民用飞机高原机场起飞性能分析及优化_王天波.pdf

第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING民用飞机高原机场起飞性能分析及优化王天波1，赵涛2，徐蕾2，刘超1，丁亚修1（1.中航西飞民用飞机有限责任公司 工程技术中心，西安 710089）（2.中国民用航空西北地区管理局，西安 710082）摘要：民用飞机在高原机场运营时，爬升梯度要求高，减载严重，对其起飞性能进行优化研究以增加起飞重量，在经济效益层面具有重要意义。基于理论分析，在满足适航要求的前提下，采用减小襟翼偏度和使用改进爬升法两种爬升方式，进行起飞性能优化，对不同起飞襟翼构型和不同爬升方法下的起飞距离、加速停止距离和起飞限重进行计算分析。结果表明：通过有效优化可以显著提高飞机的起飞限重，改善起飞性能，提高运营效益。关键词：民用飞机；起飞性能；高原机场运行；一发失效中图分类号：V212.13+1 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.16Takeoff performance analysis and optimization of civil aircraft at plateau airportWANG Tianbo1，ZHAO Tao2，XU Lei2，LIU Chao1，DING Yaxiu1（1.Engineering Technology Center，AVIC XAC Commercial Aircraft Co.，Ltd.，Xi an 710089，China）（2.Northwest Regional Administration of CAAC，Xi an 710082，China）Abstract：In the operation of civil aircraft at plateau airport，the climbing gradient is required to be high，and the load loss is serious.Therefore，it is of great significance to optimize the takeoff performance and increase the takeoff weight in terms of economic benefits.In this paper，based on theoretical analysis，the takeoff performance is optimized under the premise of meeting the airworthiness requirements by reducing the flap deflection or using the improved climb method，and the takeoff distances，acceleration stop distances，and takeoff weights of different flap configurations and different climb methods are calculated and analyzed.The results show that the effective optimization can significantly improve the takeoff weight and performance，also yield good economic returns.Key words：civil aircraft；takeoff performance；plateau airport operation；one engine inoperative文章编号：1674-8190（2023）01-135-06收稿日期：20220312；修回日期：20220609通信作者：王天波,引用格式：王天波,赵涛,徐蕾,等.民用飞机高原机场起飞性能分析及优化J.航空工程进展,2023,14(1):135-140.WANG Tianbo,ZHAO Tao,XU Lei,et al.Takeoff performance analysis and optimization of civil aircraft at plateau airportJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):135-140.(in Chinese)第 14 卷航空工程进展0引 言我国西部地区多山地高原地形，旅游资源丰富，各地区间的距离相对较远，适合提供高频次的支线航空服务。但在高原运行时，由于空气密度降低，发动机推力下降，会使起飞所需距离、滑跑所需距离和中断起飞所需距离均增大，飞机的爬升梯度也会减小，进而影响起飞限重。此外，西部地区高原特殊机场周围地形复杂，对起飞阶段单发爬升梯度要求较高，也会对飞机造成进一步地减载。因此，充分挖掘现有支线机型性能潜力、提高运营效益，对飞机制造商和航空公司而言都具有重要意义1-3。刘爱中等4开展了场道条件对最大起飞重量的影响因素分析；张伟等5针对运输类飞机存在的起飞重量小于设计重量的问题，开展了飞机起飞过程的减推力等级技术研究；杨乐6对高原机场航线运行的特点进行了分析，讨论了高度对起飞性能的影响；齐万涛7分析了机场海拔高度和不同天气条件对起飞性能的影响；张俐娜等8以某型民用飞机为例，研究了起飞重量、机场高度、风速、温度、跑道坡度等因素对平衡场长的影响；王东9、陈红英等10对 MA60和 MA600飞机在高原机场的运行适航性进行了分析。对最大起飞重量的限制因素进行分析，可以为起飞性能分析和航线经济性提供依据，目前国内的研究多集中在最大起飞重量的计算和高原机场的运行适航性方面，而针对飞机在高原机场运行中起飞性能的影响因素分析、优化设计较少。本文基于理论分析，在满足适航条款要求的前提下，对影响飞机起飞性能的主要参数进行优化研究，充分利用跑道长度，增加起飞重量、提高运营效益、扩展型号作业区域。1计算方法及理论依据计算飞机的最大起飞重量要考虑场地长度、第二爬升阶段爬升梯度、安全超越起飞爬升航线上所有障碍物、刹车能量、轮胎速度和飞机结构强度等多种限制要求，还必须满足适航规章对起飞速度的限制要求。对于特定机场，影响飞机起飞性能的因素只有四个，即飞机襟翼位置、空调引气量、起飞决断速度（V1：飞机在该速度上被判定关键发动机停车等故障时，飞行员可以安全地继续起飞或中断起飞）和起飞安全速度（V2：发动机发生故障时在高出跑道 35 ft（1 ft=0.304 8 m）处必须达到的最小爬升速度，即在此速度下即使有一台发动机失效，也能继续安全爬升）11。1.1爬升过程受力分析典型的飞机爬升过程中的受力情况如图 1所示。爬升率（r c）：又称爬升速度，指定常爬升时，飞行器在单位时间内增加的高度。r c=T cos()+T-DGV1+VgdVdh（1）爬升梯度（C.G）：飞行器爬升过程中，单位时间内高度变化量与前进的水平距离变化量的比值。C.G=T cos()+TG-CDCL1+VgdVdh（2）式中：VgdVdh为飞行速度随飞行高度的变化率。1.2起飞限重起飞过程中，对起飞第二阶段（即加速爬升阶段，对应飞机状态为起落架收上、缝翼/襟翼处于起飞构型、发动机为最大起飞功率、速度保持 V2）的爬升梯度要求最为严格。起飞第二阶段爬升梯度对起飞重量构成重要限制。力的平衡方程式为图 1 飞机爬升时的受力图Fig.1Forces on an aircraft during climbing flight136第 1 期王天波等：民用飞机高原机场起飞性能分析及优化Tcos(+T)-D-G sin -GgdVdt=0 （3）T sin(+T)+L-G cos -GgVddt=0（4）式中：V 为飞行速度；T为发动机推力；为迎角；T为发动机安装角；D 为飞机阻力；L 为飞机升力；G为重力；为航迹角；g为重力加速度。在起飞第二阶段，保持速度 V2爬升，航迹角随时间变化基本保持不变。式（3）式（4）简化为T cos(+T)-D-G sin =0（5）Tsin(+T)+L-G cos =0（6）得到重力表达式为G=T cos()+T-CD120V2eSWsin（7）式中：0为海平面的空气密度；Ve为当量空速；SW为机翼的投影面积。通过迭代求解可得第二阶段爬升梯度限制的最大起飞重量12。2跑道概况按照咨询通告 AC-121-21 航空承运人高原机场运行管理规定 中定义：一般高原机场：海拔高度在 1 500 m（4 922 ft）及以上，但低于 2 438 m（8 000 ft）的机场13。高高原机场：海拔高度在 2 438 m（8 000 ft）及以上的机场13。经过筛选，本文采用丽江/三义机场作为典型机场进行分析。该机场标高 2 242.8 m，属于一般高原机场，离场爬升梯度要求高、温度高、地形较为复杂。由于该机场东西两侧被南北走向的山体包围，使得机场东西两侧净空不能满足飞行要求，而南北纵向端净空较好，但其距离只有 33 km，对于支线飞机飞行影响较大。按照中国民航国内航空资料汇编标准仪表离场程序要求，丽江/三义机场 02号跑道标准仪表离场爬升梯度要求为 6.3%，20号跑道标准仪表离场爬升梯度要求为 5.8%。根 据 气 象 统 计 资 料，该 地 月 平 均 气 温 最 低-1.7，最高 24.8 （ISA+24）。跑道长度如表 1 所示，其中 TORA为可用起飞滑跑距离，TODA为可用起飞距离，ASDA为可用加速停止距离，LDA为可用着陆距离，Slope为坡度。3优化方法及分析在不改变飞机气动外形、不换装大推力发动机，同时制定起飞一发失效应急程序的前提下，改善飞机起飞性能主要有以下两种措施：（1）减小襟翼偏度；（2）使用改进爬升法爬升。3.1减小襟翼偏度3.1.1起飞限重分析在 02 号跑道起飞时，标准仪表离场程序爬升梯度要求更为苛刻，以此计算的起飞限重如表 2所示。从表 2 可以看出：采用 5襟翼起飞时，第二阶段爬升梯度限制的起飞重量明显优于 0襟翼和 15襟翼，特别是在高温条件下时，起飞重量提升明显。相同条件下，5襟翼比 15襟翼起飞重量增加约 3201 080 kg，0襟翼比 15襟翼起飞重量增加约 60800 kg。通过减小襟翼偏度，对于飞机起飞重量的增加效果显著。高温时，由于发动机推力衰减严重，造成起飞重量相比低温时差距更大。3.1.2起飞距离分析表 2 中各个条件组合下的起飞限重对应的起飞距离（从飞机松开刹车开始滑跑到飞机离起飞表面 35 ft 所覆盖的距离）、加速停止距离（飞机表 1跑道长度Table 1Runway length跑道0220TORA/m3 0003 000TODA/m3 0003 000ASDA/m3 0003 000LDA/m3 0003 000Slope/%0.56-0.56表 2第二阶段爬升梯度限制的起飞限重Table 2Takeoff weight limited by second climb gradient外界大气温度/0510152025起飞限重/kg15襟翼11 55611 19210 79010 357 9 901 9 3245襟翼11 88111 59111 35611 11510 80710 4130襟翼11 61711 33010 98610 65010 36810 128137第 14 卷航空工程进展中断起飞时可以保证飞机能够在跑道或者停止道上停下来的长度）如表 3表 4所示。从表 3表 4 可以看出：起飞距离和加速停止距离都随着襟翼偏度减小而增加，但分别小于跑道可用起飞距离和可用加速停止距离，跑道长度不会对起飞重量造成进一步的限制。本文采用的发动机推力曲