障碍物对运输机起飞性能的影响及优化陈红英;齐永强 【摘要】运输机起飞性能分析主要是根据飞机的性能、机场相关条件计算满足规 章要求的最大起飞重量及相应起飞特征速度.限制最大起飞重量的因素很多,包括跑 道条件、爬升梯度、结构强度和障碍物等，其中障碍物限制往往是很多机场最苛刻 的限制，因此对障碍物限制的起飞重量进行优化关系到航空公司运行的安全性和经 济性.本文通过分析起飞飞行航迹的定义和运动方程，给出了计算障碍物限制的起飞 重量的基本原理和流程图，分析了不同改平高度对障碍物限制的起飞重量的影响，并 以空客和波音的典型机型为例给出了不同改平高度对障碍物限重影响和起飞性能优 化的结果.【期刊名称】《中国民航飞行学院学报》 【年(卷)，期】2017(028)001 【总页数】6页(P38-43) 【关键词】最大起飞重量;改平高度;运输机 【作者】陈红英;齐永强【作者单位】中国民航飞行学院飞行技术学院四川广汉618307;中国民航飞行学院飞行技术学院四川广汉618307【正文语种】中文 起飞性能分析主要是根据飞机的特性、机场相关条件计算能够运行的最大起飞重量， 这关系到航空公司运行的安全性和经济性根据民航局飞标司下发的咨询通告《飞 机航线运营应进行的飞机性能分析》（AC-121FS-006 ） ［1 ］可知，飞机起飞重量 计算需要考虑场地限制，规章要求的起飞航道一段、二段、三段及最后起飞段爬升 梯度限制，轮胎速度限制，刹车能量限制，越障能力限制，地面及空中最小操纵速 度（VMCG、VMCA）限制，结构强度限制等方面。
这几方面的限制因素也是目 前性能软件进行起飞性能分析需要综合考虑的方面，最后在满足以上各个方面的条 件下得到最大允许的起飞重量，确保运行安全根据CCAR121部189条（C）款规定，涡轮发动机驱动的飞机不得以大于该飞机 飞行手册中所确定的某个重量起飞，在该重量下，预定净起飞飞行轨迹以10.7 m（35 ft）的余度超越所有障碍物，或者能以一个特定距离侧向避开障碍物值得说 明的是，在计算起飞越障限重时应考虑飞机在一发失效条件下的起飞净航迹以 10.7 m（35 ft）余度超越所有障碍物事实上，起飞性能分析都是考虑了最苛刻 条件（即一发失效）确定的起飞限重和速度飞机起飞净航迹是根据飞机的净上升 梯度确定的起飞航迹，而飞机的净上升梯度是在总上升梯度的基础上减去一个安全 余量（规章规定的安全余量）得到的，飞机的总上升梯度是根据飞行性能手册计算 得到的上升梯度因此在净空条件不太好的机场，特别是中国西南地区的高原复杂机场，往往障碍物 是限制最大起飞重量的决定性因素［2］事实上，从波音和空客的机型在很多机场 的起飞分析发现，障碍物几乎成了限制最大起飞重量的关键因素特别是在高温、 高原机场，由于按照起飞航迹（全发离场程序SID）检查起飞一发失效条件下的起 飞净航迹越障往往对航空公司业载影响很大。
为了在确保安全的基础上提高最大起 飞重量（越障限制的最大起飞重量），经常采取不同的措施，目前常采用的措施有 关引气（空调）起飞，制定起飞一发失效应急程序（EOSID）［3］以避开一些关键 障碍物等等本文从分析起飞越障限重计算的基本原理入手，讨论了不同改平高度对起飞越障限 重的影响，并以波音和空客典型机型为例，给出了不同改平高度对起飞越障限重的 影响结果起飞飞行航迹（起飞航道）是指从飞机离地35 ft开始到飞机起飞过程中高于起飞 表面450 m （1 500 ft），或完成从起飞到航路形态的转变并达到VFTO的一点此 过程中爬升梯度满足法规规定的最小梯度要求，并完成收起落架、襟翼的阶段起 飞航道根据所完成任务不同分为四个阶段起飞航道一段是自基准零点（离地35 ft处）开始，结束于起落架完全收上（收起落架动作可以开始于起飞航道一段之 前）在该航段襟翼处于起飞位置，发动机处于起飞复飞工作状态（TOGA），速 度保持在起飞安全速度V2起飞航道二段是等表速爬升段从起落架完全收上到 场压高不低于400 ft，发动机处于起飞工作状态（TOGA），保持起飞襟翼，速度 保持在V2到V2 + 20 kt之间上升。
如果在航道上有障碍物，则应该越过障碍物后 才能进入航道三段起飞航道三段的任务是减小上升角或改平使飞机增速，根据规 定的收襟翼速度分几次将襟翼全部收起，同时增速到襟翼全收的速度在该航段， 考虑到发动机起飞工作状态的使用时间限制，这段通常使用最大上升工作状态（MCL ）或最大连续工作状态（MCT）（该状态常用于一台发动机停车后的爬 升）起飞航道四段是指增速到规定速度，并保持该表速上升到不低于1 500 ft, 使用最大上升推力或最大连续推力工作状态起飞航道越障示意图如图1所示 起飞航道一段，二段，三段（也称平飞加速段）以及最后段的运动学方程如公式（1）、（2）、（3）和（4 ）所示其中公式（1）至（4）中g是重力加速度，T APR是一发失效的起飞推力， TMCT是最大连续推力，D是阻力，L是升力，V是飞行速度，VW是风速（顺逆 风），VCW是侧风速度，jT是发动机安装角，jB是坡度角，jH是航向角，q是 爬升角，a是飞机迎角，VFTO是最后起飞速度，X是沿跑道方向的距离，Y是垂 直于跑道的侧向距离，H是指距离跑道表面的高，FF是燃油流量，ny载荷因数，Dm是飞机质量的变化根据CCAR121.189条关于涡轮发动机驱动的飞机的起飞限制要求：涡轮发动机驱动的飞机不得以大于该飞机飞行手册中所确定的某个重量起飞，在该 重量下，预定净起飞飞行航迹以10.7 m(35 ft)的余度超越所有障碍物，或者能以 一个特定距离侧向避开障碍物。
该特定距离的值为下列两项中规定值的较小值：(i) 90m(300ft) + 0.125D，其中D是指飞机离可用起飞距离末端的距离值；(ii) 对于目视飞行规则飞行，预定航迹的航向变化小于15°时，为300 m,预定航 迹的航向变化大于15°时，为600 m;对于仪表飞行规则飞行，预定航迹的航向 变化小于15°时，为600 m,预定航迹的航向变化大于15°时，为900 m为明确上面规章的要求，需要先介绍几个概念总上升梯度是指根据飞行性能手册 计算得到的上升梯度；净上升梯度是在总上升梯度的基础上减去一个安全裕量，即 考虑驾驶员操纵误差和飞机性能变化引起上升梯度减小量之后的上升梯度法规规 定的梯度减小量为双发飞机0.8%，三发飞机0.9%，四发飞机1.0%总起飞飞行 轨迹是指由总上升梯度得到的航迹(实际航迹)净起飞飞行轨迹是指由净上升梯 度得到的航迹飞机的起飞飞行航迹是由龙格库塔积分方法计算确定的［4］在进行起飞越障检查 时，根据障碍物位置和高度，净起飞飞行轨迹是由计算的总起飞飞行轨迹减去一个 安全余量确定的最后障碍物限制的起飞重量就由前面起飞航道四个阶段的计算公 式循环迭代确定的起飞越障限重计算流程图如图2所示。
计算步骤如下：(1) 假定一个初始起飞重量；(2) 基于输入条件计算总起飞飞行轨；(3) 根据考虑规章要求的梯度损失计算净飞行轨迹；(4 )检查净起飞飞行轨迹是否能满足超障要求(35 ft超障余度)；(5) 如果能够飞越障碍物，检查下一个障碍物，如果不能飞越，则需减重直至超障能够满足要求；（6）当所有障碍物检查后，即可确定障碍物限制的起飞重量在起飞航道阶段若采用不同改平高度进行越障，计算的越障限重是不一样的改平 高度有最低改平高度、最大改平高度和延长二段改平高度的几个选择其中规章要 求最低改平高度为高于起飞表面400 ft，然而，在平飞加速段任何时候都必须确 保能越障因此，实际运行的最低改平高度大于或等于400 ft最大改平高度是 指在这个高度上改平增速收襟翼，在飞机增速到襟翼全收状态的机动速度时，起飞 推力使用时间刚好达到5分钟（对于有些机型单发后起飞推力可以使用10分钟） 的使用时间限制延长二段改平高度是指保持V2上升直到起飞油门5分钟（对于 有些机型单发后起飞推力可以使用10分钟）限制，然后改平以最大连续推力增速 收襟翼不同改平高度越障示意图如图3所示理论分析可知，最低改平高度有利于越远障，最大改平高度有利于越近障，延长二 段改平高度有利于越中障。
但事实上一个机场周围的障碍物可能有远有近，不管障 碍物处于哪个位置，只要在保护区内，不管采用何种改平高度，都必须确保一发失 效的条件下飞机能越过所有障碍物［5］通常在起飞越障限重计算时，先确定一种改平高度，通常用最大改平高度、延长二 段改平高度或者人为定义一个高度确定出起飞越障限重后，再去确定最低改平高 度因此用不同改平高度确定的起飞越障限重通常是不同的虽然延长二段改平高度能提供最高的改平高度，但由于平飞加速段推力（规章要求 的一发失效可用爬升梯度为1.2%）为最大连续推力（MCT），小于起飞复飞推力 （TOGA），这样计算的航道三段限制的起飞重量有可能较小，因此实际中使用延 长二段改平高度通常并不一定能提高起飞限重下面以波音B737-700（ 24K）和空客A319-115机型为例，分析在某机场10号 跑道的起飞越障限重10号跑道方向单发离场保护区内的障碍如表1所示该机 场跑道标高为1 700 m,跑道无坡度，跑道长度3 000 m,基准温度26^性能 计算时保守考虑使用26匚281和30OC进行性能分析波音B737-700 ( 24k )机型的计算条件：襟翼1°,空调开，防冰关，无风。
使用 波音BPS性能计算软件的起飞模块计算不同改平高度的起飞性能，主要包括最大 允许的起飞重量和对应的起飞速度V1/VR/V2计算结果如表2所示分析发现 表中重量均为障碍物限制的起飞重量在波音的性能软件中，改平高度选项包括最大改平高度(Standard Second Segment)、延长二段改平高度(Extended Second Segment )[6]、考虑延长 二段改平高度(Consider Extend Second Segment )以及考虑最后爬升阶段 (Consider Final Climb Segment )考虑延长二段改平高度的含义是性能软件后台会比较最大改平高度确定的限重和延长二段改平高度确定的限重，使用较大值 作为输出结果考虑最后爬升阶段的含义是根据最大改平高度确定起飞航道四个阶 段的起飞航迹，根据障碍物位置确定是否能越障，不仅仅只计算到航道三段(平飞 段)，还要考虑航道四段位置处的障碍物(如果有，用航道四段越障)而其他几 个选项只考虑到航道三段越障，如果不能越障就减小起飞重量因此当航道四段下 方障碍物较高时，考虑最后爬升阶段可以提高起飞限重从表2的结果分析可知，使用最大改平高度的限重最小，对航空公司运行最不利， 考虑最后爬升阶段的限重会有较大增加，但如果考虑延长二段改平高度的限重会进 —步增加，因此对于这个机场，在这些障碍物数据的条件下，使用延长二段改平高 度确定的起飞重量是最大的。
因此运行中确定起飞性能时应选择延长二段改平高度 选项但这并不意味着波音机型都是选择延长二段改平高度对起飞限重有利，因此 不同的机场要进行分析计算才能确定用哪个改平高度更好些空客A319-115机型的计算条件：构型为CONF 1+F，空调开，防冰关，无风使用空客PEP性能计算软件的起飞着陆性能优化模块(TLO )计算不同改平高度的起飞性能，主要包括最大允许的起飞重量和对应的起飞速度V1/VR/V2计算结 果如表3所示在空客的性能软件中，改平高度默认选项为最大改平高度，如果想采用延长二段改 平高度，则需要勾选延长二段改平高度（Extended Second Segment）选项如 果勾选了延长二段改平高度选项，则计算时就是使用延长二段改平高度确定限重的空客性能软件中改平高度仅有这两个选项从表3的结果分析可知。