屈展文, 張彤, 揭裕文

(中國民用航空上海航空器適航審定中心, 上海 200335)

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最小離地速度合格審定飛行試驗(yàn)優(yōu)化方法研究

屈展文, 張彤, 揭裕文

(中國民用航空上海航空器適航審定中心, 上海 200335)

最小離地速度是制定起飛操作程序表的重要基準(zhǔn)速度之一,而最小離地速度飛行試驗(yàn)又是民用飛機(jī)適航取證中的高風(fēng)險科目之一。介紹了起飛速度制定過程中各起飛特征速度間的關(guān)系,分析研究了最小離地速度在起飛速度制定中的作用,提出了一種基于起飛速度制定原則的最小離地速度合格審定飛行試驗(yàn)的優(yōu)化方法。該方法可以優(yōu)化最小離地速度飛行試驗(yàn)安排,節(jié)省適航取證成本和時間。

最小離地速度; 民用飛機(jī); 起飛速度; 合格審定; 飛行試驗(yàn); 適航

0 引言

最小離地速度VMU是指飛機(jī)在起飛構(gòu)型和不同推重比時,在全發(fā)工作或單發(fā)失效情況下能夠安全離地并繼續(xù)起飛而不出現(xiàn)危險特性的最小速度。同失速速度VSR和地面最小操縱速度VMCG類似,VMU是制定起飛操作程序表的重要基準(zhǔn)速度之一。而適航規(guī)章要求在申請審定的整個推重比范圍內(nèi)由申請人選定VMU,并為飛行試驗(yàn)所證實(shí),因此在適航取證過程中需進(jìn)行多次VMU飛行試驗(yàn)。同時VMU飛行試驗(yàn)又屬于高難度、高風(fēng)險的試飛科目,需要飛機(jī)盡可能在接近可能達(dá)到的最大升力系數(shù)時離地,具有很高的試驗(yàn)風(fēng)險。本文從VMU與推重比的關(guān)系出發(fā),介紹了起飛速度制定過程中各起飛特征速度間的關(guān)系,并重點(diǎn)分析了VMU和安全起飛速度V2在抬輪速度VR制定中的作用;同時反向提出了一種基于起飛速度制定原則,根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化VMU合格審定飛行試驗(yàn)安排的思路和方法,該方法可以優(yōu)化和減少VMU飛行試驗(yàn)點(diǎn),從而減小試驗(yàn)風(fēng)險,節(jié)省取證成本和縮短審定周期。

1 適航規(guī)章要求

CCAR 25部第25.107條 (d)款規(guī)定[1]:VMU為校正空速,在等于和高于該速度時,飛機(jī)可以安全離地并繼續(xù)起飛。VMU速度必須在申請審定的整個推重比范圍內(nèi)由申請人選定。這些速度可根據(jù)自由大氣數(shù)據(jù)制定,條件是這些數(shù)據(jù)為地面起飛試驗(yàn)所證實(shí)。

2 最小離地速度試飛方法

最小離地速度試驗(yàn)是一種最高性能的飛行機(jī)動試驗(yàn),屬于高難度、高風(fēng)險試飛科目。飛行試驗(yàn)時要求飛機(jī)在非常接近最大升力系數(shù)時離地,而且俯仰姿態(tài)在機(jī)動期間要求保持常數(shù),但由于環(huán)境條件和地面效應(yīng)的影響可能會導(dǎo)致迎角發(fā)生較大變化,因此會給駕駛員操縱帶來很大的難度和挑戰(zhàn)。

一般情況下,最小離地速度試驗(yàn)的程序?yàn)?在起飛線上剎住飛機(jī),按預(yù)定的推重比(T/W)調(diào)定發(fā)動機(jī)的推力,正常配平,松剎車,使飛機(jī)滑跑加速,在比預(yù)定VMU小20～30 kn的速度時拉桿到底，使飛機(jī)抬頭直至預(yù)定的離地姿態(tài)角。在此后的整個起飛離地過程中,繼續(xù)保持這一姿態(tài),直到飛機(jī)完全脫離地面效應(yīng)的影響,然后逐步過渡到正常的起飛爬升狀態(tài)。飛機(jī)在離地后直至35 ft(10.7 m)高度之前,飛機(jī)俯仰姿態(tài)不得減小,或者速度增大不得大于10%。

試驗(yàn)成功的判斷原則為: 如果在最小離地速度試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生飛機(jī)嚴(yán)重抖振或喪失操縱能力的征兆,就可以認(rèn)為試驗(yàn)成功,任何導(dǎo)致危險特性或嚴(yán)重抖振的最小離地速度試驗(yàn),都是不可接受的[2]。最小離地速度飛行試驗(yàn)應(yīng)盡可能在接近重心前限條件下進(jìn)行試驗(yàn)。對于俯仰操縱受限制的飛機(jī),也可允許以較后的重心位置進(jìn)行試驗(yàn),但在數(shù)據(jù)處理時需要把測得的VMU修正到重心前限。同時,可以通過進(jìn)行雙發(fā)工作的最小離地速度試驗(yàn)來代替真實(shí)的一臺發(fā)動機(jī)不工作的最小離地速度試驗(yàn),但需考慮單發(fā)失效時的VMU試驗(yàn)相關(guān)的各種因素。

3 最小離地速度與推重比的關(guān)系

圖1為飛機(jī)離地時力的平衡圖,應(yīng)滿足如下動力學(xué)平衡方程:

L+Tz-Wcosγ=0

(1)

(2)

式中:L為飛機(jī)的升力;Tz為發(fā)動機(jī)推力矢量的法向分量;W為飛機(jī)重量;γ為飛機(jī)航跡角;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣密度;Ve為飛機(jī)當(dāng)量空速。

圖1 飛機(jī)起飛離地時力的平衡Fig.1 Force balance when aircraft takeoff

根據(jù)式(1)和式(2)可以得到飛機(jī)離地時的升力系數(shù)為:

(3)

以航跡坐標(biāo)系為基準(zhǔn),在最小離地速度試驗(yàn)中,當(dāng)飛機(jī)離地時,動力學(xué)方程應(yīng)當(dāng)滿足如下條件:

(4)

式中:φp為發(fā)動機(jī)安裝角。

將式(3)帶入式(4)可得:

(5)

為了得到最小離地速度與推重比的關(guān)系,在此引入基準(zhǔn)失速速度Vsref的概念,此速度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谙嗤w行重量時飛機(jī)的失速速度:

(6)

由式(5)和式(6)可得:

(7)

對于受幾何限制的飛機(jī),最小離地速度試驗(yàn)對應(yīng)的飛機(jī)迎角是確定的,由于γ值不大,因此可以假設(shè)cosγ=1,則式(7)可表示為:

(8)

(9)

顯然,VMU/Vsref與推重比(T/W)為線性關(guān)系[3]。由氣動原理分析可知,這是因?yàn)樵陲w機(jī)離地時,飛機(jī)的離地姿態(tài)較大,推力的垂直分量也較大,該分量有利于減小起飛離地所需機(jī)翼升力。因此,在進(jìn)行最小離地速度試驗(yàn)時需要在整個推重比范圍內(nèi)進(jìn)行飛行試驗(yàn),以確定最小離地速度。

而對于非受幾何限制的飛機(jī),最小離地速度試驗(yàn)時的CLMU并不固定,但由于離地迎角范圍并不太大,同樣可通過在整個推重比范圍內(nèi)進(jìn)行最小離地速度試驗(yàn),擬合得到近似的曲線如圖2所示。

圖2 最小離地速度與推重比的關(guān)系Fig.2 The relationship between VMU and T/W

4 起飛特征速度及其相互關(guān)系

最小離地速度的確定對于保證飛機(jī)安全起飛是非常重要的。但是對于飛行員,最小離地速度并不是他們在起飛過程中所關(guān)心的,他們所關(guān)注的速度是那些與飛行員實(shí)際操作相關(guān)的速度。因此在討論最小離地速度對起飛速度制定的影響前,有必要對起飛過程中除VMU外的起飛特征速度及其相互間的關(guān)系做一個簡單的說明。

(1)VMCG:地面最小操縱速度,飛機(jī)在起飛地面加速滑行過程中,當(dāng)臨界發(fā)動機(jī)突然不工作時,飛機(jī)能夠繼續(xù)保持安全可控,且地面軌跡偏離不超過30 ft(10.7 m)的最小速度。

(2)VMCA:空中最小操縱速度,飛機(jī)在空中飛行時,當(dāng)臨界發(fā)動機(jī)突然不工作時,能夠繼續(xù)保持對飛機(jī)的操縱,并維持坡度不大于5°的直線飛行的最小速度。

(3)VR:抬輪速度,起飛過程中飛行員實(shí)施拉桿使飛機(jī)抬輪所對應(yīng)的速度。該速度需保證飛機(jī)在一臺發(fā)動機(jī)失效時能夠正常離地,且在35 ft(12.48 m)高度上能夠加速到V2速度或V2速度以上。

(4)VEF:臨界發(fā)動機(jī)失效速度,由申請人選定。規(guī)章要求VMCG

(5)V1:起飛決斷速度,當(dāng)發(fā)生緊急情況,需要中斷起飛的最大速度。超過V1速度后，由于不能保證有效的跑道剎車距離,飛機(jī)必須完成起飛。規(guī)章要求VMCG

(6)VLOF:離地速度,飛機(jī)開始騰空時的速度,即飛機(jī)與跑道不接觸時的校正空速。VLOF與VMU不同,VMU是給定情況下可能的最小VLOF,規(guī)章要求VLOF≥1.1VMU,在臨界發(fā)動機(jī)失效情況下VLOF≥1.05VMU。(注:對VMU受尾部擦地限制的飛機(jī)可放寬為VLOF≥1.08VMU,臨界發(fā)動機(jī)失效情況下VLOF≥1.04VMU)。

(7)V2:安全起飛速度,當(dāng)一臺發(fā)動機(jī)在VEF失效后用規(guī)定的VR抬前輪,到飛機(jī)距離起飛表面35 ft或35 ft之前所達(dá)到的速度,V2≥V2MIN。

(8)V2MIN:最小安全起飛速度,對于無措施使一臺發(fā)動機(jī)不工作帶動力失速速度顯著降低的渦輪噴氣飛機(jī),V2MIN≥1.13VSR,V2MIN≥1.10VMCA,取大者。

圖3概括了以上各起飛特征速度間的關(guān)系和規(guī)章的相關(guān)要求[4]。圖中,VMBE為剎車能量限制速度;VTIRE為最大輪胎速度。

圖3 起飛速度間關(guān)系及限制圖Fig.3 Takeoff speeds relationships and mutual restrictions

5 最小離地速度對起飛速度的影響

5.1 受VMU限制的起飛速度

如前所述,飛行員在起飛過程中所關(guān)心的速度為與實(shí)際操作相關(guān)的速度,如V1,V2和VR。根據(jù)第4節(jié)的介紹,其中與VMU直接相關(guān)的為抬輪速度VR,VMU是確定VR的兩大關(guān)鍵因素之一。

適航規(guī)章要求在抬輪速度VR以飛機(jī)實(shí)際可行的最大抬頭率抬頭,得到的VLOF不得小于全發(fā)工作VMU的110%,且不小于按單發(fā)停車推重比確定的VMU的105%。通過第3節(jié)的分析可得,VMU與推重比T/W有著緊密的聯(lián)系。

圖4為在整個推重比范圍內(nèi)對受VMU所限制的抬輪速度進(jìn)行分析的示意圖。最下方的實(shí)線表示VMU與T/W的關(guān)系(注:圖中直線僅代表趨勢,不一定為嚴(yán)格的線性關(guān)系),其中左上角的實(shí)線為一臺發(fā)動機(jī)不工作時所對應(yīng)的1.05VMU,而右上角的實(shí)線則為全發(fā)工作時的1.10VMU限制線。這兩條實(shí)線代表了確定起飛速度時VLOF的限制。另外,通過快速抬前輪起飛試驗(yàn)可以得到單發(fā)失效和全發(fā)工作時VR和VLOF的差值ΔV,將這一差值帶入圖中,可得虛線所示的VR限制。

需要說明的是,規(guī)章之所以要求以實(shí)際可行的最大抬頭率作為限制，是因?yàn)樽畲筇ь^率起飛時代表了實(shí)際運(yùn)行過程中VR和VLOF間的最短時間;在正常抬頭率起飛時,飛機(jī)抬輪和飛機(jī)離地間的時間更長,因此在同樣的VR速度實(shí)施抬輪機(jī)動時,所得到的VLOF速度將更大,因此以實(shí)際可行的最大抬頭率起飛時所對應(yīng)的VR和VLOF間的差值作為限制更為保守[5]。

圖4 受VMU限制的VRFig.4 VR determination by VMU restriction

實(shí)際運(yùn)行中,需保證在一臺發(fā)動機(jī)不工作時的VR和全發(fā)工作時的VR是相同的。將圖4中的左邊虛線的橫坐標(biāo)乘2,即得等效的全發(fā)工作時的推重比。因?yàn)樗x取的VR需保證兩種情況下都是安全的,取兩條線中的大者,即得最終確定的受VMU限制的VR(見圖5)。

圖5 最終確定的受VMU限制的VRFig.5 Final determination of VR by VMU restriction

5.2 受V2限制的抬輪速度

根據(jù)第4節(jié)的介紹,VR還受V2速度的限制,實(shí)際采用的VR值還需保證飛機(jī)在一臺發(fā)動機(jī)失效正常離地起飛時,在35 ft高度上能夠加速到V2速度或V2速度以上,因此V2MIN即構(gòu)成了對VR的限制。按照5.1節(jié)類似的方法進(jìn)行分析,圖6中左上角的實(shí)線為1.13VSR或1.10VMCA中的大者,即單發(fā)失效起飛情況的V2MIN限制值。同樣地,根據(jù)飛行試驗(yàn)可得單發(fā)失效起飛時VLOF與V2之間的速度增量,V2MIN減去該速度增量即為單發(fā)失效起飛時的VLOF限制值,用VLOF-EI表示。該值再減去VLOF與VR間的速度增量,得到由V2MIN所限制的VR值,用VR-EI表示。同樣地,因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中一臺發(fā)動機(jī)不工作時的VR和全發(fā)工作時的VR是相同的,將VR-EI水平平移,即得雙發(fā)起飛時的抬輪速度VR-AE,根據(jù)雙發(fā)正常起飛時的速度增量便可得到以該VR速度雙發(fā)正常起飛時的離地速度VLOF-AE和在35 ft處的速度V35。

圖6 受V2MIN限制的VRFig.6 VR determination by V2MIN restriction

綜上可知,最小離地速度VMU在制定起飛速度時主要對抬輪速度VR構(gòu)成限制,但VR同樣受V2MIN的限制。只有當(dāng)兩項限制均得到滿足時,即取受VMU限制的VR和受V2MIN限制的VR中的大者,所得到的VR方能保證飛機(jī)正常起飛時的安全。

6 確定VMU飛行試驗(yàn)的優(yōu)化分析方法

如前文所述,最小離地速度VMU主要用于制定安全的起飛抬輪速度VR,而在制定起飛速度時,VR主要受VMU和V2MIN的限制。按照規(guī)章要求,VMU速度是由申請人在整個推重比范圍內(nèi)選定的,因此本文提出一種根據(jù)起飛速度制定原則,視具體型號在推重比范圍內(nèi)選取合理的VMU,優(yōu)化VMU飛行試驗(yàn)安排的方法。

在運(yùn)輸類飛機(jī)的型號合格審定過程中,為保證試飛安全,通常失速速度試驗(yàn)、空中最小操縱速度試驗(yàn)和正常起飛試驗(yàn)是在最小離地速度試驗(yàn)之前進(jìn)行的。因此在VMU試驗(yàn)之前,可以認(rèn)為VSR,VMCA和起飛過程中各特征速度間的差值是確定的,而V2MIN是由VSR和VMCA所確定的,于是不難得到受V2MIN限制的VR。另外,根據(jù)第4節(jié)的分析,對于傳統(tǒng)的運(yùn)輸類飛機(jī),VMU是隨推重比的趨勢變化的,通常VMU隨T/W的增大而減小。于是,首先在最小或接近最小T/W情況下進(jìn)行VMU試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析不難得出該機(jī)型的VR速度受VMU限制還是V2MIN限制。根據(jù)分析結(jié)果(見圖7,其中“○”表示VMU試驗(yàn)點(diǎn))。優(yōu)化后的VMU試驗(yàn)安排為:

(1) 如果由V2MIN限制得到的VR在全推重比范圍內(nèi)均大于該試驗(yàn)點(diǎn)得到的VMU所對應(yīng)的VR，申請人可在全推重比范圍內(nèi)選擇該值作為VMU值,無需再進(jìn)行其他VMU飛行試驗(yàn);

(2) 如果根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果并不能判斷在全推重比范圍內(nèi)VR均受V2MIN限制,則逐漸增加推重比進(jìn)行VMU飛行試驗(yàn),直至可以判斷在后續(xù)推重比范圍內(nèi),飛機(jī)的VR速度受V2MIN限制。同樣地,對剩余推重比范圍,選擇最后試驗(yàn)所得的結(jié)果作為VMU值,中止VMU飛行試驗(yàn);

(3) 對于全推重比范圍內(nèi)VR均受VMU限制的機(jī)型,則仍需在全推重比范圍內(nèi)進(jìn)行VMU飛行試驗(yàn),以保證飛機(jī)運(yùn)行安全。

7 結(jié)束語

本文分析了最小離地速度在起飛操作程序表制定中的作用,并根據(jù)最小離地速度與其他起飛特征速度間的關(guān)系,提出一種基于起飛速度制定原則的最小離地速度合格審定飛行試驗(yàn)優(yōu)化方法。此方法可用于指導(dǎo)最小離地速度飛行試驗(yàn)的安排和優(yōu)化,對于抬輪速度VR不是在整個推重比范圍內(nèi)受VMU限制的機(jī)型,可以顯著節(jié)省取證成本和縮短取證周期,減小試驗(yàn)風(fēng)險,對運(yùn)輸類飛機(jī)的最小離地速度合格審定飛行試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 中國民用航空總局.運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)：CCAR-25-R4[S].北京:中國民用航空總局,2011.

[2] Federal Aviation Administration. Flight test guide for certification of transport category airplanes：AC25-7C[S].USA:Federal Aviation Administration,2012.

[3] 張妙嬋,張建,吳密翠.運(yùn)輸類飛機(jī)最小離地速度試飛數(shù)據(jù)處理方法[J].飛行力學(xué),2011,29(5):81-83.

[4] Flight Operations Support & Line Assistance of Airbus.Getting to grips with aircraft performance[Z].France:Airbus,2002.

[5] Walt Blake and the Performance Training Group Flight Operations Engineering Boeing Commercial Airplanes.Jet transport performance methods[Z].USA:Boeing,2009.

(編輯：方春玲)

Research on the optimization method of minimum unstick speed certification flight test

QU Zhan-wen, ZHANG Tong, JIE Yu-wen

(Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)

Minimum unstick speed is one of the important reference speed for the development of scheduled takeoff speeds, and the minimum unstick speed flight test is also one of the high risk flight test subjects during civil aircraft airworthiness certification. This paper introduces the relationship between different operational takeoff speeds in the process of making specific takeoff speeds, analyses and researches the effect of the minimum unstick speed during the development of takeoff speeds, then proposes an optimization method of minimum unstick speed certification flight test based on takeoff speeds determination principles. This method can optimize the minimum unstick speed flight test arrangement, save the cost and time in the airworthiness certification.

minimum unstick speed; civil aircraft; takeoff speeds; certification; flight test; airworthiness

2016-03-07;

2016-06-20;

時間:2016-10-24 12:14

屈展文(1985-)，男，湖南婁底人，工程師，碩士，主要從事民用運(yùn)輸類飛機(jī)試飛、性能操穩(wěn)、駕駛艙與人為因素相關(guān)的適航標(biāo)準(zhǔn)審查、研究和制定工作。

V217.31

A

1002-0853(2016)06-0090-05