[发明专利]爬升优化的自动起飞系统以及飞行器起飞的方法

说明书

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦资助研发的声明

不适用

技术领域

本技术在此涉及执行/自动飞行控制系统。

背景技术

坐过飞机的人都知道飞机从跑道起飞时会有震颤感。当飞机明确将要起飞时，飞行员会松开刹车并控制发动机增加推力。飞机开始在跑道上移动得越来越快。当飞机移动的速度足够快，使得由机翼生成的升力的量允许安全起飞时，飞行员控制飞机的飞行控制表面(例如，升降舵)，以使飞机的机头向天空仰起。飞机在其机头仰转的情况下飞离地面。当飞机爬升到水平飞行所期望的海拔时，飞机实现该海拔的速度不尽相同，这取决于飞机的特定配置、重量、天气及其它因素。

某些飞机的性能速度，也就是所谓的“V速率”，基于操作环境的而改变。“V速率”之一是指V_R-也被称为起飞仰转速率。V_R是指飞行员开始拉起飞机起飞仰转的速率。V_R总是大于另一个V速率(V_MCA)，这是指在发动机故障期间在空中提供定向控制的最小速度。V速率可能受很多因素的影响，包括起飞毛重、气压、温度、飞机配置及跑道状况。

飞机起飞距离通常分为两段：地面加速段(d1)和空中过渡段(d2)。参见图1。

地面加速距离d1从松开刹车起测量，到以V_R开始仰转为止。空中过渡距离d2从该点起测量，到飞机到达跑道上空指定高度(h)的点d1为止。

通常，d1段的长度是通过数学化的整合运动等式计算出来的，该等式反映了给定大气状况下发动机的推力、飞机的升力、阻力及重量。

对于d2段，基于能量守恒定理，可以推出以下等式：

其中：

表达式1：飞机开始仰转时的动能

表达式2：由于发动机沿飞行路径推进而增加的总能量

表达式3：飞机在空中过渡结束时的动能

表达式4：飞机在空中过渡结束时的重力势能。

为简化和更好地理解，考虑从水平跑道给定起飞的情况。在这种情况下，m、g、V_R和h的值是先前已知的。因此，表达式1和4也是预定的。因此，表达式3的值越大，表达式2也将越大。换句话说，V_SH越高，飞行路径(用“r”表示)可能越长。

空中过渡的详细数学建模可能很难，因为涉及许多对估算重要的因素，诸如多变的地面影响、瞬变的空气动力以及飞行技术的影响。因此，通常通过使用完全基于飞行试验数据的简化的参数模型来计算d2段。

传统上，d2段的核定长度基于要求飞机在给定的速度(V_R)下且以给定的俯仰角速率(q)仰转到给定的俯仰姿态(θ)的操作程序。而无论在飞行试验还是日常飞行操作中，这些参数(θ，q和V_R)都受到一系列约束，如：

●俯仰角(θ)：

○在一台发动机失效的情况下，受限于飞机要达到应用认证所要求的最小梯度的性能，在任何条件下均要处于飞机的使用状态范围内

○通过几何限制，目的是为避免尾部在起飞期间触地

●俯仰角速率(q)：

○低俯仰角速率导致起飞距离更长

○过高的角速率带来超过所定义的起飞角度θ的风险，并且可能增加尾部触地的风险

●仰转速率(V_R)：

○V_R受到使V_R与典型起飞速度相关的要求的约束(对于部分-23和部分-25的适航飞，V₁、V_LOF和V₂)

○在仰转之后，V_R可能是这样：在到达给定高度之前，飞机将加速到给定速度(对于根据联邦航空管理局的条例第14章的部分23和部分25的适航飞机，在35英尺时是V₂，通过引用的方式合并于此)，同时达到了在起飞期间所要求的最小爬升梯度。

为符合所有的应用需求，同时又不增加对飞行员技术的额外要求，飞机制造商通常将为每个起飞配置定义固定的起飞俯仰角，使其在V_R时具有给定的仰转速率。