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起飞性能的优化:如何平衡推力减少量和停止裕度

发布时间:2019-06-12 09:35 来源:未知 编辑:admin

  对于航空公司而言,如何节省发动机成本是一个持久的话题,但是对机组而言,他们希望拥有更大的裕度,很多人认为这是一个博弈的过程,其实机组如果拥有襟翼设定、起飞速度等选择权限,他们可以在最大减推力的前提下,使用小襟翼和最小V1起飞来获取更大的停止裕度。波音公司在2010年度的飞机性能和航班运行讨论会中对如何在推力减少量和停止裕度之间取得平衡点做过一次研讨,本文为原文的翻译稿,与各位专业人士共享,希望能为航空公司制定政策提供参考。

  随着新航行技术的发展,部分机型已经配备了机载性能工具(如波音公司的OPT),该工具可以为机组提供实时性能计算,提供最优化的起飞性能。在受起飞性能限制的机场,机组通过使用该工具优化襟翼设定、V1速度和V2速度(改进爬升)等计算条件,确定最优化的最大允许起飞重量。同理,在大部分不受起飞性能限制的机场,航班运行的实际起飞重量小于最优化的最大允许起飞重量,机组使用该工具可以通过优化相同条件来确定最优化的推力减少量(最大的假设温度)。如果机载性能工具中的这些设定为可选项目,机组可以自行选择不同的起飞襟翼设定、起飞速度选项和假设温度范围。

  即使现有政策已经规定了襟翼设定和起飞速度选项,机组仍可以选择假设温度,起飞速度最终取决于选择的假设温度。相同起飞重量时,机组选择较高的假设温度(意味着较小的起飞推力)时,起飞速度较大,使用改进爬升时这种情况更为明显,起飞和加速停止距离也增大。这种引出来两个常见问题:1)推力减少量与加速停止距离之间是如何变换的?尤其是选择的假设温度靠近最大允许假设温度且使用改进爬升时;2)如果政策要求使用最大的推力减少量,机组如何操作能够达到停止裕度的最大化?

  该文章的主要目的是通过案例分析阐述如何在推力减少(假设温度)和加速停止距离之间取得平衡,案例也将阐述如何设定襟翼设定和V1速度选项,达到停止裕度的最大化。

  该文章中涉及的减推力起飞方式是假设温度法,减额定功率起飞方式不属于本文的讨论范围。

  飞机飞行手册(AFM)中有加速停止距离的定义,在该文章中,停止裕度是指基于实际外界温度(OAT)确定的实际加速停止距离与跑道可用长度之间的差异,不考虑停止道。

  假设温度减推力时,加速停止距离基于假设温度时的真空速,该假设加速停止距离是基于放行起飞性能。起飞时实际真空速(基于OAT)较低,实际加速停止距离小于假设加速停止距离,因此,使用假设温度减推力起飞时产生了停止裕度,即使放行性能受跑道可用长度的限制。如果放行起飞性能受第二阶段爬升梯度或远距离障碍物限制,此时有过剩的跑道长度,这种情况下停止裕度会更大。图表1显示了受跑道长度和受爬升梯度或障碍物限制时的停止裕度。

  对于平衡V1,当起飞推力减小(较高的假设温度)时,加速停止距离增加,这是因为从起飞开始增速到V1时需要较长的距离。为保持平衡场长,VR增加,V2轻微减少或保持不变。当起飞性能受跑道可用长度限制时,推力减小,直到假设的平衡场长等于跑道可用长度。

  当起飞性能受爬升梯度或者障碍物限制时,产生了跑道长度过剩的情况,这时可以使用改进爬升(最优V2速度)利用进一步减小推力。对于平衡场长,改进爬升需要V1、VR和V2增大,除了V1和VR增大以保持平衡场长外,V1、VR和V2还需要因改进爬升进而增大。V1速度的增大导致加速停止距离的增加。图2.1和2.2显示了推力减少(假设温度)对起飞速度(平衡V1)和加速停止距离的影响。

  图3.1显示了假设温度变化导致实际加速停止距离的变化,计算条件为波音737-800机型,有翼尖小翼、26K推力、空调自动、襟翼5、平衡V1、跑道长度3657米/12000英尺,干跑道、海平面、静风、外界温度15℃,起飞重量68000KG。从图中可以看出,当温度低于59℃时,加速停止距离近似呈线性增大,该温度为正常爬升时的最大假设温度,停止裕度为1404米/4607英尺。当使用改进爬升时,随假设温度的增大,实际加速停止距离大幅增加,当温度为66℃时,达到最大假设温度,此时停止裕度减少至792米/2598英尺。图3.2显示了假设温度变化时导致对应的停止裕度的变化。

  如果需要额外的停止裕度,改进爬升时,选择比最大假设温度低1℃的假设温度,将增加191米/626英尺的停止裕度;选择比最大假设温度低2℃的假设温度,将增加282米/926英尺的停止裕度,因此,改进爬升时,小幅降低假设温度将获得大幅停止裕度的增加;正常爬升时,假设温度的降低与停止裕度的增加大致呈线英尺每摄氏度。

  众所周知,当起飞性能受跑道长度限制时,大襟翼将提供更多的停止裕度;当受爬升梯度或障碍物限制时,使用小襟翼&正常爬升比大襟翼&改进爬升组合更具有优势,尤其是小推力(高假设温度)的情况。对于相同的推力(假设温度),使用小襟翼起飞时起飞速度较小,因此需要较短的加速停止距离。

  缩短加速停止距离的最有效方式时使用较小的V1速度,以便有更多的剩余跑道长度,因此,使用最小V1替代平衡V1后为非平衡场长,但加速停止距离短于平衡场长。

  图4.3和4.4显示了最小V1对实际加速停止距离和停止裕度的影响,假设温度为66℃时,与平衡V1相比,最小V1对应的停止裕度增加了104米/341英尺。

  与襟翼5&平衡V1组合相比,襟翼1&最小V1组合对应的停止裕度增加了380米/1246英尺,图4.5和4.6显示了襟翼1&最小V1组合对实际加速停止距离和停止裕度的影响。

  因此,机组在大幅减小假设温度以获取更大的停止裕度之前,可以考虑在维持所需的推力减小量的前提下更改襟翼设定和/或使用最小V1达到所需的裕度,或者小幅减小假设温度。

  请注意,为了维持襟翼5的停止裕度(平衡V1为792米/2598英尺,最小V1为896米/2939英尺),可以通过使用襟翼1来进一步减少推力,实际上,襟翼1的停止裕度更大(平衡V1为877米/2876英尺,最小V1为1027米/3369英尺)。

  机载性能工具(如波音公司的OPT)的使用,可以最优化起飞限重或推力减少量,该工具使机组通过选择假设温度、襟翼设定和起飞速度等选项,在没有大幅减少推力减少量的情况下获得所需的停止裕度。当改进爬升时,如果需要额外的停止裕度,可以小幅减少假设温度以便获得大幅的停止裕度的增加,这将有利于在推力减少量和停止裕度之间找到平衡点。

  正如文章描述,假设温度减推力起飞时的真空速基于假设温度,便产生了停止裕度,因此当分析停止裕度时,必须要确定基于OAT的实际加速停止距离。以下简易步骤可以近似评估加速停止距离:

  1.1通过使用BPS或者AFM-DPI,根据假设温度(单位:℃)确定放行加速停止距离。

  1.3计算OAT和假设温度的比率(OAT除以假设温度,即“OAT/假设温度”,单位均为K)。

  1.4使用第3步中的比率乘以第1步中的放行加速停止距离,计算结果近似等于实际加速停止距离。

  文章案例中的实际加速停止距离计算使用的是第一原理方法(First-Principle method),该方法精确考虑了真空速的影响,对比第一原理方法和假设温度方法,使用上述简易方法计算出的实际加速停止距离略长(不超过2%,数据更保守)或不短于0.5%(乐观估计)。

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