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高原机场运行的“高温”特性

 2018-02-07 13:46:57 来源:民航资源网 作者:郭伟 代索 贾莉 赵海柱  [投稿排行榜]

      摘要:高原机场,因其复杂的地形和气象特点,对实际运行带来了相当大的难度和安全风险。除此之外,有别于高原机场给人的天气寒冷的印象,从飞机性能的角度来看,高原机场运行具有“高温”特性。本文将从高原机场温度特点入手来分析高原机场的“高温”特性,并针对该特性给出实际运行中的注意事项。

      1. 引言

      根据局方咨询通告AC-121-FS-2015-21R1《高原机场运行》,海拔高度在1524米(5000英尺)及以上的机场即称为高原机场。高原机场按照高度划分为一般高原机场和高高原机场。其中,海拔高度低于2438米(8000英尺)的机场称为一般高原机场;海拔高度高于2438米(8000英尺)的机场称为高高原机场。

      我国西部大部分地区地处青藏高原和云贵高原,这些地区的机场大多位于山地和高原,因其地形和气象条件等诸多因素,其实际运行存在了相当大的的风险和诸多安全压力。

      有别于高原机场给人的通常印象:天气寒冷,从飞机性能的角度来看,高原机场运行却具有“高温”特性。本文将对高原机场运行的“高温”特性展开分析,并针对该特性给出相应的运行注意事项。

      2. 高原机场温度特点分析

      根据大气的垂直分布特点,大气层分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。其中对流层的高度随纬度、季节等因素变化。通常,对流层的高度最低约为8-9km。

      随着高度的上升,空气密度越来越稀薄。空气所能吸收的热量也逐渐降低。太阳热量辐射到地球上,约18%的能量被空气直接吸收,大约30%的能量被反射回宇宙空间。剩余大约50%的能量由地面以及水吸收,再以热量的形式辐射进空气中。因此空气温度变化的来源主要是地表辐射以及水体辐射。因而随着高度升高,空气能够吸收的热量也会降低。即高度升高,温度降低。随着地理位置、季节、高度、气象等影响,大气的物理性质不尽相同。因此我们采取国际标准大气ISA以及ISA的偏差作为温度高低的标准。国际标准大气是指海平面温度15℃,气压1013.25hPa的大气。

      标准的对流层顶的高度为11,000米(36,089英尺)。在对流层顶以下,随着高度的上升,温度以恒定的-6.5℃/1000米(-1.98℃/1000英尺)线性递减。因而可以得出,在标准大气条件下,温度与高度的变化公式为:

      T=15-6.5H

      其中:H为高度,单位为1000米。

      或

      T=15-1.98H

      其中:H为高度,单位为1000英尺。

      表1:垂直温度分布表

      以拉萨贡嘎机场为例,该机场月平均温度见表2。

      表2:拉萨月平均温度

      统计结果显示,拉萨最高温度出现在6月,最高温度为23℃。此温度从人体对温度感知舒适度的角度来看,是相当适宜的温度。而我们在考虑飞机性能时,对于温度的影响,应从国际标准大气的角度对温度进行衡量。

      拉萨机场标高为:H=11711英尺,在标准大气条件下,拉萨的国际标准大气温度为:

      T=15-11.711x1.98≈-8.18℃

      显然,拉萨仅 在1月的最低温度-9℃低于标准温度。从飞行性能的角度来看,除此月以外,拉萨贡嘎机场全年温度均高于ISA。

      其中,六月平均最高温度为23℃(TISA+31),换而言之,此温度相当与标准海平面机场:15+31=46℃的状态运行。

      3. 高温对于飞行运行的影响

      3.1 对飞机起降性能的影响

      对飞机起降性能的影响我们从升力和发动机推力,两个方面来看。

      随着温度的增加,空气密度线性降低。根据标准升力公式:

      G=mg=½ρS(TAS)2CL

      其中:

      G=飞机的重力

      m=飞机的质量

      ρ=空气密度

      S=机翼面积

      CL=升力系数

      随着温度的升高,为维持升力与重力的平衡,真空速(TAS)必须要增加。因而在起飞过程中所需的起飞距离增加。因而在给定起飞距离的前提下,能够维持的最大起飞重量降低。

      在高原机场着陆时,IAS相同的情况下TAS较大。因此,在高原机场着陆时进近速度和着陆速度都相对较大,使着陆距离增长。同时,由于高原地区空气密度和空气阻力较小,造成飞机减速缓慢。

      发动机可用推力的最大限制因素是EGT。随温度上升空气密度降低,发动机压气机负荷增大。在较低温度时通过压气机的修正发动机的最大可用推力保持不变。达到一定温度时,受EGT限制,压气机无法弥补空气密度的衰减,造成可用推力的衰减,如表3。

      由于高原机场ISA温度较高,因此随着高度的升高,推力衰减的临界温度降低:

      表3:发动机推力衰减表

      显然,在高原机场,尤其在极端高温天气(如25℃)发动机的可用推力会受到很大影响,导致起飞距离大大增加,爬升、越障能力大幅衰减。反之,如要保证起飞性能,起飞重量就会大幅削减,在运行期间大量亏损。

      综上所述,高原机场运行时,飞机的起降性能都有所下降。对于起飞阶段,V1,VR和VLOF的增加,造成继续起飞距离和中断起飞距离增长,场长限制的起飞重量减少。对于着陆阶段,进近速度和接地速度增大,着陆距离增长。

      以某机型为例,在海平面机场,6000英尺气压高度机场,8000英尺气压高度机场起飞的起飞跑道和爬升限制重量分别如表4、5、6。

      表4:某机型海平面气压高度起飞跑道和爬升限制重量

      表5:某机型6000英尺气压高度起飞跑道和爬升限制重量

      表6:某机型8000英尺气压高度起飞跑道和爬升限制重量

      在同样的OAT:18℃,起飞襟翼5,修正的跑道长度3000米的条件下,最大跑道限制起飞重量分别为:86.1吨,71.2吨和65.9吨;最大爬升限制起飞重量分别为:81.7吨,68.7吨和63.7吨。

      再来看着陆跑道限制重量,对于该型飞机,在襟翼40,防滞工作,自动减速板工作,干跑道,风修正后跑道长度为2000米条件下,机场气压高度分别为:海平面,6000英尺,8000英尺,跑道限制重量分别为:81.8吨,69.7吨和59.5吨,详见下表7。

      表7:着陆跑道限制重量

      3.2 机轮

      在高温高原机场,特别是在有顺风的情况和相同起飞重量、相同离地表速的情况下,飞机的离地速度(真速)大,轮胎旋转速度快,轮胎受到的离心力大。当轮胎转速达到一定值时,巨大的离心力和飞机的重力将使轮胎破裂,因此有必要考虑轮胎速度对最大起飞重量的限制。一般民航客机每种机型都有几种具有不同速度限制的轮胎可供选用。如:737-300有三种选择,它们的限制速度分别为200、210、250mile/h;B747有225、235 mile/h两种;B767则只有225mile/h一种。以某机型为例,在海平面机场,6000英尺气压高度机场,8000英尺气压高度机场,其轮胎速度限制重量分别为:190000磅,185400磅和170700磅,见表8。

      表8:不同机场气压高度下的轮胎速度限制重量

      如3.1分析,在高原机场着陆时进近速度和着陆速度大,减速较慢;且空气密度较小,这些都会造成刹车内部能量累积过多,机轮温度过高。这可以导致轮胎的热熔塞融化并使轮胎泄压,如果维护人员没有发现该情况,有可能在飞机再次起飞或着陆时未泄压的轮胎会承受过大的负荷导致轮胎爆破,对安全运行造成严重的威胁。这些将对快速过站重量造成限制。以C类钢刹车的某型飞机为例,OAT为20℃,机场标高分别为:海平面,6000英尺和8000英尺,其快速过站限制重量分别为:84.6吨,75.1吨,72.1吨,详见表9。

      表9:快速过站限制重量

      4. 运行建议

      (1)从飞行性能的角度而言,高原机场“高温”特性带来的影响,需要公司在安全与经济之间找到平衡,飞行等部门严格遵守SOC通过性能计算得到的业载限制。

      (2)对于适航维修而言,需要建立专门的高原运行特殊要求管理体系,合理完善高原运行飞机维修方案,加强监控。

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    (供稿:珠海翔翼航空技术有限公司

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