空客A320系列爬升性能研究

劉雪濤，張 序,b

(中國國際航空股份有限公司 a.運行控制中心西南分控中心簽派室;b.培訓(xùn)部西南分部,成都 610202)

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空客A320系列爬升性能研究

劉雪濤a，張 序a,b

(中國國際航空股份有限公司 a.運行控制中心西南分控中心簽派室;b.培訓(xùn)部西南分部,成都 610202)

從爬升的爬升梯度和爬升率兩個方面入手，即從最簡單的受力到外界環(huán)境因素，再到不同的爬升方式的研究。首先，著重研究它的速度以及外界因素對其的影響，也提出了能量守恒以及能量之間轉(zhuǎn)換在爬升中的應(yīng)用。其次，通過對幾種爬升方式的分析，比較出最有經(jīng)濟效益的爬升方式。并且在航空器爬升研究的同時，提出了客艙壓力的增加與爬升之間的關(guān)系。最后，結(jié)合實際的公司操作，通過具體的算例比較了一些外在因素對爬升性能的影響程度。

爬升性能；爬升梯度；爬升率；能量轉(zhuǎn)換；爬升速度

飛機性能的研究歷來是航空公司飛行、機務(wù)和運行部門所關(guān)注的，對性能的研究承載著航空公司安全和效益的重任[1-3]，因此前期很多學(xué)者都對飛機性能所涉及的課題進行了較為深入的研究，如孔成安在“利用QAR數(shù)據(jù)實施飛機性能監(jiān)控”[4]一文中分析了飛機性能監(jiān)控方面的課題，吳勁松在“淺析高原機場及航線的飛機性能管理”[5]中專門就高原機場的飛機性能做了分析，覺謀凱在“降雨對飛機性能影響的計算分析”[6]就氣象問題在飛行性能的影響進行了研究，陳治懷研究了飛機在單發(fā)飄降和座艙失壓方面的研究完成了論著“基于飛機性能軟件的飄降越障檢查軟件開發(fā)”[7]，在安全方面劉漢輝的文章“飛機性能管理與飛行安全”[8]作了較為詳細的論述，另外李娜在文章“飛機性能在機場前期建設(shè)中的應(yīng)用”[9]中將飛機性能和新機場建設(shè)方面的關(guān)系做了較為詳細的研究。但是，就目前的研究來看，機型方面的性能研究較少，本文就是針對空客A320系列飛機(包括A319、A320和A321 3種機型)的爬升方面的性能進行的研究，并分析出A320飛機的實際爬升考慮的因素，最后分析了A320飛機各個參數(shù)變化對爬升性能的影響。

爬升，是飛機起飛后的一個關(guān)鍵階段，也是一個事故頻發(fā)的階段。研究爬升性能，改善爬升方式，可以將爬升中所存在的危險降至最低。并且，相比于巡航階段，爬升階段是非常耗油的，如何將爬升時的油耗降低而不影響飛行的安全，對各大航空公司也是一種挑戰(zhàn)。

A320系列飛機的飛行爬升階段屬于高速性能的階段，它注重的是安全性和經(jīng)濟性。相比于巡航、起飛著陸、下降等階段，爬升階段的事故發(fā)生率要小很多。所以，此文章著重研究A320爬升階段的經(jīng)濟性。本文從爬升最根本的兩個參數(shù):爬升梯度和爬升率入手，闡述了各個不同的因素對爬升性能的影響，并且分析不同速度下的爬升對燃油消耗的影響，得出最優(yōu)的爬升速度，節(jié)省燃油成本。

1 A320系列飛機基礎(chǔ)爬升性能

1.1 爬升中的受力平衡

圖1表明了飛機在爬升階段不同的受力情況，為了使其變得更簡單，把飛機的機身軸線和氣動軸線相疊加。如圖1所示：

圖1 A320系列飛機穩(wěn)定爬升的受力圖

如果假設(shè)飛機已經(jīng)處于穩(wěn)定爬升的狀態(tài)，航跡方向上的力的總和滿足：向前的力等于向后的力；向上的力等于向下的力，在氣動軸線上可以表示為：

T=FD+W×sinγ

(1)

在垂直軸線上可以表示為：

FL=W×cosγ

(2)

其中，T為推力，F(xiàn)D為阻力，F(xiàn)L為升力，W為重力。

這個基本關(guān)系粗略地表明了飛機定常爬升時的受力平衡，由于考慮到A320系列航空器用于載客飛行，不可能展現(xiàn)出較強的爬升性能，所以在計算中忽略了推力相對于爬升梯度的增加，升力將不再等于重力，進而誘導(dǎo)阻力發(fā)生變化的因素。

1.2 爬升中的兩個重要參數(shù)

當(dāng)飛機處于穩(wěn)定爬升時，如圖1所示，飛機水平軸線與氣動軸之間的夾角就是飛機的爬升梯度(γ)，飛機的垂直爬升速度是爬升率(RC)。

1.2.1 爬升梯度

對于給定重量的飛機，這個關(guān)系意味著爬升梯度取決于推力和阻力之間的差異，或者額外推力。當(dāng)然，額外推力為零時，爬升梯度也為零，飛機將處于穩(wěn)定而水平的飛行狀態(tài)。當(dāng)推力大于阻力時，額外的推力將使得飛機爬升，爬升梯度取決于額外推力的大小。相反，當(dāng)推力小于阻力時，推力的不足將會使飛機出現(xiàn)下降的趨勢。通常來說爬升梯度和迎角可以小到近似為：

sinγ≈cosγ≈γ(弧度單位)

(3)

cosγ≈1

(4)

帶入(1)、(2)式可以推導(dǎo)出：

T=FD+W×γ

(5)

FL=W

(6)

推導(dǎo)出：

(7)

把升阻比公式代入式(7)，可以得到：

(8)

當(dāng)可用推力和所需推力之間差值最大的時候就會出現(xiàn)最大爬升梯度,例如，對于螺旋槳驅(qū)動的航空器，最大額外推力和最大爬升梯度將會出現(xiàn)在某一正好超過失速的速度上，也就是處于臨界迎角時。因此，如果必須在起飛后飛越一個障礙物，那么這類的航空器在空速接近于起飛速度時將會獲得一個最大的爬升梯度。爬升梯度性能的最直接影響是障礙物間隙。所以最大爬升梯度的爬升方式多用于從短的或者受限機場爬升越過障礙物。

通過前面的公式推導(dǎo)可以知道，當(dāng)在給定的重量和發(fā)動機效率的情況下，推力減阻力最大時，爬升梯度是最大的(例如，檔阻力最小或者升阻比最大時)。空客公司將最大升阻比所對應(yīng)的速度定義為綠點速度。如果一臺發(fā)動機失效，以綠點速度飛行，可以使氣動效應(yīng)最大化或者一定程度上減弱動力損失帶來的影響。從國航給出的A319-115形態(tài)0-綠點速度表[10]我們可以知道綠點速度的大小是和氣壓高度、重量大小有關(guān)的。

1.2.2 爬升率

爬升性能中更加值得考慮的是那些影響爬升率的因素。一架飛機的垂直速度取決于飛行速度和飛機俯仰角的大小。事實上，爬升率是航跡速度的垂直分量。對于爬升率而言，當(dāng)可用功率和所需功率之間差值最大的時候就會出現(xiàn)最大爬升率。

上述關(guān)系說明，對于一個給定重量的飛機，爬升率取決于可用功率和所需功率的差值或者額外功率。當(dāng)然，當(dāng)額外功率為零時，爬升率也就是零，飛機處于穩(wěn)定而水平的飛行狀態(tài)中。當(dāng)可用功率大于所需功率時，額外功率會使飛機爬升，爬升率取決于額外功率的大小。所以，在穩(wěn)定爬升期間，爬升率將取決于額外功率，用公式可以表示為：

RC=TAS×sinγ

(9)

sinγ≈γ(以弧度表示)

(10)

所以：

RC=TAS×γ

(11)

導(dǎo)入公式(7)得：

(12)

1.3 速度曲線

圖2闡釋了推力和功率之間的變化與飛行器速度之間的關(guān)系。

圖2 空客系列飛機推力和功率變化曲線

為了保持航空器的高度和速度，發(fā)動機推力必須和航空器阻力達到一個平衡[11]。所以，阻力可以看作是為了維持航空器高度和速度的所需推力。只有當(dāng)可用推力大于所需推力(即額外推力)，才可能爬升。而爬升率(RC)是可用功率和所需功率之間的差值決定的。所以，我們把擁有最大爬升梯度的速度我們稱之為VX，而擁有最大爬升率的速度我們稱之為VX。如圖3所示：

因此，當(dāng)RC=TAS×γ,獲得最大爬升率是當(dāng)TAS高于綠點速度時有VX

圖3 爬升速度曲線

2 A320飛機爬升速度的考慮因素

爬升速度同樣分為兩種[12]：管理爬升和選擇爬升。其中管理爬升速度是飛行管理和引導(dǎo)系統(tǒng)計算的提供最經(jīng)濟的爬升速度，因為它考慮了重量、實際和預(yù)測風(fēng)、ISA偏差和成本指數(shù)(CI)。管理爬升速度也考慮了任何速度強制，例如，默認的速度限制為250 kt，直至 10 000 ft。而選擇的爬升速度是起飛前在MCDU性能爬升頁面預(yù)選爬升速度或者按需在 FCU上選擇的爬升速度。在地面或者起飛前，可以在MCDU性能爬升頁面預(yù)選增速高度的速度目標(biāo)。這用于飛行計劃在起飛后有小半徑轉(zhuǎn)彎，或需要大爬升角或者遵守ATC指令的情況。一旦升空，可以在FCU上選擇速度以達到最大爬升率或者最大爬升梯度。實現(xiàn)最大爬升率的速度，即在最短時間內(nèi)到達給定高度，在經(jīng)濟爬升速度和綠點速度之間。由于PFD(Primary Flight Display)上無此速度指示，一條很有用的經(jīng)驗法則就是使用顛簸速度以達到最大爬升率。達到最大爬升梯度的速度，即在最短距離內(nèi)到達給定高度，是綠點速度。MCDU性能爬升頁面顯示以綠點速度爬升到所選高度所需時間和距離。避免在此高度減速到綠點，尤其在大重量時，因為飛機需要較長的時間才會加速到經(jīng)濟馬赫數(shù)。飛行員應(yīng)該意識到雖然可以選擇并且按照低于綠點的速度飛行，但這樣做無任何操作優(yōu)勢。當(dāng)使用選擇速度時，飛行計劃頁面上的預(yù)測假設(shè)保持選擇速度，直至下一計劃的速度修改，例如，250 kt/10 000 ft，這時應(yīng)恢復(fù)管理速度。因此，F(xiàn)M(Flight Mangement)預(yù)測仍有意義。在較低高度選擇 IAS 時，在某一特定轉(zhuǎn)換高度上，將自動變?yōu)轳R赫數(shù)。最后，由于選擇速度不提供最佳的爬升剖面，所以僅當(dāng)操作需要時，例如，ATC強制或天氣原因，才使用選擇速度。

3 A320飛機各個參數(shù)變化對爬升性能的影響

3.1 重量的變化

圖4為A320的爬升性能示意圖，已知溫度為ISA標(biāo)準(zhǔn)溫度，空調(diào)系統(tǒng)正常工作，防除冰系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)，重心位置在33%處，速度限制為250 kt300 ktM0.78。分別對比不同松剎車重量時的數(shù)據(jù)，查圖4可得：70 t的航空器爬升至FL350所需時間：21 min；飛越距離：132 nm；燃油消耗：1 619 kg；真空速：377 kt。78 t的航空器爬至FL350所需時間：30 min；飛越距離：196 nm；燃油消耗：2 258 kg；真空速：388 kt。

圖4 A320系列飛機爬升性能示意圖

所以，如果把松剎車重量從66 t增大至78 t，時間、油量消耗和距離會會有明顯較大幅度的增加，大概增加原來的50%。這表明起飛重量對爬升性能有較大的影響，而這樣在飛機設(shè)計時，航空設(shè)計師盡可能的使用重量輕，強度大的材料，不斷地更新技術(shù)，達到減小飛機重量的目的，使飛機擁有更好的性能[13-14]。

3.2 溫度的變化

以A319-115爬升示意圖中ISA和ISA+20為對比。已知：起飛重量為66 000 kg，初始巡航高度為FL240，空調(diào)系統(tǒng)正常工作，防除冰系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)，那么查ISA表可得：到達FL240所需時間：12 min；所需燃油：1 091 kg；飛越距離：64 nm；真空速：319 kt；查ISA+20得：；到達FL240所需時間：15 min；所需燃油：1 313 kg；飛越距離：87 nm；真空速：338 kt。從上面的對比可以看出，溫度增加，不論是時間、燃油消耗、距離都要增加，并且增加的量都很大。在飛行之前，一定要仔細查閱天氣圖，仔細計算爬升性能的數(shù)據(jù)。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)和防除冰系統(tǒng)的工作狀態(tài)

A320的爬升數(shù)據(jù)示意圖是空調(diào)系統(tǒng)處于正常方式和防除冰系統(tǒng)關(guān)閉時在最大爬升推力的條件下制定的[15]。爬升速度的剖面為：從1 500 ft直到FL100，以250 kt；從250 kt 加速到300 kt；從300 kt然后以M.78爬升到所選的高度。所有圖表都是根據(jù)33%的重心制定的。以A319-115爬升表中ISA 為例：已知：機型是A319-115，起飛重量為70 000 kg，大氣狀況為ISA標(biāo)準(zhǔn)溫度，初始巡航高度為FL310，空調(diào)系統(tǒng)正常工作，防除冰系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)。因為空調(diào)系統(tǒng)和防除冰系統(tǒng)只會影響到燃油的消耗，所以只需要得到所需燃油的數(shù)據(jù)。查下表可以得出：所需燃油為1 560 kg。那么對兩種系統(tǒng)的工作狀態(tài)作比較可得：第一，當(dāng)防除冰系統(tǒng)開啟時，則要在原有表值的基礎(chǔ)上增加4.5%的燃油消耗，得1 630.2 kg(1560×1.045)。第二，當(dāng)防除冰系統(tǒng)開啟，且空調(diào)系統(tǒng)處于低檔位時，則要在原表值的基礎(chǔ)上增加因防除冰系統(tǒng)影響的4.5%的燃油消耗，且要減去低檔位空調(diào)下系統(tǒng)影響的0.2%的燃油消耗，得1 627.08 kg(1560+1560×4.5%-1560×0.2%)。第三，當(dāng)防冰系統(tǒng)開啟，且空調(diào)系統(tǒng)處于高檔位時，則增加因防除冰系統(tǒng)影響的4.5%燃油消耗，以及增加因高檔位空調(diào)系統(tǒng)影響的0.2%燃油消耗，得1 633.32 kg(1560+1560×4.5%+1560×0.2%)。這3種變化方式之間的差值變化不大，引氣系統(tǒng)對爬升的影響沒有重量的變化影響大。但是我們在實際飛行中必須要考慮到這些因素，以防止任何突發(fā)情況。

3.4 風(fēng)對初始爬升速度的影響

通過國航在成都雙流機場A320飛機的起飛性能分析示意圖我們可以分析跑道條件以及風(fēng)等因素對初始的爬升速度，即V2的影響。例如，已知OATC為41，機身外形為conf 2狀態(tài)。則在圖4中有3種不同風(fēng)速影響下的爬升數(shù)據(jù)，即Tailwind-10 kt：151 kt；Tailwind-6kt：152 kt；Wind calm：154 kt。從以上3種不同數(shù)據(jù)的比較，風(fēng)對于爬升的影響是很小的，速度相差不大。但是成都雙流機場的年平均風(fēng)變化范圍不大，所以才會有這樣的結(jié)果，不管是時間還是距離，風(fēng)的影響都很小。對于一些特殊機場，如風(fēng)向和風(fēng)速的年平均變化很大的機場，對于風(fēng)的影響我們應(yīng)該謹(jǐn)慎地計算，距離和時間可能會相差很大。

4 結(jié)論

爬升是繼起飛后的又一個關(guān)鍵階段，安全性和經(jīng)濟性尤為重要。從文中對爬升的受力、能量、爬升方式等數(shù)據(jù)的分析，可以看出爬升是受到多個因素影響的，包括飛機內(nèi)在的或者是外在的環(huán)境影響，并且其中重量的影響對爬升尤為重要。爬升作為高速性能，在計算時，應(yīng)該考慮到各種條件，根據(jù)實際操作中不同機型POH給出的爬升數(shù)據(jù)表，查出需要的時間、距離、消耗燃油量等數(shù)據(jù)，以便飛行員對飛機的掌控。在實際爬升時，不能單單從航空器本身的性能出發(fā)，還應(yīng)該考慮到空中交通管制以及超越障礙物等一些外在因素對爬升的影響，比如說限速、超障余度。

航空管制中，10 000 ft以下，不管什么樣的航空器，最大指示空速不能超過250 kt。這也就將爬升分為了幾個不同的階段。A320只有3個階段，其中10 000 ft以下，按照250 kt爬升；10 000 ft以上，轉(zhuǎn)換高度以下，按照300 kt指示空速爬升；轉(zhuǎn)換高度以上，M.78的馬赫數(shù)爬升。但是盡管給出了這樣的爬升方式，大多時候A320這樣的大型飛機操作性能較差，穩(wěn)定性卻很高。相比于小型飛機，遇到突發(fā)情況，在操作方面還是有一定難度的。并且空管人員為了便于空域的調(diào)整和管理，會給出不同的爬升指令，這樣就需要飛行員修改爬升時的爬升梯度、爬升率和爬升速度，這樣也給爬升的經(jīng)濟性造成了一定的影響。

本文也簡要分析了航空器爬升和航空器內(nèi)部氣壓爬升的對比。A320系列是帶有增壓系統(tǒng)的航空器，而乘客的承受能力以及機艙內(nèi)的舒適程度，決定了客艙壓力爬升率以及最大的壓力高度。A320系列的POH則詳細地規(guī)定了最大的增壓高度不超過8 000 ft，并且在爬升時，要保證客艙壓力的爬升率不能超過1 000 ft/min。所以當(dāng)航空器實際高度在8 000 ft以上飛行時，依然要保證客艙的壓力在8 000 ft以下，這樣才能保證乘客的安全。

對于短跑道或者飛機機場附近有明顯障礙物的飛行爬升，大多數(shù)情況會選擇以最大爬升梯度的爬升方式，也就是陡升爬升，以VX的速度快速越過障礙物，達到超障高度。而對于繁忙的機場或者是為了縮短飛行時間，大多選擇按照最大爬升率的爬升方式，也就是快升爬升，以VY的速度，在管制給的EFC之前達到初始巡航高度。但是公司大多按照減推力的爬升運行，這樣會減小公司的運行成本，延長發(fā)動機的工作壽命。對所有航空器而言，爬升方式遠遠不止這5種，而且公司大多在運行過程中都是按照減推力的爬升運行，這樣會減小公司的運行成本，延長發(fā)動機的工作壽命。爬升到1500英尺時，駕駛員減小推力，飛行計算器會根據(jù)外界實際情況計算出的爬升速度，自動調(diào)節(jié)油門或者俯仰角，調(diào)節(jié)爬升梯度和爬升率，達到穩(wěn)定爬升的目的。并且機組人員會根據(jù)航空管制的要求，比如避撞、流量控制或者對飛行高度層的調(diào)整等，進行階段性的爬升，保證飛行的安全。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

Climb performance of Airbus 320

LIU Xue-taoa，ZHANG Xua,b

(a.Dispatch Office of Southwest Sub-control Center;b.Training department of Southwest,Air China Limited,Chengdu 610202,China)

This paper studies the climb gradient and the climb rate,the two key factors of climbing,including the force of climb,outside circumstances,the different types of climb.Firstly,it focuses on the speed and the effects of the circumstances,and the energy conversion according to the law of energy conservation in the aircraft climbing.Secondly,the most efficient one is found by comparing the ways of climbing and the relation between cabin pressure and climbing is studied.Finally,the influences of some external factors on climbing are compared based on the calculation of the specific data.

climb performance;climb gradient;climb rate;energy conversion;climb speed

2014-09-11

中國國際航空股份有限公司西南分公司2015年科技創(chuàng)新課題(項目編號：2014-409-10；2014-409-11)

劉雪濤(1976-)，男，四川綿陽人，工程師，主要研究方向：飛機性能，簽派資源管理，E-mail:709935220@qq.com。

2095-1248(2015)02-0091-06

V355

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.018