孫 宏，孫 震，孫啟禎，唐 彪

拉薩機場飛機最大復飛限重提升策略研究

孫 宏1，孫 震2，孫啟禎3，唐 彪4

（1. 中國民用航空飛行學院，飛行技術與飛行安全科研基地，四川 廣漢 618307；2. 中國民用航空飛行學院，機場工程與運輸管理學院，四川 廣漢 618307；3. 夏威夷大學，大氣科學系，檀香山 96822；4. 中國國際航空股份有限公司，西南分公司飛行部，成都 610202）

拉薩機場是我國西南地區(qū)最重要的高高原機場，保證航班正常運行，提高機場運行效率十分必要。本文對拉薩機場氣溫變化特征和夏秋季航班時刻分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析，得出拉薩機場夏季下午時段航班量減少的主要原因在于“高海拔+高溫”特性導致的飛機發(fā)動機推力下降。運用空客PEP軟件，對選裝CFM56-5B7或IAEV2522-A5這兩種發(fā)動機的A319機型在拉薩機場的最大復飛限重進行了計算，研究了兩種發(fā)動機選型、三種不同的著陸復飛襟翼構型對改善飛機最大復飛限重的影響。結果表明通過選裝高高原性能優(yōu)良的發(fā)動機和優(yōu)化飛機進近著陸復飛程序，可以有效提升飛機最大復飛限重。

拉薩機場；復飛爬升；最大復飛限重；發(fā)動機推力下降；襟翼構型優(yōu)化

0 引 言

拉薩貢嘎國際機場海拔3 570 m，是西南地區(qū)最重要、最典型的高高原機場，為西藏的經(jīng)濟發(fā)展、對外開放做出了巨大的貢獻[1]。特別是近年來隨著旅游市場的發(fā)展，拉薩機場航空運輸量穩(wěn)定增長，如何保證航班安全準點運行、提升機場運行效率成為行業(yè)關注的問題。由于受高高原高海拔以及相對高溫的影響，飛機在拉薩機場的起飛著陸性能顯著下降，尤其是在夏季下午時段，著陸限重成為影響飛機運行安全和運營經(jīng)濟性的一個重要因素。

目前，國外內對于飛機在高海拔機場運行的研究主要有：ZHANG Ziyan分析了影響高原機場飛行安全的因素和在高原機場飛行時可能遇到的困難[2]。韓濤鋒等對于飛機在高原機場起降能力和特點的研究與分析，提出了一種評估飛機高原起降能力的方法[3]。蔣天俊等對高原機場飛機起降滑跑距離進行了計算與分析，建立了一種起降性能模型，通過計算滑跑距離來研究飛機高原機場起降性能[4]。段黃科研究了A319機型在高原機場運行的著陸性能，分析了影響高原機場著陸性能的限制因素，總結了評估著陸距離的方法[5]。吳勁松研究了高原機場及航線的飛機性能分析方法和管理策略[6]。以上研究多側重在起降階段的性能分析上，對于在高高原機場的復飛爬升性能的研究較少，實際上這是決定飛機著陸性能非常關鍵的因素。為了提高拉薩機場的運行效率，提升航班的運營經(jīng)濟性，本文就高溫高原環(huán)境對拉薩機場航班計劃編排以及飛機著陸限重的影響進行分析，并以A319機型為例研究提升飛機最大復飛限重的方法。

1 拉薩機場運營特性分析

1.1 拉薩機場運行環(huán)境特點

拉薩機場運行的一大特點是海拔高、空氣稀薄（12 000 ft高空的空氣密度只有海平面的70%）。低空氣密度會導致飛機發(fā)動機推力降低，起飛爬升性能衰減，起飛和著陸真空速變大，滑跑距離增加，所以高高原機場的跑道都比較長。圖1是高度和溫度對某型號發(fā)動機推力產(chǎn)生的影響[7]，圖中可以看出同樣的外界溫度下推力隨海拔高度升高而衰減，平臺溫度ref隨高度升高顯著降低。在海拔高度8 000 ft以上的機場如格爾木、林芝，發(fā)動機的起飛推力會從22 300磅衰減到不足18 000磅，衰減20%以上，而拉薩機場海拔超過11 000 ft，推力的衰減會更加嚴重。

圖1 溫度和氣壓對某型號渦扇發(fā)動機TOGA推力的影響

拉薩機場運行面臨的第二個困難是“高溫”[8]。按照海拔每上升1000ft氣溫遞減2℃測算[9-11]，在海拔11711ft的拉薩機場，25℃氣溫雖然對于人體非常舒適，但對于飛機而言則意味著達到了ISA+33.4℃（即超出標準大氣溫度33.4℃），相當于在上海虹橋機場達到了48.4℃，這已經(jīng)屬于接近極限高溫了。所以，高高原機場對于飛機運行來說都屬于“高溫”機場。

1.2 拉薩機場的航班運營現(xiàn)狀

夏季一直是西藏的傳統(tǒng)旅游旺季，特別是7～10月份對航空運輸?shù)男枨笞顬橥12]。2018年，拉薩機場8月份的旅客吞吐量超過46萬，是吞吐量最低的2月份的1.6倍（見圖2）。但同時在拉薩地區(qū)，夏季也是飛機運行受限十分嚴重的季節(jié)。

氣候統(tǒng)計表明，拉薩全年最高溫出現(xiàn)在6~8月份的下午15:00~20:00時段，如圖3至圖5所示。以2019年6月為例，日最高溫達到25℃以上的有23天，達到28℃的有10天，可以說6月大部分日子里都是高溫天氣[13]。此外，拉薩夏季不僅高溫天數(shù)多，日溫差也很大，日最高溫和最低溫有時能相差16℃。此外，一天內高溫的持續(xù)時間也比較長，比如在6月底的最后一周，從15時到20時之間的平均溫度一直都是維持在25℃以上（見圖5）。

圖2 2018年拉薩機場月旅客吞吐量

拉薩夏季下午時段的高溫會對航班運行產(chǎn)生顯著影響。圖6統(tǒng)計的2019年6月24日至30日一周內從拉薩機場出發(fā)的窄體機航班在各個時刻的分布情況，可以看出15點到20點這一時段不僅氣溫較高同時也是航班進出港的高峰時段，占到航班總量的36.8%（而在8月份高峰時該比例可以達到40%），可見改善飛機在拉薩機場高溫起降性能的重要性。以下將對影響飛機最大著陸重量的主要因素進行分析，研究提升限重的方法。

圖3 拉薩全年溫度曲線圖

圖4 6月拉薩每日最低氣溫和最高氣溫

圖5 拉薩6月24～30日每小時平均氣溫

圖6 6月24~30日拉薩機場各時間段出發(fā)窄體機航班的分布情況

2 飛機最大著陸重量影響因素分析

2.1 主要影響因素

在實際運行過程中，最大著陸重量會受到很多因素的影響，主要有機場跑道長度、飛機結構強度、飛機復飛爬升梯度等。性能分析結果表明，實際決定飛機在高高原機場最大著陸重量的主要是CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》中對于著陸復飛爬升梯度的限制，因為由于高高原機場跑道一般都比較長（如邦達機場4200m、拉薩機場4000m），所以跑道長度不是限制因素。

2.2 影響復飛爬升限重的因素

復飛爬升梯度主要受機場高度、機場溫度、飛機重量等因素的影響[14]。CCAR-25部規(guī)定，為保證飛機在進場和著陸狀態(tài)遇到緊急情況時的復飛安全，要求復飛時應具有一定的爬升梯度，其中著陸形態(tài)雙發(fā)定常爬升梯度不得小于3.2%；進場形態(tài)一發(fā)失效定常爬升梯度，對于雙發(fā)飛機不得小于2.1%，對于四發(fā)飛機不得小于2.7%，取兩種形態(tài)爬升限制重量的最小作為最大復飛限重[15, 16]。

下面以A319-131（V2522-A5）機型在拉薩機場著陸為例，利用空客的PEP軟件[17]按A319機型機組操縱手冊（FCOM）[18]規(guī)定的正常著陸復飛程序計算最大復飛限重。預先設定好高度、溫度、爬升梯度等參數(shù)，計算飛機進近爬升、著陸爬升的限制重量，取最低者作為最大復飛限重。軟件具體參數(shù)設置詳見表1。

表1 A319-131機型拉薩機場正常著陸復飛程序計算條件

表2的3～4列進一步說明了是高溫導致的拉薩機場著陸業(yè)載損失。A319-131機型在起飛時最大重量為70 t，著陸時最大重量為61 t，運營空重則是42 t。由于高高原地區(qū)可用備降機場少、天氣變化極快，所以從成都到拉薩的航班一般起飛時均需要攜帶返航備降成都的燃油，故航班運行時一般要求飛機在拉薩著陸剩余油量應保持不低于7 t。A319-131機型在滿載時可以裝下128位旅客，假設平均每位旅客包含行李重量為85 kg，那么得到飛機在無貨郵且滿客的時候著陸的正常重量應是59.88 t[19]。據(jù)此可以計算出A319-131機型在拉薩機場不同溫度下的著陸業(yè)載損失。

表2 A319-131在不同溫度下的及減載情況

3 最大復飛限重提升策略

為了解決飛機在拉薩機場的著陸復飛限重問題，提升航班運營經(jīng)濟性，根據(jù)航空公司運行經(jīng)驗，有兩種解決方案。

策略一：選裝高高原性能優(yōu)良的發(fā)動機。

由于發(fā)動機可用推力受到海拔高度、氣溫的雙重影響（見圖1），在為高高原型飛機進行發(fā)動機選型時，還應特別關注發(fā)動機在高高原條件下的平臺溫度。A319-131機型選裝的IAEV2522-A5發(fā)動機海平面起飛推力遠低于A319-151機型選裝的CFM56-5B7發(fā)動機，在高高原地區(qū)一定溫度范圍內同樣如此，圖7為在12000ft下構型3的推力曲線。因此A319-115機型復飛爬升性能總體上要優(yōu)于A319-131機型，但是當拉薩機場夏季下午氣溫高于26℃時，其復飛爬升限重反而低于A319-131機型（見表3），因此飛機在高海拔地區(qū)飛行時，要選裝具有優(yōu)良性能同時也適合高高原地區(qū)的發(fā)動機。

策略二：通過優(yōu)化飛機進近著陸復飛程序來提高著陸復飛性能。

根據(jù)空客機型傳統(tǒng)著陸復飛程序，著陸時一般選擇襟翼全、復飛襟翼收一檔構型（如表1所示），這種程序雖然對縮短著陸滑跑距離有利，但是復飛空速小、爬升性能差。為此空客公司推薦在跑道長度較長的高高原機場，將表1設置的計算條件改為“襟翼3著陸、襟翼1+F復飛”（構型3）的程序以提升復飛爬升性能。利用空客PEP性能軟件計算A319-131機型在拉薩機場（11711ft）不同溫度下采用三種不同著陸復飛構型的爬升限重，結果見表3的第3～5列。

圖7 A319飛機TOGA推力受溫度的影響

表3 A319系列機型不同構型下的表

備注：構型1：襟翼FULL著陸、襟翼3復飛；構型2：襟翼3著陸、襟翼2復飛；構型3：襟翼3著陸、襟翼1+F復飛。

通過這些數(shù)據(jù)可以說明，選擇高高原性能優(yōu)良的發(fā)動機或者優(yōu)化飛機的進近著陸復飛程序，能夠有效提高飛機的最大復飛限重，改善航班運營經(jīng)濟性。

4 結 論

本文分析了拉薩機場環(huán)境特點和運營的現(xiàn)狀，研究了在拉薩機場影響飛機最大著陸復飛限重的因素，通過性能分析軟件計算了運行環(huán)境、著陸復飛構型對飛機的復飛爬升性能影響。研究對比后發(fā)現(xiàn)，選擇高高原性能優(yōu)良的發(fā)動機或者改進飛機的進近著陸復飛程序可以明顯增強A319飛機在拉薩機場夏季高溫條件下的業(yè)載能力，從而提高航班運營的經(jīng)濟性，提升高高原機場的運行效率。當然，在高高原機場采用襟翼3著陸時還應考慮超輪速的問題，這有待后續(xù)進一步研究。

[1] 胡金法. 保障高原機場安全飛行[J]. 中國民用航空, 2005, 57 (9): 65-66.

[2] ZHANG Zi-yan. Flying Control and Safety on Plateau Airports[J]. Procedia Engineering, 2011, 17.

[3] 韓濤鋒, 冷智輝, 劉晗, 等. 飛機高原機場起降能力研究與分析[J]. 教練機, 2019, (2): 9-14.

[4] 蔣天俊, 王菊, 王曉江. 高原機場飛機起降滑跑距離計算與分析[J]. 航空計算技術, 2015, 45 (2): 72-74.

[5] 段黃科, 張立. A319機型高原機場運行的著陸性能[J]. 沈陽航空航天大學學報, 2016, 33 (2): 75-81.

[6] 吳勁松. 淺析高原機場及航線的飛機性能管理[J]. 中國民航學院學報, 2005, 23 (6): 33-38.

[7] 余江. 高原/復雜地形機場和航線運行的飛機性能分析[M]. 成都: 西南交通大學出版社, 2015.

[8] 郭偉, 代索, 賈莉, 等. 高原機場運行的“高溫”特性[EB/OL]. (2018-02-07) [2019-08-10]. http: //news. carnoc. com/ list/435/435481. html.

[9] ICAO. Manual of the ICAO standard atmosphere third edition[S]. Montreal: International Civil Aviation Organization, 1993.

[10] JOHN D, ANDERSON Jr. Introduction to flight[M]. America: McGraw Hill, 2015.

[11] Jan Roskam, CTE Lan. Airplane Aerodynamics and Performance[M]. America: DARcorporation, 1997.

[12] 西南地區(qū)機場生產(chǎn)統(tǒng)計系統(tǒng). 2018西南地區(qū)機場生產(chǎn)統(tǒng)計簡報[DB/OL]. [2019-08-01]. http: //info. swcaac. gov. cn/sctj/Manage/SimpleReport/Simple Mian. aspx.

[13] 中國空氣質量在線監(jiān)測平臺. 拉薩溫度小時變化趨勢[DB/OL]. [2019-09-01]. https: //www. aqistudy. cn.

[14] 劉曉明, 蘇斌, 孫宏. 飛行性能與計劃[M]. 成都: 西南交通大學出版社, 2003.

[15] 中國民用航空局. 中國民用航空規(guī)章第25部: 運輸類飛機適航標準: CCAR-25-R4[S]. 北京: 中國民用航空局, 2016.

[16] EASA. Certification Specifications for Large Aeroplanes: CS-25[S]. Cologne: EASA, 2017.

[17] AIRBUS. Performance programs manual[Z]. Toulouse: Airbus, 2004.

[18] AIRBUS. A319 flight crew operation manual[Z]. France: Airbus, 2019.

[19] 孫宏, 趙慶偉, 魏坤鵬. 高高原機場復飛限重計算方法研究[J]. 民航學報, 2019, 3 (6): 12-14, 87.

Study on Strategies for Improving Maximum Go-around Weight of Aircraft at Lhasa Airport

SUN Hong1, SUN Zhen2, SUN Qi-zhen3, TANG Biao4

（1. Scientific Research Base of Flying Technology and Safty, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China; 2. Airport Engineering and Transportation Management College, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China; 3. Department of Atmospheric Sciences, University of Hawaii at Manoa, Honolulu 96822, USA; 4. Southwest Branch Flying Department, Air China Limited, Chengdu 610202, China）

Lhasa airport is the most important high plateau airport in southwest China. Therefore, it is necessary to ensure normal operation of flights and improve the efficiency of airport operations. In this study, changes in the characteristics of the outside air temperature (OAT) at Lhasa airport and the relationship between the OAT distribution and flight schedule at Lhasa airport in summer and autumn seasons are analyzed. The results indicate that the key reason for a decrease in the traffic volume during summer afternoons at Lhasa airport is the loss in engine thrust of aircraft owing to “high altitude + high temperature” characteristics. In this study, the maximum go-around weight (MGAW) for Airbus A319 models equipped with CFM56-5B7 or IAEV2522-A5 engines at Lhasa airport is calculated using Airbus PEP software. Furthermore, the effects of two types of engine options and three different landing go-around flap configurations are compared for improving the MGAW of the aircraft. The results indicate that the MGAW can be significantly improved by selecting the engine with good performance at high plateau airports and by optimizing the approach and landing go-around program.

Lhasa airport; go-around climb; maximum go-around weight; engine thrust decay; flap configuration optimization

V212.13+1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.03.013

1672-4747（2020）03-0109-07

2019-12-15

國家自然科學基金項目（60472129，61179074）

孫宏（1966—），男，河北深縣人，教授，博士，主要從事航空公司運行管理研究，E-mail：hako0607@qq. com

孫宏，孫震，孫啟禎，等. 拉薩機場飛機最大復飛限重提升策略研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（3）：109-115

（責任編輯：劉娉婷）