CN110341980B - 飞机高原起降减载使用分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机高原起降减载使用分析方法，包括飞机起降减载使用的判定和飞机起降减载使用质量分析确定，其中，依据跑道长度限制、机场道面承载力限制、轮胎速度限制、刹车能量限制和端净空障碍物限制，分析判定飞机起降是否需要减载，并根据跑道长度、机场道面承载力、轮胎速度、刹车能量和爬升梯度给出飞机减载使用的起降质量。本发明提供一种根据飞机高原起降任务具体需要，从影响飞机起降质量的多种因素全面判断的分析方法形成的减载使用方案更准确、更可靠。

Description

飞机高原起降减载使用分析方法

技术领域

本发明涉及飞机高原起降安全技术领域，具体涉及一种飞机高原起降减载使用分析方法。

背景技术

飞机减载使用实际上是出于安全的考虑和适航的要求限制飞机起降重量。与平原地区相比，高原地区最大的特点是海拔高，空气稀薄，时常出现高温低压的天气状况对飞行不利，飞机在高原机场起降时，必须考虑高原特殊环境对飞机起降重量的影响。在飞行手册中对飞机起降质量有明确的规定，但是没有给出飞机高原起降根据任务需要如何全面分析形成减载使用方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种可根据任务需要全面分析形成减载使用方案的飞机高原起降减载使用分析方法。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明是一种飞机高原起降减载使用分析方法，包括以下步骤：

(1)高原机场飞机起降减载使用的判定：

a、起降飞机所需跑道长度是否大于拟使用的机场跑道长度，如果飞机所需跑道长度大于机场跑道长度，则飞机需进行减载使用；反之，则不需要减载使用；

b、起降飞机的ACN是否大于拟使用机场道面的PCN，如果ACN/PCN小于1.0时，可不加限制使用；ACN/PCN在1.0～1.5时，属于超载使用，应根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》(GJB2587-96)限制超载使用次数，或者进行减载使用；如果ACN/PCN大于1.5时，一般不允许使用，特殊情况下使用时，应进行减载使用；

c、起降飞机的起飞离地速度和着陆接地速度是否大于飞机主轮允许的最大速度，如果飞机的起飞离地速度和着陆接地速度大于主轮允许的最大速度，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

d、起降飞机的刹车能量是否大于飞机刹车能量的最大值，如果飞机的着陆刹车能量大于飞机刹车能量的最大值，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

e、起降飞机的第二段爬升梯度是否能够安全越过端净空障碍物，如果飞机的第二段爬升梯度不能够安全越过端净空障碍物，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

(2)高原机场飞机起降减载使用质量分析确定：

a、根据机场跑道长度确定飞机减载使用的起降质量m₁，依据跑道长度计算及减载使用分析的基本方法进行确定；

b、根据道面PCN确定飞机减载使用的起降质量m₂，可根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》(GJB 2587-96)附表B常见飞机的ACN值采用插值法进行确定；

c、根据机型轮胎速度确定飞机减载使用的起降质量m₃，依据轮胎速度限制和当时大气条件下的起飞离地速度确定；

d、根据刹车能量确定飞机减载使用的起降质量m₄，依据刹车能量限制和当时的大气、场道条件确定；

e、根据第二段爬升梯度要求确定飞机减载使用的起降质量m₅，依据爬升梯度限制和当时的大气条件确定；

飞机减载使用起降质量取五者的最小值m₀＝min(m₁，m₂，m₃，m₄，m₅)。

本发明的有益效果为：本发明根据飞机高原起降任务具体需要，从影响飞机起降质量的多种因素全面判断的分析方法形成的减载使用方案更准确、更可靠。

附图说明

图1为本发明某型飞机在正常着陆刹车过程中，气温对刹车能量的影响图示；

图2为本发明某型飞机在正常着陆刹车过程中，气压对刹车能量的影响图示。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种飞机高原起降减载使用分析方法，包括以下步骤：

1高原机场飞机起降减载使用的判定

1.1起降飞机所需跑道长度是否大于拟使用的机场跑道长度，如果飞机所需跑道长度大于机场跑道长度，则飞机需进行减载使用；反之，则不需要减载使用；

1.2起降飞机的ACN是否大于拟使用机场道面的PCN，如果ACN/PCN小于1.0时，可不加限制使用；ACN/PCN在1.0～1.5时，属于超载使用，应根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》(GJB2587-96)限制超载使用次数，或者进行减载使用；如果ACN/PCN大于1.5时，一般不允许使用，特殊情况下使用时，应进行减载使用；

1.3起降飞机的起飞离地速度和着陆接地速度是否大于飞机主轮允许的最大速度，如果飞机的起飞离地速度和着陆接地速度大于主轮允许的最大速度，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

1.4起降飞机的刹车能量是否大于飞机刹车能量的最大值，如果飞机的着陆刹车能量大于飞机刹车能量的最大值，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

1.5起降飞机的第二段爬升梯度是否能够安全越过端净空障碍物，如果飞机的第二段爬升梯度不能够安全越过端净空障碍物，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

2高原机场飞机起降减载使用质量分析确定

2.1跑道长度限制的飞机减载使用分析

高原机场跑道长度一般较长，对歼击机起降重量不会产生限制，但对运输机而言，跑道长度对起降的影响主要是限制起飞重量，对着陆质量一般不造成影响。

跑道长度对运输机起飞重量的限制分三种情况：

(1)全发起飞距离：运输机全发起飞，地面滑跑距离加上初始爬升到35ft(10.7m)的水平距离以及安全距离，不得超过跑道长度。

(2)一发失效继续起飞距离：运输机全发起飞过程中在决断速度V1处发生一发失效，继续起飞时，地面滑跑距离加上初始爬升到安全高度的水平距离，不得超过起飞可用距离。

(3)一发失效中断起飞距离：运输机全发起飞过程中在决断速度V1处发生一发失效，随后中断起飞，飞行员在达到决断速度V1四秒后完成收油、刹车以及打开减速板动作，减速至完全停止所经过的距离不得超过中断起飞可用距离。

跑道对起飞重量的限制受到多种因素影响，其中主要包括气温气压和和跑道长度的因素。计算飞机滑跑距离的一般积分表达式为：

式中，S为起飞滑跑距离；g为重力加速度；V₀为初始空速；V_x为末端空速；V为空速；V_w为滑跑方向的风速，逆风取负，顺风取正；n为发动机个数；P_q为发动机推力；α为滑跑迎角；α_p为发动机安装角；f为道面摩擦系数；i为跑道坡度，逆坡取负，顺坡取正；G为飞机的重量；C_x为空气阻力系数；C_y为升力系数；s_y为机翼面积；ρ为空气密度。

从式1中可以看出，通过改变计算参数可以计算不同状态下的滑跑距离，从而通过分段的方法确定不同状态下的滑跑距离，某型飞机在某高原机场不同起降质量的全发起飞所需距离、和在决断速度处发生一发失效时，分别进行继续起飞以及中断起飞所需距离相等，如表 1所示。

表1某型飞机不同起飞状态下所需距离

从表1中可以看出，在不考虑一发失效的情况下，当跑道长度为6500m时，能够满足起飞重量160t正常起飞，当跑道长度为5000m时，能够满足起飞重量140t正常起飞。在考虑一发失效的情况下，当跑道长度为6500m时，能够满足起飞重量150t正常起飞，当跑道长度为5000m时，能够满足起飞重量130t正常起飞。

2.2机场道面承载力限制的飞机减载分析

道面承载能力是机场道面自身的属性条件，与气温气压无关，但道面承载能力直接影响飞机起降质量。道面承载力与飞机起降质量一般通过ACN与PCN的比值表示，PCN表示道面承载强度，ACN表示飞机对道面的作用。

道面PCN值可根据机场基础资料查找，军用飞机的ACN值可根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》附表B常见飞机的ACN值采用插值法确定，同一型飞机在不同强度土基道面上的ACN值不同，某型飞机在不同强度道面上的ACN插值系数如表2所示。

表2某型飞机ACN插值系数

从表2中可以看出，采用线性插值系数，可以确定不同道面土基反应模量下，不同飞机质量对应的ACN值，从而可以由道面PCN值反算出能够满足道面承载能力使用要求的最大飞机重量。

在一个起飞着陆架次中，不仅要起飞质量满足起飞机场道面承载能力的要求，还要着陆质量满足降落机场道面承载的要求。某型飞机短航程飞行，飞机起降质量和道面承载能力的关系如表3所示。

表3某型飞机起降质量和道面承载能力关系

从表3中可以看出，某型飞机在起飞机场的ACN/PCN为0.55，在着陆机场的ACN/PCN为 0.30，在《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》中规定，当ACN/PCN小于1时，可以不受限制使用。

2.3轮胎速度限制的飞机减载分析

轮胎速度限制的起飞重量是指飞机起飞滑跑加速时，轮胎的转速将逐渐增加，从而使得轮胎内部材料所承受的离心力越来越大。轮胎的结构设计决定了其在地面的滚动速度有一个极限，这个限制速度由轮胎制造商提供。在起飞滑跑和着陆滑跑时一旦超出这个速度限制，将会导致轮胎出现问题，从而带来安全隐患。

在起飞过程中，飞机从静止开始加速，前轮轮胎在抬前轮瞬间、主轮轮胎在飞机离地瞬间达到其最大的旋转速度。重量越重，飞机的离地速度就会越大。同时在高海拔，高气温的机场，飞机的真速大于表速很多，所以飞机的重量不能过重，从而确保飞机离地时地速不会超出轮胎速度的限制。

起飞离地速度是飞机离开地面的速度，与空气升力和飞机重量有关。飞机制造商在飞机性能手册中会给出标准大气条件下，相应于某一质量的离地速度。高原机场实际大气条件与标准大气条件不同，需要进行换算，实际大气条件下的起飞离地速度计算公式如下所示。

式中：Δ为空气相对密度；V_q0为标准大气条件下的离地空速；m_q0为V_q0对应的起飞质量； m_q为实际起飞质量；P_sj为实际气压；t_sj为实际气温。

着陆接地速度是飞机接触地面的速度，计算飞机着陆速度：

式中：V_ι0为按标准驾驶动作得出的相对于空气的接地速度；mι为实际着陆质量；V_ι0为在标准大气条件下，相应于某飞机着陆质量；Δ为空气相对密度。

某型飞机主轮起飞离地最大允许速度为330km/h，着陆接地最大允许速度为280km/h，起飞重量为170000kg的情况下，以最热月平均气温、平均气压作为计算气温气压，计算得到的起飞离地速度和着陆接地速度如表4所示。

表4某型飞机不同海拔高度的气温气压条件下的起飞离地速度

从表4中可以看出，在高海拔机场，高温低压的大气环境会影响飞机的起飞性能，尤其是起飞离地速度较平原地区大幅度增大。计算得到的起飞离地速度和着陆接地速度均十分接近甚至超过主轮最大允许速度，因此需要减小起飞和着陆质量，使轮胎速度小于轮胎最大允许速度。

2.4刹车能量限制的飞机减载分析

飞机在着陆的过程中，使用飞机刹车的目的是为了将飞机运动的动能耗散为热能，使飞机滑行速度下降并及时离开跑道，通过联络道进入滑行道或者停机坪。当刹车被启用以便帮助减小飞机的速度时，轮胎与地面的摩擦就会产生大量的热能。一旦产生的热能超过了安全水平，刹车和轮胎就可能会失效，严重的时候甚至会导致起落架着火。

高原环境空气稀薄，通过机体和空气的摩擦产生的阻力减小，飞机动能更多由刹车吸收，因此需要考虑刹车能量对起降重量的影响。刹车能量计算公式如下所示，

式中，E_B为刹车能量；V_B为刹车时的地速；取正常刹车的最大允许速度；其中C_L和C_D分别是刹车阶段(包括扰流板升起)的升力系数和阻力系数；μ_B是刹车摩擦系数；V_W表示风速，顺风为负，逆风为正；i是跑道坡度。

参见图1、图2，高温低压环境会使飞机正常着陆刹车过程中的刹车能量增加，在高原机场起降过程中，对刹车能量要求最为严苛的是在起飞过程中发生一发失效进行中断起飞的时候。此时飞机速度较大，可用跑道长度较小，事故发生概率增大。在起飞过程中，刹车能量一般通过最大允许刹车速度表示，通过比较决断速度和最大允许刹车速度的大小，减小飞机起飞质量使决断速度小于最大允许刹车速度。某型飞机以起飞质量170000kg，在不同海拔高度高原机场起飞过程中的决断速度如表5所示。

表5某型飞机不同海拔高度机场最热月平均气温气压条件下的决断速度

从表5中可以看出，决断速度受机场气温气压的影响，当气温升高、气压下降时，决断速度增大，在机场海拔为3800m，计算气温为15.9℃，计算气压文64230pa时，决断速度为244km/h，而该型飞机的最大刹车速度为240km/h，当飞机的决断速度大于最大允许刹车速度时，需要减小飞机质量使决断速度小于最大允许刹车速度。

2.5端净空爬升和越障限制的飞机减载分析

由于高原地区环境恶劣，端净空条件复杂，同时高气温低气压使爬梯度减小。飞机起飞离地后并不十分安全，为保证飞行安全，在飞机起飞爬升阶段，需要保证爬升梯度安全要求和能够安全飞越障碍物。对于起飞爬升梯度，CAR 25.115和CCAR 25.121中规定了起飞航道的每一个阶段一台发动机停车后的最低爬升梯度要求，其中第二段爬升梯度要求如表6所示。对于飞越障碍物，CAR 121.189规定：飞机的净航迹必须高于航道障碍物最高点至少10.7m(35ft)。

表6《运输类飞机适航标准》第二段爬升梯度要求

飞机在飞越障碍物时需要保证距离障碍物一定高度。跑道端净空的障碍物表现为距跑道端的距离和在假设的飞机离地点上高于跑道平面的高度。在判定能否飞越障碍物时，需要求出1台发动机不工作继续起飞时从跑道端至爬升到超过障碍物高度10米的轨迹点的距离，此距离应小于从跑道端至障碍物的距离。飞机爬升到10米高度的距离，由起飞所需跑道长度和空中段距离组成，通过图表和外插法相结合，查找不同海拔高度机场最热月平均气温气压条件下，飞机起飞质量150000kg，爬升到10m高度所需跑道长度和空中段距离如表7所示。

表7不同海拔高度机场最热月平均气温气压条件下爬升10米的距离

从表7中可以看出，爬升水平距离受气温气压影响，对于距跑道端5200m，高度为10m 的障碍物，在海拔4353m的机场起飞不能满足安全越障的要求，需要减载使用。

2.6高原机场飞机起降减载使用方案

根据上述跑道长度限制、机场道面承载力限制、轮胎速度限制、刹车能量限制和端净空障碍物限制对起降重量的影响,以某高原机场一个起降架次为例，机场跑道长度5000m，机场道面PCN值为48，飞机主轮最大允许离地速度为330km/h，最大允许接地速度为280km/h，最大允许刹车速度为240km/h，计算气温为15℃，计算气压为64230pa，不考虑一发失效的情况，飞机直线离场。分别确定不同限制条件下的最大起飞重量和着陆重量，按照飞机减载使用的判定准则，计算不同限制条件下的最大起飞重量和着陆质量，按照前文所述的高原机场飞机起降减载使用的判定准则和分析方法，确定飞机的最大起飞重量和着陆重量，不同限制条件的最大起飞重量和着陆重量如表8所示。

表8不同限制条件下的飞机最大起飞质量

从表8中可以看出，在某个起降架次中，飞机最大起飞重量为145000kg，最大着陆质量为155000kg。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种飞机高原起降减载使用分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)高原机场飞机起降减载使用的判定：

a、起降飞机所需跑道长度是否大于拟使用的机场跑道长度，如果飞机所需跑道长度大于机场跑道长度，则飞机需进行减载使用；反之，则不需要减载使用；

b、起降飞机的ACN是否大于拟使用机场道面的PCN，如果ACN/PCN小于1.0时，可不加限制使用；ACN/PCN在1.0～1.5时，属于超载使用，应根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》(GJB2587-96)限制超载使用次数，或者进行减载使用；如果ACN/PCN大于1.5时，一般不允许使用，特殊情况下使用时，应进行减载使用；

c、起降飞机的起飞离地速度和着陆接地速度是否大于飞机主轮允许的最大速度，如果飞机的起飞离地速度和着陆接地速度大于主轮允许的最大速度，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

d、起降飞机的刹车能量是否大于飞机刹车能量的最大值，如果飞机的着陆刹车能量大于飞机刹车能量的最大值，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

e、起降飞机的第二段爬升梯度是否能够安全越过端净空障碍物，如果飞机的第二段爬升梯度不能够安全越过端净空障碍物，则飞机需要减载使用；反之，则不需要减载使用；

(2)高原机场飞机起降减载使用质量分析确定：

a、根据机场跑道长度确定飞机减载使用的起降质量m₁，依据跑道长度计算及减载使用分析的基本方法进行确定；

b、根据道面PCN确定飞机减载使用的起降质量m₂，可根据《军用机场水泥混凝土道面超载使用标准》(GJB 2587-96)附表B常见飞机的ACN值采用插值法进行确定；

c、根据机型轮胎速度确定飞机减载使用的起降质量m₃，依据轮胎速度限制和当时大气条件下的起飞离地速度确定；

d、根据刹车能量确定飞机减载使用的起降质量m₄，依据刹车能量限制和当时的大气、场道条件确定；

e、根据第二段爬升梯度要求确定飞机减载使用的起降质量m₅，依据爬升梯度限制和当时的大气条件确定；

飞机减载使用起降质量取五者的最小值m₀＝min(m₁，m₂，m₃，m₄，m₅)。

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