關于飛行過程中V1的深度研究

孫萬軍

摘 要：飛行過程中會涉及很多的速度概念，其中一個重要的速度是V1，它關系到飛機在起飛滑跑過程中出現發動機失效或其它的嚴重故障時飛機是繼續起飛還是停在地面上，所以理解V1的定義過程對于保證飛行安全具有積極的作用。由于目前我們接觸的飛機多數是按照JAA/FAA來取證的，所以文章著重研究了JAR/FAR中關于V1的相關規定，解釋了V1的定義過程以及限制V1變化的因素。

關鍵詞：飛行；V1深度；研究分析

在我們的日常飛行過程中會涉及到很多的速度、高度，這些速度和高度的組合再加上其它的一些數據為我們搭建了一個飛機操作的三維空間，在這個三維空間之內飛行是安全的，而這個三維空間之外的區域就是飛行的“禁區”，一般說嚴禁將飛機操作到這個三維空間之外。這個三維空間就是飛機的包線，包線實際體現了一架飛機的性能。包線范圍越寬，證明飛機對外界因素的適應性越強，性能也就越好，反之亦然。在飛行包線中有一個重要的速度——V1，它是一個決斷速度，它可以決定當飛機發生了嚴重故障，例如但不限于發動機故障時，飛機是停在地面上還是繼續起飛，所以了解V1的確定過程對于保證起飛的安全至關重要。

根據美國聯邦航空條例第25部107款（FAR 25.107）以及歐洲聯合航空條例第25部107款（JAR 25.107）的定義，V1是一個修正表速，這個修正表速是如果需要中斷起飛時可以保證飛機停在跑道的限制范圍內的機組能夠決定中斷起飛的最大速度。V1本來應是在這一刻飛機的關鍵發動機發生故障，同時飛行員識別故障，做出決定并開始中斷的第一個動作。但是由于飛行員發現故障、識別故障、做出決策并開始動作都需要一定的時間，所以如果發動機是在V1時刻故障的，那飛行員做出中斷起飛的第一個動作時飛機的速度已經超過V1了，這明顯不符合“V1是機組能夠決定中斷起飛的最大速度”的定義的要求，所以FAR/JAR25部107款中對V1做出了特別的限制，以保證提供給飛行員合適的反應時間，我們將在后文中具體闡述25部107款的有關限制。

我們每次起飛都將跑道的性能實用完了嗎？不記得！很多時候當飛機到達跑道道面的盡頭時飛機的高度已經好幾百英尺了，或者說飛機剛剛用了一半的跑道甚至還不到飛機就離地了，還有很長一截跑道被浪費了，這些情況說明跑道的性能尚有很大的潛力可以挖掘。由于飛機離地時需要克服重力，也就是說只要重量一定了，針對同一條跑道以及相同的大氣環境，飛機離地的速度也就固定了，那跑道的性能就靠調整V1來達到。V1的變化范圍必須保證在V1時中斷能在跑道鋪設的道面內停下來，又要保證V1后發動機失效繼續起飛所需要的爬升越障性能。

對于廣大飛行員來說，總是希望最好不要將嚴重的故障帶到空中來處理，這種愿望就可以通過V1達到，但是V1確定的依據是什么呢，也就是說V1是在什么范圍之內呢？在確定V1之前需要先介紹幾個場長以及速度的概念：

（1）VMCG：地面最小操縱速度。根據FAR/JAR25部149款的定義，VMCG是飛機在起飛滑跑時，當飛機在VMCG時關鍵發動機失效，僅靠空氣動力控制就可以使飛機偏離跑道中心線的距離不超過30英尺地安全起飛。在這里“僅靠空氣動力”的意思是不使用前輪轉彎裝置。VMCG的確定是保證關鍵發動機失效時滑跑的側向安全，根據V1的定義，V1以前的發動機推力喪失需要中斷起飛，中斷后的滑跑需要保證飛機的安全，飛機必須能在跑道的寬度范圍內停下來，所以V1必須得大于VMCG。

（2）V2：是當在V1后發生發動機故障，繼續起飛時飛機爬升到高出跑道表面35英尺時必須達到的最小的爬升速度，它必須保證飛機的可操縱性和安全性。這里的可操作性是指飛機的舵面有足夠的操縱效率來維持飛行的軌跡，并且，飛機還得保持與失速速度有一定的余量。操作性是通過VMCA來表示的。VMCA與VMCG類似，安全性是通過VS或VSR（空客飛機在JAR中的失速速度的特別表示方法）來表述。由于這兩個速度與文章聯系不強，所以在此不做仔細描述。可以用一個數學表達式來表示V2，即V2=max{1.31VSR或1.2VS，1.1VMCA}。

（3）VR：以3°/秒的速率抬前輪，并且在高于起飛表面35英尺之前就達到V2的速度。由于抬頭時飛機已經不可能再回到地面上，所以飛機的安全性仍然使用VMCA來描述。VR與VMCA的關系式VR≥1.05VMCA。VR與V2的關系是V2=VR+在跑道表面上空達到35英尺之前獲得的速度增量。VR與V1的關系式VR>V1。

（4）起飛距離（TOD）：起飛距離是飛機從松剎車滑跑開始到飛機離地并爬升到一定的高度所需的距離，確定起飛距離需要區分干、濕跑道：

a.干跑道：如果所有發動機都工作的正常起飛，其起飛距離為從松剎車開始到飛機高于起飛表面上空35英尺所需實際距離TODN（N為所有發動機都工作）的115%；如果從松剎車開始到VEF（關鍵發動機失效速度，VEF≥VMCG），關鍵發動機失效，再到飛機高于起飛表面上空35英尺所需實際距離TODN-1，兩者取較高者，即TOD干=max{TODN-1干，1.15TODN干}。

b.濕跑道：也是兩個數據中取大者，其中一個是TOD干，另外一個是TODN-1濕，即TOD濕=max{TOD干，TODN-1濕}。此處的TODN-1濕只要求飛機達到的高度是15英尺，而不是干跑道的TODN-1中要求的35英尺，但是TODN-1濕必須保證飛機在最遲35英尺時達到V2。

（5）加速停止距離（ASD）：如果飛機在V1發動機失效需要中斷，那么從松剎車開始滑跑開始到飛機完全停下來所需要的距離就是加速停止距離。確定加速停止距離也需要確定干、濕跑道：

a.干跑道：干跑道的ASD為ASD干=max{ASDN-1干，ASD干}。引起中斷起飛的原因可以分為兩大類：發動機失效和其它嚴重系統故障，所以這兩種情況引起的中斷都必須考慮它們的加速停止距離。ASDN-1干主要是考慮發動機失效引起的中斷所需要要的停止距離，ASDN-1干=飛機所有發動機加速到VEF（發動機失效速度，VMCG≤VEF≤V1）所用的距離+VEF時關鍵發動機失效且飛行員在V1時開始中斷起飛的第一個動作（FAR/JAR 25.109規定VEF到V1之間的時間是1秒）所用的距離+以V1速度運動2秒所用的距離+飛機完全停下來所用的距離（不用反推且機輪剎車在允許范圍內最嚴重的磨損程度）；而ASDN干則是考慮由于其它嚴重系統故障引起的中斷起飛所需要的滑跑距離，ASDN干=飛機所有發動機加速到V1所用距離+以V1速度運動2秒所用的距離+在V1時開始中斷的第一個動作（沒有任何發動機失效）至飛機完全停下來所需距離。

b.濕跑道：濕跑道的ASD濕=max{ASD干，ASDN-1濕，ASDN濕}，其中ASDN-1濕，ASDN濕分別與ASDN-1干，ASDN干的定義相同，只是跑道道面為濕的。

飛機離地時的速度VLOF是飛機升力等于重力的速度，也就是說當飛機的重量以及外界大氣條件固定了，VLOF是一個固定不變的常量，VLOF固定了，V2也就相對固定了，不論V1怎么變化，V2是固定的，也就是說對于給定的重量以及外部大氣條件，V1可能不是唯一的V1，V1是可以在一個范圍內變化的，限制這個變化范圍的因素就是跑道的長度。這里說的跑道的長度是一個廣義的范圍，它還包括停止道和凈空道。

V1的變化范圍：當重量一定時，如果假設發動機在V1以后失效，飛機需要繼續起飛，那增大V1將會使全部發動機都工作的加速階段長一些，并且由于需要繼續起飛，VLOF是固定的（因為此時升力≥重力，而重量是一定的），飛機是否離地與V1無關，也就是說無論V1大小，只要發動機失效在V1以后飛機需要繼續起飛，都需要加速至VLOF。所以飛機在35英尺高度上達到V2的速度所使用的距離也就較短，也就是V1↑→TODN-1↓和TORN-1↓（TOR是起飛滑跑距離）。如果發動機沒有失效，那可以說飛機的性能與V1無關，只與VR和V2有關，所以TODN和TORN與V1無關。總結地說就是V1的增大會使單發后的起飛爬升性能變好（重量一定）。

從另一方面來說，當重量一定時，如果假定飛機在V1前出現嚴重故障導致在V1開始中斷動作，那么加大V1將會導致ASD的增加：當出現的是發動機故障引起的中斷時會導致ASDN-1增加：而如果是其它方面的故障或警告需要中斷時，如風切變警告等，V1增大將會導致ASDN增加。這是因為從松剎車加速到一個較大的V1所需要的距離較長，而中斷（所有發動機都工作）時從一個較大的V1減速到零所需要的距離也較長。

當ASD增加到與ASDA（可用加速停止距離，等于跑道長度加上停止道的長度）一樣時就可以理解為達到了當前重量的最大V1，如果再增加V1將導致V1前中斷時飛機可能會沖出鋪設的道面，這種可能性會隨著中斷時的速度的增加而大大增加，也就是說鋪設的道面的長度決定了V1變化范圍的上限（在只考慮場長因素的時候如此，另外V1上限還受到Vmbe最大剎車能量以及Vtyre輪速的限制，在此不作討論）。

V2是到達場面上空英尺高度時需要達到的速度，而場面的長度應限制在可用起飛距離（TODA，TODA=TORA+凈空道）之內，如果假設飛機正好在凈空道的末端達到35英尺并且速度達到V2，那如果減小V1，當V1時出現發動機失效，那飛機只使用一臺發動機（雙發飛機）從V1加速至VR所需的距離將比較大的V1時所用的距離長，從而導致到凈空道末端時可能不能滿足35英尺高度和V2速度的要求，也就是說V2限制了V1變化范圍的下限，實際上是TODA限制了V1的最小范圍，而且由于V1后如果因為發動機失效需要繼續起飛，不僅需要保證飛機在剖面上保證35英尺以及V2等爬升性能，還需要保證飛機的橫側軌跡的安全，也就是說要保證飛機在V1后單發加速至VR的這一段單發滑跑過程中飛機不能偏出跑道（最基本的安全需要），而且這種方向的保持還必須僅靠蹬舵就能完成。圖1表示了V1變化范圍受距離的影響。

滑跑軌跡的控制通過VMCG來表達，離地后的航跡控制通過VMCA來表達。用文字表述V1，V2，VMCG，VMCA之間的關系就是VMCA限制了V2的最小值，而V2的最小值又限制了VR的最大值，VR的最大值又限制了V1的最大值，最后VMCG限制了V1的最小值，數學表達式就是VMCG≤V1≤VRVMCA。

現在明確了V1是可以變化的，也知道限制它的變化范圍的條件，那有沒有一個比較理想的V1值，它既能最大化滿足飛機爬升越障的需要（較大的V1），又要在需要中斷起飛時在跑道道面內停下來（較小的V1）呢？根據前文我們知道當V1增加時加速停止距離會增加，但是單發起飛距離會較小，圖-2顯示了V1與ASD和TODN-1的關系，其中的TODN由于不涉及到單發中斷或單發起飛爬升，只是一個正常的起飛，所以V1的大小與一個正常的起飛沒有關系，TODN是一個常量。圖中ASD曲線與TODN-1的曲線相交處可以得到一個V1值，在這個V1值可以達到中斷性能與單發爬升性能的妥協，也就是在這個V1可以達到最小的距離，這個V1被稱為平衡V1，其對應的場長稱為平衡場長。這里的“平衡”是指中斷性能與單發爬升性能的平衡，而不是指在這個速度中斷的話飛機一定會正好在跑道鋪設的道面盡頭停下來，實際停下來的位置可能距鋪設的道面盡頭還會有相當的距離。

最后再來討論一下報V1的時機，有時我們考慮中斷時滑跑的安全性會在V1前5節左右就報V1了，其實這種做法并不是非常合理：根據FAR/JAR25部107款的規定，“從發動機在VEF（發動機故障速度）故障到飛行員在V1時判斷發現故障之間所考慮的時間為1秒鐘”，如果按靜止加速到V1平均加速度計算需要40秒，那提前5節的速度報V1就提前了1秒鐘以上，這樣就可能將VEF放到報出的V1之后，飛行員不得不繼續起飛，將本來用中斷起飛來處置的發動機失效帶到空中來處理，大大增加了處置難度和危險性，這也是具有自動報話功能的飛機會準確報V1的原因。

關于中斷時的距離方面，1978年3月1日生效的FAR25部第42次補充條款要求在計算ASD時還要考慮“V1速度后有2秒鐘的連續加速，而接下來才是飛行員采取任何將飛機停下來的動作”，雖然1993年后JAA與FAA達成一致將“V1后2秒鐘的連續加速”用“以V1速度運動2秒鐘的距離余量”代替，使得要求有所降低，但是依然為飛行員提供了2秒鐘的余地。只要飛機重量、中斷起飛的時機和動作是正確的，保證飛機中斷起飛時在鋪設的道面內停下來是有法律依據的。

綜上所述，了解了V1相關的概念和理論之后，對于我們理解起飛時V1有重要意義，V1是個范圍，在范圍許可的情況下，是偏向于起飛爬升性能，還是偏向于中斷安全邊際，這時作為機長的你即可根據當時機場周邊的地形和天氣情況去有依據的抉擇，做到心中有數，從而保證安全。