客机驾驶探秘4.6 关于燃油消耗和重心

前面介绍了在自动导航模式下,飞机回自动沿着事先设定好的线路飞行,
但是飞行员也不能闲着,他们要不断监视飞行仪表,还要在每经过一个航路点之后,记录下通过时间和所剩燃油量。


上面是一个飞行日志的例子,可以看到对于每一个航路点,飞行员都记录下了通过时刻,飞行高度,所剩燃油,外部温度以及风向风速的信息。在第五行里,还记下来路程中发生了10分钟轻度颠簸的信息。

在本系列1.3 飞行准备会中曾经介绍过详细的飞行计划。该计划是根据下面信息计算出来的:
飞机的重量(旅客的预约人数可以计算出)
飞行距离
飞行速度
高空的风向风速预测值
高空温度

其中高空风和温度预告信息由世界区域预报中心WAFC(World Area Forecast Center)可以获得。
世界区域预报系统是在国际民用航空组织架构下,世界区域预报系统 (WAFS) 为各气象部门及认可用户提供国际航空所需的航空气象资料,包括文字形式的飞行气象情报和天气图等。分别位於伦敦及华盛顿的两个世界区域预报中心 (WAFC) 通过人造卫星广播世界区域预报系统的产品。 目前我国民航国际航线的气象保障主要由伦敦航空气象中心提供。

WAFC提供的信息的精确度是相当高的,当然天有不测风云,天气的突然变化也会对飞行速度和路线带来影响。另外实际航班运营中由于交通量的问题,不可避免的会遇到流控。飞行速度,高度以及路线都会根据空中管制的要求做出更改,那么当然原来的飞行计划中预测的燃油消耗量也会变化,所以对所剩燃油量不断进行检查是十分重要的。

飞机中油箱一般来说分别位于左右机翼内和机体中部,各个油箱各自独立,所以不会出现在机身倾斜时从一个油箱流到另一个油箱的现象。如果燃油能够自由流动,那么飞行的重心就会不断变化,安定的飞行控制会变得十分困难。

下图是波音777客机的油箱位置示意图,可以看到左翼主油箱Left Main Tank,中央油箱Center Tank和右翼主油箱Right Main Tank的相对位置。

3个油箱都有相应的燃油泵并通过燃油管和单向活门等部件相连,为发动机供油时,系统会调整从每个油箱供油的顺序,并调整每个油箱的重量,保持重心在一个适当的位置,达到减轻翼根(翼根是飞机大翼和机身相连接的部分)处的应力集中作用。

图中还可以看到通气缓冲油箱Vent Surge Tank,它位于主翼的最高位置,起到油箱和外部的通气口的作用。因为随着燃油被送入发动机,油箱内的压力逐渐减少,相对于外部大气压力更大,即会产生一个挤压油箱的压力。比如我们都喝过带吸管的纸包装饮料,随着饮料被吸入纸盒内压力变小,盒子就会逐渐被外部大气压瘪。油箱也是一个道理,为了不被压力压瘪,通过这个通气口使油箱内的压力和外部保持一致,同时也能够使输油更加顺畅。

飞机重量的主要部分和配载集中在机身,而在空中时的升力主要来自机翼,因此向下的重力和向上的升力会在翼根附近产生一个弯曲力矩,这个力矩对飞机的结构有较强的影响。在主翼油箱中的燃油重量可以起到抵消升力,减少翼根弯曲力矩的作用,这就是要先给主翼油箱加油,并且尽量保持在机翼中的燃油的原因。

老式的波音747-200飞机在为发动机供油时首先使用中央油箱,中央油箱空了以后再使用两翼主油箱。波音777也基本采用了同样的方式。虽然首先使用的是中央油箱,但是其实3个油箱内的燃油泵全部都在运转,只不过中央油箱燃油泵的功率更大一些,因此首先直接为两侧发动机供油的是中央油箱。这样的好处是即使中央燃油泵出现了故障,两侧油箱燃油泵还在运转,起到了备份的作用。当中央油箱空了后,燃油泵就会自动停止运转。

波音777的EICAS显示器:

但是空中客车330-200的运转方式又略有不同,虽然同样是首先使用中央油箱,但是不是由中央油箱直接为发动机供油,而是先把中央油箱中的燃料移动到两侧主油箱,再通过左右翼主油箱内的燃油泵直接为发动机供油。

现代的客机的供油系统都做到了自动化,但是象波音747-200这样老式飞机是需要不断检查各个油箱内的残量,手动来进行各个油箱内的调整的。

下面再介绍一下载重与平衡(weight and balance)的概念,即飞机需要根据营运空重、业载和燃油重量及其分布,在满足各种限制条件下达到起飞重量、重心和配平的状态。经常乘坐飞机的旅客都知道,在飞行过程中,为避免引起飞机失衡从而影响飞机操作性是不允许旅客擅自调换座位的。

飞机在空中运行过程中没有任何的着力点,所以平衡重心是影响飞行安全的重要因素,每种机型的飞机对重心的前后移动都有一个限制范围,以确保飞行安全以及便利操纵、节省燃油,这个限制范围称为重心许可范围,飞机的重心不得超过其前后限制。

飞机重心略微偏前,飞机的稳定性好,遇到气流不易颠簸;飞机重心略微偏后,飞机的操纵性好,且省油。飞机重心过于靠前和靠后,甚至飞机重心超出安全允许范围则会造成严重的后果。轻则可能造成飞机起落架损坏,结构损伤、增加飞机油耗、缩短飞机寿命和损伤跑道等;重则在飞机起降阶段造成飞机擦尾、冲出跑道, 甚至失速坠毁。

重心位置是相对于平均空气动力弦(MEAN AERODYNAMIC CHORD,简称 MAC,即机翼的几何重心)线上的百分比来表现,单位为%MAC。比如下图的波音777,MAC长为7米,如果重心值为25%MAC,

则重心位于机翼前缘的7米*25%=1.75米处。一般来说飞机的重心许可范围是非常小的,如上图的777的许可范围只有1.4米。再比如波音747的许可范围为13~33%MAC,空中客车380为29~44%MAC。

在地面负责管理飞机重量和重心的是配载人员,他们对照飞机起飞性能表,根据机场气候、地形、障碍物对起飞重量的影响以及机场跑道对飞机起降重量的限制,计算出飞机的重量限制,确定最佳平衡位置重心,据此对货物、邮件和行李在飞机中的位置做出合理安排,即装载平衡表。如果飞机的实际重量和配载员制作的重量数据不符,会影响飞行员驾驶飞机,做出错误的飞行速度和角度,存在安全隐患。实际重量超过飞机允许的最大限制重量,可能会机毁人亡。

关于重量的计算事关乘客的平均体重设定,比如国内航线一般为64公斤,国际航线为73公斤,飞行员为77公斤,空中乘务员为59公斤。但是有时也有一些特殊情况。比如某航班需要搭载很多的相扑选手的话,要么就要事先听取调查每个选手的体重,然后根据每个人的座位情况,再计算出飞机总体的重心位置。在比如从伦敦到纽约-驾驶波音747-400一书中曾经提到某此航班的飞行员执行任务时,发现飞机比平时要难控制的多,比如起飞滑行跑道长,爬升率低等,但又找不到什么异常情况。后来落地以后一调查才知道,这次航班的乘客很多都属于一个古钱币收藏协会,这些收藏家们登机时都随身携带了很多沉重的古钱,因此飞机的实际重量大大超过了预测重量。万幸的是那次航班没有发生事故,毕竟那是一次极其危险的飞行。

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