基于飞行过程中V1 的深度研究论文

基于飞行过程中V1 的深度研究论文

　　在我们的日常飞行过程中会涉及到很多的速度、高度，这些速度和高度的组合再加上其它的一些数据为我们搭建了一个飞机操作的三维空间，在这个三维空间之内飞行是安全的，而这个三维空间之外的区域就是飞行的“禁区”，一般说严禁将飞机操作到这个三维空间之外。这个三维空间就是飞机的包线，包线实际体现了一架飞机的性能。包线范围越宽，证明飞机对外界因素的适应性越强，性能也就越好，反之亦然。在飞行包线中有一个重要的速度——V1，它是一个决断速度，它可以决定当飞机发生了严重故障，例如但不限于发动机故障时，飞机是停在地面上还是继续起飞，所以了解V1的确定过程对于保证起飞的安全至关重要。

　　根据美国联邦航空条例第25 部107 款(FAR 25.107)以及欧洲联合航空条例第25 部107 款(JAR 25.107)的定义，V1是一个修正表速，这个修正表速是如果需要中断起飞时可以保证飞机停在跑道的限制范围内的机组能够决定中断起飞的最大速度。V1本来应是在这一刻飞机的关键发动机发生故障，同时飞行员识别故障，做出决定并开始中断的第一个动作。但是由于飞行员发现故障、识别故障、做出决策并开始动作都需要一定的时间，所以如果发动机是在V1时刻故障的，那飞行员做出中断起飞的第一个动作时飞机的速度已经超过V1了，这明显不符合“V1是机组能够决定中断起飞的最大速度”的定义的要求，所以FAR/JAR25 部107 款中对V1做出了特别的限制，以保证提供给飞行员合适的反应时间，我们将在后文中具体阐述25 部107 款的有关限制。

　　我们每次起飞都将跑道的性能实用完了吗?不记得!很多时候当飞机到达跑道道面的尽头时飞机的高度已经好几百英尺了，或者说飞机刚刚用了一半的跑道甚至还不到飞机就离地了，还有很长一截跑道被浪费了，这些情况说明跑道的性能尚有很大的潜力可以挖掘。由于飞机离地时需要克服重力，也就是说只要重量一定了，针对同一条跑道以及相同的大气环境，飞机离地的速度也就固定了，那跑道的性能就靠调整V1来达到。V1的变化范围必须保证在V1时中断能在跑道铺设的道面内停下来，又要保证V1后发动机失效继续起飞所需要的爬升越障性能。

　　对于广大飞行员来说，总是希望最好不要将严重的故障带到空中来处理，这种愿望就可以通过V1达到，但是V1确定的依据是什么呢，也就是说V1是在什么范围之内呢?在确定V1之前需要先介绍几个场长以及速度的概念：

　　(1)VMCG：地面最小操纵速度。根据FAR/JAR25 部149 款的定义，VMCG是飞机在起飞滑跑时，当飞机在VMCG时关键发动机失效，仅靠空气动力控制就可以使飞机偏离跑道中心线的距离不超过30 英尺地安全起飞。在这里“仅靠空气动力”的意思是不使用前轮转弯装置。VMCG的确定是保证关键发动机失效时滑跑的侧向安全，根据V1的定义，V1以前的发动机推力丧失需要中断起飞，中断后的滑跑需要保证飞机的安全，飞机必须能在跑道的宽度范围内停下来，所以V1必须得大于VMCG。

　　(2)V2：是当在V1后发生发动机故障，继续起飞时飞机爬升到高出跑道表面35 英尺时必须达到的最小的爬升速度，它必须保证飞机的可操纵性和安全性。这里的可操作性是指飞机的舵面有足够的操纵效率来维持飞行的轨迹，并且，飞机还得保持与失速速度有一定的余量。操作性是通过VMCA来表示的。VMCA与VMCG类似，安全性是通过VS或VSR(空客飞机在JAR 中的失速速度的特别表示方法)来表述。由于这两个速度与文章联系不强，所以在此不做仔细描述。可以用一个数学表达式来表示V2，即V2=max{1.31VSR或1.2VS，1.1VMCA}。

　　(3)VR:以3°/秒的速率抬前轮，并且在高于起飞表面35 英尺之前就达到V2的速度。由于抬头时飞机已经不可能再回到地面上，所以飞机的安全性仍然使用VMCA来描述。VR与VMCA的关系式VR≥1.05VMCA。VR与V2的关系是V2=VR+在跑道表面上空达到35 英尺之前获得的速度增量。VR与V1的关系式VR>V1。

　　(4)起飞距离(TOD)：起飞距离是飞机从松刹车滑跑开始到飞机离地并爬升到一定的高度所需的距离，确定起飞距离需要区分干、湿跑道：

　　a.干跑道：如果所有发动机都工作的正常起飞，其起飞距离为从松刹车开始到飞机高于起飞表面上空35 英尺所需实际距离TODN(N 为所有发动机都工作)的115%;如果从松刹车开始到VEF(关键发动机失效速度，VEF≥VMCG)，关键发动机失效，再到飞机高于起飞表面上空35 英尺所需实际距离TODN-1，两者取较高者，即TOD 干=max{TODN-1 干， 1.15TODN 干}。

　　b.湿跑道：也是两个数据中取大者，其中一个是TOD 干，另外一个是TODN-1 湿，即TOD 湿=max{TOD 干，TODN-1 湿}。此处的TODN-1 湿只要求飞机达到的高度是15 英尺，而不是干跑道的TODN-1中要求的35 英尺，但是TODN-1 湿必须保证飞机在最迟35 英尺时达到V2。

　　(5)加速停止距离(ASD)：如果飞机在V1发动机失效需要中断，那么从松刹车开始滑跑开始到飞机完全停下来所需要的距离就是加速停止距离。确定加速停止距离也需要确定干、湿跑道：

　　a.干跑道：干跑道的ASD 为ASD 干=max{ASDN-1 干，ASD 干}。引起中断起飞的原因可以分为两大类：发动机失效和其它严重系统故障，所以这两种情况引起的中断都必须考虑它们的加速停止距离。ASDN-1 干主要是考虑发动机失效引起的中断所需要要的停止距离，ASDN-1 干=飞机所有发动机加速到VEF (发动机失效速度，VMCG≤VEF≤V1) 所用的距离+VEF时关键发动机失效且飞行员在V1 时开始中断起飞的第一个动作(FAR/JAR 25.109 规定VEF到V1之间的时间是1 秒) 所用的距离+以V1速度运动2 秒所用的距离+飞机完全停下来所用的距离(不用反推且机轮刹车在允许范围内最严重的磨损程度);而ASDN 干则是考虑由于其它严重系统故障引起的中断起飞所需要的滑跑距离，ASDN 干=飞机所有发动机加速到V1所用距离+以V1速度运动2 秒所用的距离+在V1时开始中断的第一个动作(没有任何发动机失效)至飞机完全停下来所需距离。

　　b.湿跑道：湿跑道的ASD 湿=max{ASD 干，ASDN-1 湿，ASDN 湿}，其中ASDN-1 湿，ASDN 湿分别与ASDN-1 干，ASDN 干的定义相同，只是跑道道面为湿的。飞机离地时的速度VLOF是飞机升力等于重力的速度，也就是说当飞机的重量以及外界大气条件固定了，VLOF是一个固定不变的常量，VLOF固定了，V2也就相对固定了，不论V1怎么变化，V2是固定的，也就是说对于给定的重量以及外部大气条件，V1可能不是唯一的V1，V1是可以在一个范围内变化的，限制这个变化范围的因素就是跑道的长度。这里说的跑道的长度是一个广义的范围，它还包括停止道和净空道。V1的变化范围：当重量一定时，如果假设发动机在V1以后失效，飞机需要继续起飞，那增大V1将会使全部发动机都工作的加速阶段长一些，并且由于需要继续起飞，VLOF是固定的(因为此时升力≥重力，而重量是一定的)，飞机是否离地与V1无关，也就是说无论V1大小，只要发动机失效在V1以后飞机需要继续起飞，都需要加速至VLOF。所以飞机在35 英尺高度上达到V2的速度所使用的距离也就较短，也就是V1↑→TODN-1↓和TORN-1↓(TOR 是起飞滑跑距离)。如果发动机没有失效，那可以说飞机的性能与V1无关，只与VR和V2有关，所以TODN 和TORN 与V1无关。总结地说就是V1的`增大会使单发后的起飞爬升性能变好(重量一定)。从另一方面来说，当重量一定时，如果假定飞机在V1前出现严重故障导致在V1开始中断动作，那么加大V1将会导致ASD 的增加：当出现的是发动机故障引起的中断时会导致ASDN-1增加：而如果是其它方面的故障或警告需要中断时，如风切变警告等，V1增大将会导致ASDN增加。这是因为从松刹车加速到一个较大的V1所需要的距离较长，而中断(所有发动机都工作)时从一个较大的V1减速到零所需要的距离也较长。

　　当ASD 增加到与ASDA(可用加速停止距离，等于跑道长度加上停止道的长度)一样时就可以理解为达到了当前重量的最大V1，如果再增加V1将导致V1前中断时飞机可能会冲出铺设的道面，这种可能性会随着中断时的速度的增加而大大增加，也就是说铺设的道面的长度决定了V1变化范围的上限(在只考虑场长因素的时候如此，另外V1上限还受到Vmbe 最大刹车能量以及Vtyre 轮速的限制，在此不作讨论)。V2是到达场面上空英尺高度时需要达到的速度，而场面的长度应限制在可用起飞距离(TODA，TODA=TORA+净空道)之内，如果假设飞机正好在净空道的末端达到35 英尺并且速度达到V2，那如果减小V1，当V1时出现发动机失效，那飞机只使用一台发动机(双发飞机)从V1加速至VR所需的距离将比较大的V1时所用的距离长，从而导致到净空道末端时可能不能满足35 英尺高度和V2速度的要求，也就是说V2限制了V1变化范围的下限，实际上是TODA 限制了V1的最小范围，而且由于V1后如果因为发动机失效需要继续起飞，不仅需要保证飞机在剖面上保证35 英尺以及V2等爬升性能，还需要保证飞机的横侧轨迹的安全，也就是说要保证飞机在V1后单发加速至VR的这一段单发滑跑过程中飞机不能偏出跑道(最基本的安全需要)，而且这种方向的保持还必须仅靠蹬舵就能完成。

　　V1变化范围受距离的影响。滑跑轨迹的控制通过VMCG来表达，离地后的航迹控制通过VMCA来表达。用文字表述V1,V2,VMCG,VMCA之间的关系就是VMCA 限制了V2的最小值，而V2的最小值又限制了VR的最大值，VR的最大值又限制了V1的最大值，最后VMCG限制了V1的最小值，数学表达式就是VMCG≤V1≤VRVMCA。现在明确了V1是可以变化的，也知道限制它的变化范围的条件，那有没有一个比较理想的V1 值，它既能最大化满足飞机爬升越障的需要(较大的V1)，又要在需要中断起飞时在跑道道面内停下来(较小的V1)呢?根据前文我们知道当V1增加时加速停止距离会增加，但是单发起飞距离会较小， V1与ASD 和TODN-1的关系，其中的TODN由于不涉及到单发中断或单发起飞爬升，只是一个正常的起飞，所以V1的大小与一个正常的起飞没有关系，TODN是一个常量。图中ASD 曲线与TODN-1的曲线相交处可以得到一个V1值，在这个V1值可以达到中断性能与单发爬升性能的妥协，也就是在这个V1可以达到最小的距离，这个V1被称为平衡V1，其对应的场长称为平衡场长。这里的“平衡”是指中断性能与单发爬升性能的平衡，而不是指在这个速度中断的话飞机一定会正好在跑道铺设的道面尽头停下来，实际停下来的位置可能距铺设的道面尽头还会有相当的距离。

　　最后再来讨论一下报V1的时机，有时我们考虑中断时滑跑的安全性会在V1前5 节左右就报V1了，其实这种做法并不是非常合理：根据FAR/JAR25 部107 款的规定，“从发动机在VEF (发动机故障速度)故障到飞行员在V1时判断发现故障之间所考虑的时间为1秒钟”，如果按静止加速到V1平均加速度计算需要40 秒，那提前5节的速度报V1就提前了1 秒钟以上，这样就可能将VEF放到报出的V1之后，飞行员不得不继续起飞，将本来用中断起飞来处置的发动机失效带到空中来处理，大大增加了处置难度和危险性，这也是具有自动报话功能的飞机会准确报V1的原因。

　　关于中断时的距离方面，1978 年3 月1 日生效的FAR25 部第42 次补充条款要求在计算ASD 时还要考虑“V1速度后有2 秒钟的连续加速，而接下来才是飞行员采取任何将飞机停下来的动作”，虽然1993 年后JAA 与FAA 达成一致将“V1后2 秒钟的连续加速”用“以V1速度运动2 秒钟的距离余量”代替，使得要求有所降低，但是依然为飞行员提供了2 秒钟的余地。只要飞机重量、中断起飞的时机和动作是正确的，保证飞机中断起飞时在铺设的道面内停下来是有法律依据的。综上所述，了解了V1相关的概念和理论之后，对于我们理解起飞时V1有重要意义，V1是个范围，在范围许可的情况下，是偏向于起飞爬升性能，还是偏向于中断安全边际，这时作为机长的你即可根据当时机场周边的地形和天气情况去有依据的抉择，做到心中有数，从而保证安全。