起飞性能表内插法的断点及解决办法

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  起飞性能表(RTOW Chart)在飞行员执行每个航班时都要用到,针对空客飞机而言,又分为重量输入和温度输入两种格式,我公司使用的空客起飞性能表,一般都采用重量输入格式。
  在确定当时气象条件以及特定跑道的起飞性能时,先要确定最大允许的起飞重量,确保飞机的实际起飞重量低于最大允许起飞重量。最大允许起飞重量分为结构重量和性能重量两种,实际运行中取两者的最小值。本文讨论的问题与性能有关,下文所指的最大起飞重量,都是性能允许的最大起飞重量。
  如果当天的起飞重量等于最大起飞重量,则必须使用TOGA马力起飞,只要重量小于最大起飞重量,表明飞机的载重还有余度,此时飞机没有满载,就可以使用灵活温度起飞。灵活温度的原理是假定一个比实际更高的外界大气温度,使用该温度下飞机发动机的最大推力,以达到减小起飞推力,保护发动机的目的。因此在确定灵活温度前,还有一个步骤,就是要确定飞机的最大起飞重量。有的飞行员习惯拿起性能表直接查灵活温度及V1、VR和V2这三个起飞速度,这是因为大部分时候实际起飞重量都比最大起飞重量小,默认情况下,最大起飞重量已经符合了要求。但飞行员心里一定要意识到,确定灵活温度之前,先要确定最大起飞重量。
  如何查找灵活温度和起飞速度,并进行湿跑道修正、QNH修正、空调修正、发动机防冰修正,以及进行干跑道检查(Dry check,保证湿跑道的最大起飞重量不会比干跑道更大),这是每名飞行员执行每个航班的必做功课,大家都已耳熟能详,在此不再赘述。相比之下,确定最大起飞重量则用得比较少,只有在短跑道、高原机场、起飞遇有地形等情况下,实际重量才有可能受到性能最大起飞重量的限制。需要注意的是,在确认最大起飞重量时,某些情况下,空客手册中介绍的方法,计算出来的最大起飞重量是不精确的。
  大家都知道,在一定范围内(飞机运行时的外界气温必须小于TMAX,否则飞机不允许起飞)随着外界温度的降低,起飞性能不断增强,这里面有两方面的因素对起飞性能的增益产生了贡献。首先是飞机发动机的推力,先来看一下发动机推力图:对于给定的高度,在平台温度TREF和最大允许温度TMAX之间,发动机的最大推力受EGT的限制,随着外界大气温度的减小而上升,到达平台温度TREF时,推力达到最大值,此时外界温度继续降低,发动机推力已经达到了设计的最大平台推力,最大推力值将一直保持固定,不再发生变化。可见平台温度以上,温度降低获得起飞性能的提升是由于发动机推力增大引起的。
  其次,温度代表着大气的热运动,当温度降低时,空气分子的热运动减弱,分子与分子之间的距离更近,空气的密度就更大。不但温度越低空气密度越大,气压越大空气密度也越大。气压对飞行性能的影响,在QNH里单独做修正。重量输入法中,只有重量和温度两个变量,因此我们只讨论温度对起飞重量的影响。飞机的升力公式是:Y= CyρV2S,其中Cy是升力系数,ρ是空气密度,V是飞机速度,S是机翼面积,可见升力和空气密度是成正比的。因此,当温度降低时,空气密度增大,升力增大,允许的最大起飞重量增大,起飞性能增强。
  把两者综合到一起,我们就得到以下结论:当温度从TMAX下降到TREF时,一方面发动机推力增大,另一方面空气密度增大,两者都对起飞性能的增益产生了贡献,使飞机的起飞性能获得较大的提升,单位温度下降时,飞机的起飞重量有着较大的增加。当温度继续下降,低于TREF时,发动机的推力已经到达最大极限,不再继续增加,但由于空气密度增大,温度下降也会提升飞机的机飞性能,只是此时单位温度下降时,飞机的起飞重量增加较为缓慢。
  因此,飞机的起飞性能,包括起飞最大重量,随着外界大气温度降低而增加,其增量变化不是线性的,在跨越平台温度TREF时,是一根折线,平台温度TREF前后其变化率是不同的,体现在直线的斜率上是不相等的。这就是空客手册中,标明梯度1和梯度2的原因,比平台温度低,适用于平缓的梯度1,此时起飞重量增加是空气密度增大引起的。比平台温度高,适用于较陡的梯度2,发动机推力增大和空气密度增加都对起飞重量增加做出了贡献。手册中有关内容摘录如下(平台温度TREF=37度):
  到此为止,一切都顺理成章,但空客手册最后有一个注意事项,表明“重量梯度仅用于外推高于RTOW图表中显示的最大重量的重量,对于两格之间的内推,它们无效”。请看下面这页某机型某跑道上的实际起飞性能表,标黄的那列数据取出到EXCEL表格中进行了如下的
  计算,当外界温度从26度下降到-2度时,温度降低了28度,最大重量增加了4.9 吨,每度的重量增量为175公斤;当外界温度从42度下降到39度时,温度降低了3度,起飞最大重量增加了4吨,每度的重量增量为1.3吨。请参看起飞性能表最下面的梯度1和梯度2,本列的梯度1是140公斤/度,本列没有梯度2,后面一列的梯度2是1410公斤/度,看上去上述两个计算值和列表中的值是吻合的(由于温度都是整数,没有小数点后的位数,所以计算精度不是太高),我们的机型,梯度1基本上是一百多公斤/度,梯度2基本上是一千多公斤/度。
  发动机的平台温度是37度,再来看看跨平台温度时的起飞性能表:当外界温度从39度下降到26度时,温度降低了13度,起飞重量增加了4.7吨,每度的重量增量为362公斤。这个数值是比较奇怪的,既不和梯度1吻合,也不和梯度2吻合,其原因就是在39度和26度之间产生了断点,最大起飞重量不随外界温度的降低而线性变化,但是空客的性能表中却没有反映出来。如果我们用梯度1和梯度2,对这两个温度引起的重量变化进行重新计算,就会发现:△W=(39-37)*1410+(37-26)*140=2820 +1540=4360公斤,同性能表中的起飞重量增量4.7吨还是比较接近的。
  如果使用上述方法,计算外界大气温度37度时的最大起飞重量,公式应该是:235.4+(39-27)*0.1410=235.4+2.820=238.22吨。假设使用空客推荐的线性内插法,不用梯度1和梯度2分开来修正,计算公式为:235.4+(240.1-235.4)/(39-26)*(39-37)=235.4+ 4.7*2/13=235.4+0.723=236.12吨。我们会发现在平台温度37度处,误差最大,达到238.22–236.12=2.1吨。由上面的分析可知,39度到37度之间,发动机推力还有增加的余地,之后发动机推力就保持恒定了,推力可以增大和不能增大,对起飞重量的影响肯定是不同的。
  既然空客推荐的内插法不够精确,为什么还可以使用呢?这是因此内插法更加保守,计算出来的最大起飞重量总是比实际可以达到的最大起飞重量要小,安全上是有保证的。
  手册规定梯度1和梯度2不能在内插时使用,那实际上到底能不能用呢?还是以上面这页性能表标黄的这一列为例,假如最大的性能重量就到235吨、对应的温度就到39度为止,此时240吨属于“超过最大起飛重量的重量”,梯度1和梯度2就可以适用了,用梯度1和梯度2的方法,还是可以算出来37度时起飞重量是238.22吨,不会是线性内插时的236.12吨。可见外插和内插是可以转换的,实际上它们没有本质区别。
  由此可以看出,使用空客的性能表进行内插法计算,当温度跨越平台温度时,就会出现断点。在这样的两个格子之间,内插法计算出来的最大起飞重量,其数值不够精确,有着偏小误差。空客手册出于某种方面的考虑,规定了在内插时,不能使用梯度1和梯度2,那么我们有没有两全其美的办法呢?
  办法还是有的,就是为每一种形态增加一行平台温度分割点。还是以上面摘录的性能表为例,单独为标黄的这一列增加一行重量。就是在235(+0.4)这一行和240(+0.1)这一行之间,增加238(+0.2)这行重量,对应的温度正好是平台温度37度。目前的起飞性能表已经整合在EFB里了,不存在一张纸打印不下的问题。性能表可以无限制地向下翻行,至少形态1+F及净风、形态2及净风,这两个常用列中,应该各自增加37度平台温度的分割行。这样一来,所有的格与格之间都是线性变化的了,既遵守了空客手册中,内插计算不适用梯度值的规定,又能使计算的最大起飞重量达到完全精确。
  作者简介:汪志民,学历:本科,军学士,单位:东航技术应用研发中心安全运行研究院。
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