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EFB性能模块中灵活温度法的由来
来源:中航材导航技术2021-07-04访问人数:1444

       在燃油价格持续增长的环境下,航空运行燃油成本所占比重快速增加。根据空客的统计数据,以A320飞机为例,运行成本燃油占47%,发动机维修占7%,两者总计为54%占据了运行成本的一半以上。可见航空公司如何在确保安全的基础上降低这部分成本,成为了每家航空公司增加利润的重要手段之一。


       降低燃油成本和发动机维修成本的方法有很多,在飞机巡航阶段可以优化公司航路走向、巡航高度、FMS进近程序等。但在地面起飞阶段能够使用的优化方案不多,灵活温度起飞和减推力起飞是其中重要的手段之一。

       飞机起飞阶段飞行机组通过推力杆选择TOGA或T flex起飞推力。当飞机以允许的最大重量起飞时,发动机的TOGA推力能满足飞机的安全运行需求。但飞机运行不是任何时候都装有大量旅客和货物,所以在这种情况下起飞,飞行员如果继续选择TOGA推力,发动机会输出多余的推力。而且随着发动机输出功率增大,发动机热部件工作环境越恶劣,空气经过发动机燃烧室成为高温高压气体直接冲击高压涡轮转换为机械能。所以长时间使用TOGA起飞会减小发动机工作效率,增加发动机油耗,同时也会降低发动机使用寿命。也因此,合理的使用灵活温度起飞和减推力起飞十分重要。


       但如果要理解灵活温度起飞和减推力起飞的原理,就必须从飞行力学开始。由于这里只是简单的介绍,以下内容使用简单的模型描述。

       民用商业运输飞机主要类型为下单翼双发涡轮风扇飞机。升力主要由机翼产生,力学表达为




       推力由飞机发动机风扇产生,重力由飞机质量在地球引力下产生(简化模型),阻力由飞机与风的相对运动产生。

       在平飞阶段,飞机处于匀速直线运动过程,即:

       F lift = Weight

       F thrust = F drag

       在地面起飞阶段,飞机由匀速直线运动变为加速直线运行,即:

       F lift > Weight

       F thrust > F drag

       当飞机在地面准备起飞时,需要有足够大的向前的推力,以及向上的升力。这就意味机翼产生的升力需要大于飞机重力,发动机产生的推力需要大于空气产生的阻力。一架飞机设计制造完成后,机翼的面积就不可以更改。当某个航班获取ATC指令并对准跑道后,当时的天气条件决定的空气密度就不可改变。根据升力公式,唯一能够人为改变飞机升力的就只有飞机相对空气的速度。也就是说飞机推力和升力最终都取决于发动机,即飞机获取的动能和势能均由发动机机械能转换而成。

       所以选择合适的起飞推力不仅能够满足飞行安全需要,还能节省成本提高航空公司利润率。

       理解了基本的飞行力学之后,就可以开始分析灵活温度起飞和减推力起飞的可行性了。

       以空客飞机为例(与波音系列在原理上没有区别),灵活温度起飞和减推力起飞都是在飞机准备起飞阶段使用。飞行机组在MCDU中输入参数,通过条件限制FADEC来调整发动机的输出功率。但区别在于灵活温度起飞是给定发动机一个假设的OAT(外界大气温度)来限制发动机功率,而减推力起飞是直接修改发动机最大输出功率来限制发动机输出功率。下面就详细描述一下两者的工作原理。

       01灵活温度起飞

       灵活温度起飞的依据来自于FAA AC25-13。

       航空涡轮发动机的功率随着OAT的升高会在某一个点开始下降,这个点对应的温度定义为T ref。当OAT高于T ref后,发动机输出功率就会开始下降。灵活温度起飞方式就是根据航空涡轮发动机的这种特征提出。航空发动机TOGA推力是满足飞机以允许的最大重量运行所需的推力,但航班运行不会都以允许的最大重量起飞。为了在安全的前提下尽可能减少不必要发动机功率输出,飞行机组只要在ECAM中输入从EFB性能模块或起飞分析表中得到的合适“灵活温度”就能确保飞机拥有足够的发动机推力。

       举个例子,某一天飞机实际的起飞重量是actual TOW,但actual TOW < RTOW,飞行机组可以直接在MCDU中输入EFB性能模块计算得到一个灵活温度,使FADEC调整发动机输出功率匹配对应的温度。


       但灵活温度起飞的推力不能无限制的减小,为了拥有足够的安全阈度需要满足以下条件:

       T flex > T refT flex > OATT flex ≤ T flex maxRunway State ≠ contaminated


       02减推力起飞

       减推力起飞的依据也来自FAA AC25-13。

       两者不同的地方在于减推力起飞不是利用航空涡轮发动机推力会在Tref之后开始衰减的特性,而是直接修改飞机发动机输出的最大功率。航空公司可以支付飞机制造商一定费用改装飞机发动机,从而达到减推力起飞的效果并且可以在某些特定条件下提升飞机性能。

       总结一句话就是,两种方法都可以减少发动机输出功率,但减推力起飞需要航空公司支付飞机制造商改装发动机费用,而灵活温度是一种利用航空涡轮发动机特性的方法而不需要额外支付任何费用。

       所以国内航空公司都选择使用灵活温度起飞作为降低燃油消耗和运行成本的手段。然而,灵活温度计算一直是起飞分析表使用的难点和极其容易犯错的地方。尽管是地面专业人员,如果长时间不使用起飞分析表也会很快忘记计算规则,更何况是还要熟悉驾驶舱操作的飞行员。但航空运行对安全问题零容忍。为了解决运行当中安全问题,同时减轻飞行运行人员的工作负荷,中航材导航技术开发了EFB性能计算模块解决了灵活温度计算问题。

       相较于飞机性能工程师使用的复杂计算软件,EFB性能计算模块在保持数据准确的前提下简化了操作界面,能够随时计算飞行起飞所需的性能数据。同时为了进一步降低计算过程中人为差错的可能性,EFB性能模块还添加了舱单数据导入功能,防止因为飞行员输入错误飞机重量,进而得到错误的起飞性能数据造成不安全事件。

       除此以外,飞行员也可以在离线状态下查看飞机性能工程师提前制作并上传到EFB的有效起飞性能数据。这样不仅解决了EFB在特殊地区数据计算功能不可靠的问题,同时也能辅助飞行员二次校核在线性能计算得到的数据。

       未来为了进一步降低飞行机组的工作负荷和人为差错机率,带有PDF表格数据读取计算、MEL/CDL 修正的起飞分析计算功能、着陆分析计算功能将陆续更新。









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