基于飛行過程中V1 的深度研究論文
在我們的日常飛行過程中會(huì)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(shù)據(jù)為我們搭建了一個(gè)飛機(jī)操作的三維空間，在這個(gè)三維空間之內(nèi)飛行是安全的，而這個(gè)三維空間之外的區(qū)域就是飛行的“禁區(qū)”，一般說嚴(yán)禁將飛機(jī)操作到這個(gè)三維空間之外。這個(gè)三維空間就是飛機(jī)的包線，包線實(shí)際體現(xiàn)了一架飛機(jī)的性能。包線范圍越寬，證明飛機(jī)對(duì)外界因素的適應(yīng)性越強(qiáng)，性能也就越好，反之亦然。在飛行包線中有一個(gè)重要的速度——V1，它是一個(gè)決斷速度，它可以決定當(dāng)飛機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重故障，例如但不限于發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，飛機(jī)是停在地面上還是繼續(xù)起飛，所以了解V1的確定過程對(duì)于保證起飛的安全至關(guān)重要。
根據(jù)美國聯(lián)邦航空條例第25 部107 款(FAR 25.107)以及歐洲聯(lián)合航空條例第25 部107 款(JAR 25.107)的定義，V1是一個(gè)修正表速，這個(gè)修正表速是如果需要中斷起飛時(shí)可以保證飛機(jī)停在跑道的限制范圍內(nèi)的機(jī)組能夠決定中斷起飛的最大速度。V1本來應(yīng)是在這一刻飛機(jī)的關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，同時(shí)飛行員識(shí)別故障，做出決定并開始中斷的第一個(gè)動(dòng)作。但是由于飛行員發(fā)現(xiàn)故障、識(shí)別故障、做出決策并開始動(dòng)作都需要一定的時(shí)間，所以如果發(fā)動(dòng)機(jī)是在V1時(shí)刻故障的，那飛行員做出中斷起飛的第一個(gè)動(dòng)作時(shí)飛機(jī)的速度已經(jīng)超過V1了，這明顯不符合“V1是機(jī)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(duì)V1做出了特別的限制，以保證提供給飛行員合適的反應(yīng)時(shí)間，我們將在后文中具體闡述25 部107 款的有關(guān)限制。
我們每次起飛都將跑道的性能實(shí)用完了嗎?不記得!很多時(shí)候當(dāng)飛機(jī)到達(dá)跑道道面的盡頭時(shí)飛機(jī)的高度已經(jīng)好幾百英尺了，或者說飛機(jī)剛剛用了一半的跑道甚至還不到飛機(jī)就離地了，還有很長一截跑道被浪費(fèi)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(jī)離地時(shí)需要克服重力，也就是說只要重量一定了，針對(duì)同一條跑道以及相同的大氣環(huán)境，飛機(jī)離地的速度也就固定了，那跑道的性能就靠調(diào)整V1來達(dá)到。V1的變化范圍必須保證在V1時(shí)中斷能在跑道鋪設(shè)的道面內(nèi)停下來，又要保證V1后發(fā)動(dòng)機(jī)失效繼續(xù)起飛所需要的爬升越障性能。
對(duì)于廣大飛行員來說，總是希望最好不要將嚴(yán)重的故障帶到空中來處理，這種愿望就可以通過V1達(dá)到，但是V1確定的依據(jù)是什么呢，也就是說V1是在什么范圍之內(nèi)呢?在確定V1之前需要先介紹幾個(gè)場長以及速度的概念：
(1)VMCG：地面最小操縱速度。根據(jù)FAR/JAR25 部149 款的定義，VMCG是飛機(jī)在起飛滑跑時(shí)，當(dāng)飛機(jī)在VMCG時(shí)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效，僅靠空氣動(dòng)力控制就可以使飛機(jī)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(dòng)力”的意思是不使用前輪轉(zhuǎn)彎裝置。VMCG的確定是保證關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)滑跑的側(cè)向安全，根據(jù)V1的定義，V1以前的發(fā)動(dòng)機(jī)推力喪失需要中斷起飛，中斷后的滑跑需要保證飛機(jī)的安全，飛機(jī)必須能在跑道的寬度范圍內(nèi)停下來，所以V1必須得大于VMCG。
(2)V2：是當(dāng)在V1后發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)故障，繼續(xù)起飛時(shí)飛機(jī)爬升到高出跑道表面35 英尺時(shí)必須達(dá)到的最小的爬升速度，它必須保證飛機(jī)的可操縱性和安全性。這里的可操作性是指飛機(jī)的舵面有足夠的操縱效率來維持飛行的軌跡，并且，飛機(jī)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(jī)在JAR 中的失速速度的特別表示方法)來表述。由于這兩個(gè)速度與文章聯(lián)系不強(qiáng)，所以在此不做仔細(xì)描述。可以用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)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(dá)到V2的速度。由于抬頭時(shí)飛機(jī)已經(jīng)不可能再回到地面上，所以飛機(jī)的安全性仍然使用VMCA來描述。VR與VMCA的關(guān)系式VR≥1.05VMCA。VR與V2的關(guān)系是V2=VR+在跑道表面上空達(dá)到35 英尺之前獲得的速度增量。VR與V1的關(guān)系式VR>V1。
(4)起飛距離(TOD)：起飛距離是飛機(jī)從松剎車滑跑開始到飛機(jī)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(qū)分干、濕跑道：
a.干跑道：如果所有發(fā)動(dòng)機(jī)都工作的正常起飛，其起飛距離為從松剎車開始到飛機(jī)高于起飛表面上空35 英尺所需實(shí)際距離TODN(N 為所有發(fā)動(dòng)機(jī)都工作)的115%;如果從松剎車開始到VEF(關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度，VEF≥VMCG)，關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效，再到飛機(jī)高于起飛表面上空35 英尺所需實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)中取大者，其中一個(gè)是TOD 干，另外一個(gè)是TODN-1 濕，即TOD 濕=max{TOD 干，TODN-1 濕}。此處的TODN-1 濕只要求飛機(jī)達(dá)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(jī)在最遲35 英尺時(shí)達(dá)到V2。
(5)加速停止距離(ASD)：如果飛機(jī)在V1發(fā)動(dòng)機(jī)失效需要中斷，那么從松剎車開始滑跑開始到飛機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)失效和其它嚴(yán)重系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)失效引起的中斷所需要要的停止距離，ASDN-1 干=飛機(jī)所有發(fā)動(dòng)機(jī)加速到VEF (發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度，VMCG≤VEF≤V1) 所用的距離+VEF時(shí)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效且飛行員在V1 時(shí)開始中斷起飛的第一個(gè)動(dòng)作(FAR/JAR 25.109 規(guī)定VEF到V1之間的時(shí)間是1 秒) 所用的距離+以V1速度運(yùn)動(dòng)2 秒所用的距離+飛機(jī)完全停下來所用的距離(不用反推且機(jī)輪剎車在允許范圍內(nèi)最嚴(yán)重的磨損程度);而ASDN 干則是考慮由于其它嚴(yán)重系統(tǒng)故障引起的中斷起飛所需要的滑跑距離，ASDN 干=飛機(jī)所有發(fā)動(dòng)機(jī)加速到V1所用距離+以V1速度運(yùn)動(dòng)2 秒所用的距離+在V1時(shí)開始中斷的第一個(gè)動(dòng)作(沒有任何發(fā)動(dòng)機(jī)失效)至飛機(jī)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(jī)離地時(shí)的速度VLOF是飛機(jī)升力等于重力的速度，也就是說當(dāng)飛機(jī)的重量以及外界大氣條件固定了，VLOF是一個(gè)固定不變的常量，VLOF固定了，V2也就相對(duì)固定了，不論V1怎么變化，V2是固定的，也就是說對(duì)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(gè)范圍內(nèi)變化的，限制這個(gè)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(gè)廣義的范圍，它還包括停止道和凈空道。V1的變化范圍：當(dāng)重量一定時(shí)，如果假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)在V1以后失效，飛機(jī)需要繼續(xù)起飛，那增大V1將會(huì)使全部發(fā)動(dòng)機(jī)都工作的加速階段長一些，并且由于需要繼續(xù)起飛，VLOF是固定的(因?yàn)榇藭r(shí)升力≥重力，而重量是一定的)，飛機(jī)是否離地與V1無關(guān)，也就是說無論V1大小，只要發(fā)動(dòng)機(jī)失效在V1以后飛機(jī)需要繼續(xù)起飛，都需要加速至VLOF。所以飛機(jī)在35 英尺高度上達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)沒有失效，那可以說飛機(jī)的性能與V1無關(guān)，只與VR和V2有關(guān)，所以TODN 和TORN 與V1無關(guān)。總結(jié)地說就是V1的`增大會(huì)使單發(fā)后的起飛爬升性能變好(重量一定)。從另一方面來說，當(dāng)重量一定時(shí)，如果假定飛機(jī)在V1前出現(xiàn)嚴(yán)重故障導(dǎo)致在V1開始中斷動(dòng)作，那么加大V1將會(huì)導(dǎo)致ASD 的增加：當(dāng)出現(xiàn)的是發(fā)動(dòng)機(jī)故障引起的中斷時(shí)會(huì)導(dǎo)致ASDN-1增加：而如果是其它方面的故障或警告需要中斷時(shí)，如風(fēng)切變警告等，V1增大將會(huì)導(dǎo)致ASDN增加。這是因?yàn)閺乃蓜x車加速到一個(gè)較大的V1所需要的距離較長，而中斷(所有發(fā)動(dòng)機(jī)都工作)時(shí)從一個(gè)較大的V1減速到零所需要的距離也較長。
當(dāng)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(shí)就可以理解為達(dá)到了當(dāng)前重量的最大V1，如果再增加V1將導(dǎo)致V1前中斷時(shí)飛機(jī)可能會(huì)沖出鋪設(shè)的道面，這種可能性會(huì)隨著中斷時(shí)的速度的增加而大大增加，也就是說鋪設(shè)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(shí)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(dá)場面上空英尺高度時(shí)需要達(dá)到的速度，而場面的長度應(yīng)限制在可用起飛距離(TODA，TODA=TORA+凈空道)之內(nèi)，如果假設(shè)飛機(jī)正好在凈空道的末端達(dá)到35 英尺并且速度達(dá)到V2，那如果減小V1，當(dāng)V1時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，那飛機(jī)只使用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)(雙發(fā)飛機(jī))從V1加速至VR所需的距離將比較大的V1時(shí)所用的距離長，從而導(dǎo)致到凈空道末端時(shí)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(shí)際上是TODA 限制了V1的最小范圍，而且由于V1后如果因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)失效需要繼續(xù)起飛，不僅需要保證飛機(jī)在剖面上保證35 英尺以及V2等爬升性能，還需要保證飛機(jī)的橫側(cè)軌跡的安全，也就是說要保證飛機(jī)在V1后單發(fā)加速至VR的這一段單發(fā)滑跑過程中飛機(jī)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。
V1變化范圍受距離的影響。滑跑軌跡的控制通過VMCG來表達(dá)，離地后的航跡控制通過VMCA來表達(dá)。用文字表述V1,V2,VMCG,VMCA之間的關(guān)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(shù)學(xué)表達(dá)式就是VMCG≤V1≤VRVMCA。現(xiàn)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(gè)比較理想的V1 值，它既能最大化滿足飛機(jī)爬升越障的需要(較大的V1)，又要在需要中斷起飛時(shí)在跑道道面內(nèi)停下來(較小的V1)呢?根據(jù)前文我們知道當(dāng)V1增加時(shí)加速停止距離會(huì)增加，但是單發(fā)起飛距離會(huì)較小， V1與ASD 和TODN-1的關(guān)系，其中的TODN由于不涉及到單發(fā)中斷或單發(fā)起飛爬升，只是一個(gè)正常的起飛，所以V1的大小與一個(gè)正常的起飛沒有關(guān)系，TODN是一個(gè)常量。圖中ASD 曲線與TODN-1的曲線相交處可以得到一個(gè)V1值，在這個(gè)V1值可以達(dá)到中斷性能與單發(fā)爬升性能的妥協(xié)，也就是在這個(gè)V1可以達(dá)到最小的距離，這個(gè)V1被稱為平衡V1，其對(duì)應(yīng)的場長稱為平衡場長。這里的“平衡”是指中斷性能與單發(fā)爬升性能的平衡，而不是指在這個(gè)速度中斷的話飛機(jī)一定會(huì)正好在跑道鋪設(shè)的道面盡頭停下來，實(shí)際停下來的位置可能距鋪設(shè)的道面盡頭還會(huì)有相當(dāng)?shù)木嚯x。
最后再來討論一下報(bào)V1的時(shí)機(jī)，有時(shí)我們考慮中斷時(shí)滑跑的安全性會(huì)在V1前5 節(jié)左右就報(bào)V1了，其實(shí)這種做法并不是非常合理：根據(jù)FAR/JAR25 部107 款的規(guī)定，“從發(fā)動(dòng)機(jī)在VEF (發(fā)動(dòng)機(jī)故障速度)故障到飛行員在V1時(shí)判斷發(fā)現(xiàn)故障之間所考慮的時(shí)間為1秒鐘”，如果按靜止加速到V1平均加速度計(jì)算需要40 秒，那提前5節(jié)的速度報(bào)V1就提前了1 秒鐘以上，這樣就可能將VEF放到報(bào)出的V1之后，飛行員不得不繼續(xù)起飛，將本來用中斷起飛來處置的發(fā)動(dòng)機(jī)失效帶到空中來處理，大大增加了處置難度和危險(xiǎn)性，這也是具有自動(dòng)報(bào)話功能的飛機(jī)會(huì)準(zhǔn)確報(bào)V1的原因。
關(guān)于中斷時(shí)的距離方面，1978 年3 月1 日生效的FAR25 部第42 次補(bǔ)充條款要求在計(jì)算ASD 時(shí)還要考慮“V1速度后有2 秒鐘的連續(xù)加速，而接下來才是飛行員采取任何將飛機(jī)停下來的動(dòng)作”，雖然1993 年后JAA 與FAA 達(dá)成一致將“V1后2 秒鐘的連續(xù)加速”用“以V1速度運(yùn)動(dòng)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(jī)重量、中斷起飛的時(shí)機(jī)和動(dòng)作是正確的，保證飛機(jī)中斷起飛時(shí)在鋪設(shè)的道面內(nèi)停下來是有法律依據(jù)的。綜上所述，了解了V1相關(guān)的概念和理論之后，對(duì)于我們理解起飛時(shí)V1有重要意義，V1是個(gè)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(shí)作為機(jī)長的你即可根據(jù)當(dāng)時(shí)機(jī)場周邊的地形和天氣情況去有依據(jù)的抉擇，做到心中有數(shù)，從而保證安全。
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