Transcript 第三章上升巡航下降性能
第三章 飞机上升、下降 和巡航性能 1 本章主要内容 3.1 上升性能 3.2 下降性能 3.3 巡航性能 2 3.1 上升性能 从飞机起飞结束（1500英尺）到达规定的巡航速度和高 度的过程，称航线爬升。民航运输机典型航线上升程序为： 在中低空保持等表速上升，在高空保持等M数上升。 1，典型航线上升剖面 H 场 TOC 道 起飞航道 等表速 (250kt) 加速 等表速 或M数 加速 巡航 Hc TOC上升顶点 Top of Climb 10000 转换高度 1500 35 A 3 B C D E F 2，等表速等M数航线上升性能分析 中低空保持等表速上升时，随高度增加，上升梯度和 上升率逐渐减小；高空保持等M数上升时，随高度增加， 上升梯度和上升率逐渐增大。 典型航线上升程序的表示方式：250/290/0.78 平流层内，音速不变，保持等M数真速不变，所以上 升梯度和上升率不变。 1500ft 4 3，航线上升方式 3.1 按照爬升效果： • 爬升时间最短的爬升 • 爬升航段燃油最省爬升 • 成本最低的爬升 • 减推力爬升 不同的航线上升方式体现在不同的表速/M数组合 3.2 按照爬升速度： 5 4，航线上升性能图表 引例：飞机在1500英尺的重量为220000磅，求上升到37000英尺的上升时 间、上升油耗和上升距离？ 航线上升时间的确定 巡航H37 时间0.36 初始W220 6 航线上升油耗的确定 油耗4900 巡航H37 初始W220 7 航线上升（水平）距离的确定 距离145 巡航H37 初始W220 8 3.2 下降性能 飞机从巡航终点下降到进近开始点（离地1500英尺） 的过程称为下降。典型民航运输机下降程序为：双发慢车， 全收外形，先保持等M数然后保持等表速下降。此速度一 般大于下降最小阻力速度。 1、典型下降剖面 TOD下降顶点 Top of Descend H 巡航 TOD 减速到 等表速 250kt 转换高度 等M数 Hc 进近着陆 10000 1500 A 9 B C D 2，等M数等表速下降性能分析 高空保持等M数下降时，随高度降低，表速逐渐增加， 下降率增大；中低空保持等表速下降时，随高度降低，M 数逐渐减小，下降率减小。 典型航线下降程序的表示方式： 0.78/290/250 和航线上升一样，除平流层外，下降过程不是定常运动状态。 3、下降方式 • 低速下降 • 高速下降 10 • 燃油最省下降 4，下降性能的确定 引例：飞机下降高度37000ft，着陆重量170000lb，求下降距离？ 11 5、应急下降 使用应急下降的典型情况：座舱失压 5.1 应急下降程序设计 应急下降时，应断开自动油门并收到慢车，放 出扰流板，推杆使飞机以预定俯角10度转入下降， 但不得出现负过载；为尽快使飞机下降，可配合采 用转弯的方法；在应急下降中，应放下起落架。 12 放起落架时，飞行速度不得超过规定值。 主系统：VLO=270/0.82 备用系统： VLO=250/0.75且放下后速度不大于270/0.82 5.2 应急下降注意事项 1.如果在应急下降的过程中遇到扰流，应把速度 增大到290Kt；如果起落架此时在放下位置，应收 起起落架。 2、如果在应急下降过程中遇到结冰区，应接通发 动机防冰系统。 3、如果是飞机结构损坏进行应急下降，应尽可能 的选用较小的速度。 注意：改平高度为最低安全高度和氧气系统容量高 度的较高者。 13 供氧介绍 14 旅客氧气的要求 15 氧气系统的限制 16 性能限制 17 3.3 巡航性能 3.3.1 典型巡航剖面 等 阶梯巡航 M 等 数 等 表 表 等表速 速 速 等表速 场 转换高度 250kt 道 250kt 进 至 起飞 限速 限速 近 航道 10000ft 10000ft 35 着 滑 滑 ft 陆 出 1500ft 1500ft 入 等 M 数 净航程 轮挡时间和油耗 18 轮挡油耗：从停机坪滑出到完成飞行任务后滑入停机 坪，这中间的油耗为轮挡油耗，经过的时间为轮挡时 间。 等待时间：国际航线<=30min，国内航线<=45min 3.3.2 起飞前加装的储备燃油 起飞前飞机加装的油量应等于飞往目的机场的用油 （从滑出停机坪到目的地机场着陆）加上储备燃油。 1）应急燃油 2）等待燃油 3）飞往备降机场的燃油 19 3.3.3 平飞巡航性能分析 海里耗油量（CK）：每飞行1海里所消耗的油量 CK ﹦﹣dW/dL 单位：lb(油)/nm 航程燃油比（CR）：每消耗1磅燃油可以获得的航程 CR ﹦﹣dL/dW ﹦1/CK 单位：nm/lb(油) 小时耗油量（Ch）：飞行1小时的耗油量 Ch ﹦CK .V ﹦CK . Ma 单位：lb(油)/h 燃油消耗率（Ce）：每产生1磅推力，每小时所耗燃油 Ce ﹦Ch/T平﹦CK.Ma/T平﹦CK.MKa/W 单位：lb(油)/h.lb(力) 为研究飞机的航程，需深入研究海里耗油量（CK） 20 海里耗油量（CK）：每海里所耗燃油 CK ﹦﹣dW/dL （1） 燃油消耗率（Ce）：每产生1磅推力，每小时所耗燃油 Ce ﹦Ch/T平﹦CK.Ma/T平﹦CK.MKa/W （2） 将(1)式CK带入(2)式： aMK dW dL C W e aMK W始dW aMK W始 L ln Ce W终 W Ce W终 aMK 称为航程因子，单位为海里 C e 在开始和结束重量一定条件下，要获得最大航程，应使 航程因子最大，应使气动效率MK最大。（对流层a和Ce变 化不大）。 21 3.3.4 典型平飞巡航方式 等值MK曲线： 气动效率MK与 CL和M相关， MK最大对应唯 一一个CL和M Mkmax=13.84 CL=0.5 M=0.793 22 1、M数保持不变的巡航方式 等M数最大航程巡航（MRC - Maximum Range Cruise） aMK W始dW aMK W始 L ln W终 Ce W Ce W终 以Mkmax飞行 平飞时： 从气态方程： 从音速公式： 最后得到 23 代入上式 对于公式 每给定一个W/δ,可得到一条CL-M曲线,将其画于等值MK曲线上 W/δ=0.9×106 曲线上每点代表一 个平飞状态 24 结论： 等M数巡航，欲使航程最大即等M数MRC巡航，要求飞机 状态始终保持在等值MK曲线上Mkmax处，要求W/δ保持常值， 即随W逐渐减小，对应的巡航高度逐渐增加。 25 实际飞行中，为满足ATC要求，采取阶梯巡航来实现高度逐 渐增加的要求，将巡航分成若干段，用每段的平均W确定H。 理论最优轨迹 阶梯巡航轨迹 26 MRC的好处在于给定距离的油耗是最少的，它还对应 在给定重量下飞机能够飞行的最大距离。 MRC的不足在于最大航程巡航速度接近第二速度区， 速度稳定性差，操作性和经济性较差。 27 等M数长航程巡航（LRC - Long Range Cruise） 等M数LRC：增大飞行Ｍ数，使MK比最大值低1%的巡航。 MRC巡航 状态点 MKmax13.84 LRC巡航 状态点 此环上各点MK相 等,均比 Mkmax 降低1%即13.7 MMRC=0.793 28 MLRC=0.798 结论： 等M数LRC巡航，要求飞机状态始终保持在等值MK曲线 上比Mkmax小1%的最大速度处，随W逐渐减小，对应的巡航 高度逐渐增加。 LRC航程比MRC航程小1%，LRC巡航高度略高于MRC。 29 LRC vs MRC MRC = Maximum Range Cruise (speed for best fuel mileage) LRC = Long Range Cruise (speed for 99% best fuel mileage) 1% Fuel Mileage MRC LRC Cruise Mach Number LRC巡航以燃油里程降低为代价，换取较大的速度增加， 故LRC被广泛采用。 30 2、飞行高度保持不变的巡航方式 飞行高度保持 不变巡航时， 随W的逐渐降 低，W/δ逐渐 降低，对应的 W/δ曲线逐渐 下移 31 随着巡航过程 的继续，曲线 持续下移 等高最大航程巡航（MRC） 在H和W一定时 (W/δ一定)，为 使航程最大，应 选等值MK环与 W/δ曲线切点对 应的M数飞行。 某重量对应 的W/δ曲线 和W/δ曲线相 切的等值MK环 结论： 等高MRC巡航，随 W↓，飞机状态点 沿等高MRC虚线从 上向下移动，M先 增后减。 32 巡航中随重量降 低飞机状态点的 移动过程 该重量对应的等 高MRC马赫数 等高长航程巡航（LRC） 等高LRC巡航， 减小该重量对应 的MKmax1%的等 值MK环与W/δ曲 线右交点对应的 M数飞行。 MK减小1%环 该重量对应 的MRC 结论： 等高LRC巡航，随 W↓，飞机状态点 沿等高LRC虚线从 上向下移动，M先 增后减。 33 等高MRC 该重量对应 的LRC 等高LRC 3、等高等M数巡航 为前面两种巡航方式的折衷，性能低于前面两种巡航方 式，但便于人工操纵飞行。 4、短航程巡航 350Nm以下的航程叫短航程。 在短航程飞行中，应考虑上升、下降段的油耗，使整个 飞行过程的平均海里耗油量最小。 短航程巡航时，为降低上升油耗（略下降影响），应适 当降低巡航高度，使总的性能变好。 34 5、一发失效巡航和飘降 （1）一发失效飞行性能分析 ● 高度能力↓ 一发失效高度能力：LRC速度巡航，油门最大连续MCT，净 上升梯度不小于1.1%的最大飞行高度。 例如：某双发机重200klb，双发高度能力37000ft（图3.21）， 收起落架一发失效高度能力22300ft(表3-7)，放起落架一发 失效高度能力5300ft (表3-8)。 ● 远航高度↓，远航M数↓，航程↓(在各自的远航高度) 例如：某双发机重200klb，全发远航高度/马赫数为36700 /0.8(表3-6)，收起落架一发失效时为23000/0.639(表3-9)， 放起落架一发失效时为8000/0.378(表3-9)。 ● 双发飞机全发和单发在同一高度巡航时，航程相近。 (中低空) 35 （2）一发失效后的飘降 一发失效后程序设计：首先用杆、舵平衡好飞机，并把发动 机油门加到最大连续推力状态，飘降至相应的改平高度。 飘降：巡航中一台发动机失效，工作发动机设为最大连续状 态MCT，平飞减速至有利飘降速度，然后保持该速度作等表 速下降至较低高度的过程。 有利飘降速度是指以最大连续推力使下降角最小对应的速度， 该速度略小于VMD （最小阻力速度）。 飘降改平高度满足飘降的净航迹至少高于障碍物2000ft，在 改平点至少应高出障碍物1000ft的要求。 36 飘降改平后的飞行方式： 1） 保持有利飘降速度巡航，随着W减小，H逐渐升高。 2） 高度不变的LRC速度巡航。 3） 降低高度到最大巡航的远航高度，作MRC巡航。 37 FAR 25.123 ：一发失效后按净航迹越障 FAR 121.191 ：至少满足下列两个条件中的一个 1）在航路上，净航迹的梯度必须至少高出所有地形和障碍 物1000ft，并且，在着陆机场上空1500ft的高度，净航迹必 须具有正梯度。 2）净航迹必须允许飞机从巡航高度继续飞往可以着陆的机 场，以2000ft越过航线上的所有地形和障碍物，并且，在着 陆机场上空1500ft的高度，净航迹必须具有正梯度。 38 39 飘降性能的确定 40 39000ft 例：飞机重量 200klb, 开始 飘降39000ft， 改平高度 23000ft,确定 飘降时间、油 耗及前进距离。 燃油5000 时间 47分 距离 265nm 41 42 3.3.5 影响航程的重要因素 1、风的影响 ● 顺风，航程↑；逆风，航程↓ ● 侧风，航程↓，(由于需用改变航向法对偏流进行修正) ● 梯度风（风速随高度变化的风），使用风速因子表。 风速因子表的使用方法： 1）根据飞行高度和飞行重量，从表中找到对应的风速因子。 2）确定飞行高度的实际风速。 3）试选择一个预定的飞行高度。 4）以预定飞行高度的风速因子减去当时飞行高度的风速因 子，求出差值，差值可正可负。 5）把当时的飞行高度的实际风速与上述差值相加，求出等 值风速。 43 如果预计飞行高度的实际风速小于等值风速，或者顺风速 大于等值风速，则改变到预计飞行高度，可以增加航程； 否则，改变高度反而会缩短航程。 同一重量下，不同高度，风速如表中所值，则航程相同。正值 代表顺风。 44 例：飞机飞行高度31000ft，实际逆风速-20kt，重量210000lb， 预计把飞行高度增加到35000英尺，预报风速-25kt，问：到达 预定高度飞机航程增大还是减小。 45 解： 查表可得 210000lb，31000ft对应的风速因子为16kt； 35000ft对应的风速因子为0kt；差值为0-16=-16kt。 又因为31000ft实际风速为-20kt， 故 等值风速为-16+（-20）=-36kt； 由于预计高度35000ft的风速为逆风25kt小于等值风 速，因此若将飞行高度从31000ft升高到350000ft，可增 大航程。 2、气温的影响 气温增加，航程减小，航时缩短。 3、起落架的影响 放起落架，远航高度/马赫数减小，航程航时缩短。 4、飞行高度偏离远航高度 偏离最佳高度，航程航时缩短。(见表3.14) 46 3.3.6 空中等待飞行（久航飞行） 久航飞行是指小时燃油消耗量最小，空中持续飞行时间最 长的飞行状态，常用于等待飞行。 以VMD (Kmax)对应 的M数飞行，Ch最 小，出于稳定性 操纵性考虑，实 际等待速度大于 该值。 47 3.3.7 运输飞行的经济性 ● 运输成本构成 总成本=间接营运成本（IOC) + 直接营运成本（DOC) IOC：地面资产的维护、折旧、服务、管理、销售等费用， 这部分成本与飞行无直接关系。 DOC：一次飞行的总费用，包括：燃油费、飞机折旧费、 技术服务维修费、机组和机上人员计时工资、保险费以 及航空港使用费等。DOC与飞行直接有关，如不进行该 航班飞行，则无这部分费用。 ● 直接营运成本DOC – Direct Operating Cost DOC=Q油+Q时+Q定 = C油×W油 + C时×T + Q定 C时：时间成本，除油费外，每小时支付的费用($/hour) C油：燃油成本，(cents/pound) 48 时间成本 • 机组 • 飞机租赁 • 维护 –机体材料保养、检查、替换和维修工时 –发动机材料保养、检查、替换和维修工时 • 其它 • 确定其具体大小较为困难 燃油成本 • 特定燃油单价或平均单价 • 确定其具体大小较为容易 49 50 DOC随M数的变化 经济巡航：DOC最 低对应的巡航状态。 经济M数：DOC最 低对应的M数. DOC DOC Q油 Q时 Q 定 MMRC M经济 ● 成本指数CI – Cost Index 成本指数CI = 时间成本/燃油成本 = C时/C油。 CI大，说明时费高或油价低，M经济大 CI小，说明时费低或油价高，M经济小 CI=0，说明不计时间成本，M经济=MMRC CI=999，M经济接近Mmo 51 M Economy Speed Sample Calculation • • • • 767-200 at 35,000 feet Weight - 310,000 pounds Time-related costs - $500/hour Fuel costs - $.10 per pound 100 NM Mach Time (hour) Fuel (pound) Time Cost Fuel Cost Total Cost 52 .75 .231 2,242 116 224 $340 .77 .225 2,230 113 223 $336 .79 .220 2,235 110 224 $334 .81 .214 2,294 107 229 $336 .83 .209 2,451 105 245 $350 确定成本指数的方法 • 确定与典型LRC巡航状态相近的CI，然后以此为基础根 据飞行任务确定合适的CI。(较易) • 根据定义进行计算，先确定时间相关项目，得出时间 相关成本和燃油相关成本。最后得到CI。(较难) 53 Typical CI for Boeing Airplanes 0 90 150 180 55 (777) 0 15 80 50 (767) 0 25 70 80 (757) 0 140 10 (747) 30 MRC 35 0 15 Fuel mileage (miles per gallon) LRC Typical airline values (737) Cruise mach number 54 ● 经济航程和商载航程图 最大商载范围：该范围内， W 商 要增加航程，只需增加燃 油。 经济航程：在最大商载、 最大起飞重量条件下可获 W 油 得的最大航程。也称最大 商载航程。 最大燃油范围：该范围 内，要增加航程，只能 W起 减小商载以增加燃油。 转场航程范围：该范围内， 要增加航程，只能减小商 载以减小起飞重量。 55 W商MAX W油MAX W起MAX L经济 Max payload range Max fuel range Ferry range 结论： 航班飞行应在飞机的经济航程以内进行。 经济航程以内，可以用成本指数来确定经济马赫数大小。 经济航程以外，选择MRC巡航较为经济。 商载航程图 – Payload-Range Graph 重量 最大零燃油 重量限制 最大松刹车 重量限制 最大燃 油限制 最大商 载航程 转场 航程 航程 56 本章小结 1 上升性能 2 应急下降 3 两种巡航方式MRC、LRC的特点及区别 4 一发失效的飞行性能 5 单发飘降的程序及越障要求 6 风速因子的计算 7 成本指数的含义 8 三个航程范围 57