飛機爬升、下降與機動飛行性能計算軟件的開發

劉 薇，馬 雪，孫俊鵬

（1.中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300；2.中國國際航空股份公司，北京 100621；3.昆明航空有限公司運行中心，云南 昆明 650000)

在飛行前，性能工程師要分析飛行數據，計算飛機性能數據是否在合格區域內，是否適飛，在這期間需要詳細的可靠的性能計算軟件的支撐。在分析時需要很多原始數據的支持，也要對各種數據和相應公式進行計算。因此，各大生產商在飛機出廠后對飛機進行適飛和校正，采集多種多樣的性能數據，制作電子數據信息和手冊數據信息等，這些數據提供了常用高度、速度、重量對應的時間、爬升率等信息，用戶在使用時會花費大量的時間對照、查找和記錄，有時還需要手動差值計算，在獲得數據信息之前必須要完全了解性能數據表的結構等，但是不清楚這些數值是怎么計算出來的，也不清楚計算出的數據依托的公式；飛機生產商請了研發團隊主動開發了性能分析軟件，它能夠處理查閱困難等問題，但是由于價格昂貴，更新緩慢而給航空公司增加了不少成本，公司的性能人員以及簽派人員做性能分析的時間變得更長、效率低下[1]。

據了解，各大型航空公司在深度分析自身的需求后，根據使用的實際機型和使用情況，編譯了自己的性能數據分析軟件，招募的性能軟件開發人員可以根據自己的需求，設計符合度最高的軟件，同樣的需要大量的人力物力維持數據的更新和系統的維護。這些軟件使得性能計算更加快速和準確，符合實際運行狀況，但是公司也需要在投入和回報之間衡量是否需要購買或定制軟件[2-4]。

目前沒有開放的、只針對于起飛、下降和機動飛行階段方面的性能計算軟件，同時因為國內外規范的差異，在實際的運用中常常會出現一些邏輯問題和設計問題[5]。

綜上，本文針對這些已經存在的問題，利用編譯語言設計開發了這款飛機爬升、下降和機動飛行階段性能計算軟件。以期達到航空公司對安全高效便捷的要求，也滿足了軟件設計的對象即在職的性能分析人員、在校學生以及教師的使用需求。

1 軟件界面設計

利用VB6.0編程面向對象、方便和快捷的多種特點，進行友好化的界面設計和相關飛行參數的計算，使用模塊化的方法，將每一個子項設計成外觀大小相似的子窗體，當點擊圖標進行調用時，出現相應的子程序，其他子程序即隱藏。程序模塊化的優點是不占用內存、設計方便快捷，可以根據需要添加和刪除。因此需要設計多個子程序填充進計算軟件當中。各模塊關系圖見圖1，8個模塊互相支撐和配合。

圖1 各模塊關系

在關系圖中，單位換算——常用單位；實際大氣——非標準大氣；空速轉換這三部分屬于基礎模塊，為后續模塊計算提供所需基本數據。爬升階段和下降階段性能計算；機動飛行性能——方向機動性；機動飛行性能——速度機動性。這四個部分屬于性能計算模塊。此外，在最后還增加了理論知識查詢模塊，以解決飛機性能軟件不能直觀表達和提供使用說明的問題。

為了使用方便和美觀將軟件的界面分為兩種，第一種是是登陸界面，第二種是計算界面。登錄界面的目的就是識別用戶是否是通過驗證的用戶，在登錄界面鍵入管理員指定的用戶名及密碼，點擊黑色的登錄按鈕后即可進入計算界面。如圖2所示。

圖2 登陸界面

計算界面如圖3。在計算界面上方的黑色圖標欄，可以實現計算功能的快速轉換，分別是常用單位轉換、實際大氣、空速轉換、飛機爬升性能計算、下降性能計算、方向機動性能計算、速度機動性能計算以及計算過程8個部分，圖表中有橫線則表示上半部分為輸入部分，下半部分為輸出部分。計算界面的黑色按鈕、飛機圖標和灰色圖標背景等元素的設計是呼應登錄框的顏色使得界面更加友好和諧。

因為爬升和下降模塊相似度極高，為區分模塊特增加進度條和改變圖標顏色兩種提示方式。進度條放置在爬升、下降性能計算模塊界面的下方，能根據進度條變化的情況判斷計算時間，在此期間可以跳出此頁面進行別的模塊計算，這增加了軟件使用的操作性和高效性，節省用戶的時間；點擊界面上方的模塊圖標之后，圖標會改變顏色以提示用戶當前頁面是哪個模塊。

圖3 計算界面圖例

2 軟件基礎模塊的設計和實現

2.1 常用單位轉換

由于公制、英制和其他常用單位在民航領域的使用都很頻繁，為了應對在性能計算過程中繁瑣的單位轉換步驟，在性能軟件中增加了長度、速度、質量和壓強四個常用的單位轉換目錄，換算公式是經過國際規范單位和倍率，轉換成一個固定的倍率矩陣，當輸入其中一個已知數值時，其他不同單位的對應數值就會自動顯示在文本框中。單位轉換界面見圖4。

圖4 常用單位轉換界面

2.2 實際大氣計算

實際大氣中，任一高度上的大氣參數值通常不等于標準大氣的參數值，而飛機的實際飛行性能取決于當時所處狀態下的實際大氣參數，所以在性能計算中只要用到非標準大氣的參數值，就要利用壓強、密度和溫度之間的關系進行計算求解，輸出的參數有16種，分別是標準參數和實際參數條件下的壓強、密度溫度、壓強比、密度比、溫度比和音速。實際大氣參數的運算在性能計算中是至關重要的，有了此數據作為基礎服務于主要爬升、下降與機動飛行階段的性能計算，才能符合實際原理，有正確的計算數據。

平均海平面標準大氣參數，以及按照國際組織的規定，標準大氣的溫度、壓強、密度隨高度的變化規律參見文獻[6]。實際大氣參數計算是輸入飛行高度與溫度，點擊黑色計算按鈕，得到標準大氣參數與實際大氣參數。此時軟件運用了VB的ListView高級控件，該控件使用對象的方式組織內容，當輸出框內容過于復雜多樣的時候，以矩陣的形式將2行8列的數據進行展示，并且含有一個左右移動框，可以拖動選擇需要的數值，在實際大氣參數計算模塊就可以直接列出標準參數和實際參數，可以通過數值判斷兩者之間的區別。實際大氣參數計算界面見圖5。

圖5 實際大氣計算界面

2.3 空速轉換

飛機上的空速表是通過皮托管設備測得來流總壓和來流靜壓差，再根據伯努利方程（可壓縮流）導出總靜壓比的公式再解出速度。在實際飛行過程中，還要考慮儀表本身的誤差、實際的壓強測量誤差、高度不同大氣密度存在的誤差和高度引起的空氣壓縮性的修正。一般考慮試飛過程中與飛機迎角、襟翼位置、表面效應、風向和其他影響因素有關的記錄在飛行手冊里面的數值，在飛機性能計算時使用的是校正空速用符號VC表示。校正空速數據通過具體高溫的絕熱緊縮流修正后的空速被稱為當量空速，用VE表示。真實空速，用VT表示，縮寫為TAS（True Air Speed），是飛機飛行時相對于四周流動的空氣的運行速度。校正空速與真空速之間關系如下：當量空速與真空速之間關系如下：

其中比熱比K，數值為1.4；完全氣體常數R，數值為287.053 J/(kg·K)；音速a0=340.5m/s；標準大氣壓P0=101325Pa。ρ為實際大氣密度，ρ0=1.225kg/m3。空速轉換界面見圖6。

圖6 空速轉換界面

3 軟件性能計算的設計和實現

3.1 爬升階段性能計算

飛機的爬升階段性能計算主要討論的是航路爬升階段，即飛機起飛飛行航跡結束點（通常為機場道面上空1500英尺）到達規定的巡航高度和速度為止的階段。爬升性能計算主要是根據馬赫數、飛行高度、溫度、機翼面積和飛機重量計算出根據馬赫數列出的實際音速、真空速、實際溫度、實際壓強、實際密度、升力系數、阻力系數、升阻比、阻力大小、巡航推力、爬升推力、加速度、爬升梯度、爬升角、真空速（爬升速度）和爬升率等16項元素的數值。

按給定的飛機重量和環境溫度等初始狀態，可以選擇不同的爬升方式。爬升距離最短的爬升是指爬升梯度最大的爬升方式，或者叫做陡升爬升方式。爬升時間最短的爬升是指爬升率最大的爬升方式，可以在最短的時間內獲得期望達到的飛行高度。爬升航段燃油最省的爬升是指爬升速度最小的爬升，此時消耗燃油最少，但是花費的時間較長。最佳爬升率速度是升阻比最大的時候。在計算出結果之后可以根據數值的大小判斷以上四種爬升方式狀態下的不同性能參數，這對于爬升性能分析和狀態分析有直接的作用。爬升梯度、爬升角和爬升率如公式（3）（4）（5），其中FC為所需推力，D為阻力，mg為飛機的重力，

TAS為真空速。

爬升階段性能計算界面見圖7。

圖7 爬升階段性能計算界面

3.2 下降階段性能計算

下降階段類似于爬升階段，不同的是下降時為了節省燃油使用的推力是慢車推力或者是根據速度需要確定的推力。在計算下降推力時，需要用到數據庫文件中的最小慢車推力數值，下降性能的主要特性參數是下降率和下降角。當可用推力小于所需推力時，飛機必須下降或者減速。在下降時，為了旅客舒適度，需要維持一定的下降率，并且要與座艙壓力變化相適應。也因為推力較小，在飛機下降過程中飛機重量對于下降率、下降梯度和下降時間的影響可以忽略不計。

阻力計算如公式（6），其中阻力系數CD經過代碼編譯由高速極曲線性能數據表查出并定位。k是升阻比，P為環境靜壓，M為馬赫數，SW為機翼面積。下降梯度、下降角和下降率如公式（7）（8）（9）所示。最小慢車推力FD是經過代碼編譯根據馬赫數、溫度和飛行高度，在最小慢車推力性能數據表查出并定位。

運用了VB的ListView高級控件，該控件使用了對象的方式組織內容，當輸出框內容過于復雜多樣的時候，以矩陣的形式將30行17列的數據進行展示，并且含有一個左右移動框，可以拖動選擇需要的數值。由于計算過程中調用了三個數據庫文件“高速極曲線”“最大巡航推力表”和“最小慢車推力表”，因此可以在軟件目錄下找到“數據庫文件”，點擊查看兩個數據庫文件的內容。計算進度條是放置在軟件最下方的圖片顯示，可以根據畫面變化情況判斷計算時間，便于用戶分配時間做另外的性能計算。下降階段性能計算界面見圖8。

圖8 下降階段性能計算界面

3.3 機動飛行階段性能計算

飛機的方向機動性是飛機連續改變飛行方向而高度保持不變的一種曲線運動，通常稱為盤旋，在計算軟件中稱為轉彎。轉彎運動是飛機運行發生在水平面的一種常見的機動飛行動作，轉彎時的離心力由機翼產生的升力的分量來平衡，重力由升力的垂直分量來平衡，同時飛機形態必須增加迎角以增加機翼的總升力，否則因為垂直升力的損失而下降高度，在此只考慮機翼構型和飛機形態能保持不掉高度的狀態。正常轉彎時法向過載大于1，民航客機的法向過載不能大于2，即滾轉坡度不能大于60°。方向機動性能計算界面見圖9。

圖9 方向機動性能計算界面

圖10 速度機動性能計算界面

飛機在水平面內進行的機動飛行除了轉彎還有平飛加速和減速。飛機的平飛加速與減速時的加速度大小反映飛機改變速度的能力大小，平飛時增加或減少一定速度的時間越短那么飛機的速度機動性能就越好。速度機動性能計算界面見圖10。

4 理論知識查詢模塊

理論知識模塊是為飛機性能工程師、教師和學生提供一個完整的計算過程，將用戶輸入的數據結合公式進行計算并以題目問答的方式輸出，在每一個結果前面加上介紹，數值后面加上單位。這個功能可以截圖記錄，即使是第一次使用該軟件的用戶也能清晰的知道每個計算模塊的理論知識和作用，便于有分析任務的用戶舉一反三找到計算規律。圖11中展示爬升階段性能計算的例子。

圖11 計算流程輸出題例界面

5 結論

飛機爬升、下降與機動飛行階段性能計算軟件基于VB 6.0編譯語言，得到了計算程序簡單流暢，計算結果真實有效的結果。根據空氣動力學和飛機性能相關知識計算出符合實際條件的結果供用戶使用，根據設計者的要求和用戶需求設計便于更新和深入學習的模塊，為軟件的使用提供了廣闊空間，為延伸計算提供了可靠的數據支撐，提升了飛機性能評估的工作效率，加強了飛行程序設計的軟件實力，減少了使用者因為設計差異而產生的不便。飛機爬升、下降與機動飛行階段性能計算軟件面向的對象是飛機性能工程師、在校教學的老師和學習的學生。該軟件能最大限度的服務于這三類用戶，能在飛機爬升、下降和機動飛行階段性能計算時實現定向、簡潔和快速的效果。