基於飛行過程中V1 的深度研究論文
基於飛行過程中V1 的深度研究論文
在我們的日常飛行過程中會涉及到很多的速度、高度，這些速度和高度的組合再加上其它的一些資料為我們搭建了一個飛機操作的三維空間，在這個三維空間之內飛行是安全的，而這個三維空間之外的區域就是飛行的“禁區”，一般說嚴禁將飛機操作到這個三維空間之外。這個三維空間就是飛機的包線，包線實際體現了一架飛機的效能。包線範圍越寬，證明飛機對外界因素的適應性越強，效能也就越好，反之亦然。在飛行包線中有一個重要的速度——V1，它是一個決斷速度，它可以決定當飛機發生了嚴重故障，例如但不限於發動機故障時，飛機是停在地面上還是繼續起飛，所以瞭解V1的確定過程對於保證起飛的安全至關重要。
根據美國聯邦航空條例第25 部107 款(FAR 25.107)以及歐洲聯合航空條例第25 部107 款(JAR 25.107)的定義，V1是一個修正錶速，這個修正錶速是如果需要中斷起飛時可以保證飛機停在跑道的限制範圍內的機組能夠決定中斷起飛的最大速度。V1本來應是在這一刻飛機的關鍵發動機發生故障，同時飛行員識別故障，做出決定並開始中斷的第一個動作。但是由於飛行員發現故障、識別故障、做出決策並開始動作都需要一定的時間，所以如果發動機是在V1時刻故障的，那飛行員做出中斷起飛的第一個動作時飛機的速度已經超過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間，我們將在後文中具體闡述25 部107 款的有關限制。
我們每次起飛都將跑道的效能實用完了嗎?不記得!很多時候當飛機到達跑道道面的盡頭時飛機的高度已經好幾百英尺了，或者說飛機剛剛用了一半的跑道甚至還不到飛機就離地了，還有很長一截跑道被浪費了，這些情況說明跑道的效能尚有很大的潛力可以挖掘。由於飛機離地時需要克服重力，也就是說只要重量一定了，針對同一條跑道以及相同的大氣環境，飛機離地的速度也就固定了，那跑道的效能就靠調整V1來達到。V1的變化範圍必須保證在V1時中斷能在跑道鋪設的道面內停下來，又要保證V1後發動機失效繼續起飛所需要的爬升越障效能。
對於廣大飛行員來說，總是希望最好不要將嚴重的故障帶到空中來處理，這種願望就可以透過V1達到，但是V1確定的依據是什麼呢，也就是說V1是在什麼範圍之內呢?在確定V1之前需要先介紹幾個場長以及速度的概念：
(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，當飛機在VMCG時關鍵發動機失效，僅靠空氣動力控制就可以使飛機偏離跑道中心線的距離不超過30 英尺地安全起飛。在這裡“僅靠空氣動力”的意思是不使用前輪轉彎裝置。VMCG的確定是保證關鍵發動機失效時滑跑的側向安全，根據V1的定義，V1以前的發動機推力喪失需要中斷起飛，中斷後的滑跑需要保證飛機的安全，飛機必須能在跑道的寬度範圍內停下來，所以V1必須得大於VMCG。
(2)V2：是當在V1後發生發動機故障，繼續起飛時飛機爬升到高出跑道表面35 英尺時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。這裡的可操作性是指飛機的舵面有足夠的操縱效率來維持飛行的軌跡，並且，飛機還得保持與失速速度有一定的餘量。操作性是透過VMCA來表示的。VMCA與VMCG類似，安全性是透過VS或VSR(空客飛機在JAR 中的失速速度的特別表示方法)來表述。由於這兩個速度與文章聯絡不強，所以在此不做仔細描述。可以用一個數學表示式來表示V2，即V2=max{1.31VSR或1.2VS，1.1VMCA}。
(3)VR:以3°/秒的速率抬前輪，並且在高於起飛表面35 英尺之前就達到V2的速度。由於抬頭時飛機已經不可能再回到地面上，所以飛機的安全性仍然使用VMCA來描述。VR與VMCA的關係式VR≥1.05VMCA。VR與V2的關係是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的關係式VR>V1。
(4)起飛距離(TOD)：起飛距離是飛機從松剎車滑跑開始到飛機離地並爬升到一定的高度所需的距離，確定起飛距離需要區分幹、溼跑道：
a.幹跑道：如果所有發動機都工作的正常起飛，其起飛距離為從松剎車開始到飛機高於起飛表面上空35 英尺所需實際距離TODN(N 為所有發動機都工作)的115%;如果從松剎車開始到VEF(關鍵發動機失效速度，VEF≥VMCG)，關鍵發動機失效，再到飛機高於起飛表面上空35 英尺所需實際距離TODN-1，兩者取較高者，即TOD 幹=max{TODN-1 幹， 1.15TODN 幹}。
b.溼跑道：也是兩個資料中取大者，其中一個是TOD 幹，另外一個是TODN-1 溼，即TOD 溼=max{TOD 幹，TODN-1 溼}。此處的TODN-1 溼只要求飛機達到的高度是15 英尺，而不是幹跑道的TODN-1中要求的35 英尺，但是TODN-1 溼必須保證飛機在最遲35 英尺時達到V2。
(5)加速停止距離(ASD)：如果飛機在V1發動機失效需要中斷，那麼從松剎車開始滑跑開始到飛機完全停下來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幹、溼跑道：
a.幹跑道：幹跑道的ASD 為ASD 幹=max{ASDN-1 幹，ASD 幹}。引起中斷起飛的原因可以分為兩大類：發動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 幹主要是考慮發動機失效引起的中斷所需要要的停止距離，ASDN-1 幹=飛機所有發動機加速到VEF (發動機失效速度，VMCG≤VEF≤V1) 所用的距離+VEF時關鍵發動機失效且飛行員在V1 時開始中斷起飛的第一個動作(FAR/JAR 25.109 規定VEF到V1之間的時間是1 秒) 所用的距離+以V1速度運動2 秒所用的距離+飛機完全停下來所用的距離(不用反推且機輪剎車在允許範圍內最嚴重的磨損程度);而ASDN 幹則是考慮由於其它嚴重系統故障引起的中斷起飛所需要的滑跑距離，ASDN 幹=飛機所有發動機加速到V1所用距離+以V1速度運動2 秒所用的距離+在V1時開始中斷的第一個動作(沒有任何發動機失效)至飛機完全停下來所需距離。
b.溼跑道：溼跑道的ASD 溼=max{ASD 幹，ASDN-1 溼，ASDN 溼}，其中ASDN-1 溼，ASDN 溼分別與ASDN-1 幹，ASDN 乾的定義相同，只是跑道道面為溼的。飛機離地時的速度VLOF是飛機升力等於重力的速度，也就是說當飛機的重量以及外界大氣條件固定了，VLOF是一個固定不變的常量，VLOF固定了，V2也就相對固定了，不論V1怎麼變化，V2是固定的，也就是說對於給定的重量以及外部大氣條件，V1可能不是唯一的V1，V1是可以在一個範圍內變化的，限制這個變化範圍的因素就是跑道的長度。這裡說的跑道的長度是一個廣義的範圍，它還包括停止道和淨空道。V1的變化範圍：當重量一定時，如果假設發動機在V1以後失效，飛機需要繼續起飛，那增大V1將會使全部發動機都工作的加速階段長一些，並且由於需要繼續起飛，VLOF是固定的(因為此時升力≥重力，而重量是一定的)，飛機是否離地與V1無關，也就是說無論V1大小，只要發動機失效在V1以後飛機需要繼續起飛，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)。如果發動機沒有失效，那可以說飛機的效能與V1無關，只與VR和V2有關，所以TODN 和TORN 與V1無關。總結地說就是V1的`增大會使單發後的起飛爬升效能變好(重量一定)。從另一方面來說，當重量一定時，如果假定飛機在V1前出現嚴重故障導致在V1開始中斷動作，那麼加大V1將會導致ASD 的增加：當出現的是發動機故障引起的中斷時會導致ASDN-1增加：而如果是其它方面的故障或警告需要中斷時，如風切變警告等，V1增大將會導致ASDN增加。這是因為從松剎車加速到一個較大的V1所需要的距離較長，而中斷(所有發動機都工作)時從一個較大的V1減速到零所需要的距離也較長。
當ASD 增加到與ASDA(可用加速停止距離，等於跑道長度加上停止道的長度)一樣時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前中斷時飛機可能會衝出鋪設的道面，這種可能性會隨著中斷時的速度的增加而大大增加，也就是說鋪設的道面的長度決定了V1變化範圍的上限(在只考慮場長因素的時候如此，另外V1上限還受到Vmbe 最大剎車能量以及Vtyre 輪速的限制，在此不作討論)。V2是到達場面上空英尺高度時需要達到的速度，而場面的長度應限制在可用起飛距離(TODA，TODA=TORA+淨空道)之內，如果假設飛機正好在淨空道的末端達到35 英尺並且速度達到V2，那如果減小V1，當V1時出現發動機失效，那飛機只使用一臺發動機(雙發飛機)從V1加速至VR所需的距離將比較大的V1時所用的距離長，從而導致到淨空道末端時可能不能滿足35 英尺高度和V2速度的要求，也就是說V2限制了V1變化範圍的下限，實際上是TODA 限制了V1的最小範圍，而且由於V1後如果因為發動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等爬升效能，還需要保證飛機的橫側軌跡的安全，也就是說要保證飛機在V1後單發加速至VR的這一段單發滑跑過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變化範圍受距離的影響。滑跑軌跡的控制透過VMCG來表達，離地後的航跡控制透過VMCA來表達。用文字表述V1,V2,VMCG,VMCA之間的關係就是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，最後VMCG限制了V1的最小值，數學表示式就是VMCG≤V1≤VRVMCA。現在明確了V1是可以變化的，也知道限制它的變化範圍的條件，那有沒有一個比較理想的V1 值，它既能最大化滿足飛機爬升越障的需要(較大的V1)，又要在需要中斷起飛時在跑道道面內停下來(較小的V1)呢?根據前文我們知道當V1增加時加速停止距離會增加，但是單發起飛距離會較小， V1與ASD 和TODN-1的關係，其中的TODN由於不涉及到單發中斷或單發起飛爬升，只是一個正常的起飛，所以V1的大小與一個正常的起飛沒有關係，TODN是一個常量。圖中ASD 曲線與TODN-1的曲線相交處可以得到一個V1值，在這個V1值可以達到中斷效能與單發爬升效能的妥協，也就是在這個V1可以達到最小的距離，這個V1被稱為平衡V1，其對應的場長稱為平衡場長。這裡的“平衡”是指中斷效能與單發爬升效能的平衡，而不是指在這個速度中斷的話飛機一定會正好在跑道鋪設的道面盡頭停下來，實際停下來的位置可能距鋪設的道面盡頭還會有相當的距離。
最後再來討論一下報V1的時機，有時我們考慮中斷時滑跑的安全性會在V1前5 節左右就報V1了，其實這種做法並不是非常合理：根據FAR/JAR25 部107 款的規定，“從發動機在VEF (發動機故障速度)故障到飛行員在V1時判斷髮現故障之間所考慮的時間為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之後，飛行員不得不繼續起飛，將本來用中斷起飛來處置的發動機失效帶到空中來處理，大大增加了處置難度和危險性，這也是具有自動報話功能的飛機會準確報V1的原因。
關於中斷時的距離方面，1978 年3 月1 日生效的FAR25 部第42 次補充條款要求在計算ASD 時還要考慮“V1速度後有2 秒鐘的連續加速，而接下來才是飛行員採取任何將飛機停下來的動作”，雖然1993 年後JAA 與FAA 達成一致將“V1後2 秒鐘的連續加速”用“以V1速度運動2 秒鐘的距離餘量”代替，使得要求有所降低，但是依然為飛行員提供了2 秒鐘的餘地。只要飛機重量、中斷起飛的時機和動作是正確的，保證飛機中斷起飛時在鋪設的道面內停下來是有法律依據的。綜上所述，瞭解了V1相關的概念和理論之後，對於我們理解起飛時V1有重要意義，V1是個範圍，在範圍許可的情況下，是偏向於起飛爬升效能，還是偏向於中斷安全邊際，這時作為機長的你即可根據當時機場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。