質(zhì)量Table 4 The maximum take-off and landing weight of the aircraft under different restrictions

從表4可以看出,不考慮一發(fā)失效的情況,飛機(jī)最大起飛質(zhì)量為160.5 t,最大著陸質(zhì)量為122.6 t,均由輪胎速度限制；考慮一發(fā)失效的情況,飛機(jī)最大起飛質(zhì)量為130.8 t,最大著陸質(zhì)量為122.6 t,最大起飛質(zhì)量由剎車能量限制,最大著陸質(zhì)量由輪胎速度限制。

5 結(jié)論

飛機(jī)在高原機(jī)場起降時,需要進(jìn)行飛機(jī)減載分析,以保證起飛和著陸的安全。分析了高原機(jī)場高溫低壓氣象對飛機(jī)性能的影響,提出了高原機(jī)場飛機(jī)減載的判定準(zhǔn)則和分析方法,研究了跑道長度、輪胎速度、剎車能量、道面承載能力4個因素對飛機(jī)起飛質(zhì)量和著陸質(zhì)量的限制,結(jié)合飛機(jī)起降機(jī)場的實例給出了飛機(jī)減載方案。得出如下主要結(jié)論。

(1)飛機(jī)在高原機(jī)場起降時,高溫低壓的環(huán)境特點對飛機(jī)起降尤為不利,飛機(jī)最大起飛質(zhì)量和最大著陸質(zhì)量均小于平原機(jī)場。

(2)考慮了跑道長度、輪胎速度、剎車能量、道面承載能力四個方面的因素,分析研究飛機(jī)在高原機(jī)場起降的減載情況是合理的,計算結(jié)果可供飛機(jī)機(jī)組或機(jī)場管制人員參考。

(3)重點考慮了高原機(jī)場氣溫、氣壓等常規(guī)氣象特征對飛機(jī)減載的影響,但高原地區(qū)其他極端天氣也是飛機(jī)減載的影響因素,在以后的研究中應(yīng)予以考慮。