空客飞机性能-概述与飞行限制

基本概念

对于飞机性能主要分为两个层面的要求：

适航要求：包括飞机设计，AFM与适航有关，参考法律文件JAR25/FAR25。

运行要求：包括技术运行规定，FCOM/AOM做为支持，包括运行所需的限制，程序以及性能数据，参考法律文献JAR-OPS/FAR121。

标准大气压力：

国际标准的基础时海平面温度15℃，气压1013.25hPa。海平面空气标准密度为1.225kg/m³。

标准的对流层顶高度为11000m/36089ft。

对流层顶以下，温度以恒定的速率-6.5℃/1000m,-1.98℃/1000ft随高度变化；

对流层顶以上，温度保持恒定的-56.5℃。

高度测量原理

高度表可以理解为气压计，其按照标准气压和温度法则进行校准。环境大气压力时高度表使用的唯一输入参数。

指示高度(IA)时以下两个气压面之间的垂直距离：

• 测量环境压力的气压面(飞机实际位置)；

• 气压基准面:压力调定旋钮选择的设定。

压力调定与指示高度朝同一个方向运动，即压力调定值增加，相应指示高度增加。

高度测量的目的在于确保飞机相对地面以及飞机之间的相对余地。

QFE是机场基准点的压力，高度表指示的是高于机场基准点的高度。

QNH是平均海平面压力，通过计算机场基准点的压力，然后按照标准压力的法则，换算到平均海平面。进而，在ISA条件下，在机场平面，高度表指示地形的测量高度。

Standard对应的是1013hPa，高度表指示的是高于1013hPa等压面的高度，其目的在于摆脱局部压力变化后，整个飞行中提供飞行的垂直间隔。

飞行高度层对应的是用英尺表示的指示高度除以100得出的数值，气压基准是标准气压。

过度高度是一个指示高度，在它之上，机组必须选择标准调定值；

过度高度层是过度高度之上的第一个可用的飞行高度层。

在给定的指示高度飞行时，真实高度随温度的增加而增加。

即温度越高飞的越高；温度越低飞的越低。

真实高度=指示高度 28×(QNH-1013)

因此，在温度很低时，执行进离场时，温度修正很重要。

操作速度

校准空速(CAS):通过总压与静压的差值获得。此差值也被称为动压。

总压通过皮托管来测量面向前方的冲击压力，此压力的测量考虑了给定飞行高度的环境压力(静态)和飞机的运动(动态)。

静压通过垂直于气流的对称的静压探头(静压孔)来测量，测量结果表示给定飞行高度的环境压力(静态)。

在爬升阶段保持恒定的CAS可以保持空气动力效应与在海平面一样，结果可以消除速度的变化。

指示空速(IAS)是由空速指示器表示的速度。但是由于飞机迎角、襟翼形态、近地情况、风向和其他影响，会有一定的误差(主要是静压)，导致CAS与IAS之间由一定的误差，此误差也被称为仪表修正或天线误差。

真空速(TAS)表示飞机在一个与气团相关的运动基准系统中的速度，即飞机在气流中的速度。

地速(GS)表示飞机在固定地面基准系统中的速度。

马赫数(Mach)：

真空速与当时飞行高度的音速的比值,音速只取决于温度，因此马赫数可以表示为

TAS/39√273 SAT

即以给定的马赫数飞行，高度增加，SAT减小，进而TAS亦变小。

空气动力学

标准升力公式：L=1/2×𝜌×S×TAS²×C_L.

飞机限制

飞行限制

限制过载系数：

强制要求使用限制载荷和极限载荷来规定的，除非另有提供，否则预先确定的载荷就是限制载荷。

飞行过载系数表示的是空气动力分量与飞机重力的比，正的过载系数是气动力相对飞机向上作用是的情况。

导致结构破裂的极限载荷通常是限制过载系数的1.5倍。

对于所有空客飞机，飞行机动载荷加速限制如下：

光洁形态：-1G≤N≤ 2.5G;

缝翼放出:0G≤N≤ 2G.

最大速度：

V_MO/M_MO(最大操作限制速度)是在任何飞行阶段(爬升、巡航或下降)都不能故意超过的速度。

V_FE(襟翼放出速度):必须建立VFE,以避免超过设计的襟翼速度。

V_LO(起落架操作速度):不能超过安全收放起落架的速度。

V_LE(带轮飞行速度):不能超过起落架在完全放下锁定时的安全飞行速度。

最小速度

V_MCG(Min Control Speed on Ground地面最小控制速度):

修正空速CAS

在这个速度，当关键发动机突然不工作时，仅依靠主要空气动力控制面就可以对飞机保持控制（不使用前轮转弯），使用飞机正常驾驶术就可以使飞机安全起飞。

要求从发动机不工作开始时的点到方向恢复到与跑道中心线平行的点之间，横侧偏离中心线的距离在任意一点都不超过30ft。

运行中要求：V₁≥V_MCG

确定V_MCG时的条件与要求：

• 飞机处于各个起飞形态或由申请人确定的最不利起飞形态；

• 工作的发动机处于最大起飞功率或推力；

• 重心处于最不利位置；

• 飞机处于起飞配平位置；

• 起飞重量是起飞重量范围内最不利重量。 

V_MCA(Min Control Speed in Air空中最小控制速度):

修正空速CAS

在这个速度，当一台关键发动机突然不工作时，在该发动机保持不工作的状态下，仍能保持对飞机的控制，且可以利用不大于5º的坡度能保持飞机平直飞行，且在改出过程中，飞机不会出现危险的姿态或特别驾驶术，航向变化不超过20º。

实际飞行中：V_R≥1.05V_MCA;  V₂≥1.1V_MCA.

确定V_MCA时的条件与要求：

• V_MCA≤1.2V_S.

• 发动机处于最大可用起飞功率或推力；

• 飞机重心处于最不利位置；

• 飞机处于起飞配平位置；

• 最大海平面起飞重量。

• 除起落架收上外，离地后飞机处于飞行轨迹上存在的最不利起飞形态；

• 地面效应忽略不计。 

VMCL(Min Control Speed in Landing/Approach进近和着陆期间的最小控制速度):

修正空速CAS

所有发动机均工作时进近和着陆期间，在该速度时，当关键发动机突然不工作，仍可以利用工作的发动机对飞机保持控制，利用不大于5º的坡度保持飞机平直飞行，并且以20º坡度滚转，在5秒内，开始向不工作发动机反方向转弯。 

确定V_MCL时的条件与要求：

• 飞机处于所有发动机均工作时进近和着陆时的最不利形态；

• 重心处于最不利位置；

• 飞机处于所有发动机均工作时的进近配平位置；

• 最不利重量；

• 工作发动机设定为复飞推力。

V_MU(Min Unstick Speed最小离地速度):

修正空速CAS

当等于或高于该速度时，飞机可以安全离开地面并继续起飞，飞行员带杆到操纵面空气动力效率的极限位置，飞机慢慢抬头至一个获得最大升力系数的迎角，或对飞机受几何形状限制的飞机，抬前轮至擦尾角度，然后保持俯仰直至飞机离地。

需要确定两个最小离地速度：

所有发动机均工作时(AEO)的V_MU(N);

一台发动机不工作时(OEI)的V_MU(N-1),必须能保证安全的横侧控制，以防止发动机擦地。

即V_MU(N)≤V_MU(N-1).

实际飞行中：V_LOF≥1.1V_MU(N); V_LOF≥1.05V_MU(N-1)。

V_S(Stall Speed失速速度):

当飞机迎角增加，升力系数随之增加，当升力系数增加到最大升力系数后，并在迎角超过某个值时，升力突然减小，这种现象叫做失速。 

V_S1G对应最大升力系数，即在升力即将减小之前，而在这个时刻，飞机载荷依然等于1.

V_S对应常规时速，即升力开始快速下降时，在这个时刻，过载系数总是小于1.

在JAR中，V_S=0.94×V_S1G.

在FAA中，V_S表示在这个速度时，推力为零或者发动机在慢车时，飞机可以控制,是最小稳定飞行速度。但FAA中没有V_S1G的要求。

起飞中的操作速度：

 V_EF(Engine Failure Speed发动机故障速度): 

修正空速CAS,

在该速度上，假定关键发动机故障，因此：V_EF≥V_MCG。

V₁(。  决断速度):

修正空速CAS,

机组能够决定中断起飞的最大速度，且保证能将飞机停在跑道的限制范围内。

定义V₁时要求发动机在V_EF时故障，飞行员从识别判断故障到做出第一个动作的时间为1秒，即V_EF后1秒即为V₁，因此V₁≥V_EF 从关键发动机故障发生开始到飞行员发现识别故障并采取第一个措施期间的速度增加值。

即V₁≥V_EF≥V_MCG

V_LOF(Lift Off Speed离地速度):

修正速度CAS,

飞机刚刚离地升空时的速度，是升力克服重力时的速度。

受空气动力学和几何外形两个限制：

空气动力学限制要求：

所有发动机工作(AEO)时V_LOF≥1.1V_MU;

一台发动机不工作(OEI)时V_LOF≥1.05V_MU.

几何外形限制要求：

飞机在地面大道最大迎角时(即机尾擦地，但主起落架还在地面上)，仍然达不到最大升力系数，此类飞机为几何外形受限的飞机。

大部分大型商用飞机属于几何外形受限飞机，对于此类飞机规定如下：

JAR:V_LOF≥1.08V_MU(AEO);V_LOF≥1.04V_MU(OEI).

FAR:V_LOF≥1.08V_MU(AEO);V_LOF≥1.05V_MU(OEI).

V_R(Rotate Speed抬前轮速度):

修正空速CAS

开始抬前轮的速度，正常抬前轮速率3º/S。

定义要求：

• V_R≥V₁且V_R≥1.05V_MCA;

• 在该速度开始台轮，飞机到达起飞表面上空35’之前达到V₂速度;

• 以最大适用的抬前轮速率可以达到V_LOF速度。

V₂(起飞爬升速度):

修正空速CAS,

发动机故障时高出起飞表面35’必须达到的最小爬升速度

定义要求：

• V_2MIN≥1.13V_S1G/1.2V_S;

• V_2MIN≥1.1V_MCA.

• V₂≥V_2MIN;

• V₂≥V_R 起飞离地到达跑道表面上空35’之前的速度增量。

V_MBE(Max Brake Energy 最大刹车能量速度):

起飞时刹车需要吸收/消耗的能量=决断点时飞机的动能，

即1/2×TOW×V₁².

附加条件：每个机轮上的剩余刹车不超过最大磨损的10%。

V_MBE≥V₁.

V_TIRE(最大轮胎速度):

地速GS,

由轮胎制造商规定，用以限制可能的损坏轮胎结构的离心力和热量上升。

V_TIRE≥V_LOF.

总结： 

最大结构重量

MEW(Manufacture Empty Weight制造商空重)：

结构，动力装置，装备，系统和其他被看作是飞机整体的设备项目的重量，只包括封闭系统中的液体。

OEW(Operation Empty Weight使用空重)：

MEW加上运营人的项目，即飞机机组，乘务组及其行李，不可用的燃油，发动机滑油，应急设备，厕所化学洗液，厨房结构，配餐设备，座椅，资料等。

DOW(Dry Operation Weight干操作重量)：

适合特定飞行的飞机总重，但不包括所有可用的燃油和商载，OEW加上该类飞行的特殊项目，例如配餐，报纸，配餐设备等。

ZFW(Zero Fuel Weight零燃油重量)：

DOW加上总商载(包括货物，旅客和旅客行李)。

LW(Landing Weight着陆重量)：

目的地机场着陆时的重量，等于ZFW加上储备油。

TOW(Take-off Weight起飞重量)：

出发机场起飞时的重量，等于LW加上航程油，或ZFW加上起飞油量。

总结如下：

TOW=DOW 商载 储备油 航程油

LW=DOW 商载 储备油

ZFW=DOW 商载

MTOW(Max Take-off Weight最大结构起飞重量)：

按照空重结构抗载荷标准，能够承受垂直速度=-360ft/min着陆冲击起落架和结构的抗载荷标准确定的。

MLW(Max Landing Weight最大结构着陆重量)：

着陆重量受到垂直速度=-600ft/min着陆冲击时的载荷限制。

MTW(Max Taxi Weight最大结构滑行重量)：

受到减震器上应力以及在转弯期间可能受到的弯矩的限制。

最小结构重量

通常在确定最小结构重量时，阵风和紊流载荷属于考虑的范围。

发动机限制

推力设定

起飞TOGA:起飞的最大可用推力，有时间限制；

复飞TOGA:复飞时的最大可用推力，有时间限制；

MCT(最大连续推力):可以在空中无限使用的最大推力，在发动机故障时必须选择，因为受到时间限制的TOGA不再可用；

CL(爬上推力):从爬升阶段到达巡航高度层间的最低可用推力，最大爬升推力大于巡航阶段的最大可用巡航推力。

起飞推力限制

在给定气压高度上，当温度低于基准温度(T_REF)或平台推力温度时，对发动机的推力没有影响；当高于基准温度时，发动机的推力受到排气温度(EGT)的限制，进而可用推力随温度上升而减小。

另一方面，在给定温度下，气压高度的增加将导致可用起飞推力的降低。