高高原机场对飞机着陆性能的影响分析

尚永锋，蒋刚毅

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉618307)

0 引言

对于现代高原旅行，飞机无疑是一种快捷和舒适的交通工具。随着西部旅游市场的开拓，执飞高原航线飞机越来越多。飞机刹车系统是飞机的一个重要系统，主要用来保证起飞、着陆滑跑、刹车减速和停放飞机[1]。飞机的起飞和着陆是飞行过程中最关键的两个时段。高高原机场飞机着陆时，受空气密度减小的影响，失速速度增大，着陆速度增大，飞机着陆动能增大，不仅增大刹车负荷，也增大了飞机着陆滑跑距离，而飞机滑跑距离的增加会有冲出跑道的危险。因此，研究飞机在高高原机场着陆性能显得十分必要。

1 高高原机场运行环境特点

根据《航空承运人高原机场运行管理规定》，海拔高度在2438m以上的机场称为高高原机场。目前我国的高高原机场共有16座，其中最高的西藏那曲机场海拔4436m，最低的湖北神农架红坪机场海拔2580m，高高原机场平均海拔达3657m。

随着海拔的升高，空气密度也随之降低，陆地海拔3000m时空气密度相当于海平面73%，4000m时相当于海平面63%，而5000米时则不到海平面50%。外界环境温度随着海拔升高也降低，国际大气数据如表1所示。

高原地区昼间阳光充足，辐射强，白天升温快，午后温度较高。午夜期间温度流失速度也快，昼夜温差变化较大，空气热对流加强，高原机场出现强对流，形成大风天气，且大风天气数量多，据统计一年大风天气可达到150天以上，是同纬度平原机场的10倍。

在西藏地区，受冬季西风和夏季西南风的交替影响，旱季雨季明显，5～9月为雨季。而在湿滑、积雪、积冰跑道上着陆距离也不同。

表1 国际大气数据表

2 高高原着陆情况分析

现代大型客机的减速力包括放出减速板与襟翼的气动阻力，发动机反推阻力和刹车时的地面摩擦力。气动阻力主要来自于各操纵舵面、减速板以及机体本身，且受气压影响明显。在高高原环境下，气动阻力减小。因此，不能过分依赖气动阻力对飞机的减速作用。飞机的刹车是安装在主轮上的多片型刹车装置，通过两个独立系统中的其中一个产生作用[2]，其中，气动阻力和反推阻力在制动中比重减小，为保持总制动力不变，将增大刹车片制动的使用。

2.1 高高原对着陆速度的影响

飞机的升力是由飞机机翼和空气的相互作用产生的。在一定升力系数下，飞机的升力由动压和机翼的面积决定。随着海拔的升高，大气密度减小，升力与大气密度成正比，升力也减小，但升力不能小于飞机重力(在着陆时允许略小于飞机重力)，则只有通过增加飞机着陆速度来保证飞机升力。

飞机刚进入失速的速度称为失速速度，用Vs表示。查阅空客飞机使用手册，着陆重量132000磅(60吨)，3姿态着陆速度为136节(70m/s)。根据飞行规则，飞机的着陆速度不小于失速速度的1.23倍。以西藏拉萨贡嘎机场(ICAO代号:LXA)为例。海拔3650m，由表1可知海平面大气密度标准值1.225kg/m3，LXA机场空气密度约为海平面空气密度的70%。根据公式(1)，失速速度约提升20%，着陆速度提升20%，达到84m/s。

式中，L表示飞机的升力；CLmax表示最大升力系数；ρ表示机场的空气密度；S表示机翼的参考面积。

在同等着陆重量下，飞机的着陆速度取决于目的机场的空气密度。从公式(1)可知，海拔越高，空气密度越小，着陆速度就越大。空客飞机维护手册AMM中建议，当飞机接地时，垂直速度超过10英尺/秒(3m/s)或垂直加速度超过基于某一机型的特定值，则进行着陆检查。按照飞机平飘阶段下降角度为2°计算，(3m/s)/sin2°=86m/s，随着海拔的升高，着陆速度接近或超过最大着陆速度，在垂直方向上分量也增大，则飞机的着陆速度安全裕度减小，那么飞机通过减重方式，降低飞机着陆速度，以避免垂直过载冲击。根据动能定理，着陆动能增大,且呈非线性增长，海拔对动能和着陆速度的影响如图1所示。

2.2 高高原对着陆距离的影响

高高原地区机场长期有大风天气出现，当存在飞机顺风着陆时，飞机由于着陆时的速度提高，造成飞机动能增大。顺逆风只影响下降角，不影响下降率。根据CCAR-25.125(f)规定可知，着陆距离必须按照着陆航迹≤50%逆风量和着陆航迹≥150%顺风分量进行修正，着陆距离与风速风向的关系如图2所示。以A319的参数为例。在高高原着陆风速达到5m/s时，顺风距离将再增大约12.89%，逆风则减少约6.15%。侧风降落时，驾驶员需要同时操控副翼和方向舵使飞机的航迹对准跑道。当风速超过一定限度时，飞机侧滑着陆将带来危险或不能侧滑着陆。如果着陆时遭遇风切变，飞行员来不及修正，飞机会有较大的着陆速度，较大的地面载荷会损伤飞机的结构，滑跑距离也会加长，如图2所示。

根据飞机使用手册可知，飞机实际着陆距离修正如表2所示，在高高原机场降落时，每升高1000英尺(304m)，着陆距离增加3.8%(以全姿态干跑道降落为例)。高高原机场海拔高度对着陆距离的影响较大。高高原机场平均着陆距离相较于海平面机场提升40%。

2.3 高高原反推作用的影响

反推是飞机着陆过程中的重要环节，能够使得飞机快速减速。慢车状态是保持发动机稳定工作的最小工作状态，一般慢车状态的转速约为最大转速的25%～35%，反推力量值约为该转速下正推力的40%。

发动机推力受大气温度、压力和海拔高度的影响。影响发动机推力的参数有空气流量和速度增量。高高原飞行的空气密度小，空气流量减小。在速度增量不变的情况下，空气流量减小，推力减小。在高海拔地区虽然低温会使得发动机的推力增加，但外加压力降低比温度降低快，因此发动机的推力是降低的，故反推作用也是降低的。

刹车阻力的大小取决于跑道的环境，跑道环境越差，刹车阻力就越小。反推作用在受污染跑道上着陆的作用更加明显，在全姿态降落时，反推平均减少7%着陆距离，在3姿态降落时，反推平均推力减少11%着陆距离。高高原地区着陆使用反推和不使用反推也具有较大的区别，全姿态着陆反推作用修正如图3所示。

图3全姿态着陆反推作用修正图

执飞高高原航线的飞机如在着陆时遇反推装置故障，则会造成制动力不足，导致刹车距离过长，刹车装置使用强度增大或超过刹车使用限制。高原着陆对反推的可靠性要求高，根据最低设备清单MEL显示，平原机场飞机反推失效可以达到最低放行标准，但在高海拔机场着陆不允许反推故障放行。

3 高高原着陆对刹车装置的影响

现代客机刹车盘多采用碳复合材料，具有较好的摩擦系数，稳定性高，磨损率低，膨胀系数小，比热容高且密度小等优点。但碳复合材料的抗冲击性差、易氧化性，会在刹车盘高温时，材料性能下降，严重时会导致刹车失效[3]。根据CCAR-25.125规定，陆上飞机降落在跑道上时，机轮刹车压力系统的压力不能超过制造商规定值，不得以造成刹车或轮胎过度磨损方式使用刹车。

3.1 缩短刹车片寿命

对于估算飞机刹车寿命，飞机刹车盘在磨损到一定程度的时候，就要更换刹车盘。刹车寿命=(新盘厚度—规定淘汰厚度)÷磨损率。磨损率即是每次着陆刹车过程中所磨损的厚度。影响刹车盘使用寿命的四大因素是飞机制动时的能量、制动时温度、降落制动的环境以及飞机驾驶员的制动习惯。高高原飞行的飞机，由于着陆速度增大，飞机的刹车距离和刹车时间增加，会增大飞机刹车磨损率，降低其使用寿命。故对执行高高原航线飞行的飞机，应当对飞机的刹车装置进行详细的检测和记录，时刻关注刹车的磨损状态，统计和分析刹车盘使用情况，为高高原航线飞行搜集重要的数据。

3.2 刹车片高温

飞机的减速主要依靠主轮的刹车和飞机的反推两种方式。反推装置在高高原时效果减弱，会增加刹车装置的负担。飞机在减速制动的过程中，通过刹车装置与刹车盘之间的摩擦，产生反向的运动力矩，将飞机动能转化为刹车装置内能的方式，根据刹车能量吸收公式(2)所示：

式中，W表示刹车吸收的能量，单位J；G表示飞机着陆的重量，单位kg；Va表示飞机着陆的速度，单位m/s；N表示飞机的主机轮数量。

由此可见，飞机的刹车吸收能量与飞机着陆速度二次方成正比，当着陆速度变大时，飞机着陆动能增大，刹车吸收能量也随之增大。动能的增大势必会增大刹车的使用程度，长时间和长距离的使用刹车会缩短飞机的刹车使用寿命。高高原运行的飞机刹车装置通常采用性能更好的碳/碳复合材料，但该刹车装置也存在温度极限，当温度超过规定值时，刹车结构可能受损，刹车性能将下降。在海平面内，A319飞机的典型着陆速度为65m/s，在海拔4000m高度机场的着陆速度约为80m/s，刹车吸收能量将增加约50%，而刹车吸收的能量则全部由刹车副通过升高温度所吸收，刹车温度上升量也将增加约50%。以海平面为基准刹车吸能随速度增量如图4所示。

3.3 刹车散热慢影响放行

刹车使用过后，现代大型飞机的刹车系统允许承受的最大温度一般在450℃～500℃之间，超过这一温度值，将损坏刹车系统[4]。在使用刹车的2s内刹车温度迅速上升到最高值，最大时会达到700℃。

飞机刹车时主要通过空气对流和热辐射方式将温度散发到空气中，受高高原大气稀薄影响，温度对外对流散热减慢，刹车残余温度与时间关系如表3所示。通常在飞机停留后2h，刹车的温度将会降低到原来的30%左右，此时刹车的温度依然在200℃以上，依旧是较高的温度，对于机务维修人员是一个潜在的危险，容易造成烫伤。如轮胎温度没有降低到指定温度，在下一次遇到中断起飞时，能量再次聚集，超过轮胎承受温度，则有爆胎的危险。

图4刹车吸能随速度增量

表3 刹车残余温度与时间关系(初始温度700℃)

根据民航局规定，飞机起飞时候刹车温度不高于放行温度，则当飞机的刹车温度高于放行温度时，造成航班非故障性延误。即使飞机在放行时机轮的温度达到了放行要求，则飞机起飞滑行过程中，由于滑行距离较长，驾驶员长时间点刹车控制飞机速度，也有可能使得飞机到达跑道起飞点时，飞机刹车温度再次超过放行温度，则又必须等到刹车温度降低才能起飞。此时对旅客造成不安，也有可能会造成旅客的猜疑和恐慌。对航空公司也造成名誉和经济上的影响。签派员也要对着陆性能进行分析，提供给放行人员必要的机场着陆信息，确保飞机能够安全着陆[5]。

3.4 轮胎加速老化缩短寿命

轮胎是飞机刹车系统中的重要组成部件之一，是重要的承重部件,承受飞机起飞和着陆时候的全部重量。轮胎的状态对飞机着陆的安全有显著的影响。飞机轮胎的构造是由胎面、缓冲层、覆盖面、束带层、帘线层、胎体等组成，是多功能层的结合体，而并非一个整体。在高高原运行的飞机，由于较快的着陆速度，常见的飞机轮胎损伤为轮胎的过度磨损、热损伤以及出现爆胎[6]。

当轮胎超温时，飞机轮胎的帘线层容易和橡胶层脱开，轮胎的材料性能降低，容易造成脱胎或爆胎现象。轮胎内部的温度和飞机的着陆速度、飞机的刹车时间有关。飞机轮胎的热影响主要是轮胎与地面的摩擦产生的热量，轮胎内部摩擦产生的热量和来自刹车盘辐射所带来的热量，机轮温度在飞机着陆后的15min左右达到最高。而造成飞机轮胎超温的原因主要是飞机的着陆速度和飞机的着陆重量。猛烈刹车或长时间长距离刹车，机轮温度没有在规定时间内冷却到安全温度以内。高高原飞行着陆的飞机着陆速度和减速时间都高于平原机场，刹车温度变化的显著特点就是升温快，降温慢，迅速地升温到较高的温度，且受高原空气稀薄环境影响，轮胎散热性较差，温度难以散失，这会加速轮胎的老化过程，缩短飞机轮胎的使用寿命，同时也给机务维修带来潜在的危险。

机轮的磨损主要跟轮胎的载荷、胎压、刹车方式、滑行距离等因素有关。根据气体学公式PV=nRT(P表示压强，V表示气体体积，n表示物质的量，T表示绝对温度，R表示气体常数)，当外界温度降低时，轮胎压力降低，轮胎可能会出现欠压状态，在飞机着陆时，轮胎的形变加大，造成轮胎受力不均匀；轮胎形变过大，摩擦生热加剧。在高温和摩擦的作用下，其抗拉性、耐磨性都将急剧继续下降。据研究统计，当胎压欠压25%时，轮胎寿命将缩短为设计寿命的60%；轮胎欠压50%时，轮胎寿命将缩短为设计寿命的30%。

3.5 轮胎爆胎

当飞机轮胎出现过度磨损、老化、腐蚀等问题时，飞机轮胎的强度会下降，导致爆胎情况的发生。在飞机滑跑过程中，机轮高速转动，产生巨大离心力，轮胎会因张力过大而破坏。空客A319飞机最大轮胎速度为195kt(100m/s)。高高原机场运营的高速着陆会使得飞机轮胎转速接近最大轮胎转速，增加了爆胎的风险。而且飞机在高原地区以大速度超载着陆，会对帘线层产生较大的应力，使帘线断裂或松散。当再次遭到较大的着陆冲击力量时，也会增大爆胎的风险。

3.6 影响飞行员驾驶

通过查询飞行机组操作手册，使用刹车过程中，在正常温度下，刹车温度指示是绿色，当刹车温度超过100℃时候，绿色弧线出现在最热的机轮上；当相应的刹车温度超过300℃时，相应的指示会变为琥珀色，并伴随着ECAM警告。另外，由于飞机在高高原着陆时滑跑减速距离长，持续时间久，对机组造成较大的心理压力。在滑跑减速过程中，机组容易误判飞机减速过慢可能冲出跑道时，就会采用更大压力的人工刹车工作模式，然而采取更大压力的人工刹车方式，则会使得刹车的磨损加快。

4 结论

在高高原机场着陆过程中，由于受到机场环境的影响，最主要是受机场空气密度影响和机场风速风向影响，会使得飞机的着陆速度和着陆动能增大。动能的增大会增大刹车距离，刹车制动吸收能量增多，产生高温，加快轮胎老化，加快飞机刹车盘和轮胎的磨损，增加着陆爆胎的风险。着陆时长距离滑跑增加驾驶员心理压力，刹车高温警报影响驾驶员操控水平。散热降温减慢也会延误飞机的放行，造成航班延误，给航空公司带来经济损失。