一種基于全程凈航跡的越障判定方法研究

朱文龍，余江

（中國民用航空飛行學院飛行技術學院，廣漢618300）

0 引言

在地形復雜機場，一發失效情況的應急程序常常持續數十公里，覆蓋起飛飛行航跡的1-4個段，為滿足運行規章在一發失效情況下的越障要求，常常需要構建整個起飛飛行凈航跡以表明規章符合性，這在RNP一發失效起飛應急程序設計中更是如此。

民航客機為確保飛機安全，要求在起飛中任意一點一發失效時，起飛飛行航跡的凈航跡能夠以運行規章要求的裕度安全越障。為確保這一點，航空公司在實際運行中，是通過預先進行詳細起飛分析，并在需要時制定起飛一發失效應急程序來完成的。這種工作中，大部分機場只需考慮凈航跡飛越近距（距跑道頭10km左右）或中距（距跑道頭20km左右）范圍、在第2段或第3段飛越障礙物即可。然而，在中國西部的青藏高原、云貴高原和其他地區的復雜地形機場，起飛飛行航跡往往需要延伸至40km、70km甚至100km，必須構建包括起飛飛行航跡4個段在內的完整凈航跡進行越障裕度判定，才能確保滿足規章要求。

這類分析中，大量依賴制造商提供的性能軟件來進行。例如，對于波音機型，這些軟件包括：計算起飛分析表的BPS、計算航跡的BCOP。問題在于：性能軟件只能輸出標準二段模式（第3段使用起飛復飛功率TOGA加速）直線離場的第3段總航跡和凈航跡長度。在實際運行中經常面臨的延伸2段模式（第3段使用最大連續MCT加速），性能軟件不能輸出第3段凈航跡長度。另外，一發失效下在第3段轉彎，也是實際中經常遇到的，這種情況下軟件按直線離場輸出的總航跡與凈航跡長度數據也不再有效。性能軟件的這些問題使得在復雜情況下構建整個起飛飛行凈航跡成為不可能。空客飛機性能軟件也存在同樣的問題。

在不可能得到機型的核心數據（例如：推力、氣動數據）情況下，如何根據航跡模擬性能軟件BCOP輸出的總航跡數據，正確計算各種情況下的凈航跡數據，特別是第3段凈航跡數據，成為民航實際運行中必須面臨的問題。目前，這一問題并沒有得到很好的解決，特別是在正在大力推廣的RNPAR一發失效應急程序設計中更是如此。

1 規章要求

起飛飛行航跡（Takeoff Flight Path-FAR 25.111）是一發失效起飛對應的航跡。它的起點是起飛離地35ft的點，終點是以下兩點中的較高者：

·高于起飛表面1500ft的航跡點；

·完成從起飛構形到航路構形的過渡（即收上襟、縫翼和起落架）并達到最后爬升速度（1.25倍傳統失速速度）的航跡點，通常為最大升阻比速度（即空客飛機所稱的綠點速度）。

起飛飛行航跡分為4段（FAR 25.121），如圖1所示。

第1段從35ft開始，止于起落架收完，發動機TOGA，飛機保持V2恒表速。

第2段從起落架收完開始，止于開始收襟翼高度，開始收襟翼的高也稱為改平高或加速高，規章要求最低為400ft，該段中發動機TOGA，飛機保持V2恒表速。

第3段從開始收襟翼到襟翼全收，并加速到最后爬升速度。如果該段結束點在TOGA時限內（5分鐘或10分鐘），則第3段全部在TOGA下加速，稱標準二段模式；如果該段結束點不能在TOGA時限內完成，則第3段需全部或部分在最大連續推力MCT下加速，這種情況稱為延伸2段模式。延伸2段可得到較標準2段更大的改平高。

第4段飛機處于干凈構型，發動機使用MCT恒表速上升。

飛機實際飛過的起飛飛行航跡，稱為總航跡（Gross）。總航跡上任意一點通過減小規定的上升梯度得到的航跡，稱為凈航跡（Net）。這個規定的梯度減小量（FAR 25.115）雙發飛機為0.8%。規章要求（FAR 121.189），起飛飛行凈航跡至少要高出障礙物35ft（直線離場）和50ft（轉彎離場）。

圖1起飛飛行航跡的四段劃分和越障要求

規章（FAR 25.111）要求：從飛機達到高于起飛表面400ft開始，起飛飛行航跡的每個點的可用爬升梯度，對于雙發飛機不得小于1.2%。這個可用爬升梯度可以被轉換為加速能力，這就是第3段作為平飛加速段的根據。由于凈航跡的可用爬升梯度比總航跡可用爬升梯度低0.8%（雙發飛機），凈航跡平飛段的加速度更低，因此，凈航跡第3段的長度要比總航跡的更長。

只有確定了凈航跡第3段的長度，第4段凈航跡的確定才成為可能。而波音、空客性能軟件目前均無法輸出復雜情況下第3段凈航跡的長度數值，從而導致第4段凈航跡也無法確定。下面給出這個問題的兩種解決方案。

2 簡化計算法

該算法只需知道總航跡的長度和梯度數據，即可得到整個起飛飛行航跡凈航跡。

如圖2所示，第3段凈航跡長度由L1、L2兩部分組成。L1和第3段總航跡長度相同，由總航跡減去0.8%梯度差得來；L2則有總航跡第4段梯度減去0.8%梯度得到。第3段凈航跡長度為L1、L2之和。

圖2起飛凈航跡第3段簡化算法

根據規章中凈航跡的定義，第3段凈航跡長度僅受第3段可用爬升梯度影響，和第4段爬升梯度無關。因此這一簡化算法存在天然的誤差。

3 定義計算法

飛機爬升時的受力情況可用圖3來表示，其中T,W,V,γ分別為推力、重力、速度和爬升角。

圖3起飛爬升飛機各力示意

因此，只要推力大于所有阻力之和，飛機將所有能量用于爬升（保持恒真空速），得到一個最大可用爬升梯度；或將所有能量用于平飛加速，得到一個加速度；或將能量同時用于加速或爬升，其分配比例可為任意數值。

通過上述分析，可通過第3段總航跡數據，計算得到第3段凈航跡數據。首先計算總航跡的加速度，進而得到其對應的可用爬升梯度。總航跡可用爬升梯度減去0.8%，可得到凈航跡的可用爬升梯度，進而轉化成凈航跡的加速度，從而得到凈航跡的長度。

4 算例分析

下面以江北機場（普通機場）和九黃機場（高高原機場）數據為例，使用B737-700/7B24機型和B737-800/7B26機型分別進行性能計算，起飛分析表軟件BPS在同一條件下的起飛飛行航跡結果進行了對比。

江北機場與氣象數據：跑道標高411米，外部大氣溫度為月平均最高氣溫32攝氏度，靜風，標準海壓。起飛滑跑可用距離、起飛可用距離、加速停止可用距離均為3200米，干道面，跑道坡度0%，無障礙物。

九黃機場與氣象數據：跑道標高3447.7米，外部大氣溫度為月平均最高氣溫26攝氏度，靜風，標準海壓。起飛滑跑可用距離、起飛可用距離、加速停止可用距離均為3370米，干道面，跑道坡度0%，障礙物選取如表1。

表1 九黃機場障礙物

機型數據：①737-700/CFM56-7B24，結構限重69399kg，最優構型Flap 1，空調自動、防冰關。標準二段模式，平衡V1策略；②737-800/CFM56-7B26，結構限重79010kg，最優構型Flap 1，空調自動、防冰關。標準二段模式，平衡V1策略。

4.1 江北機場，737-700/CFM56-7B24機型

BPS點計算出的改平總航跡高度范圍是122m至293m；改平凈航跡高度范圍是85m至200m；改平總航跡長度范圍是14867m至22347m；改平凈航跡長度范圍是17635m至25358m；第二段總航跡的爬升梯度是2.5，凈航跡的爬升梯度是1.7；第四段總航跡的爬升梯度是3.3，凈航跡的爬升梯度是2.5。

表2 江北機場，737-700/CFM56-7B24機型結果總結

4.2 江北機場，737-800/CFM56-7B26機型

BPS點計算出的改平總航跡高度范圍是122m至292m；改平凈航跡高度范圍是84m至195m；改平總航跡長度范圍是15904m至23803m；改平凈航跡長度范圍是19533m至27893m；第二段總航跡的爬升梯度是2.4，凈航跡的爬升梯度是1.6；第四段總航跡的爬升梯度是3.0，凈航跡的爬升梯度是2.2。

表3 江北機場，737-800/CFM56-7B26機型結果總結

4.3 九黃機場，737-700/CFM56-7B24機型

BPS點計算出的改平總航跡高度范圍是192m至464m；改平凈航跡高度范圍是146m至350m；改平總航跡長度范圍是15274m至23979m；改平凈航跡長度范圍是17596m至26638m；第二段總航跡的爬升梯度是3.5，凈航跡的爬升梯度是2.7；第四段總航跡的爬升梯度是3.5，凈航跡的爬升梯度是2.7。

表4 九黃機場，737-700/CFM56-7B24機型結果總結

4.4 九黃機場，737-800/CFM56-7B26機型

BPS點計算出的改平總航跡高度范圍是190m至469m；改平凈航跡高度范圍是146m至357m；改平總航跡長度范圍是15562m至24681m；改平凈航跡長度范圍是17930m至27552m；第二段總航跡的爬升梯度是3.7，凈航跡的爬升梯度是2.9；第四段總航跡的爬升梯度是3.6，凈航跡的爬升梯度是2.8。

表5 九黃機場，737-800/CFM56-7B26機型結果總結

5 結語

通過使用不同機場，不同機型，不同改平高來進行對比驗證，在性能軟件凈航跡數據為基準，使用的兩種計算中，均可給出保守一側的結果，但簡化計算法存在天然的缺陷，無法確保復雜情況下其結果是否仍偏向保守側，基于定義的計算法則更好地從保守側靠近性能軟件的輸出結果，且具有處理任意復雜情況下，可用爬升梯度變化的情景。因此計算凈航跡方面，定義計算法優于簡化計算法。進一步，在BCOP計算的總航跡基礎上，定義計算方法可計算得到在包括延伸2段和第3段轉彎等復雜情況下的整個起飛飛行凈航跡，從而使得全程判斷凈航跡的規章符合性成為可能。