高高原機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)著陸性能的影響分析

尚永鋒，蔣剛毅

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢618307)

0 引言

對(duì)于現(xiàn)代高原旅行，飛機(jī)無疑是一種快捷和舒適的交通工具。隨著西部旅游市場(chǎng)的開拓，執(zhí)飛高原航線飛機(jī)越來越多。飛機(jī)剎車系統(tǒng)是飛機(jī)的一個(gè)重要系統(tǒng)，主要用來保證起飛、著陸滑跑、剎車減速和停放飛機(jī)[1]。飛機(jī)的起飛和著陸是飛行過程中最關(guān)鍵的兩個(gè)時(shí)段。高高原機(jī)場(chǎng)飛機(jī)著陸時(shí)，受空氣密度減小的影響，失速速度增大，著陸速度增大，飛機(jī)著陸動(dòng)能增大，不僅增大剎車負(fù)荷，也增大了飛機(jī)著陸滑跑距離，而飛機(jī)滑跑距離的增加會(huì)有沖出跑道的危險(xiǎn)。因此，研究飛機(jī)在高高原機(jī)場(chǎng)著陸性能顯得十分必要。

1 高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)

根據(jù)《航空承運(yùn)人高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》，海拔高度在2438m以上的機(jī)場(chǎng)稱為高高原機(jī)場(chǎng)。目前我國的高高原機(jī)場(chǎng)共有16座，其中最高的西藏那曲機(jī)場(chǎng)海拔4436m，最低的湖北神農(nóng)架紅坪機(jī)場(chǎng)海拔2580m，高高原機(jī)場(chǎng)平均海拔達(dá)3657m。

隨著海拔的升高，空氣密度也隨之降低，陸地海拔3000m時(shí)空氣密度相當(dāng)于海平面73%，4000m時(shí)相當(dāng)于海平面63%，而5000米時(shí)則不到海平面50%。外界環(huán)境溫度隨著海拔升高也降低，國際大氣數(shù)據(jù)如表1所示。

高原地區(qū)晝間陽光充足，輻射強(qiáng)，白天升溫快，午后溫度較高。午夜期間溫度流失速度也快，晝夜溫差變化較大，空氣熱對(duì)流加強(qiáng)，高原機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流，形成大風(fēng)天氣，且大風(fēng)天氣數(shù)量多，據(jù)統(tǒng)計(jì)一年大風(fēng)天氣可達(dá)到150天以上，是同緯度平原機(jī)場(chǎng)的10倍。

在西藏地區(qū)，受冬季西風(fēng)和夏季西南風(fēng)的交替影響，旱季雨季明顯，5～9月為雨季。而在濕滑、積雪、積冰跑道上著陸距離也不同。

表1 國際大氣數(shù)據(jù)表

2 高高原著陸情況分析

現(xiàn)代大型客機(jī)的減速力包括放出減速板與襟翼的氣動(dòng)阻力，發(fā)動(dòng)機(jī)反推阻力和剎車時(shí)的地面摩擦力。氣動(dòng)阻力主要來自于各操縱舵面、減速板以及機(jī)體本身，且受氣壓影響明顯。在高高原環(huán)境下，氣動(dòng)阻力減小。因此，不能過分依賴氣動(dòng)阻力對(duì)飛機(jī)的減速作用。飛機(jī)的剎車是安裝在主輪上的多片型剎車裝置，通過兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)中的其中一個(gè)產(chǎn)生作用[2]，其中，氣動(dòng)阻力和反推阻力在制動(dòng)中比重減小，為保持總制動(dòng)力不變，將增大剎車片制動(dòng)的使用。

2.1 高高原對(duì)著陸速度的影響

飛機(jī)的升力是由飛機(jī)機(jī)翼和空氣的相互作用產(chǎn)生的。在一定升力系數(shù)下，飛機(jī)的升力由動(dòng)壓和機(jī)翼的面積決定。隨著海拔的升高，大氣密度減小，升力與大氣密度成正比，升力也減小，但升力不能小于飛機(jī)重力(在著陸時(shí)允許略小于飛機(jī)重力)，則只有通過增加飛機(jī)著陸速度來保證飛機(jī)升力。

飛機(jī)剛進(jìn)入失速的速度稱為失速速度，用Vs表示。查閱空客飛機(jī)使用手冊(cè)，著陸重量132000磅(60噸)，3姿態(tài)著陸速度為136節(jié)(70m/s)。根據(jù)飛行規(guī)則，飛機(jī)的著陸速度不小于失速速度的1.23倍。以西藏拉薩貢嘎機(jī)場(chǎng)(ICAO代號(hào):LXA)為例。海拔3650m，由表1可知海平面大氣密度標(biāo)準(zhǔn)值1.225kg/m3，LXA機(jī)場(chǎng)空氣密度約為海平面空氣密度的70%。根據(jù)公式(1)，失速速度約提升20%，著陸速度提升20%，達(dá)到84m/s。

式中，L表示飛機(jī)的升力；CLmax表示最大升力系數(shù)；ρ表示機(jī)場(chǎng)的空氣密度；S表示機(jī)翼的參考面積。

在同等著陸重量下，飛機(jī)的著陸速度取決于目的機(jī)場(chǎng)的空氣密度。從公式(1)可知，海拔越高，空氣密度越小，著陸速度就越大。空客飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)AMM中建議，當(dāng)飛機(jī)接地時(shí)，垂直速度超過10英尺/秒(3m/s)或垂直加速度超過基于某一機(jī)型的特定值，則進(jìn)行著陸檢查。按照飛機(jī)平飄階段下降角度為2°計(jì)算，(3m/s)/sin2°=86m/s，隨著海拔的升高，著陸速度接近或超過最大著陸速度，在垂直方向上分量也增大，則飛機(jī)的著陸速度安全裕度減小，那么飛機(jī)通過減重方式，降低飛機(jī)著陸速度，以避免垂直過載沖擊。根據(jù)動(dòng)能定理，著陸動(dòng)能增大,且呈非線性增長(zhǎng)，海拔對(duì)動(dòng)能和著陸速度的影響如圖1所示。

2.2 高高原對(duì)著陸距離的影響

高高原地區(qū)機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)期有大風(fēng)天氣出現(xiàn)，當(dāng)存在飛機(jī)順風(fēng)著陸時(shí)，飛機(jī)由于著陸時(shí)的速度提高，造成飛機(jī)動(dòng)能增大。順逆風(fēng)只影響下降角，不影響下降率。根據(jù)CCAR-25.125(f)規(guī)定可知，著陸距離必須按照著陸航跡≤50%逆風(fēng)量和著陸航跡≥150%順風(fēng)分量進(jìn)行修正，著陸距離與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系如圖2所示。以A319的參數(shù)為例。在高高原著陸風(fēng)速達(dá)到5m/s時(shí)，順風(fēng)距離將再增大約12.89%，逆風(fēng)則減少約6.15%。側(cè)風(fēng)降落時(shí)，駕駛員需要同時(shí)操控副翼和方向舵使飛機(jī)的航跡對(duì)準(zhǔn)跑道。當(dāng)風(fēng)速超過一定限度時(shí)，飛機(jī)側(cè)滑著陸將帶來危險(xiǎn)或不能側(cè)滑著陸。如果著陸時(shí)遭遇風(fēng)切變，飛行員來不及修正，飛機(jī)會(huì)有較大的著陸速度，較大的地面載荷會(huì)損傷飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，滑跑距離也會(huì)加長(zhǎng)，如圖2所示。

根據(jù)飛機(jī)使用手冊(cè)可知，飛機(jī)實(shí)際著陸距離修正如表2所示，在高高原機(jī)場(chǎng)降落時(shí)，每升高1000英尺(304m)，著陸距離增加3.8%(以全姿態(tài)干跑道降落為例)。高高原機(jī)場(chǎng)海拔高度對(duì)著陸距離的影響較大。高高原機(jī)場(chǎng)平均著陸距離相較于海平面機(jī)場(chǎng)提升40%。

2.3 高高原反推作用的影響

反推是飛機(jī)著陸過程中的重要環(huán)節(jié)，能夠使得飛機(jī)快速減速。慢車狀態(tài)是保持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的最小工作狀態(tài)，一般慢車狀態(tài)的轉(zhuǎn)速約為最大轉(zhuǎn)速的25%～35%，反推力量值約為該轉(zhuǎn)速下正推力的40%。

發(fā)動(dòng)機(jī)推力受大氣溫度、壓力和海拔高度的影響。影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力的參數(shù)有空氣流量和速度增量。高高原飛行的空氣密度小，空氣流量減小。在速度增量不變的情況下，空氣流量減小，推力減小。在高海拔地區(qū)雖然低溫會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增加，但外加壓力降低比溫度降低快，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是降低的，故反推作用也是降低的。

剎車阻力的大小取決于跑道的環(huán)境，跑道環(huán)境越差，剎車阻力就越小。反推作用在受污染跑道上著陸的作用更加明顯，在全姿態(tài)降落時(shí)，反推平均減少7%著陸距離，在3姿態(tài)降落時(shí)，反推平均推力減少11%著陸距離。高高原地區(qū)著陸使用反推和不使用反推也具有較大的區(qū)別，全姿態(tài)著陸反推作用修正如圖3所示。

圖3全姿態(tài)著陸反推作用修正圖

執(zhí)飛高高原航線的飛機(jī)如在著陸時(shí)遇反推裝置故障，則會(huì)造成制動(dòng)力不足，導(dǎo)致剎車距離過長(zhǎng)，剎車裝置使用強(qiáng)度增大或超過剎車使用限制。高原著陸對(duì)反推的可靠性要求高，根據(jù)最低設(shè)備清單MEL顯示，平原機(jī)場(chǎng)飛機(jī)反推失效可以達(dá)到最低放行標(biāo)準(zhǔn)，但在高海拔機(jī)場(chǎng)著陸不允許反推故障放行。

3 高高原著陸對(duì)剎車裝置的影響

現(xiàn)代客機(jī)剎車盤多采用碳復(fù)合材料，具有較好的摩擦系數(shù)，穩(wěn)定性高，磨損率低，膨脹系數(shù)小，比熱容高且密度小等優(yōu)點(diǎn)。但碳復(fù)合材料的抗沖擊性差、易氧化性，會(huì)在剎車盤高溫時(shí)，材料性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致剎車失效[3]。根據(jù)CCAR-25.125規(guī)定，陸上飛機(jī)降落在跑道上時(shí)，機(jī)輪剎車壓力系統(tǒng)的壓力不能超過制造商規(guī)定值，不得以造成剎車或輪胎過度磨損方式使用剎車。

3.1 縮短剎車片壽命

對(duì)于估算飛機(jī)剎車壽命，飛機(jī)剎車盤在磨損到一定程度的時(shí)候，就要更換剎車盤。剎車壽命=(新盤厚度—規(guī)定淘汰厚度)÷磨損率。磨損率即是每次著陸剎車過程中所磨損的厚度。影響剎車盤使用壽命的四大因素是飛機(jī)制動(dòng)時(shí)的能量、制動(dòng)時(shí)溫度、降落制動(dòng)的環(huán)境以及飛機(jī)駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣。高高原飛行的飛機(jī)，由于著陸速度增大，飛機(jī)的剎車距離和剎車時(shí)間增加，會(huì)增大飛機(jī)剎車磨損率，降低其使用壽命。故對(duì)執(zhí)行高高原航線飛行的飛機(jī)，應(yīng)當(dāng)對(duì)飛機(jī)的剎車裝置進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)和記錄，時(shí)刻關(guān)注剎車的磨損狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)和分析剎車盤使用情況，為高高原航線飛行搜集重要的數(shù)據(jù)。

3.2 剎車片高溫

飛機(jī)的減速主要依靠主輪的剎車和飛機(jī)的反推兩種方式。反推裝置在高高原時(shí)效果減弱，會(huì)增加剎車裝置的負(fù)擔(dān)。飛機(jī)在減速制動(dòng)的過程中，通過剎車裝置與剎車盤之間的摩擦，產(chǎn)生反向的運(yùn)動(dòng)力矩，將飛機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車裝置內(nèi)能的方式，根據(jù)剎車能量吸收公式(2)所示：

式中，W表示剎車吸收的能量，單位J；G表示飛機(jī)著陸的重量，單位kg；Va表示飛機(jī)著陸的速度，單位m/s；N表示飛機(jī)的主機(jī)輪數(shù)量。

由此可見，飛機(jī)的剎車吸收能量與飛機(jī)著陸速度二次方成正比，當(dāng)著陸速度變大時(shí)，飛機(jī)著陸動(dòng)能增大，剎車吸收能量也隨之增大。動(dòng)能的增大勢(shì)必會(huì)增大剎車的使用程度，長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離的使用剎車會(huì)縮短飛機(jī)的剎車使用壽命。高高原運(yùn)行的飛機(jī)剎車裝置通常采用性能更好的碳/碳復(fù)合材料，但該剎車裝置也存在溫度極限，當(dāng)溫度超過規(guī)定值時(shí)，剎車結(jié)構(gòu)可能受損，剎車性能將下降。在海平面內(nèi)，A319飛機(jī)的典型著陸速度為65m/s，在海拔4000m高度機(jī)場(chǎng)的著陸速度約為80m/s，剎車吸收能量將增加約50%，而剎車吸收的能量則全部由剎車副通過升高溫度所吸收，剎車溫度上升量也將增加約50%。以海平面為基準(zhǔn)剎車吸能隨速度增量如圖4所示。

3.3 剎車散熱慢影響放行

剎車使用過后，現(xiàn)代大型飛機(jī)的剎車系統(tǒng)允許承受的最大溫度一般在450℃～500℃之間，超過這一溫度值，將損壞剎車系統(tǒng)[4]。在使用剎車的2s內(nèi)剎車溫度迅速上升到最高值，最大時(shí)會(huì)達(dá)到700℃。

飛機(jī)剎車時(shí)主要通過空氣對(duì)流和熱輻射方式將溫度散發(fā)到空氣中，受高高原大氣稀薄影響，溫度對(duì)外對(duì)流散熱減慢，剎車殘余溫度與時(shí)間關(guān)系如表3所示。通常在飛機(jī)停留后2h，剎車的溫度將會(huì)降低到原來的30%左右，此時(shí)剎車的溫度依然在200℃以上，依舊是較高的溫度，對(duì)于機(jī)務(wù)維修人員是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)，容易造成燙傷。如輪胎溫度沒有降低到指定溫度，在下一次遇到中斷起飛時(shí)，能量再次聚集，超過輪胎承受溫度，則有爆胎的危險(xiǎn)。

圖4剎車吸能隨速度增量

表3 剎車殘余溫度與時(shí)間關(guān)系(初始溫度700℃)

根據(jù)民航局規(guī)定，飛機(jī)起飛時(shí)候剎車溫度不高于放行溫度，則當(dāng)飛機(jī)的剎車溫度高于放行溫度時(shí)，造成航班非故障性延誤。即使飛機(jī)在放行時(shí)機(jī)輪的溫度達(dá)到了放行要求，則飛機(jī)起飛滑行過程中，由于滑行距離較長(zhǎng)，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)剎車控制飛機(jī)速度，也有可能使得飛機(jī)到達(dá)跑道起飛點(diǎn)時(shí)，飛機(jī)剎車溫度再次超過放行溫度，則又必須等到剎車溫度降低才能起飛。此時(shí)對(duì)旅客造成不安，也有可能會(huì)造成旅客的猜疑和恐慌。對(duì)航空公司也造成名譽(yù)和經(jīng)濟(jì)上的影響。簽派員也要對(duì)著陸性能進(jìn)行分析，提供給放行人員必要的機(jī)場(chǎng)著陸信息，確保飛機(jī)能夠安全著陸[5]。

3.4 輪胎加速老化縮短壽命

輪胎是飛機(jī)剎車系統(tǒng)中的重要組成部件之一，是重要的承重部件,承受飛機(jī)起飛和著陸時(shí)候的全部重量。輪胎的狀態(tài)對(duì)飛機(jī)著陸的安全有顯著的影響。飛機(jī)輪胎的構(gòu)造是由胎面、緩沖層、覆蓋面、束帶層、簾線層、胎體等組成，是多功能層的結(jié)合體，而并非一個(gè)整體。在高高原運(yùn)行的飛機(jī)，由于較快的著陸速度，常見的飛機(jī)輪胎損傷為輪胎的過度磨損、熱損傷以及出現(xiàn)爆胎[6]。

當(dāng)輪胎超溫時(shí)，飛機(jī)輪胎的簾線層容易和橡膠層脫開，輪胎的材料性能降低，容易造成脫胎或爆胎現(xiàn)象。輪胎內(nèi)部的溫度和飛機(jī)的著陸速度、飛機(jī)的剎車時(shí)間有關(guān)。飛機(jī)輪胎的熱影響主要是輪胎與地面的摩擦產(chǎn)生的熱量，輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的熱量和來自剎車盤輻射所帶來的熱量，機(jī)輪溫度在飛機(jī)著陸后的15min左右達(dá)到最高。而造成飛機(jī)輪胎超溫的原因主要是飛機(jī)的著陸速度和飛機(jī)的著陸重量。猛烈剎車或長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離剎車，機(jī)輪溫度沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)冷卻到安全溫度以內(nèi)。高高原飛行著陸的飛機(jī)著陸速度和減速時(shí)間都高于平原機(jī)場(chǎng)，剎車溫度變化的顯著特點(diǎn)就是升溫快，降溫慢，迅速地升溫到較高的溫度，且受高原空氣稀薄環(huán)境影響，輪胎散熱性較差，溫度難以散失，這會(huì)加速輪胎的老化過程，縮短飛機(jī)輪胎的使用壽命，同時(shí)也給機(jī)務(wù)維修帶來潛在的危險(xiǎn)。

機(jī)輪的磨損主要跟輪胎的載荷、胎壓、剎車方式、滑行距離等因素有關(guān)。根據(jù)氣體學(xué)公式PV=nRT(P表示壓強(qiáng)，V表示氣體體積，n表示物質(zhì)的量，T表示絕對(duì)溫度，R表示氣體常數(shù))，當(dāng)外界溫度降低時(shí)，輪胎壓力降低，輪胎可能會(huì)出現(xiàn)欠壓狀態(tài)，在飛機(jī)著陸時(shí)，輪胎的形變加大，造成輪胎受力不均勻；輪胎形變過大，摩擦生熱加劇。在高溫和摩擦的作用下，其抗拉性、耐磨性都將急劇繼續(xù)下降。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，當(dāng)胎壓欠壓25%時(shí)，輪胎壽命將縮短為設(shè)計(jì)壽命的60%；輪胎欠壓50%時(shí)，輪胎壽命將縮短為設(shè)計(jì)壽命的30%。

3.5 輪胎爆胎

當(dāng)飛機(jī)輪胎出現(xiàn)過度磨損、老化、腐蝕等問題時(shí)，飛機(jī)輪胎的強(qiáng)度會(huì)下降，導(dǎo)致爆胎情況的發(fā)生。在飛機(jī)滑跑過程中，機(jī)輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生巨大離心力，輪胎會(huì)因張力過大而破壞?？湛虯319飛機(jī)最大輪胎速度為195kt(100m/s)。高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的高速著陸會(huì)使得飛機(jī)輪胎轉(zhuǎn)速接近最大輪胎轉(zhuǎn)速，增加了爆胎的風(fēng)險(xiǎn)。而且飛機(jī)在高原地區(qū)以大速度超載著陸，會(huì)對(duì)簾線層產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使簾線斷裂或松散。當(dāng)再次遭到較大的著陸沖擊力量時(shí)，也會(huì)增大爆胎的風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 影響飛行員駕駛

通過查詢飛行機(jī)組操作手冊(cè)，使用剎車過程中，在正常溫度下，剎車溫度指示是綠色，當(dāng)剎車溫度超過100℃時(shí)候，綠色弧線出現(xiàn)在最熱的機(jī)輪上；當(dāng)相應(yīng)的剎車溫度超過300℃時(shí)，相應(yīng)的指示會(huì)變?yōu)殓晟?，并伴隨著ECAM警告。另外，由于飛機(jī)在高高原著陸時(shí)滑跑減速距離長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間久，對(duì)機(jī)組造成較大的心理壓力。在滑跑減速過程中，機(jī)組容易誤判飛機(jī)減速過慢可能沖出跑道時(shí)，就會(huì)采用更大壓力的人工剎車工作模式，然而采取更大壓力的人工剎車方式，則會(huì)使得剎車的磨損加快。

4 結(jié)論

在高高原機(jī)場(chǎng)著陸過程中，由于受到機(jī)場(chǎng)環(huán)境的影響，最主要是受機(jī)場(chǎng)空氣密度影響和機(jī)場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向影響，會(huì)使得飛機(jī)的著陸速度和著陸動(dòng)能增大。動(dòng)能的增大會(huì)增大剎車距離，剎車制動(dòng)吸收能量增多，產(chǎn)生高溫，加快輪胎老化，加快飛機(jī)剎車盤和輪胎的磨損，增加著陸爆胎的風(fēng)險(xiǎn)。著陸時(shí)長(zhǎng)距離滑跑增加駕駛員心理壓力，剎車高溫警報(bào)影響駕駛員操控水平。散熱降溫減慢也會(huì)延誤飛機(jī)的放行，造成航班延誤，給航空公司帶來經(jīng)濟(jì)損失。