最小操縱速度過大對運輸類飛機起飛的影響

呂莉莉, 王超, 徐照岳, 孟永良, 劉建平

(中航飛機股份有限公司 研發中心, 陜西 漢中 723000)

最小操縱速度過大對運輸類飛機起飛的影響

呂莉莉, 王超, 徐照岳, 孟永良, 劉建平

(中航飛機股份有限公司 研發中心, 陜西 漢中 723000)

為了保證運輸類飛機的飛行安全,研究了最小操縱速度過大對運輸類飛機起飛的影響。建立了起飛場長數學模型,分析了在同一決策速度下加速-停止距離隨起飛重量的變化趨勢;總結了最小操縱速度過大時的起飛安全措施。研究表明,如果最小操縱速度過大,不僅存在起飛過程中由發動機故障停車引起的偏出跑道及離地后航向姿態不易保持、起飛距離增長、起飛速度安全余量過小等問題,而且會導致出現小起飛重量時決策速度受限、沒有平衡場長、加速-停止距離不隨起飛重量減小而減小的反規律趨勢。

最小操縱速度; 加速-停止距離; 安全措施

0 引言

起飛階段是最容易發生飛行事故的階段[1],導致起飛過程中飛行事故的主要原因之一是發動機故障。飛機設計和使用時必須考慮起飛過程中發動機停車時的飛行安全。最小操縱速度是臨界發動機失效后飛機維持操縱的重要參數。在新機設計前期,按最不利重心和最大起飛重量設計最小操縱速度,合理匹配發動機拉力、拉力矩、尾力臂、方向舵面積、方向舵最大偏角等參數,以保證空中最小操縱速度及地面最小操縱速度均小于1.13VSR。但由于風洞試驗時進行了模型縮比(尤其是大中型運輸機),仿真計算也建立在一定的假設條件下,致使在飛機試飛驗證的過程中暴露出方向舵偏達不到設計的最大角度(采用氣動補償“小舵帶大舵”的機械式操縱系統)、副翼效率及方向舵操縱效率匹配不足等問題,飛機的最小操縱速度與設計目標有差距。這時無論是優化設計以減小最小操縱速度,還是直接使用,都需要清楚最小操縱速度過大對起飛安全和起飛性能的影響。

本文按照國軍標對起飛場長的定義,參考CCAR25部對起飛特征速度的要求,分析了最小操縱速度過大對飛機起飛性能及起飛安全的影響,著重計算和分析了同一決策速度時加速-停止距離隨起飛重量的變化趨勢,并給出了最小操縱速度過大時的使用安全措施。

1 基本概念

平衡場長又稱臨界機場長度，GJB 34—85[1]對其有明確定義,平衡場長對應的發動機故障速度VEF即為臨界發動機故障速度V1EF。

CCAR25.149要求空中最小操縱速度VMC不得大于1.13VSR(海平面最大起飛重量)[2],對地面最小操縱速度VMCG無數值限制。

GJB 34要求VMCG≤V1EF≤VR且VLOF>VMC,而CCAR25要求VMCG≤V1EF≤VR≤1.05VMC,為提高飛機安全性水平,運輸類軍用飛機起飛速度應滿足CCAR25部相關要求。

2 最小操縱速度偏大的危害

根據CCAR25要求,空中最小操縱速度應按照飛機最大起飛重量(或驗證VMC所需的任何較小重量)、最不利重心條件確定,同時要求VMC≤1.13VSR;但對于運輸類飛機而言,由于起飛重量范圍很大,某些飛機在小起飛重量(例如0.57WTO)下,最小操縱速度仍顯得過大。最小操縱速度過大的危害大致分為以下幾個方面:

(1)發動機停車后易側偏出跑道。CCAR 25.149[2]要求起飛滑跑過程中臨界發動機突然停車后,飛機航跡與跑道中心線偏差不超過9 m,腳蹬力不大于667 N,與軍標要求基本相似。由此可知,如果起飛過程中V1EF

圖1 臨界發動機停車速度對側向偏移量影響Fig.1 Influence on lateral offset with critical engine breakdown speed

(2)發動機停車起飛離地后航向/姿態不易保持。GJB 185—86[3]要求起飛離地后如發生任何一臺發動機推力突然損失時,在不改變飛機構型和發動機推力條件下,駕駛員可以用各主操縱面就能恢復對飛機的控制。整個爬升過程中保持傾斜角不超過5°的飛行,且方向操縱腳蹬力不超過800 N,滾轉操縱效能不超過75%。CCAR25.149[2]要求空中最小操縱速度確定時,應考慮糾偏過程中航向改變不超過20°,腳蹬力不超過667 N;但未要求副翼操縱效能不超過75%。

如果離地速度(特別是小起飛重量時)未受空中最小操縱速度約束而小速度離地(或者離地速度達到通用值1.1VS),由于空中最小操縱速度過大,起飛離地后臨界發動機推力突然損失,在維持坡度不大于5°的直線飛行且腳蹬力不大于667 N時,飛行員無法將飛機的航向改變控制在20°范圍內。采用同樣操縱控制律的情況下,臨界發動機故障速度對飛機航向姿態的影響如圖2所示。

圖2 V1EF對飛機航向姿態以及舵偏角的影響Fig.2 Influence of V1EF on heading and attitude/ controlpiston deflexion angle

由圖2可知,發動機故障速度比最小操縱速度減小10 km/h,臨界發動機故障使飛機航向改變量增加至90°以上,坡度變化量近40°。

(3)飛機小重量起飛特征速度安全范圍過小。根據CCAR25要求的VR≥1.05VMC,若空中最小操縱速度過大,為防止飛機過早離地,飛行員勢必用力頂桿起飛以提高抬前輪速度和離地速度。但是,抬前輪速度不可能無限制增大,即使升降舵在下偏位,飛機迎角仍處于三輪滑跑/停機迎角,隨飛機滑跑速度的增大,飛機仍有可能三輪離地(沒有抬前輪動作)。另一方面,標準要求決策速度小于抬前輪速度且大于地面最小操縱速度,如果地面最小操縱速度過大,導致飛機決策速度過大,飛機高速滑行并終止起飛的難度加大。

假設某型飛機VMC≈210 km/h,VMCG≈215 km/h。盡管最小操縱速度滿足CCAR25要求,飛機以較大重量(63 t)起飛時抬前輪速度只受1.1VSR約束,但小重量起飛時(40 t),正常情況下離地速度約187 km/h。如果按標準要求受空中最小操縱速度約束,那么抬前輪速度為231 km/h。如果該飛機為噴氣式飛機,尚能安全起飛;但對螺旋槳類飛機而言,起飛滑跑段滑流對升力的貢獻量很大,即使頂桿使飛機保持三輪滑跑姿態,考慮到地面效應以及螺旋槳滑流貢獻,小重量時飛機滑行速度約183 km/h即三輪離地,抬前輪速度與三輪離地速度的間距過小,將影響飛行安全。

(4)起飛距離和起飛滑跑距離增加。為防止飛機抬前輪速度小于空中最小操縱速度,頂桿滑跑以增大抬前輪速度和離地速度。由于起飛滑跑距離與離地速度的平方成正比,如果抬前輪速度和離地速度受最小操縱速度約束,勢必造成起飛距離和起飛滑跑距離的增加。經仿真計算,在VMC>1.05VS情況下,VMC每增加10%,VR和VLOF增大約10%,導致LTOB增加約20%。

(5)在低海拔機場、小重量起飛時起飛限重受加速-停止距離約束,此時加速-停止距離隨飛機重量的增大而減小(反規律)。如果VMCG過大,為滿足標準要求的VMCG≤V1EF≤VR,飛機起飛決策速度受地面最小操縱速度限制。在低海拔機場、小起飛重量時,決策速度均等于最小決策速度,飛機沒有平衡場長,起飛限重受同一決策速度的加速-停止距離約束。然而由于減速段起始速度過大,中止起飛過程中地面支反力過小甚至為零,以及剎車摩擦系數隨速度增加而減小兩種因素,導致出現加速-停止距離隨起飛重量的增加而減小的反規律現象。假定某型飛機VMCG=215 km/h,以飛機在海平面、水平跑道機場為例計算了V1EF=215 km/h時的加速-停止距離，如圖3所示。

圖3 V1EF=215 km/h時的加速-停止距離Fig.3 Accelerate-stop distance when V1EF=215 km/h

3 發動機停車后的加速-停止距離

3.1 全發工作起飛加速段距離(L0-V1EF)

表1 全發工作起飛加速段距離

3.2 減速段距離(LVsh-0)

在靜風、跑道坡度為零條件下,發動機停車后減速段滑跑距離與發動機失效速度、升阻力、起飛重量、剎車摩擦力有關[4]。干躁水泥跑道剎車摩擦系數隨輪胎壓強和滑跑速度粗略模型如圖4所示。

圖4 干躁混凝土跑道剎車摩擦系數模型Fig.4 Model with coefficient of brake friction on dry and concrete runway

由圖4可以看出,剎車摩擦系數隨滑跑速度的增大而減小,隨輪胎壓強的增大而減小。

由于地面最小操縱速度過大,致使小重量條件下飛機最小決策速度過大,從而導致減速滑跑時飛機升力很大。地面對飛機的支反力過小,甚至在減速段初期接近零,造成剎車摩擦力過小,起飛重量越小,這種情況越嚴重,從而導致較小重量情況下減速段距離隨起飛重量減小而大幅增加。某型飛機計算結果如圖5所示。

圖5 加速段距離和減速段距離隨起飛重量的變化Fig.5 Change of acceleration and deceleration distance with WTO

3.3 加速-停止距離隨飛機重量的變化

較大的決策速度導致小重量情況下三輪滑跑速度偏大,即使沒有三輪離地,由于地面對飛機的支反力很小,剎車摩擦力隨著重量的減小而快速減小;加速-停止距離中減速段距離隨著重量的減小而大幅增大;減速段占加速-停止距離的比例也快速增大;相反,加速段占總距離的比例隨著重量的增大而減小,導致小重量情況下加速-停止距離隨著重量的增加而減小。某型飛機海平面條件下起飛加速段和減速段占加速-停止距離的比例見表2。

表2 加速-停止距離中分階段百分比

4 最小操縱速度過大的安全措施

與失速速度一樣,在飛機設計之初,根據最小空載起飛重量設計最小操縱速度,合理匹配發動機拉力、拉力距、尾力臂、方向舵面積、方向舵最大偏角、副翼面積及偏角等參數,保證空中最小操縱速度及地面最小操縱速度均小于1.13VSR。但是,如果經試飛驗證最小操縱速度達不到設計要求,或者改進改型飛機較原準機空機重量減小較多(例如某型運輸機的原準機為特種飛機,改運輸機致使空機重量較原準機空機重量減小約10 t),均存在最小操縱速度過大的問題。如果條件允許,應從根本上解決最小操縱速度問題,杜絕安全隱患;但是,如果時間周期不允許重新設計最小操縱速度,則應該從以下方面保證飛行安全:

(1)提高抬前輪速度。在三輪離地速度安全余量許可的情況下,頂桿滑跑提高飛機的抬前輪速度和離地速度,保證VR>VMC,VLOF每增加10%,LTOB增加約20%。

(2)減小起飛襟翼偏度。通過減小起飛襟翼偏度來提高抬前輪速度、離地速度和三輪離地速度,增大離地速度與三輪離地速度、地面最小操縱速度與抬前輪速度/離地速度的間距,保證飛機起飛過程中發動機停車后的起飛安全。例如某型飛機減小起飛襟翼偏度后三輪離地速度增大約50 km/h,抬前輪速度增大7～10 km/h,最小操縱速度基本不改變,襟翼減小使飛機升阻比增加,因而起飛性能基本不改變,起飛安全性大幅提高。

(3)限制最小起飛重量。最小起飛重量取滿足以下條件的最大值:VMC≤1.13VSR;滿足抬前輪速度與三輪離地速度之間有一定的安全余量ΔV,以及VR≥1.05VMC;由飛機空機重量、備份油以及機組人員等使用項目重量給定;當給定機場的起飛限重受同一故障停車速度下加速-停止距離約束時,還需要給出由加速-停止距離不超過機場可用加速-停止距離決定的最小起飛重量。

(4)適當減小起飛拉力。除與飛機橫航向基本氣動特性相關外,最小操縱速度與發動機拉力和拉力距、螺旋槳滑流產生的力和力矩、螺旋槳法向力和力矩、陀螺力矩等相關。在起飛重量較小、跑道長度足夠長的情況下,適當減小發動機拉力,可降低飛機最小操縱速度。經理論計算,某型飛機發動機拉力降低15%,空中最小操縱速度可減小約15 km/h。在最小操縱速度較小的情況下,起飛特征速度不受最小操縱速度影響,此時發動機拉力降低使起飛滑跑距離增加很明顯。某型飛機發動機起飛拉力每降低15%,致使起飛滑跑距離增加20%～25%。但是,當空中最小操縱速度大到其數值大小直接影響抬前輪和離地速度的數值大小(小起飛重量時),由于發動機拉力降低使得飛機最小操縱速度、抬前輪速度和離地速度均降低。經仿真計算,某型飛機動力裝置起飛拉力降低15%,小重量起飛時起飛滑跑距離增加量僅為5%～8%,臨界機場長度減小,最小起飛重量限制值減小約7 t,仿真結果如圖6所示。

圖6 不同起飛拉力情況下的臨界機場長度Fig.6 Critical airport length with different takeoff thrust

(5)在用戶資料中給出飛機特點及注意事項。根據飛機最小操縱速度過大對飛行的影響,除了在手冊中給出飛機的最小操縱速度、最小起飛重量外,還需要在飛行手冊性能章節中標明注意事項:小起飛重量條件下決策速度受地面最小操縱速度限制不得減小,此時飛機的加速-停止距離隨起飛重量減小而增大;每次飛行前應注意查閱不同重量的發動機故障停車后的加速-停止距離。

以上幾項使用安全措施對保證飛行安全都是有效的,也不同程度存在損失飛機性能的不利之處(如大重量起飛降低起飛拉力,飛行性能明顯降低)。如果要以使用性能不降低為目標,應優先優化起飛襟翼和靈活選擇起飛拉力,但是靈活起飛拉力增加了飛行準備及飛行員操作的復雜性;因此,需要根據飛機的使用要求綜合評定,選擇以上措施,在保證飛行安全的前提下,使飛行性能滿足要求。

5 結束語

本文通過仿真計算分析了最小操縱速度過大對運輸類飛機起飛性能及起飛安全的影響,著重計算和分析了加速-停止距離隨起飛重量的變化趨勢,給出了最小操縱速度過大情況下的使用安全措施,可作為同類飛機的重要參考。

[1] 中國人民解放軍總裝備部.有人駕駛飛機(固定翼)飛行性能和圖表資料:GJB 34—85 [S].北京:中國人民解放軍總裝備部,1985.

[2] 中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準:CCAR-25-R3 [S].北京:中國民用航空總局,2001.

[3] 中國人民解放軍總裝備部.有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質:GJB 185—86[S].北京:中國人民解放軍總裝備部,1986.

[4] 《飛機飛行性能計算手冊》編寫組.飛機飛行性能計算手冊[M].西安:飛行力學雜志社,1987:10-20.

(編輯：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;

時間:2016-11-10 09:10

呂莉莉(1968-)，女，陜西扶風人，研究員，碩士，研究方向為飛行動力學與試飛技術。

V212.1

A

1002-0853(2017)01-0007-04