“全机动能力”概念简介

8Bobo8Jun

编者按：

　　本文节选自笔者参加民航干部管理学院组织的“飞行机组基础操纵能力研讨班”中的发言稿。讨论的中心是如何预防空中失控。

　　感谢民航干部管理学院搭建的精彩的技术讨论平台。

　　“全机动能力”概念由来已久。

　　在波音手册中，“全机动能力”更多是一个用于介绍仪表指示、性能指标、操纵建议的描述性概念。

　　在阅读过往失速报告时，笔者发现，如果将“全机动能力”作为一个重要的性能指标和决策闸口加以明确，可以有效的预防多数失速和临近失速事件。

第一节　影响失速的主要因素

　　失速，是机翼迎角超过临界值后上表面发生严重气流分离所导致的。

　　机翼迎角是否超过临界迎角，是失速与否的决定性标准。

　　在飞行中影响机翼迎角的主要因素有：空速、全重、过载、升力系数（机翼构型、减速板、积冰）。



　　通常来讲，飞机全重、襟翼构型、减速板、积冰逻辑对飞机失速余度的影响较为稳定；而空速、过载对失速余度的影响波动性较大。

　　站在操作者的角度，多种参数此消彼长，同时影响失速，我们是无法完成监控的。

　　系统将所有因素加权计入失速速度。当以上参数发生变化时，失速速度会自动进行调整。

　　机组通过失速速度这种单一的、直观的参数来监控飞机的失速余度。



第二节　失速余度保护的描述

　　B737飞机的仪表指示的失速速度略早于真实失速。当飞机实际速度等于失速速度时，会触发抖杆警告。

　　但是对于航班飞行而言，仅提供失速与否的警告是不够的。我们希望将失速预警的关口提前。

　　在早期的B737CL机型上，空速表是机械仪表，无法提供更为丰富的信息指示。机组主要依靠CDU草稿栏“BUFFET ALERT”警戒信息，以及俯仰极限指示（俗称“小耙子”）位置，实现临近失控的预警。

　　在B737NG飞机上，这两项功能也得到了继承。





　　在较晚版本的B737CL机型，以及B737NG系列中，空速数据改由PFD上的速度带指示。

　　速度带能够直观的显示失速速度的波动，同时也为“机动余度衰减”的预警提供了可能。



　　在当前空速、构型、环境下，飞机距离失速的余度究竟有多大？

　　如何直观的描述这个余度呢？

　　波音选择利用坡度来描述飞机的失速余度。

　　当飞机维持稳定横滚坡度时，机翼升力高于飞机重力，机翼迎角更大，也就更接近失速临界迎角。



　　转弯坡度角，决定了升力与重力的比值关系，也就是我们常说的过载。



　　在空速、全重、升力系数等条件不变的前提下，飞机的转弯坡度越大，过载越大，失速速度也就越大。

　　所以评价飞机在当前状态、空速下距离失速的余度，可以用“xx度坡度至抖杆”来描述。

　　譬如下图中的235节，就可以描述为“45度至抖杆”。



第三节　“全机动能力”概念

　　所谓全机动能力（full maneuver capability）是指飞机具备1.3g 或40 度坡度（25 度坡度和15 度意外裕度）到抖杆（或抖振）的最小裕度。

　　在波音的手册中，并没有单独介绍和明确“全机动能力”的定义。但是在各种仪表指示、操作数据和性能描述中，会频繁见到“全机动能力”的概念。



















　　通常来讲，我们主要通过速度带下琥珀色区顶端（即最小机动速度）的伸缩变化来监控飞机的“全机动能力”对应的速度。



　　如果实际空速高于最小机动速度，则说明实际的机动能力高于“全机动能力”。



第四节　如何使用“全机动能力”概念

　　在已知的失速（或临近失速）报告中，大多数都是由多种失速诱因素同时出现所导致的。



　　当某种诱发失速的因素突然增强时，我们可以通过削弱其他因素，实现迟滞或避免失速发生的效果。

　　举个最简单的例子：

　　在“全机动能力”概念中的“15度裕度”，既可以用做意外坡度保护，也可以用作与15度坡度等效的瞬时过载的保护，例如颠簸、乱流或机组粗猛带杆等。

　　临近最小机动速度时，如果遇到严重的颠簸，机组可以进一步减小坡度，甚至改平坡度，以获得更大的瞬时过载裕度。

　　在B737飞机在失速改出操作中，要求“以最短方向横滚使机翼水平”，也是出于同样的考虑。



　　下面我们以案例的形式来介绍机组如何利用“全机动能力”预防和处置飞机失速或临近失速的情况。

例一：

　　B777F飞机起飞重量300吨，起飞襟翼15。

在飞机左转弯过程中；机组收襟翼1至襟翼up。

8秒后空速243.88Kt，飞机触发抖杆警告一秒，此时前缘缝翼还未完全收上（两秒钟后完全收上）。

　　飞机姿态10.85度、迎角9.53度、坡度28.39度，最大垂直载荷1.48G，期间风向302-107-155度之间变化，风速15-1-16Kt之间变化，飞机垂直速度由1752FPM变至2760FPM，并持续增加。随后飞机恢复正常。

　　这是一个B777飞机的案例。但是在机动余度设计上B737与B777飞机的设计几乎是完全一样的。

　　在本案例中，在同一个时间点上，有多种影响失速的不利因素叠加在一起。

（1）大重量（起飞重量300吨）

（2）小速度（244kt）

（3）襟缝翼过渡形态（襟翼1-UP）

（4）坡度（28.39度）

（5）风向风速快速变化（风向302°-107°-155度，风速15-1-16Kt）

（6）“最大垂直载荷1.48G”说明，除了坡度带来的稳定过载外，还存在其他的瞬时过载叠加。

　　在B777飞机起飞收襟翼的过程中，当襟翼由1向UP收起时，飞机并不具备全机动能力。



　　在B737飞机上也存在同样的问题。



　　从图表上可以看出，即使在抖杆裕度最弱的状态，飞机任然具备30°坡度以上的抖杆裕度。

　　但是，如果飞机正在使用25或30度坡度转弯，那么留给机组的就只有不超过10度坡度裕度，或等效过载了。

　　如果此时再出现瞬时过载，那么触发抖杆警告就毫不奇怪了。

　　如果机组具备清晰的“全机动能力”概念，并且且了解襟翼1-UP过渡状态的性能缺陷，那么至少有两种解决方案。

第一，使用减小的坡度完成转弯，提高飞机应对瞬时过载的裕度。

第二，推迟收襟翼时机，在接近襟翼１机动速度，或者坡度改平后将襟翼收上。

例二：

　　B777F飞机6300英尺截获航向道。减速板由伸出位收回，飞机左坡度30°，速度大约在220节，五边天气有不稳定气流，飞机出现抖杆约1秒。

　　经调查，该事件是由于在大重量条件下，机组使用FLCH方式下降，转弯过程中有不稳定气流出现；飞机在减速板伸出，光洁速度裕度减小的情况下出现的失速抖杆警告。

　　在本例中，有多种失速诱因同时出现：

（1）大重量

（2）小速度

（3）转弯坡度（30度）

（4）减速板

（5）瞬时过载（不稳定气流）

　　减速，让实际空速向下贴近“下琥珀色区”。

　　减速板，让“下琥珀色区”和“下红区”同时上涨。

　　30°坡度转弯，让“下红区”上涨。

　　以上三步动作完成后，飞机是否仍具备“全机动能力”，我们无法由报告获知。

　　但是在瞬间过载作为“最后一根稻草”触发抖杆前，面对下琥珀色区上涨，下红区上涨，机组是否引起足够的警惕，可否采取缓解措施呢？

　　类似的现象在B737NG飞机上也同样存在。

　　下图是笔者在真实航班中拍摄的。飞机当时处于机翼水平，襟翼5，发动机防冰接通的状态。左图为减速板升起状态，右图为减速板收回状态。



　　我们模仿本例中B777的动作，试想后果如何？

第一步，接通防冰。

第二步，放机翼5。

第三步，减速至襟翼5机动速度。

第四步，拉减速板。

第五步，使用30°坡度转弯。

第六步，遭遇颠簸。

如果机组具备“全机动能力”概念，绝不会坐视“下琥珀色区”大幅上涨，迫近，甚至超过当前空速。

　　机组可以选择增加空速，收回减速板，减小转弯坡度等操作，以避免进入“下琥珀色区”。

　　这也是为什么我们很少在B737NG飞机襟翼5形态下使用减速板的原因。

例三：

　　B777-300飞机在爬升绕飞雷雨过程中触发“失速警告”，瞬间抖杆半秒。

　　数据显示，高度15786英尺时，空速270节，姿态7.2度，坡度20度，最小垂直载荷最小0.98g。

　　1秒后高度15861英尺，飞机出现瞬间抖杆，持续半秒。当时飞机空速277节，姿态8.2度，坡度21.4度，重量319吨，2秒内垂直过载从0.98g变化到最大1.64g。后续飞行正常。

　　本例中的瞬时抖杆，同样是由多种不利因素叠加导致的。

（1）小速度

　　笔者专门咨询了B777的专家。他们表示在15000英尺高度，对于全重320吨而言，空速270是一个比较小的速度。

（2）姿态增加

　　稳定状态空速270节，姿态7.2度。抖杆发生前，空速突然增至277节，姿态增加至8.2度。

　　在爬升状态，空速突然上涨，自动驾驶增加姿态减速，是很正常的反应。但是姿态增加瞬间，飞机的迎角和过载也会增加。

（3）转弯坡度

　　20°坡度转弯会带来1.06g的稳定过载。

（4）瞬时过载

　　20°坡度转弯，俯仰姿态增加1°，不可能造成1.64g的高过载（等效于53°坡度）。

　　本例最宝贵的价值，在于向我们展示了“全机动能力”的局限性。

　　站在机组的角度上讲，速度270节虽然偏小，但是高于最小机动速度；20°坡度转弯，过载只比平飞增加0.06g。

　　也就是说，在遭遇瞬时过载前，飞机是具备全机动能力的。

　　1.64g的过载远远超出了“全机动能力”所提供的“1.3g至抖杆”的裕度保障范围。







　　面临过高的瞬时过载，即使飞机完全改平坡度，也可能无法阻止失速的发生。

　　增速，才是王道。

　　在日常飞行中，如果在爬升过程中遇到较弱或较低的对流天气，机组往往倾向于不绕飞，减小空速，增大爬升率，以期从天气上方通过，

　　殊不知，即便是弱对流云，即便由云顶上方飞越，也可能造成较强烈的颠簸。如果此时空速偏低，则可能出现本例中的情况。

　　面对这样的天气，申请水平绕飞、或者以颠簸速度通过，都是更好的选择。

　　本例还有一个问题：既然坡度过载作用有限，为什么我们仍要强调改平坡度呢？

　　首先，“苍蝇腿也是肉”。

　　在机动余度削弱的状态下，性能强一分，是一分。以本例来说，如果颠簸时飞机没有坡度，那么最大过载就不是1.64g，而是1.58g了。失速抖杆警告很可能就被避免了。

其次，改平坡度有助于尽快增速。

　　在高空，转弯坡度造成的额外阻力会占用大部分发动机推力，甚至于超过最大可用推力（详见《高空推力余度保护》一文）。改平坡度有助于飞机尽快增速。

　　再次，改平坡度预防螺旋。

　　在横滚状态下两侧机翼的迎角是不同的。如果某侧机翼先进入失速，飞机则可能进入更为复杂的螺旋状态。

例四：

　　B737-800飞机至10800米改平阶段遭遇颠簸，下降率突然增至-1200英尺/分钟，随后G值达到1.87，此时转弯坡度为-26°，迎角最大至13.7，速度从230节减小到218节，发生瞬间抖杆。

　　首先要为本篇报告点个赞。

　　每当遇到瞬时警告，机队争议的焦点一定是“是不是假信号？”

　　本篇报告清晰记录“迎角最大至13.7°”，与其他数据互相印证，可以明确排除假信号的可能。

　　在本例中笔者主要想探讨这样一个问题。

　　面对瞬时过载导致的失速抖杆，机组应否采取“失速改出”动作？

　　在高空巡航时，飞机空速的使用范围很小，通常只有30－40节的可用空间。

　　在高过载诱发抖杆的案例中，实际空速变化通常不大，主因是失速速度大幅上涨。

　　假如机组贸然加油门推杆，按照失速改出程序操作，则很可能在颠簸过后进入超速状态。

笔者认为：

　　在瞬时过载发生前，如果飞机具备“全机动能力”，则机组可以先保持大翼水平、保持巡航基准推力、柔和减小姿态抑制抖杆。待瞬时过载消失后，再决定后续处置动作。

　　这种处置方法的前提是，机组清晰理解“全机动能力”概念，并且养成随时监控机动余度的习惯。

　　如果飞机遭遇持续的、强烈的颠簸。申请下降高度会是一个更好的选择。

　　在低高度，飞机的抖杆裕度、可用空速范围、推力余度都会有显著增加。

例五：

　　B737-800飞机34100英尺高度巡航，总重超过70吨。

　　飞机以20°坡度转弯过程中，遭遇持续颠簸和风向风速突然变化。

　　空速迅速由260节减少至240节，同时仪表盘上速度下降趋势线较长。黄色俯仰限制出现，且与飞机实际姿态有接近趋势。

　　机组立即向下顶杆、加油门以恢复机动裕度。待速度恢复后，重新接通高度层改变方式进行爬升。

　　在本例中，机组针对机动余度进行了有意识的监控。

　　但是报告仅提及空速趋势箭头、和俯仰极限指示（小耙子），并未提及“下琥珀色区”与实际空速的相对关系。

据说某些老款的B737NG飞机仍然使用机械空速表，没有速度带指示。不知本例是否于此有关

　　为了便于讨论，我们仍然假设这是一架具备速度带指示B737NG飞机。

　　本例我们讨论这样一个问题：当飞机丧失“全机动能力”时，是否有必要立即采取“失速改出”动作。



　　当空速进入“下琥珀色区”时，飞机并不会立即失速，仅仅是丧失了“25度坡度+15度裕度”转弯的能力。

　　此时机组应当立即减小或改平坡度，检查并调整自动驾驶和自动油门设定。

　　如果在高空，机组还可以进入CDU的N1 LIMT页面，将推力极限设置为CONT或CLMB方式，以获得更大的可用推力。

第五节　“借”来的最小速度

　　在日常航班中，我们经常会遇到ATC发布这样的指令“前方流量控制，保持最小速度飞行”。

　　在高度20000英尺以下，速度带会显示字符“UP”，指示光洁形态的机动速度。机组保持UP速度可以保证全机动能力。

　　但是在20000英尺以上，速度带“UP”字符消失。机组如何设定“最小速度”飞行就缺乏依据。

　　从理论上讲，空速只要高于“下琥珀色区”即可保证飞机具备全机动能力。但从前面的案例中我们可以看到，“下琥珀色区”可能随状态变化而起伏波动。

　　通常来讲，在高空我们使用一个“借”来的最小速度——“Vref40+100”。