波音：起飞性能优化-减推力与停止余度间的平衡（长文多图！）

DennisTing, Meghan Nelson, and Greg Haselfeld

引言

现代机载性能软件应用，如波音的机载性能工具（OPT），使飞行员或签派员能够实时地优化起飞性能。通过优化襟翼设定，V1，V2（改善爬升），这些工具能够确定最大的起飞重量。同样，正常起飞中，当不需要使用最大起飞重量时，通过优化这些参数，这些工具也能确定最大的减推力值（最高的假设温度）。假如这些参数对于飞行机组是可选择项，则软件会向机组提供多个起飞襟翼设定和V-speed选项，及一系列假设温度。

即使已确立襟翼设定和V-speed选项的政策时，软件仍会向机组提供假设温度的选择，而这会决定最终的起飞速度。使用更高的假设温度（更低的推力），特别是结合改善爬升时，起飞速度会更高，因此起飞距离和加速停止距离也会更长。这里便会有两个常被问到的问题。首先，推力减少和停止余度之间是怎样转换的，尤其是在接近最大允许的假设温度并结合改善爬升时？其次，如果想要得到允许的最大推力减少值，哪些选择可用来最大化停止余度？

通过案例分析，这篇文章将对推力减少值（假设温度）和加速-停止距离余度间的转换进行说明。该案例也将说明襟翼设定和V1选项是如何来最大化停止余度的。

定义

本文涉及的起飞推力减小的方法是减推力法，或称为假设温度法（ATM）。减额定功率法（固定减额定功率）的作用不在此讨论。

加速-停止距离采用《飞机飞行手册AFM》中的定义。本文中，停止余度指基于外界大气温度的实际停止距离和可用跑道长度间的差值，假设不存在安全道。

假设温度法（ATM）中的停止余度

假设温度法中的加速-停止距离基于假设温度下的真空速计算。这个假设距离是计划的（签派放行）起飞性能的基础。因为实际真空速（基于OAT）在起飞过程中较低，实际加速-停止距离会比假设的加速-停止距离短。因此，假设温度法中总是存在一个停止余度，即使计划性能受到可用跑道长度的限制。如果计划起飞性能受到航道二段爬升梯度或超障的限制，可用跑道长度存在剩余，停止余度会更大。图表1表明，场长限制和爬升/障碍物限制的案例中的停止余度。

图1-假设温度法中的停止余度

推力和V速度对加速-停止距离的影响

使用平衡V1时，随着起飞推力的减小（即更高的假设温度），因而需要更长的距离以便从起始点滑跑增速至V1，加速-停止距离也会增加。为维持平衡场长，VR也会增加，V2稍微增加或保持不变。在场长限制的案例中，推力可减小至假设的平衡场长等于可用的跑道长度。

如果性能受到爬升或障碍物限制，有剩余跑道长度。通过使用改进爬升（优化V2），推力可进一步减小。同样，针对平衡场长，改进爬升需要增加V1，VR和V2。除由于推力减小而增加V1和VR以维持平衡场长外，V1，VR和V2会由于改进爬升而进一步增加。更大的V1导致加速停止距离的明显增加。图2.1和2.2表示推力减小（假设温度）对平衡V速度和加速-停止距离的影响。

图2.1-减推力对平衡V速度的影响

图2.2-减推力对加速-停止距离的影响

停止余度和假设温度之间的交换-案例分析

图3.1表示，737-800飞机（带翼尖小翼），26K推力，空调自动，襟翼5，跑道长度12000英尺，干道面，压力高度0英尺，静风，OAT15℃，起飞重量68000kg，假设温度和实际加速停止距离间的关系。距离按照线性增加直至59℃，这是在不使用用假设温度时的最大允许假设温度，停止余度为4607英尺。当使用改进爬升以进一步增加假设温度时，距离则急剧增加，在最大允许的假设温度66℃时，停止余度减小至2598英尺。图3.2表示停止余度和假设温度间的交换。

如需额外的安全余度，最大允许假设温度降低1℃（使用改善爬升），停止余度将增加626英尺；最大允许假设温度降低2℃（使用改善爬升），停止余度将增加926英尺。因此，当使用改进爬升时，仅通过降低假设温度便可获得更大的停止余度。不使用改善爬升时，在该案例中，每假设温度每降低1℃，停止余度大约按线性增加50英尺。

图3.1-实际加速-停止距离VS 假设温度

图3.2-停止余度VS 假设温度

襟翼选择和最小V1对加速停止距离的影响

众所周知，当性能受到场长限制时，使用更大的襟翼设置可提供额外的停止余度。在受爬升或障碍物限制的情况下，使用较小的襟翼结合较少或无改进爬升，较之大襟翼与大改进爬升的组合，会更加有效，尤其是在非常低的推力时（高假设温度）。针对同样的推力（同样的假设温度），使用较小的襟翼有可能得到更小的加速-停止距离，因为起飞速度更小。

缩短加速-停止距离的最佳方式是当有剩余跑道可用时，使用较低的V1。因此，通过使用最小V1而非平衡V1，场长不再平衡，加速-停止距离小于平衡V1时的加速-停止距离。

优化襟翼和V1以维持减推力值时增加停止余度

在上面的情形中，如果想达到预期的减推力水平（假设温度66℃），通过使用小襟翼，最小V1或两者的结合，仍可增加停止余度。图4.1和4.2表示，使用襟翼1对实际加速停止距离和停止余度的影响。66℃时，较之襟翼5的停止余度，襟翼1的停止余度增加了542英尺。

图4.1-使用Flaps 1时的实际加速-停止距离

图4.2-使用Flaps 1时的停止余度

图4.3和图4.4表示，使用最小V1对实际加速停止距离和停止余度的影响。66℃时，较之平衡V1，最小V1的停止余度增加了341英尺。

图4.3-使用最小V1对实际加速-停止距离的影响

图4.4-使用最小V1对停止余度的影响

襟翼1和最小V1结合使用，较之襟翼5和平衡V1的组合，可增加1246英尺的停止余度。图4.5和4.6表示，襟翼1和最小V1对加速停止距离和停止余度的影响。

图4.5-同时使用最小Flaps 1 和最小V1对加速-停止距离的影响

图4.6-同时使用最小Flaps 1 和最小V1对停止余度的影响

因此，在显著降低假设温度以增加停止余度前，机组可考虑改变襟翼设置和/或最小V1，在维持期望的减推力水平时获得预期的余度，或较少的降低假设温度。

注意，通过使用襟翼1，同时维持与襟翼5同样的停止余度（平衡V1时2598英尺，最小V1时2939英尺），可进一步降低假设温度（更高的假设温度）。事实上，襟翼1的停止余度更大（平衡V1时2876英尺，最小V1时3369英尺）。

总结

驾驶舱起飞性能软件应用，如OPT，可最大化起飞重量和起飞减推力值。它可使机组能够选择假设温度，襟翼设置和V速度选项，以提供理想的停止余度而不必降低减推力值。当使用改进爬升以进一步降低起飞推力时，如果想获得额外的停止余度，假设温度的轻微降低可得到停止余度的明显增加，这有助于减推力和停止余度间的平衡。

附录

评估实际停止距离的简易方法

如本文所述，由于基于假设温度下更高的真空速这一假设条件，假设温度法中已包含了停止余度。因此，分析停止余度时，有必要基于实际外界温度确定实际家督-停止距离。评估实际加速-停止距离的步骤如下：

1.运行BPS或AFM-DPI确定假设温度时计划（签派）的加速-停止距离

2.将OAT和假设温度单位从℃转换为K

3.计算OAT和假设温度间的比值（OAT除以假设温度，单位K）

4.计划（签派）的加速-停止距离乘以步骤3中的温度比值。结果约为实际加速-停止距离。

本文中的案例学习，实际加速-停止距离使用“第一原理”（First-Principle）方法计算得到，更加精确的考虑了真空速效应。较之使用“第一原理”方法计算得到的实际加速-停止距离，以及根据假设温度，上述简易方法评估得到的实际加速-停止距离会更长一些（少于2%，保守估计），或少0.5%（最优情况）。

译者思考：

实际飞行中，波音机型的飞行员在查阅起飞分析表时，通常不太愿意使用改善爬升的性能数据以获得更高的假设温度（更多的减推力值）。一来，改善爬升的V1明显增大，认为中断起飞的风险也较高；二来，更低的减推力值，导致飞机起飞后的爬升推力也相应减小，爬升较慢而会增加油耗（当然机组可以随时选择全推力爬升）。这些思考不无道理，但决策或者政策的制定并不能简单依靠逻辑推理，而应该进行充分的数据分析。风险即使增加，或许仍处于可接受范围内；增速爬升慢，但便于更好执行机场的减噪程序；更大的离地速度和离地姿态也会增加机尾余度；最为重要的便是延长发动机寿命及在翼时间。风险和收益的博弈始终存在，取决于各个公司是否愿意去深入挖掘这些潜在价值。

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