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A330起飞性能优化
A330起飞性能优化
珠海翔翼航空技术有限公司于海
摘要:
起飞性能优化的原理往往是飞行人员关注的焦点,本文旨在介绍最大起飞重量优化的原理,从相关限制条件和计算模型出发,分析影响最大起飞重量的各个参数,结合Airbus的TakeoffLimitations和PEP软件对一个虚拟的机场和气象条件进行分析和比较,由此得出使用RTOW表的一些注意事项。
关键词:
最大起飞重量性能优化限制
一、最大起飞重量限制条件
飞机最大起飞重量MTOW及其对应起飞速度应满足下列各项限制要求[1],由以下所有限制要求决定的最小重量就是飞机的最大起飞重量,实际重量应小于或等于该重量。
1.结构强度限制/审定重量(空客代码7)
结构限制的最大起飞重量按照空中结构抗荷标准、垂直速度等于-1.83米/秒着陆冲击时起落架和结构的抗载荷标准确定。
或者是飞机制造厂家提供的审定最大允许起飞重量。
如A330-200飞机审定的最大允许起飞重量为233000kg。
注:
RTOW表中的最大重量为性能工程师设定重量。
2.场地限制(空客代码3)
场地长度限制的重量是在具体机场条件、大气、飞机构形情况下,考虑全部发动机正常工作和一台关键发动机故障时,可用场地长度满足起飞要求(TOD≤TODA、TOR≤TORA、ASD≤ASDA)所确定的最大允许起飞重量。
3.爬升梯度限制(空客代码1,2,8)
考虑一台关键发动机故障情况下,起飞飞行阶段中各段爬升总梯度,特别是第二爬升段的总梯度要求能够达到一个最小爬升梯度,该梯度要求对应一个飞机重量,即爬升梯度限制的最大起飞重量。
A330所属的双发飞机要求第一段至少为正梯度,第二段至少为2.4%,第四段至少为1.2%。
4.越障限制(空客代码4)
考虑一台关键发动机故障情况下,飞机能安全越过起飞净空区所有障碍物,即飞机净航迹必须至少以35英尺高度差越过障碍物,该条件对应的重量即越障限制的最大起飞重量。
5.轮胎速度限制(空客代码5)
飞机在起飞滑跑中,机轮高速转动,为防止转动过快时,离心力过大,轮胎因张力过大而破坏,对轮胎规定了最大允许使用地速(该速度是轮轴的地速,即飞机的地速),根据飞机起飞离地速度不超过该轮胎限制速度,可得到轮胎速度限制的最大起飞重量。
6.刹车能量限制(空客代码6)
飞机在中断起飞时要使用刹车减速,为防止刹车装置吸收的能量过多,损坏刹车,对刹车装置有最大刹车能量限制,有一个相应的刹车最大限制速度VMBE。
起飞中使用刹车的最大可能速度是中断起飞时达到的V1,V1应不大于VMBE,在此条件下确定的起飞重量称为刹车能量限制的最大起飞重量。
7.最小不抖杆速度VMU限制(空客代码9)
为了防止飞机机尾擦跑道,飞机的离地速度VLOF不得小于验证的最小不抖杆速度VMU,由此限制的重量为受VMU限制的最大起飞重量。
8.其他影响
V1不得小于V1MCG,V1MCG是关键发动机在VMCG失效后1秒钟达到的速度,在此条件下确定的起飞重量为地面最小操纵速度限制的起飞重量。
Vr不得小于1.05倍的空中最小操纵速度VMCA和V1;VLOF不得小于1.04倍的单发VMU,1.08倍的双发VMU;V2不得小于1.13倍的Vs(空客电传飞机对应失速速度,考虑过载系数为1)和1.1倍的VMCA。
二、最大起飞重量计算分析
最大起飞重量计算分析旨在计算满足各种限制的最大起飞重量,与波音机型不同,空客性能计算采取全优化的方式[2],其计算流程如图1所示,考虑基本条件,包括机场条件和天气等,初步选定V2/Vs,计算该V2/Vs对应的最佳V1/Vr和MTOW,然后重新选定V2/Vs,并比较所有V2/Vs的MTOW,取最大值为最佳MTOW及对应V1/Vr和V2/Vs;根据最佳MTOW得到对应Vs,根据V2/Vs比例得到V2,从而得到Vr,并根据V1/Vr比例得到V1。
图1MTOW计算流程
下面对上述计算流程里的计算参数、起飞形态、空调等一一分析,结合空客公司的TakeoffLimitations软件分析V1/Vr、V2/Vs变化对于最大起飞重量的影响。
注:
该软件没有考虑结构强度限制/审定重量。
1.计算参数
根据计算时参数是否可以变动,计算最大起飞重量模型中的计算参数分为必须接受的参数和自由参数,例如,跑道长度是一个影响起飞性能的参数,但它不是能选择的,具体如下表1所示。
性能计算主要考量自由参数变化对于MTOW的影响。
表1计算参数分类
必须接受的参数
自由参数
跑道净空道停止道
标高坡度障碍物
温度气压风
跑道状况防冰飞机状态
起飞形态
空调
V1
V2
2.起飞形态
一般而言,形态1+F在长跑道上给出更好的性能(更好的爬升梯度),而形态3在短跑道上给出更好的性能(起飞距离更短)。
但同时受到其他限制时该规律会出现变化。
3.空调
若在起飞期间接通空调,可用推力将减小,因而会降低起飞性能,当通常情况下会保持空调打开起飞。
4.V1/Vr影响
最大起飞重量的模型通过V1/Vr分析,有利于结合试飞数据计算V1和Vr。
根据前述起飞影响因素分析可知V1不得大于Vr,最大V1/Vr比等于1。
此外,验证表明,若V1速度小于84%的Vr,则起飞距离太长,因此,不能给起飞性能带来好处。
结果V1/Vr取值从0.84至1[2]。
以下的分析基于同样的条件,选定机型为A330,虚拟一个机场,机场标高为0,跑道长度TODA=TORA=ASDA=3000米,跑道坡度为0,道面干,在10000米处有一个高500英尺的障碍物(从松刹车算起),大气温度15度,飞机形态选为1+F,空调打开。
计算方法固定V2/Vs=1.2。
4.1跑道限制
如图2所示,V1增加,所需停止距离增加,受加速停止距离ASD限制,MTOW随V1/Vr的增加而减小;V1增加,单发时间出现较晚,受单发起飞距离TODN-1和单发起飞滑跑距离TORN-1限制,MTOW随V1/Vr的增加而增加;同时,双发起飞的TOD和TOR不受V1影响。
图2跑道限制下最大起飞重量随V1/Vr变化
4.2爬升和障碍物限制
如图3所示,V1不影响爬升速度,故V1的变化对于第1航段和第2航段不产生影响;V1的增加会使得起飞距离减小,离地点距离障碍物的距离增加,故越障能力增强。
图3爬升和障碍物限制下最大起飞重量随V1/Vr变化
4.3刹车能量和轮胎速度限制
如图4所示,V1增加,受刹车能量限制,MTOW随着V1增加而减小;轮胎速度主要和离地速度有关,不受V1影响。
图4刹车能量和轮胎速度限制下最大起飞重量随V1/Vr变化
4.4所有限制
将以上所有限制叠加,得到所有限制条件下的最大起飞重量结果,如图5所示,可以看出当固定V2/Vs=1.2,在V1/Vs=0.96处取得MTOW=229100kg。
图5所有限制下最大起飞重量随V1/Vr变化
5.V2/Vs影响
对于空客电传飞机而言,V2/Vs不得小于1.13。
此外,V2速度太大会要求长的起飞距离,导致爬升性能的降低。
由于它不带来任何好处,根据机型,V2/Vs比被限制到一个最大值(V2/Vsmaxi)。
对于A330机型而言,V2/Vs取值范围为1.13至1.4。
以下计算分析基本参数与4中均相同,这里采用固定V1/Vr=0.96[2]。
5.1跑道限制
对于给定的V1/Vr,图6所示,V2/Vs的增加需要更多的地面距离加速,导致单发或者双发情况下起飞距离的增加,受TOD和TOR的限制MTOW随着V2/Vs的增加而减小;V2对于ASD没有直接的影响,但大的V2对应大的Vr,从而导致大的V1,故受ASD限制MTOW随着V2/Vs的增加而减小。
图6跑道限制下最大起飞重量随V2/Vs变化
5.2爬升和障碍物限制
图7所示,V2/Vs的增加将导致更大的爬升率,受第1和第2航段限制,MTOW随着V2的增加而增大,但最后起飞航段用绿点速度完成,不受V2影响;同样随着V2增加,爬升率增大,从而使越障能力增强,MTOW随着增加(类似Boeing提及的改进爬升[3])。
图7爬升和障碍物限制下最大起飞重量随V2/Vs变化
5.3刹车能量和轮胎速度限制
图8所示,V2不直接影响刹车能量限制,但当V1/Vr固定时,V2的增加将导致Vr的增加,从而导致V1的增加,由于V1增加会导致受刹车能量限制下的MTOW的减小,所以随着V2的增加MTOW减小;离地速度VLOF受到轮胎速度的影响,V2受此限制会有一个最大值,V2/Vs的增加相当于Vs的减小,根据Vs和MTOW的对应关系,MTOW随着V2/Vs的增加而减小。
图8刹车能量和轮胎速度限制下最大起飞重量随V2/Vs变化
5.4所有限制
类似的,将以上所有限制叠加,得到所有限制条件下的最大起飞重量结果,图9所示,可以看出当固定V1/Vr=0.96,在V2/Vs=1.19处取得MTOW=231000kg。
可以看出,该值与固定V2/Vs,变化V1/Vr的例子不同。
这是由于以上分析只选取单值计算,没有进行优化。
图9所有限制下最大起飞重量随V2/Vs变化
三、最大起飞重量优化
1.最大起飞重量确定
由MTOW计算流程可知,对应于每一个选定的V2/Vs,总能找到最佳V1/Vr得到MTOW,比较所有的V2/Vs,并可得到各个MTOW中的最佳MTOW;同样的,对应于每一个选定的V1/Vr,总能找到最佳V2/Vs得到MTOW,比较所有的V1/Vr,可得到最佳MTOW,但考虑到MTOW和Vs之间的对应关系,采用前一种方法更加合理。
图10优化后所有限制下最大起飞重量随V1/Vr变化
图11优化后所有限制下最大起飞重量随V2/Vs变化
在同样的条件下采用优化的方法,当取V1/Vr=0.962,V2/Vs=1.187时,可以取得MTOW为231300kg,该重量受跑道长度和障碍物限制,如图10,11所示。
2.起飞速度确定
优化过程表明,MTOW只与唯一的一组起飞速度对应,在确定了最佳MTOW后,可以根据如图12所示流程计算起飞速度。
图12起飞速度计算流程
3.起飞航径
根据以上结果,可以绘制起飞阶段总航径如图13实线所示,受障碍物限制,最低单发增速高度为800英尺;受单发时间不得超过10min限制,最大单发增速高度为3009英尺,虚线所示为净起飞航径。
图13优化后起飞航径
4.不同限制条件
限制最大起飞重量的限制条件有时有一个,两个或多个,以下对这些情况加以分析。
4.1受一个条件限制的MTOW
如图14所示,只受障碍物限制条件下的MTOW在V1/Vr=1极值处取得,相应RTOW代码为4/4。
图14单限制的MTOW
4.2受两个条件限制的MTOW
如图10所示,受起飞距离和加速停止距离两个条件限制下的MTOW在V1/Vr=0.962处取得,相应RTOW代码为3/4。
4.3受三个条件限制的MTOW
图15三限制的MTOW
如图15所示,受障碍物,加速停止距离和起飞距离限制条件下的MTOW在V1/Vr一段范围内,在V1/Vrmin处,MTOW受到障碍物和起飞距离限制;在V1/Vrmin与V1/Vrmax之间,MTOW仅受障碍物限制;在V1/Vrmax处,MTOW受障碍物和加速停止距离限制。
当V1/Vr取值为一个范围时,取决于公司选择具体的V1,通常情况下,会优先选取V1min,这种选取结果也会在RTOW表中标注。
四、RTOW表计算
飞行人员通常使用的RTOW表使用经过认证的PEP软件TLO模块计算,对于A330飞机而言,其使用更先进的OCTOPUS程序计算[4]。
采用前述同样的基本参数,得到RTOW如图16所示,考虑到飞机构型和数据库的差异,两个软件得到的数据近似,MTOW=237.6吨,V1/Vr/V2=151/56/65。
图16RTOW表结果
五、RTOW表使用注意
1.由于采用起飞优化方法,RTOW表中主体部分所有最大起飞重量和速度数据均为优化的结果,速度的增加和减小都无法达到最大起飞重量。
2.对RTOW表中的最大起飞重量所做的线性插值不为最优化结果。
3.RTOW表的一次修正数据同样为优化的结果,但二次修正数据不保证优化,修正后需要检查是否满足最小速度限制。
4.单发增速高度需处于MinQNHalt和MaxQNHalt之间,输入MCDU中,否则不满足相应限制。
5.限制代码为得到最大起飞重量的限制条件,受一个限制条件时代码重复,如3/3。
参考文献
1.飞机性能工程工作人员手册,中国民航大学;
2.掌握飞机性能,空中客车飞行运营支援及航线协调部;
3.JetTransportPerformanceMethods,WaltBlakeandthePerformanceTrainingGroupFlightOperationsEngineeringBoeingCommercialAirplanes;
4.PerformanceProgramsManual,Airbus.
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