基于飛行過(guò)程中V1 的深度研究論文
在我們的日常飛行過(guò)程中會(huì )涉及到很多的速度、高度，這些速度和高度的組合再加上其它的一些數據為我們搭建了一個(gè)飛機操作的三維空間，在這個(gè)三維空間之內飛行是安全的，而這個(gè)三維空間之外的區域就是飛行的“禁區”，一般說(shuō)嚴禁將飛機操作到這個(gè)三維空間之外。這個(gè)三維空間就是飛機的包線(xiàn)，包線(xiàn)實(shí)際體現了一架飛機的性能。包線(xiàn)范圍越寬，證明飛機對外界因素的適應性越強，性能也就越好，反之亦然。在飛行包線(xiàn)中有一個(gè)重要的速度——V1，它是一個(gè)決斷速度，它可以決定當飛機發(fā)生了嚴重故障，例如但不限于發(fā)動(dòng)機故障時(shí)，飛機是停在地面上還是繼續起飛，所以了解V1的確定過(guò)程對于保證起飛的安全至關(guān)重要。
根據美國聯(lián)邦航空條例第25 部107 款(FAR 25.107)以及歐洲聯(lián)合航空條例第25 部107 款(JAR 25.107)的定義，V1是一個(gè)修正表速，這個(gè)修正表速是如果需要中斷起飛時(shí)可以保證飛機停在跑道的限制范圍內的機組能夠決定中斷起飛的最大速度。V1本來(lái)應是在這一刻飛機的關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機發(fā)生故障，同時(shí)飛行員識別故障，做出決定并開(kāi)始中斷的第一個(gè)動(dòng)作。但是由于飛行員發(fā)現故障、識別故障、做出決策并開(kāi)始動(dòng)作都需要一定的時(shí)間，所以如果發(fā)動(dòng)機是在V1時(shí)刻故障的，那飛行員做出中斷起飛的第一個(gè)動(dòng)作時(shí)飛機的速度已經(jīng)超過(guò)V1了，這明顯不符合“V1是機組能夠決定中斷起飛的最大速度”的定義的要求，所以FAR/JAR25 部107 款中對V1做出了特別的限制，以保證提供給飛行員合適的反應時(shí)間，我們將在后文中具體闡述25 部107 款的有關(guān)限制。
我們每次起飛都將跑道的性能實(shí)用完了嗎?不記得!很多時(shí)候當飛機到達跑道道面的盡頭時(shí)飛機的高度已經(jīng)好幾百英尺了，或者說(shuō)飛機剛剛用了一半的跑道甚至還不到飛機就離地了，還有很長(cháng)一截跑道被浪費了，這些情況說(shuō)明跑道的性能尚有很大的潛力可以挖掘。由于飛機離地時(shí)需要克服重力，也就是說(shuō)只要重量一定了，針對同一條跑道以及相同的大氣環(huán)境，飛機離地的速度也就固定了，那跑道的性能就靠調整V1來(lái)達到。V1的變化范圍必須保證在V1時(shí)中斷能在跑道鋪設的道面內停下來(lái)，又要保證V1后發(fā)動(dòng)機失效繼續起飛所需要的爬升越障性能。
對于廣大飛行員來(lái)說(shuō)，總是希望最好不要將嚴重的故障帶到空中來(lái)處理，這種愿望就可以通過(guò)V1達到，但是V1確定的依據是什么呢，也就是說(shuō)V1是在什么范圍之內呢?在確定V1之前需要先介紹幾個(gè)場(chǎng)長(cháng)以及速度的概念：
(1)VMCG：地面最小操縱速度。根據FAR/JAR25 部149 款的定義，VMCG是飛機在起飛滑跑時(shí)，當飛機在VMCG時(shí)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機失效，僅靠空氣動(dòng)力控制就可以使飛機偏離跑道中心線(xiàn)的距離不超過(guò)30 英尺地安全起飛。在這里“僅靠空氣動(dòng)力”的意思是不使用前輪轉彎裝置。VMCG的確定是保證關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機失效時(shí)滑跑的側向安全，根據V1的定義，V1以前的發(fā)動(dòng)機推力喪失需要中斷起飛，中斷后的滑跑需要保證飛機的安全，飛機必須能在跑道的寬度范圍內停下來(lái)，所以V1必須得大于VMCG。
(2)V2：是當在V1后發(fā)生發(fā)動(dòng)機故障，繼續起飛時(shí)飛機爬升到高出跑道表面35 英尺時(shí)必須達到的最小的爬升速度，它必須保證飛機的可操縱性和安全性。這里的可操作性是指飛機的舵面有足夠的操縱效率來(lái)維持飛行的軌跡，并且，飛機還得保持與失速速度有一定的余量。操作性是通過(guò)VMCA來(lái)表示的。VMCA與VMCG類(lèi)似，安全性是通過(guò)VS或VSR(空客飛機在JAR 中的失速速度的特別表示方法)來(lái)表述。由于這兩個(gè)速度與文章聯(lián)系不強，所以在此不做仔細描述�？梢杂靡粋�(gè)數學(xué)表達式來(lái)表示V2，即V2=max{1.31VSR或1.2VS，1.1VMCA}。
(3)VR:以3°/秒的速率抬前輪，并且在高于起飛表面35 英尺之前就達到V2的速度。由于抬頭時(shí)飛機已經(jīng)不可能再回到地面上，所以飛機的安全性仍然使用VMCA來(lái)描述。VR與VMCA的關(guān)系式VR≥1.05VMCA。VR與V2的關(guān)系是V2=VR+在跑道表面上空達到35 英尺之前獲得的速度增量。VR與V1的關(guān)系式VR>V1。
(4)起飛距離(TOD)：起飛距離是飛機從松剎車(chē)滑跑開(kāi)始到飛機離地并爬升到一定的高度所需的距離，確定起飛距離需要區分干、濕跑道：
a.干跑道：如果所有發(fā)動(dòng)機都工作的正常起飛，其起飛距離為從松剎車(chē)開(kāi)始到飛機高于起飛表面上空35 英尺所需實(shí)際距離TODN(N 為所有發(fā)動(dòng)機都工作)的115%;如果從松剎車(chē)開(kāi)始到VEF(關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機失效速度，VEF≥VMCG)，關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機失效，再到飛機高于起飛表面上空35 英尺所需實(shí)際距離TODN-1，兩者取較高者，即TOD 干=max{TODN-1 干， 1.15TODN 干}。
b.濕跑道：也是兩個(gè)數據中取大者，其中一個(gè)是TOD 干，另外一個(gè)是TODN-1 濕，即TOD 濕=max{TOD 干，TODN-1 濕}。此處的TODN-1 濕只要求飛機達到的高度是15 英尺，而不是干跑道的TODN-1中要求的35 英尺，但是TODN-1 濕必須保證飛機在最遲35 英尺時(shí)達到V2。
(5)加速停止距離(ASD)：如果飛機在V1發(fā)動(dòng)機失效需要中斷，那么從松剎車(chē)開(kāi)始滑跑開(kāi)始到飛機完全停下來(lái)所需要的距離就是加速停止距離。確定加速停止距離也需要確定干、濕跑道：
a.干跑道：干跑道的ASD 為ASD 干=max{ASDN-1 干，ASD 干}。引起中斷起飛的原因可以分為兩大類(lèi)：發(fā)動(dòng)機失效和其它嚴重系統故障，所以這兩種情況引起的中斷都必須考慮它們的加速停止距離。ASDN-1 干主要是考慮發(fā)動(dòng)機失效引起的中斷所需要要的停止距離，ASDN-1 干=飛機所有發(fā)動(dòng)機加速到VEF (發(fā)動(dòng)機失效速度，VMCG≤VEF≤V1) 所用的距離+VEF時(shí)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機失效且飛行員在V1 時(shí)開(kāi)始中斷起飛的第一個(gè)動(dòng)作(FAR/JAR 25.109 規定VEF到V1之間的時(shí)間是1 秒) 所用的距離+以V1速度運動(dòng)2 秒所用的距離+飛機完全停下來(lái)所用的距離(不用反推且機輪剎車(chē)在允許范圍內最嚴重的磨損程度);而ASDN 干則是考慮由于其它嚴重系統故障引起的中斷起飛所需要的滑跑距離，ASDN 干=飛機所有發(fā)動(dòng)機加速到V1所用距離+以V1速度運動(dòng)2 秒所用的距離+在V1時(shí)開(kāi)始中斷的第一個(gè)動(dòng)作(沒(méi)有任何發(fā)動(dòng)機失效)至飛機完全停下來(lái)所需距離。
b.濕跑道：濕跑道的ASD 濕=max{ASD 干，ASDN-1 濕，ASDN 濕}，其中ASDN-1 濕，ASDN 濕分別與ASDN-1 干，ASDN 干的定義相同，只是跑道道面為濕的。飛機離地時(shí)的速度VLOF是飛機升力等于重力的速度，也就是說(shuō)當飛機的重量以及外界大氣條件固定了，VLOF是一個(gè)固定不變的常量，VLOF固定了，V2也就相對固定了，不論V1怎么變化，V2是固定的，也就是說(shuō)對于給定的重量以及外部大氣條件，V1可能不是唯一的V1，V1是可以在一個(gè)范圍內變化的，限制這個(gè)變化范圍的因素就是跑道的長(cháng)度。這里說(shuō)的跑道的長(cháng)度是一個(gè)廣義的范圍，它還包括停止道和凈空道。V1的變化范圍：當重量一定時(shí)，如果假設發(fā)動(dòng)機在V1以后失效，飛機需要繼續起飛，那增大V1將會(huì )使全部發(fā)動(dòng)機都工作的加速階段長(cháng)一些，并且由于需要繼續起飛，VLOF是固定的(因為此時(shí)升力≥重力，而重量是一定的)，飛機是否離地與V1無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)無(wú)論V1大小，只要發(fā)動(dòng)機失效在V1以后飛機需要繼續起飛，都需要加速至VLOF。所以飛機在35 英尺高度上達到V2的速度所使用的距離也就較短，也就是V1↑→TODN-1↓和TORN-1↓(TOR 是起飛滑跑距離)。如果發(fā)動(dòng)機沒(méi)有失效，那可以說(shuō)飛機的性能與V1無(wú)關(guān)，只與VR和V2有關(guān)，所以TODN 和TORN 與V1無(wú)關(guān)�？偨Y地說(shuō)就是V1的`增大會(huì )使單發(fā)后的起飛爬升性能變好(重量一定)。從另一方面來(lái)說(shuō)，當重量一定時(shí)，如果假定飛機在V1前出現嚴重故障導致在V1開(kāi)始中斷動(dòng)作，那么加大V1將會(huì )導致ASD 的增加：當出現的是發(fā)動(dòng)機故障引起的中斷時(shí)會(huì )導致ASDN-1增加：而如果是其它方面的故障或警告需要中斷時(shí)，如風(fēng)切變警告等，V1增大將會(huì )導致ASDN增加。這是因為從松剎車(chē)加速到一個(gè)較大的V1所需要的距離較長(cháng)，而中斷(所有發(fā)動(dòng)機都工作)時(shí)從一個(gè)較大的V1減速到零所需要的距離也較長(cháng)。
當ASD 增加到與ASDA(可用加速停止距離，等于跑道長(cháng)度加上停止道的長(cháng)度)一樣時(shí)就可以理解為達到了當前重量的最大V1，如果再增加V1將導致V1前中斷時(shí)飛機可能會(huì )沖出鋪設的道面，這種可能性會(huì )隨著(zhù)中斷時(shí)的速度的增加而大大增加，也就是說(shuō)鋪設的道面的長(cháng)度決定了V1變化范圍的上限(在只考慮場(chǎng)長(cháng)因素的時(shí)候如此，另外V1上限還受到Vmbe 最大剎車(chē)能量以及Vtyre 輪速的限制，在此不作討論)。V2是到達場(chǎng)面上空英尺高度時(shí)需要達到的速度，而場(chǎng)面的長(cháng)度應限制在可用起飛距離(TODA，TODA=TORA+凈空道)之內，如果假設飛機正好在凈空道的末端達到35 英尺并且速度達到V2，那如果減小V1，當V1時(shí)出現發(fā)動(dòng)機失效，那飛機只使用一臺發(fā)動(dòng)機(雙發(fā)飛機)從V1加速至VR所需的距離將比較大的V1時(shí)所用的距離長(cháng)，從而導致到凈空道末端時(shí)可能不能滿(mǎn)足35 英尺高度和V2速度的要求，也就是說(shuō)V2限制了V1變化范圍的下限，實(shí)際上是TODA 限制了V1的最小范圍，而且由于V1后如果因為發(fā)動(dòng)機失效需要繼續起飛，不僅需要保證飛機在剖面上保證35 英尺以及V2等爬升性能，還需要保證飛機的橫側軌跡的安全，也就是說(shuō)要保證飛機在V1后單發(fā)加速至VR的這一段單發(fā)滑跑過(guò)程中飛機不能偏出跑道(最基本的安全需要)，而且這種方向的保持還必須僅靠蹬舵就能完成。
V1變化范圍受距離的影響�；苘壽E的控制通過(guò)VMCG來(lái)表達，離地后的航跡控制通過(guò)VMCA來(lái)表達。用文字表述V1,V2,VMCG,VMCA之間的關(guān)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，數學(xué)表達式就是VMCG≤V1≤VRVMCA�，F在明確了V1是可以變化的，也知道限制它的變化范圍的條件，那有沒(méi)有一個(gè)比較理想的V1 值，它既能最大化滿(mǎn)足飛機爬升越障的需要(較大的V1)，又要在需要中斷起飛時(shí)在跑道道面內停下來(lái)(較小的V1)呢?根據前文我們知道當V1增加時(shí)加速停止距離會(huì )增加，但是單發(fā)起飛距離會(huì )較小， V1與ASD 和TODN-1的關(guān)系，其中的TODN由于不涉及到單發(fā)中斷或單發(fā)起飛爬升，只是一個(gè)正常的起飛，所以V1的大小與一個(gè)正常的起飛沒(méi)有關(guān)系，TODN是一個(gè)常量。圖中ASD 曲線(xiàn)與TODN-1的曲線(xiàn)相交處可以得到一個(gè)V1值，在這個(gè)V1值可以達到中斷性能與單發(fā)爬升性能的妥協(xié)，也就是在這個(gè)V1可以達到最小的距離，這個(gè)V1被稱(chēng)為平衡V1，其對應的場(chǎng)長(cháng)稱(chēng)為平衡場(chǎng)長(cháng)。這里的“平衡”是指中斷性能與單發(fā)爬升性能的平衡，而不是指在這個(gè)速度中斷的話(huà)飛機一定會(huì )正好在跑道鋪設的道面盡頭停下來(lái)，實(shí)際停下來(lái)的位置可能距鋪設的道面盡頭還會(huì )有相當的距離。
最后再來(lái)討論一下報V1的時(shí)機，有時(shí)我們考慮中斷時(shí)滑跑的安全性會(huì )在V1前5 節左右就報V1了，其實(shí)這種做法并不是非常合理：根據FAR/JAR25 部107 款的規定，“從發(fā)動(dòng)機在VEF (發(fā)動(dòng)機故障速度)故障到飛行員在V1時(shí)判斷發(fā)現故障之間所考慮的時(shí)間為1秒鐘”，如果按靜止加速到V1平均加速度計算需要40 秒，那提前5節的速度報V1就提前了1 秒鐘以上，這樣就可能將VEF放到報出的V1之后，飛行員不得不繼續起飛，將本來(lái)用中斷起飛來(lái)處置的發(fā)動(dòng)機失效帶到空中來(lái)處理，大大增加了處置難度和危險性，這也是具有自動(dòng)報話(huà)功能的飛機會(huì )準確報V1的原因。
關(guān)于中斷時(shí)的距離方面，1978 年3 月1 日生效的FAR25 部第42 次補充條款要求在計算ASD 時(shí)還要考慮“V1速度后有2 秒鐘的連續加速，而接下來(lái)才是飛行員采取任何將飛機停下來(lái)的動(dòng)作”，雖然1993 年后JAA 與FAA 達成一致將“V1后2 秒鐘的連續加速”用“以V1速度運動(dòng)2 秒鐘的距離余量”代替，使得要求有所降低，但是依然為飛行員提供了2 秒鐘的余地。只要飛機重量、中斷起飛的時(shí)機和動(dòng)作是正確的，保證飛機中斷起飛時(shí)在鋪設的道面內停下來(lái)是有法律依據的。綜上所述，了解了V1相關(guān)的概念和理論之后，對于我們理解起飛時(shí)V1有重要意義，V1是個(gè)范圍，在范圍許可的情況下，是偏向于起飛爬升性能，還是偏向于中斷安全邊際，這時(shí)作為機長(cháng)的你即可根據當時(shí)機場(chǎng)周邊的地形和天氣情況去有依據的抉擇，做到心中有數，從而保證安全。
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