广元盘龙机场温度天气事件下签派放行研究
2018-09-10张序罗凤娥李家南李芋杉
张序 罗凤娥 李家南 李芋杉
摘要：国内部分西部机场因地面障碍物会对民用飞机起飞过程的爬升性能造成影响，温度成为影响民用飞机起飞性能的重要因素之一，本文通过中国国际航空股份有限公司的性能分析软件（PEB）展开性能计算分析，对A319-131机型在广元盘龙机场从08号和26号跑道的起飞性能数据进行研究，分析温度天气事件对签派放行造成的影响，进而对广元盘龙机场温度数据收集，提出航空公司在签派放行、运行控制和运力使用方面的建议，为安全飞行和航空公司的经济效益提供理论支持，这些研究对西部机场的航班签派放行具有很好的借鉴意义。
关键词：温度天气事件;签派放行;飞机性能;起飞全重;跑道方向
中图分类号：V32、V21 文献标识码：A
2018年4月3日，某航空公司从成都飞往纽约的航班有近30位旅客由于机场较高气温的原因不能办理值机手续[1]，这是大气温度对民用飞机（民机）性能影响的典型案例，航班签派放行需要对机组资质、适航性、飞机重量（质量）、飞机油量、航班业载、航空气象和航行通告展开综合评估，总结起来就是人、机、环三部分[2]。在前期的文献中能查询到很多在机组资质、适航性等方面的研究[3～5]，航空气象方面也有学者针对雷暴、积冰、台风、低云等对飞行影响的天气展开过很多研究，但温度、修正海压方面的研究则偏少，本文研究的内容就是针对温度对签派放行影响展开的研究。
1 研究对象的选取和情况介绍
广元盘龙机场（IATA代码：GYS，ICAO代码：ZUGU）位于中国四川省广元市，为民航4D级支线机场，2000年9月建成通航。中国国际航空公司、中国东方航空公司等多家航空公司在广元盘龙机场开通了定期航班。广元盘龙机场具备中西部地区小型机场的典型特点，如机场周边障碍物影响明显、跑道长度较短、机场日航班量偏少、低云低能见天气出现频率较高、风向风速会影响飞机的起飞跑道方向等。
1.1 广元盘龙机场设施简介
广元盘龙机场地处四月}盆地边缘，嘉陵江与白龙江交汇处，走马岭西南翼附近，地势为西高东低，机场区域内高大障碍物较多，净空较差，机场的跑道基础数据见表1。
民机可以实施夜航飞行，机场在供飞行员在进近过程中识别跑道人口方向和位置处建立了醒目的目视参考，广元盘龙机场具备助航灯光系统，情况见表2。
1.2 广元盘龙机场气象特点
广元盘龙机场年平均最高气温20℃，年平均最低气温为12.6℃，极端最高温度为36.2℃，出现在8月份，极端最低温度为-4.4℃，出现在1月份。机场盛行东北风，平均大风日数为8天，集中在3-4月，最大瞬时风速为24m/s，机场月平均气温、月平均相对湿度、月平均气压如图1～图3所示。
2 温度对民机起飞的影响
温度偏高会影响民机的载量，因为温度的升高导致空气密度减小，一方面进入发动机的空气质量减少，在发动机转速一定时，推力减小。同时，民机起飞时依靠机翼产生的升力使飞机升空，空气密度是影响升力大小的因素之一，空气密度越大，单位体积内触及翼面的空气分子就越多，升力也越大，反之则升力越小;另一方面空气密度的降低导致空气流量降低，空气更难压缩，发动机增压比降低，涡轮进出口温差减小，尾喷口气体动能降低。同时着陆时飞机需要更大速度以弥补空气密度不足对升力的影响。根据气体性质，在一定条件下，温度越高其密度越小，因此，较高的温度造成飞机发动机马力减小，在正常滑行距离内难以获得足够的速度和起飞升力，起飞后也因升力小而不能很快爬升到安全高度并加人航线飞行。高温对发动机推力影响最明显，在高海拔地区影响更甚，中国大部分地域夏季炎热，高温严重影响飞机起降性能。如西宁曹家堡机场海拔2179m，自1992年开航至2008年，共出现了160天极端高温天气，数次出现因高温天气导致的航班不正常[6]。
3 广元盘龙机场温度影响事件签派放行研究
广元盘龙机场机场可用跑道长度较短，同时受区域内高大障碍物的影响，飞机在采用08号跑道起飞过程中载量明显低于26号跑道，如果遇到发动机推力较小的航空器，在温度较低的情况下也有可能影响飞机的起飞性能。
3.1 标本的温度要素
本文选取中国国际航空公司A319-131机型执行广元飞往杭州的航班为研究标本，执行航班的飞机发动机型号为V2522-A5，推力9980daN，飞机的最大起飞重量70000kg，最大着陆重量61000kg，标本航班的无油重量为42229kg，航班在广元盘龙机场起飞为北京时间11：30，按照提前150min完成签派放行的原则，应参考北京时间08：00时刻的广元盘龙机场天气实况完成签派放行工作，按照《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR-121-R4）[7]国内燃油政策的要求，经过签派放行的评估航班放行油量为10200kg。飞机的实际起飞重量为61350kg，未超出最大起飞全重。是否会超出航空器的性能限制还需要进行相关的性能验证。
3.2 广元盘龙机场温度事件签派放行评估
目前，国内研究者在最大起飞重量的研究方面多集中在实际运行中如何确认最大起飞重量[7～9]以及在飞机概念设计时如何估算最大起飞重量[10～12]，这里分析的则是最大起飞重量受温度事件的影响。
3.2.1 广元盘龙机场天气实况
要展开对广元盘龙机场起飞性能分析的研究，需要在PEB软件录人广元盘龙的风向、风速和温度三个元素，通过插值法确定出起飞全重（Maximum Take-Off Weight，MTOW）、飞机起飞决断速度V1、飞机抬轮速度VR和飞机起飞安全速度V2。簽派放行时广元盘龙机场天气实况和预报如下所示：
METAR ZUGU 2200002 25002MPS CAVOK 19/15Q1008 NOSIG=
TAF ZUGU 2122042 220009 06004MPS 9999 SCT040TX30/082 TN19/00Z=
3.2.2 广元盘龙机场风向评估
民机的起飞过程对风比较敏感，每一种机型都有可能受到风向和风速的共同限制，由于风向不会和跑道方向完全一致，对于民机来说，几乎都会受到侧风的影响，飞机起飞过程中还会受到阵风的影响，容易在起飞过程中受低空风切变的影响，引起民机飞行高度的突然变化，如果飞行员没有及时操作，就可能造成民机安全事件。在《中国国际航空公司运行手册》第5.3.2章节对中国国际航空公司所属空客机型侧风限制标准进行的说明，见表3。
从广元盘龙机场发布的气象报文，机场实况风向为250°，如果采用08号跑道，飞机将顺风起飞，采用26号跑道，飞机将逆风起飞。机场预报风向为60°，针对机场08号跑道，飞机为逆风状态，针对机场26号跑道，飞机为顺风状态。但是否会超过表3所列的标准，还将对实况和预报的风速采用三角函数的形式计算得出。
3.2.3 广元机场风速评估
采用三角函数的计算将风速拟合到跑道方向可以得到跑道方向上的风速，从广元盘龙机场天气实况可计算得到风速为：
2m/s×cos10°=1.97m/s
对于08号跑道，签派放行过程考虑为顺风1.97m/s，26号跑道为逆风1.97m/s。从广元盘龙机场天气预报计算得到风速为：
4m/s×cos20°=3.76m/s
对于08号跑道，签派放行过程考虑为逆风3.76m/s，26号跑道为顺风3.76m/s。从前两个部分的计算可以得出，在实况和预报情况下，在广元机场采用08号跑道和26号跑道起飞没有受到侧风标准的限制，接下来所需要考虑的则是性能方面的限制对起飞重量的影响，温度则是影响该数据的重要因素之一。
3.2.4 广元盘龙机场温度评估
大气的温度主要是间接从地面得到，一般在日出前空气温度最低，太阳升起后通过辐射、对流、湍流等形式向空气中传导。地面温度的升高，主要是吸收太阳辐射能量的结果，太阳光照射到地面上，晒热了地面，地面吸收的热再放出去烘热空气，空气的温度主要是间接从地面得到的。虽然夏天的中午，太阳光照射地面最接近直射，地面和空气受热量强，但地面放出的热量，少于太阳所供应的热量，所以此时并非是热的时候。中午以后，地面温度仍能继续升高，一直等到地面放出的热量等于太阳所供应的热量时，地面温度才能升到最高。而近地面气温的升高，必须从地面放出的热量得到，这一切都需要时间，因此每天最热的时候不是中午，而是午后14～15点钟的时候。由此，当日航班计划时刻在11：30，由此可知航班在起飞过程中温度会高于签派放行期间。
3.2.5 广元盘龙机场起飞性能分析
本文研究的标本中风向和风速对民机的起飞跑道选择没有影响，由此起飞性能的分析需要对08号和26号跑道都要做到，再向管制部门申请最佳的跑道起飞。结合前面三个部分对广元盘龙机场北京时间08：00的风向、风速和温度的判定，广元机场08号和26号跑道起飞性能参考温度确定在15～20℃之间，因此MTOW、V1、VR和V2的数值见表4和表5。
结合广元盘龙机场的风向、风速情况，参考机组常使用的CONF1+F起飞襟翼状态，从表4和表5可知，在起飞性能方面，如果采用08号跑道起飞，温度在0℃也会出现减载的情况，而采用26号跑道起飞在温度达到20℃也可以满足载量起飞。
4 结论
本文通过PEB软件对飞机在不同温度下分别从08号和26号跑道起飞性能展开分析研究，证明由于机场周边障碍物的影响，两条跑道起飞阶段的爬升梯度不一致，相同温度条件下对应的最大起飞重量差别也很大，可以得出以下结论：
（1）风向、风速对起飞跑道有影响
在不考虑襟翼位置和发动机引起状态时，因越障导致的限制重量受大气、温度及风向、风速的影响。从历史的气象数据来看，机场盛行东北风，平均大风日数为8天，集中在3-4月，最大瞬时风速为24m/s，此时机场的气温早已超过10℃，如果采用08号跑道起飞都会超过A320系列飞机起飞或着陆过程中的“机型侧风限制标准”，此时民机在广元盘龙机场只能在其中一条跑道起飞，对应的另一条跑道会出现超标的情况，对航班的运行控制提出了更严格的要求。
（2）温度对起飞性能影响明显
从PEB软件计算数据来看，在相同的温度和风向、风速条件下，随着气温的升高，飞机的起飞全重会逐渐减小，最大的梯度差可达到500kg。如果在高温季节签派放行航班需要重点关注气温变化的趋势，上午签派放行的航班，需要关注气温上升的趋势，飞机的起飞重量需要和性能限制重量之间的裕度做得大一些;下午签派放行的航班因大气温度呈下降趋势，重量方面的裕度则可以不考虑。
（3）气压加重对起飞性能影响
从前面分析可以得到，7-9月是广元盘龙机场全年平均温度最高的时间，同时也是气压最低的时间，此时需要根据气压进行修正，结合性能软件的计算，从广元盘龙机场采用常用的CONE1+F襟翼状态，以15 0C为例，08号跑起飞参考气压的修正情况见表6。从表中可得出，起飞过程中受气压降低很明显，低气压可以减少A319-131机型起飞全重达到1000kg，而同样的气压增加，起飞全重增加仅200kg左右，夏季执行的航班在考虑气温的基础上还要关注气压对起飞性能的影响，这是下一阶段研究的课题。
5 建议
（1）建议申请有利跑道起飞
因相同温度情况下起飞跑道方向不同会导致民机起飞全重不一样，介于广元盘龙机场航班量较少，在起飛重量受性能限制时，临时更换起飞跑道对机场其他航班的正常性影响不大，可以根据风向、风速的变化趋势，公司运行控制部门向机场管制申请性能较好的跑道起飞，增加民机的起飞全重。
（2）建议做好机型与航线的匹配
航线的安全运营是航空公司运行的重要课题，要考虑机型的座级、运行成本等因素，同时要兼顾每种机型的特点和每条航线的特点，如本文研究的A319-131机型，发动机推力较小，因08号跑道的起飞性能限制，不适合在广元机场运营，那么航空公司在机型选择中可以选取起飞全重更大、发动机推力更好的飞机来执行。同时，我们还可以考虑使用具有短跑道性能的民机来执飞这类机场。
（3）建议使用更佳的起飞方式提高载量
当前，民航大型、重型运输机大都采用减推力起飞的技术，是指在保证飞行安全并符合相应规章要求的前提下，以相对于正常发动机较小的推力起飞。假设温度减推力（灵活温度起飞）起飞是使用高于实际温度的某一假设温度来获得低于发动机全推力的起飞推力，是以增加滑跑距离为代价，在保证安全同时降低燃油消耗，减少运输成本，提高航空公司的经济效益。最大假设温度是根据机场高度、跑道长度、外界大气温度、风向风度、使用襟翼和飞机重量查表得出[12]。飞机在地面由APU提供引气供给空调系统，启动发动机关空调为的是将APU引气全部用来启动发动机。发动机启动后，由发动机压气机提供空调系统气源。起飞时，为了减少发动机功率的损耗，常常暂时关闭空调或者使用APU引气。广元盘龙机场在08号跑道在常用的CONF1+F起飞襟翼状态下，以假设温度53℃为例，采用空调关并结合假设温度减推力起飞的性能分析见表7。
可以看出，采用有利的起飞状态，起飞全重可以增加500～900kg，这对航空公司来说就是真金白银的利润，同时也是安全飞行的裕度。
（4）建议做好飞行的持续监控
运行过程中放行决策和运行监控相结合尤其重要。航班的签派放行在航班起飞前完成只是工作的第一步，签派员还应该做好持续的运行监控，如在春季有可能出现的风向风速突然变化，在夏季有可能会出现突发的雷雨天气可能会导致机场主用跑道的变化，这就需要签派员持续对这类机场做好运行监控，避免临时跑道变化造成的不安全事件发生。
6 展望
在我国西南区域，有很多和广元盘龙机场类似的中小型机场，如达州河市机场、沪州蓝田机场、绵阳南郊机场等，他们或周边高大障碍物较多，对民机的起飞爬升过程影响明显;或跑道较短，对民机起飞滑跑的距离要求严格。通过对广元盘龙机场的在温度天气事件下签派放行工作的研究，梳理出安全飞行经验可以在这些机场借鉴和推广。
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