民用運輸類飛機指示空速和當量空速對飛機系統影響分析

張琛

摘 要：空速系統設計是民用運輸類飛機大氣數據系統設計的核心環節，對飛機的安全性有至關重要的影響作用。該文簡要介紹了幾個重要的飛機速度參數，如指示空速、當量空速，真空速，地速，馬赫數等，并詳細介紹了各個速度的定義，比較了其區別。同時，該文以現代民用運輸類飛機大氣數據系統一般架構為例，分析了在設計過程中若使用當量空速代替指示空速輸出給交聯的機載系統，分別產生的影響，對于指導民用運輸類飛機大氣數據系統設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：民用運輸類飛機 大氣數據 指示空速 當量空速 真空速

中圖分類號：V241 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0112-02

在民用運輸類飛機的飛行過程中，空速、高度、垂直速度等大氣數據參數至關重要，不僅直接影響駕駛艙飛行員對飛行狀態的認知和對飛機的操縱，也影響到相關機載系統的功能/性能計算，尤其現代飛機廣泛采用電傳飛控和自動駕駛儀，其會影響飛機整機功能正常和安全性。

飛機的飛行速度指向氣流方向，而氣動力與速度的平方成正比，因此速度是飛行力學中一個很重要的變量。飛機是在特定的速度下進行起飛、爬升、巡航、進近和著陸，不同的速度表示的意義是不同的，如指示空速（IAS）、當量空速（EAS）、真空速（TAS）、地速（GS），馬赫數（M）等。這些參數不能直接被機載傳感器測量得到，而是通過飛機上安裝的大氣數據傳感器測量飛機周圍的大氣壓力（全壓和靜壓）等信息，根據特殊的計算公式在大氣數據計算機中計算得到，并轉成電信號，輸出給駕駛艙顯示系統，以及其它交聯機載系統。

1 各種速度的定義

（1）指示空速，Indicated Airspeed（IAS）， 這個速度參數是大氣數據系統測量出來的外部動態氣壓顯示的速度值，即飛機和空氣相撞的速度，直接顯示在駕駛艙空速顯示器上。通過靜壓源位置誤差修正以后得到的指示空速又叫校準空速（CAS），提高了精度。

VIAS2=2×q/ρ（q是大氣數據系統測量出來的空氣動壓，即總壓P0與靜壓Ps之差，ρ是當前高度的大氣密度）。

（2）真空速，True Airspeed（TAS），即飛機事實上在空氣中移動的速度，也就是經氣壓換算成海平面高度的指示空速。

TAS=IAS×（T+絕對溫度×P0）/（T0+絕對溫度×P），T0和P0分別是標準海平面的大氣壓和溫度值

（3）當量空速，Equivalent Airspeed（EAS），由于不同高度的空氣密度是不同的，所以以海平面空氣密度ρ0為標準就得出EAS當量空速。因為這里ρ0是固定的，所以EAS只跟動壓q有關。飛機機體結構強度限制基本上只受空氣壓力的影響，因此飛機機體強度限制速度用EAS來表征。

EAS=[TAS2/（（ρ0/ρ）×（T/T0））]0.5，ρ0和T0是標準海平面的空氣密度和標準溫度。

根據這個公式，在飛機爬升的時候，空氣密度ρ變小，TAS增加；周圍溫度下降，TAS下降。一般可以用每增加1000英尺，IAS就多增加2%來估算TAS。在海平面時，

TAS=IAS=EAS

（4）地速，Ground Speed（GS），實際對地速度，即飛機相對地球表面飛行的速度，無風時等于真空速。

（5）馬赫數，Mach（M），就是真空速與音速的比值，溫度越高，音速越快。因為音速僅僅與溫度有關，因此M數類似EAS，主要表征空氣動力學特征。

M=TAS/（39*（273+SAT）0.5）， SAT是指周圍靜止空氣的溫度。

2 現代大氣數據系統及交聯系統一般架構

在現在民用運輸類飛機設計中，大氣數據系統一般包括全壓/靜壓傳感器，總溫傳感器，大氣數據計算機及連接的全靜壓管路等。其中全壓/靜壓傳感器感受外界大氣壓力，總溫傳感器感受外界大氣溫度，并通過相應全靜壓管路及電纜傳導給大氣數據計算機（ADC）的壓力感受及計算模塊，按照一定的計算公式和數據處理轉換為指示空速IAS，當量空速EAS，真空速TAS，馬赫數M等，輸出數字參量給其它機載系統使用，如電子飛行儀表系統EFIS，綜合處理系統IPS，慣性基準系統IRS，發動機儀表和機組告警系統EICAS，失速保護系統SPS，飛行管理系統FMS，飛行控制系統FCS和中央維護系統CMS等，并把這些信息顯示在主飛行顯示器PFD上。大氣數據系統及交聯系統框圖如下圖1所示。

3 使用指示空速和當量空速對系統影響分析

在按照適航規章CCAR25.1323和25.1325進行指示空速、氣壓高度校準過程中，有一種方法是使用局部迎角Local AOA和當量空速EAS進行靜壓源位置誤差修正，這樣可以忽略高度的影響，得到符合適航法規要求的校準空速CAS（即精度提高后的IAS）。由于EAS是IAS在空氣壓縮性修正計算后得到的，因此IAS-CAS這一校準過程涉及到了變量的反復迭代，會產生延時和迭代誤差。具體過程如下圖2所示：

由于大氣數據計算機ADC經過靜壓源位置誤差SSEC校準后直接得到了準確的當量空速EAS，此參數可直接通過ARINC429信號發給所有交聯系統使用，此時實時性和準確性較好。EAS和IAS在高度低于10000ft時，兩者值差別不大。但當高度高于10000ft時EAS與IAS差異不能忽略，高度越高，速度越大，兩者差別越大。如35000ft，0.82M時，EAS比CAS小15knot左右，不容小視。就此情況下，對各機載系統的影響初步分析如下：

主飛控系統：飛控基本控制率使用的速度是IAS，且空置率的增益隨著IAS的增大而減小。在試飛過程中，若控制律的輸入是當量速度，則輸出的控制律增益將大于設計值，從而使得實際的舵面偏度大于設計值，因此有可能超出舵面載荷限制的極限偏度，帶來安全隱患。

高升力系統：襟縫翼的標牌速度使用的是IAS。放襟翼最大高度為20000ft，因此若高升力系統的速度輸入為EAS，則有可能出現在大于標牌速度的情況下進行襟/縫翼收放，帶來安全隱患。

導航系統：PFD上顯示的是IAS，地形提示與告警系統（TAWS）、飛行管理系統（FMS）和氣象雷達WXR等需要IAS作為輸入，用于各自計算。若該輸入變為EAS，則可能導致飛行員參考了錯誤的空速數據，TAWS，FMS和WXR等計算也會出現偏差，降低安全裕度。

自動飛行系統 （包括失速保護系統） ：其算法使用的是IAS和TAS。自動飛行控制系統主要使用ADC ARINC429總線的205、206、210三個label作為M數、IAS和TAS輸入；失速保護系統主要使用ADC 429總線的206 label作為IAS的輸入。如果這些label實際給出的是EAS，則自動飛行控制系統需要重新進行飛行調參試驗，馬赫數配平功能也需更新性能參數。地面當IAS達到80節若干秒鐘后，失速保護系統啟動失速保護功能，因此如果實際使用了EAS，則可能會推遲啟動失速保護功能。

動力裝置系統：動力裝置系統的推力管理的輸入速度為IAS，空中起動包線的邊界速度也是IAS。在試飛過程中，若使用EAS作為推力管理的輸入，則發動機實際輸出的推力值將小于設計值，雖不影響試飛安全，但將影響發動機性能飛行試驗的有效性。

電源系統：對于電源系統，速度僅與RAT系統的使用有關。由于RAT系統需進行結構強度試驗，因此確定的釋放RAT速度應不大于EAS的某個值。但由于釋放RAT時，高度均低于10000ft，此時EAS和IAS差異不大，因此對電源系統無影響。

4 結語

大氣數據系統設計是民用運輸類飛機設計集成的核心組成部分，直接影響到飛機的安全性指標。該文簡要介紹了大氣數據系統幾個重要速度參數，主要包括指示空速IAS，當量空速EAS，真空速TAS，馬赫數M等，通過利用EAS和局部迎角進行靜壓源位置位差修正得到CAS（即精確的IAS），假設為保證解算的實時性直接使用EAS輸出給各機載系統，進行各機載系統影響分析，各重要機載系統響應各異，一些系統功能將不能得到正確執行，性能也將降低，總的說來將降低飛機安全裕度，造成安全隱患。

參考文獻

[1] 鐘近曦.飛行力學中的幾個速度[J].民用飛機設計與研究，1988（4）：15-18.

[2] 中國民用航空規章（CCAR 25 R4）.運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[3] 肖建德.大氣數據計算機系統[M].北京：國防工業出版社，1992.

[4] 陳子玉.飛機飛行控制系統[M].北京：國防工業出版社，1994.