最小離地速度合格審定飛行試驗優化方法研究

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)

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最小離地速度合格審定飛行試驗優化方法研究

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速度之一,而最小離地速度飛行試驗又是民用飛機適航取證中的高風險科目之一。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的優化方法。該方法可以優化最小離地速度飛行試驗安排,節省適航取證成本和時間。

最小離地速度; 民用飛機; 起飛速度; 合格審定; 飛行試驗; 適航

0 引言

最小離地速度VMU是指飛機在起飛構型和不同推重比時,在全發工作或單發失效情況下能夠安全離地并繼續起飛而不出現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速度之一。而適航規章要求在申請審定的整個推重比范圍內由申請人選定VMU,并為飛行試驗所證實,因此在適航取證過程中需進行多次VMU飛行試驗。同時VMU飛行試驗又屬于高難度、高風險的試飛科目,需要飛機盡可能在接近可能達到的最大升力系數時離地,具有很高的試驗風險。本文從VMU與推重比的關系出發,介紹了起飛速度制定過程中各起飛特征速度間的關系,并重點分析了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,根據實際情況優化VMU合格審定飛行試驗安排的思路和方法,該方法可以優化和減少VMU飛行試驗點,從而減小試驗風險,節省取證成本和縮短審定周期。

1 適航規章要求

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

2 最小離地速度試飛方法

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

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

試驗成功的判斷原則為: 如果在最小離地速度試驗過程中沒有發生飛機嚴重抖振或喪失操縱能力的征兆,就可以認為試驗成功,任何導致危險特性或嚴重抖振的最小離地速度試驗,都是不可接受的[2]。最小離地速度飛行試驗應盡可能在接近重心前限條件下進行試驗。對于俯仰操縱受限制的飛機,也可允許以較后的重心位置進行試驗,但在數據處理時需要把測得的VMU修正到重心前限。同時,可以通過進行雙發工作的最小離地速度試驗來代替真實的一臺發動機不工作的最小離地速度試驗,但需考慮單發失效時的VMU試驗相關的各種因素。

3 最小離地速度與推重比的關系

圖1為飛機離地時力的平衡圖,應滿足如下動力學平衡方程:

L+Tz-Wcosγ=0

(1)

(2)

式中:L為飛機的升力;Tz為發動機推力矢量的法向分量;W為飛機重量;γ為飛機航跡角;ρ0為標準海平面大氣密度;Ve為飛機當量空速。

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

根據式(1)和式(2)可以得到飛機離地時的升力系數為:

(3)

以航跡坐標系為基準,在最小離地速度試驗中,當飛機離地時,動力學方程應當滿足如下條件:

(4)

式中:φp為發動機安裝角。

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系,在此引入基準失速速度Vsref的概念,此速度應當等于相同飛行重量時飛機的失速速度:

(6)

由式(5)和式(6)可得:

(7)

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

(8)

(9)

顯然,VMU/Vsref與推重比(T/W)為線性關系[3]。由氣動原理分析可知,這是因為在飛機離地時,飛機的離地姿態較大,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翼升力。因此,在進行最小離地速度試驗時需要在整個推重比范圍內進行飛行試驗,以確定最小離地速度。

而對于非受幾何限制的飛機,最小離地速度試驗時的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進行最小離地速度試驗,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系Fig.2 The relationship between VMU and T/W

4 起飛特征速度及其相互關系

最小離地速度的確定對于保證飛機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心的,他們所關注的速度是那些與飛行員實際操作相關的速度。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系做一個簡單的說明。

(1)VMCG:地面最小操縱速度,飛機在起飛地面加速滑行過程中,當臨界發動機突然不工作時,飛機能夠繼續保持安全可控,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,飛機在空中飛行時,當臨界發動機突然不工作時,能夠繼續保持對飛機的操縱,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施拉桿使飛機抬輪所對應的速度。該速度需保證飛機在一臺發動機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:臨界發動機失效速度,由申請人選定。規章要求VMCG

(5)V1:起飛決斷速度,當發生緊急情況,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,飛機必須完成起飛。規章要求VMCG

(6)VLOF:離地速度,飛機開始騰空時的速度,即飛機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,規章要求VLOF≥1.1VMU,在臨界發動機失效情況下VLOF≥1.05VMU。(注:對VMU受尾部擦地限制的飛機可放寬為VLOF≥1.08VMU,臨界發動機失效情況下VLOF≥1.04VMU)。

(7)V2:安全起飛速度,當一臺發動機在VEF失效后用規定的VR抬前輪,到飛機距離起飛表面35 ft或35 ft之前所達到的速度,V2≥V2MIN。

(8)V2MIN:最小安全起飛速度,對于無措施使一臺發動機不工作帶動力失速速度顯著降低的渦輪噴氣飛機,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系和規章的相關要求[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心的速度為與實際操作相關的速度,如V1,V2和VR。根據第4節的介紹,其中與VMU直接相關的為抬輪速度VR,VMU是確定VR的兩大關鍵因素之一。

適航規章要求在抬輪速度VR以飛機實際可行的最大抬頭率抬頭,得到的VLOF不得小于全發工作VMU的110%,且不小于按單發停車推重比確定的VMU的105%。通過第3節的分析可得,VMU與推重比T/W有著緊密的聯系。

圖4為在整個推重比范圍內對受VMU所限制的抬輪速度進行分析的示意圖。最下方的實線表示VMU與T/W的關系(注:圖中直線僅代表趨勢,不一定為嚴格的線性關系),其中左上角的實線為一臺發動機不工作時所對應的1.05VMU,而右上角的實線則為全發工作時的1.10VMU限制線。這兩條實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可以得到單發失效和全發工作時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,規章之所以要求以實際可行的最大抬頭率作為限制，是因為最大抬頭率起飛時代表了實際運行過程中VR和VLOF間的最短時間;在正常抬頭率起飛時,飛機抬輪和飛機離地間的時間更長,因此在同樣的VR速度實施抬輪機動時,所得到的VLOF速度將更大,因此以實際可行的最大抬頭率起飛時所對應的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

實際運行中,需保證在一臺發動機不工作時的VR和全發工作時的VR是相同的。將圖4中的左邊虛線的橫坐標乘2,即得等效的全發工作時的推重比。因為所選取的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

根據第4節的介紹,VR還受V2速度的限制,實際采用的VR值還需保證飛機在一臺發動機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即構成了對VR的限制。按照5.1節類似的方法進行分析,圖6中左上角的實線為1.13VSR或1.10VMCA中的大者,即單發失效起飛情況的V2MIN限制值。同樣地,根據飛行試驗可得單發失效起飛時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,因為實際運行中一臺發動機不工作時的VR和全發工作時的VR是相同的,將VR-EI水平平移,即得雙發起飛時的抬輪速度VR-AE,根據雙發正常起飛時的速度增量便可得到以該VR速度雙發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構成限制,但VR同樣受V2MIN的限制。只有當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方能保證飛機正常起飛時的安全。

6 確定VMU飛行試驗的優化分析方法

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。按照規章要求,VMU速度是由申請人在整個推重比范圍內選定的,因此本文提出一種根據起飛速度制定原則,視具體型號在推重比范圍內選取合理的VMU,優化VMU飛行試驗安排的方法。

在運輸類飛機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、空中最小操縱速度試驗和正常起飛試驗是在最小離地速度試驗之前進行的。因此在VMU試驗之前,可以認為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,根據第4節的分析,對于傳統的運輸類飛機,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情況下進行VMU試驗,根據試驗結果分析不難得出該機型的VR速度受VMU限制還是V2MIN限制。根據分析結果(見圖7,其中“○”表示VMU試驗點)。優化后的VMU試驗安排為:

(1) 如果由V2MIN限制得到的VR在全推重比范圍內均大于該試驗點得到的VMU所對應的VR，申請人可在全推重比范圍內選擇該值作為VMU值,無需再進行其他VMU飛行試驗;

(2) 如果根據該試驗結果并不能判斷在全推重比范圍內VR均受V2MIN限制,則逐漸增加推重比進行VMU飛行試驗,直至可以判斷在后續推重比范圍內,飛機的VR速度受V2MIN限制。同樣地,對剩余推重比范圍,選擇最后試驗所得的結果作為VMU值,中止VMU飛行試驗;

(3) 對于全推重比范圍內VR均受VMU限制的機型,則仍需在全推重比范圍內進行VMU飛行試驗,以保證飛機運行安全。

7 結束語

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,并根據最小離地速度與其他起飛特征速度間的關系,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優化方法。此方法可用于指導最小離地速度飛行試驗的安排和優化,對于抬輪速度VR不是在整個推重比范圍內受VMU限制的機型,可以顯著節省取證成本和縮短取證周期,減小試驗風險,對運輸類飛機的最小離地速度合格審定飛行試驗具有重要的指導意義。

[1] 中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準：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.運輸類飛機最小離地速度試飛數據處理方法[J].飛行力學,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，主要從事民用運輸類飛機試飛、性能操穩、駕駛艙與人為因素相關的適航標準審查、研究和制定工作。

V217.31

A

1002-0853(2016)06-0090-05