最小操纵速度过大对运输类飞机起飞的影响

吕莉莉, 王超, 徐照岳, 孟永良, 刘建平

(中航飞机股份有限公司 研发中心, 陕西 汉中 723000)

最小操纵速度过大对运输类飞机起飞的影响

吕莉莉, 王超, 徐照岳, 孟永良, 刘建平

(中航飞机股份有限公司 研发中心, 陕西 汉中 723000)

为了保证运输类飞机的飞行安全,研究了最小操纵速度过大对运输类飞机起飞的影响。建立了起飞场长数学模型,分析了在同一决策速度下加速-停止距离随起飞重量的变化趋势;总结了最小操纵速度过大时的起飞安全措施。研究表明,如果最小操纵速度过大,不仅存在起飞过程中由发动机故障停车引起的偏出跑道及离地后航向姿态不易保持、起飞距离增长、起飞速度安全余量过小等问题,而且会导致出现小起飞重量时决策速度受限、没有平衡场长、加速-停止距离不随起飞重量减小而减小的反规律趋势。

最小操纵速度; 加速-停止距离; 安全措施

0 引言

起飞阶段是最容易发生飞行事故的阶段[1],导致起飞过程中飞行事故的主要原因之一是发动机故障。飞机设计和使用时必须考虑起飞过程中发动机停车时的飞行安全。最小操纵速度是临界发动机失效后飞机维持操纵的重要参数。在新机设计前期,按最不利重心和最大起飞重量设计最小操纵速度,合理匹配发动机拉力、拉力矩、尾力臂、方向舵面积、方向舵最大偏角等参数,以保证空中最小操纵速度及地面最小操纵速度均小于1.13VSR。但由于风洞试验时进行了模型缩比(尤其是大中型运输机),仿真计算也建立在一定的假设条件下,致使在飞机试飞验证的过程中暴露出方向舵偏达不到设计的最大角度(采用气动补偿“小舵带大舵”的机械式操纵系统)、副翼效率及方向舵操纵效率匹配不足等问题,飞机的最小操纵速度与设计目标有差距。这时无论是优化设计以减小最小操纵速度,还是直接使用,都需要清楚最小操纵速度过大对起飞安全和起飞性能的影响。

本文按照国军标对起飞场长的定义,参考CCAR25部对起飞特征速度的要求,分析了最小操纵速度过大对飞机起飞性能及起飞安全的影响,着重计算和分析了同一决策速度时加速-停止距离随起飞重量的变化趋势,并给出了最小操纵速度过大时的使用安全措施。

1 基本概念

平衡场长又称临界机场长度，GJB 34—85[1]对其有明确定义,平衡场长对应的发动机故障速度VEF即为临界发动机故障速度V1EF。

CCAR25.149要求空中最小操纵速度VMC不得大于1.13VSR(海平面最大起飞重量)[2],对地面最小操纵速度VMCG无数值限制。

GJB 34要求VMCG≤V1EF≤VR且VLOF>VMC,而CCAR25要求VMCG≤V1EF≤VR≤1.05VMC,为提高飞机安全性水平,运输类军用飞机起飞速度应满足CCAR25部相关要求。

2 最小操纵速度偏大的危害

根据CCAR25要求,空中最小操纵速度应按照飞机最大起飞重量(或验证VMC所需的任何较小重量)、最不利重心条件确定,同时要求VMC≤1.13VSR;但对于运输类飞机而言,由于起飞重量范围很大,某些飞机在小起飞重量(例如0.57WTO)下,最小操纵速度仍显得过大。最小操纵速度过大的危害大致分为以下几个方面:

(1)发动机停车后易侧偏出跑道。CCAR 25.149[2]要求起飞滑跑过程中临界发动机突然停车后,飞机航迹与跑道中心线偏差不超过9 m,脚蹬力不大于667 N,与军标要求基本相似。由此可知,如果起飞过程中V1EF

图1 临界发动机停车速度对侧向偏移量影响Fig.1 Influence on lateral offset with critical engine breakdown speed

(2)发动机停车起飞离地后航向/姿态不易保持。GJB 185—86[3]要求起飞离地后如发生任何一台发动机推力突然损失时,在不改变飞机构型和发动机推力条件下,驾驶员可以用各主操纵面就能恢复对飞机的控制。整个爬升过程中保持倾斜角不超过5°的飞行,且方向操纵脚蹬力不超过800 N,滚转操纵效能不超过75%。CCAR25.149[2]要求空中最小操纵速度确定时,应考虑纠偏过程中航向改变不超过20°,脚蹬力不超过667 N;但未要求副翼操纵效能不超过75%。

如果离地速度(特别是小起飞重量时)未受空中最小操纵速度约束而小速度离地(或者离地速度达到通用值1.1VS),由于空中最小操纵速度过大,起飞离地后临界发动机推力突然损失,在维持坡度不大于5°的直线飞行且脚蹬力不大于667 N时,飞行员无法将飞机的航向改变控制在20°范围内。采用同样操纵控制律的情况下,临界发动机故障速度对飞机航向姿态的影响如图2所示。

图2 V1EF对飞机航向姿态以及舵偏角的影响Fig.2 Influence of V1EF on heading and attitude/ controlpiston deflexion angle

由图2可知,发动机故障速度比最小操纵速度减小10 km/h,临界发动机故障使飞机航向改变量增加至90°以上,坡度变化量近40°。

(3)飞机小重量起飞特征速度安全范围过小。根据CCAR25要求的VR≥1.05VMC,若空中最小操纵速度过大,为防止飞机过早离地,飞行员势必用力顶杆起飞以提高抬前轮速度和离地速度。但是,抬前轮速度不可能无限制增大,即使升降舵在下偏位,飞机迎角仍处于三轮滑跑/停机迎角,随飞机滑跑速度的增大,飞机仍有可能三轮离地(没有抬前轮动作)。另一方面,标准要求决策速度小于抬前轮速度且大于地面最小操纵速度,如果地面最小操纵速度过大,导致飞机决策速度过大,飞机高速滑行并终止起飞的难度加大。

假设某型飞机VMC≈210 km/h,VMCG≈215 km/h。尽管最小操纵速度满足CCAR25要求,飞机以较大重量(63 t)起飞时抬前轮速度只受1.1VSR约束,但小重量起飞时(40 t),正常情况下离地速度约187 km/h。如果按标准要求受空中最小操纵速度约束,那么抬前轮速度为231 km/h。如果该飞机为喷气式飞机,尚能安全起飞;但对螺旋桨类飞机而言,起飞滑跑段滑流对升力的贡献量很大,即使顶杆使飞机保持三轮滑跑姿态,考虑到地面效应以及螺旋桨滑流贡献,小重量时飞机滑行速度约183 km/h即三轮离地,抬前轮速度与三轮离地速度的间距过小,将影响飞行安全。

(4)起飞距离和起飞滑跑距离增加。为防止飞机抬前轮速度小于空中最小操纵速度,顶杆滑跑以增大抬前轮速度和离地速度。由于起飞滑跑距离与离地速度的平方成正比,如果抬前轮速度和离地速度受最小操纵速度约束,势必造成起飞距离和起飞滑跑距离的增加。经仿真计算,在VMC>1.05VS情况下,VMC每增加10%,VR和VLOF增大约10%,导致LTOB增加约20%。

(5)在低海拔机场、小重量起飞时起飞限重受加速-停止距离约束,此时加速-停止距离随飞机重量的增大而减小(反规律)。如果VMCG过大,为满足标准要求的VMCG≤V1EF≤VR,飞机起飞决策速度受地面最小操纵速度限制。在低海拔机场、小起飞重量时,决策速度均等于最小决策速度,飞机没有平衡场长,起飞限重受同一决策速度的加速-停止距离约束。然而由于减速段起始速度过大,中止起飞过程中地面支反力过小甚至为零,以及刹车摩擦系数随速度增加而减小两种因素,导致出现加速-停止距离随起飞重量的增加而减小的反规律现象。假定某型飞机VMCG=215 km/h,以飞机在海平面、水平跑道机场为例计算了V1EF=215 km/h时的加速-停止距离，如图3所示。

图3 V1EF=215 km/h时的加速-停止距离Fig.3 Accelerate-stop distance when V1EF=215 km/h

3 发动机停车后的加速-停止距离

3.1 全发工作起飞加速段距离(L0-V1EF)

表1 全发工作起飞加速段距离

3.2 减速段距离(LVsh-0)

在静风、跑道坡度为零条件下,发动机停车后减速段滑跑距离与发动机失效速度、升阻力、起飞重量、刹车摩擦力有关[4]。干躁水泥跑道刹车摩擦系数随轮胎压强和滑跑速度粗略模型如图4所示。

图4 干躁混凝土跑道刹车摩擦系数模型Fig.4 Model with coefficient of brake friction on dry and concrete runway

由图4可以看出,刹车摩擦系数随滑跑速度的增大而减小,随轮胎压强的增大而减小。

由于地面最小操纵速度过大,致使小重量条件下飞机最小决策速度过大,从而导致减速滑跑时飞机升力很大。地面对飞机的支反力过小,甚至在减速段初期接近零,造成刹车摩擦力过小,起飞重量越小,这种情况越严重,从而导致较小重量情况下减速段距离随起飞重量减小而大幅增加。某型飞机计算结果如图5所示。

图5 加速段距离和减速段距离随起飞重量的变化Fig.5 Change of acceleration and deceleration distance with WTO

3.3 加速-停止距离随飞机重量的变化

较大的决策速度导致小重量情况下三轮滑跑速度偏大,即使没有三轮离地,由于地面对飞机的支反力很小,刹车摩擦力随着重量的减小而快速减小;加速-停止距离中减速段距离随着重量的减小而大幅增大;减速段占加速-停止距离的比例也快速增大;相反,加速段占总距离的比例随着重量的增大而减小,导致小重量情况下加速-停止距离随着重量的增加而减小。某型飞机海平面条件下起飞加速段和减速段占加速-停止距离的比例见表2。

表2 加速-停止距离中分阶段百分比

4 最小操纵速度过大的安全措施

与失速速度一样,在飞机设计之初,根据最小空载起飞重量设计最小操纵速度,合理匹配发动机拉力、拉力距、尾力臂、方向舵面积、方向舵最大偏角、副翼面积及偏角等参数,保证空中最小操纵速度及地面最小操纵速度均小于1.13VSR。但是,如果经试飞验证最小操纵速度达不到设计要求,或者改进改型飞机较原准机空机重量减小较多(例如某型运输机的原准机为特种飞机,改运输机致使空机重量较原准机空机重量减小约10 t),均存在最小操纵速度过大的问题。如果条件允许,应从根本上解决最小操纵速度问题,杜绝安全隐患;但是,如果时间周期不允许重新设计最小操纵速度,则应该从以下方面保证飞行安全:

(1)提高抬前轮速度。在三轮离地速度安全余量许可的情况下,顶杆滑跑提高飞机的抬前轮速度和离地速度,保证VR>VMC,VLOF每增加10%,LTOB增加约20%。

(2)减小起飞襟翼偏度。通过减小起飞襟翼偏度来提高抬前轮速度、离地速度和三轮离地速度,增大离地速度与三轮离地速度、地面最小操纵速度与抬前轮速度/离地速度的间距,保证飞机起飞过程中发动机停车后的起飞安全。例如某型飞机减小起飞襟翼偏度后三轮离地速度增大约50 km/h,抬前轮速度增大7～10 km/h,最小操纵速度基本不改变,襟翼减小使飞机升阻比增加,因而起飞性能基本不改变,起飞安全性大幅提高。

(3)限制最小起飞重量。最小起飞重量取满足以下条件的最大值:VMC≤1.13VSR;满足抬前轮速度与三轮离地速度之间有一定的安全余量ΔV,以及VR≥1.05VMC;由飞机空机重量、备份油以及机组人员等使用项目重量给定;当给定机场的起飞限重受同一故障停车速度下加速-停止距离约束时,还需要给出由加速-停止距离不超过机场可用加速-停止距离决定的最小起飞重量。

(4)适当减小起飞拉力。除与飞机横航向基本气动特性相关外,最小操纵速度与发动机拉力和拉力距、螺旋桨滑流产生的力和力矩、螺旋桨法向力和力矩、陀螺力矩等相关。在起飞重量较小、跑道长度足够长的情况下,适当减小发动机拉力,可降低飞机最小操纵速度。经理论计算,某型飞机发动机拉力降低15%,空中最小操纵速度可减小约15 km/h。在最小操纵速度较小的情况下,起飞特征速度不受最小操纵速度影响,此时发动机拉力降低使起飞滑跑距离增加很明显。某型飞机发动机起飞拉力每降低15%,致使起飞滑跑距离增加20%～25%。但是,当空中最小操纵速度大到其数值大小直接影响抬前轮和离地速度的数值大小(小起飞重量时),由于发动机拉力降低使得飞机最小操纵速度、抬前轮速度和离地速度均降低。经仿真计算,某型飞机动力装置起飞拉力降低15%,小重量起飞时起飞滑跑距离增加量仅为5%～8%,临界机场长度减小,最小起飞重量限制值减小约7 t,仿真结果如图6所示。

图6 不同起飞拉力情况下的临界机场长度Fig.6 Critical airport length with different takeoff thrust

(5)在用户资料中给出飞机特点及注意事项。根据飞机最小操纵速度过大对飞行的影响,除了在手册中给出飞机的最小操纵速度、最小起飞重量外,还需要在飞行手册性能章节中标明注意事项:小起飞重量条件下决策速度受地面最小操纵速度限制不得减小,此时飞机的加速-停止距离随起飞重量减小而增大;每次飞行前应注意查阅不同重量的发动机故障停车后的加速-停止距离。

以上几项使用安全措施对保证飞行安全都是有效的,也不同程度存在损失飞机性能的不利之处(如大重量起飞降低起飞拉力,飞行性能明显降低)。如果要以使用性能不降低为目标,应优先优化起飞襟翼和灵活选择起飞拉力,但是灵活起飞拉力增加了飞行准备及飞行员操作的复杂性;因此,需要根据飞机的使用要求综合评定,选择以上措施,在保证飞行安全的前提下,使飞行性能满足要求。

5 结束语

本文通过仿真计算分析了最小操纵速度过大对运输类飞机起飞性能及起飞安全的影响,着重计算和分析了加速-停止距离随起飞重量的变化趋势,给出了最小操纵速度过大情况下的使用安全措施,可作为同类飞机的重要参考。

[1] 中国人民解放军总装备部.有人驾驶飞机(固定翼)飞行性能和图表资料:GJB 34—85 [S].北京:中国人民解放军总装备部,1985.

[2] 中国民用航空总局.运输类飞机适航标准:CCAR-25-R3 [S].北京:中国民用航空总局,2001.

[3] 中国人民解放军总装备部.有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质:GJB 185—86[S].北京:中国人民解放军总装备部,1986.

[4] 《飞机飞行性能计算手册》编写组.飞机飞行性能计算手册[M].西安:飞行力学杂志社,1987:10-20.

(编辑：李怡)

Influence of minimum control speed oversize on takeoff of the transportation

LYU Li-li, WANG Chao, XU Zhao-yue, MENG Yong-liang, LIU Jian-ping

(Research and Development Center, AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723000, China)

To ensure the flight safety of the transportation, the influence of minimum control speed oversize on takeoff was studied. The takeoff field length mathematical model was present. The accelerate-stop distance trends with the take-off weight at same decision speed were analyzed. The take off safety precautions for minimum control speed oversize were summarized. The research indicate that if minimum control speed oversize when the engine failure in takeoff process, not only exist the maladies such as veered off runway, heading attitude difficult to keep after take off, take off distance increase, safe margin of take off speed undersize, but also result in the decision speed restricted on small takeoff weight, no balance field length, inconsistent with the law that accelerate-stop distance don’t decrease with take-off weight.

minimum control speed; accelerate-stop distance; safety precautions

2016-04-27;

2016-09-23;

时间:2016-11-10 09:10

吕莉莉(1968-)，女，陕西扶风人，研究员，硕士，研究方向为飞行动力学与试飞技术。

V212.1

A

1002-0853(2017)01-0007-04