客機駕駛探秘4.6 關於燃油消耗和重心

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前面介紹了在自動導航模式下,飛機回自動沿著事先設定好的線路飛行,
但是飛行員也不能閒著,他們要不斷監視飛行儀器,還要在每經過一個航點之後,記錄下通過時間和所剩燃油量。


上面是一個飛行日誌的例子,可以看到對於每一個航點,飛行員都記錄下了通過時刻,飛行高度,所剩燃油,外部溫度以及風向風速的資訊。在第五行里,還記下來路程中發生了10分鐘輕度顛簸的資訊。

在本系列1.3 飛行準備會中曾經介紹過詳細的飛航計劃。該計劃是根據下面資訊計算出來的:
飛機的重量(旅客的預約人數可以計算出)
飛行距離
飛行速度
高空的風向風速預測值
高空溫度

其中高空風和溫度預告資訊由世界區域預報中心WAFC(World Area Forecast Center)可以獲得。
世界區域預報系統是在國際民用航空組織架構下,世界區域預報系統 (WAFS) 為各氣象部門及認可用戶提供國際航空所需的航空氣象資料,包括文字形式的飛行氣象情報和天氣圖等。分別位於倫敦及華盛頓的兩個世界區域預報中心 (WAFC) 通過人造衛星廣播世界區域預報系統的產品。 目前我國民航國際航線的氣象保障主要由倫敦航空氣象中心提供。


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WAFC提供的資訊的精確度是相當高的,當然天有不測風雲,天氣的突然變化也會對飛行速度和路線帶來影響。另外實際航班運營中由於交通量的問題,不可避免的會遇到流控。飛行速度,高度以及路線都會根據空中管制的要求做出更改,那麼當然原來的飛航計劃中預測的燃油消耗量也會變化,所以對所剩燃油量不斷進行檢查是十分重要的。

飛機中油箱一般來說分別位於左右機翼內和機體中部,各個油箱各自獨立,所以不會出現在機身傾斜時從一個油箱流到另一個油箱的現象。如果燃油能夠自由流動,那麼飛行的重心就會不斷變化,安定的飛行控制會變得十分困難。

下圖是波音777客機的油箱位置示意圖,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的相對位置。

3個油箱都有相應的燃油泵並通過燃油管和單向活門等部件相連,為發動機供油時,系統會調整從每個油箱供油的順序,並調整每個油箱的重量,保持重心在一個適當的位置,達到減輕翼根(翼根是飛機大翼和機身相連接的部分)處的應力集中作用。

圖中還可以看到通氣緩衝油箱Vent Surge Tank,它位於主翼的最高位置,起到油箱和外部的通氣口的作用。因為隨著燃油被送入發動機,油箱內的壓力逐漸減少,相對於外部大氣壓力更大,即會產生一個擠壓油箱的壓力。比如我們都喝過帶吸管的紙包裝飲料,隨著飲料被吸入紙盒內壓力變小,盒子就會逐漸被外部大氣壓癟。油箱也是一個道理,為了不被壓力壓癟,通過這個通氣口使油箱內的壓力和外部保持一致,同時也能夠使輸油更加順暢。

飛機重量的主要部分和配載集中在機身,而在空中時的升力主要來自機翼,因此向下的重力和向上的升力會在翼根附近產生一個彎曲力矩,這個力矩對飛機的結構有較強的影響。在主翼油箱中的燃油重量可以起到抵消升力,減少翼根彎曲力矩的作用,這就是要先給主翼油箱加油,並且儘量保持在機翼中的燃油的原因。

老式的波音747-200飛機在為發動機供油時首先使用中央油箱,中央油箱空了以後再使用兩翼主油箱。波音777也基本採用了同樣的方式。雖然首先使用的是中央油箱,但是其實3個油箱內的燃油泵全部都在運轉,只不過中央油箱燃油泵的功率更大一些,因此首先直接為兩側發動機供油的是中央油箱。這樣的好處是即使中央燃油泵出現了故障,兩側油箱燃油泵還在運轉,起到了備份的作用。當中央油箱空了後,燃油泵就會自動停止運轉。

波音777的EICAS顯示器:

但是空中客車330-200的運轉方式又略有不同,雖然同樣是首先使用中央油箱,但是不是由中央油箱直接為發動機供油,而是先把中央油箱中的燃料移動到兩側主油箱,再通過左右翼主油箱內的燃油泵直接為發動機供油。

現代的客機的供油系統都做到了自動化,但是象波音747-200這樣老式飛機是需要不斷檢查各個油箱內的殘量,手動來進行各個油箱內的調整的。

下面再介紹一下載重與平衡(weight and balance)的概念,即飛機需要根據營運空重、業載和燃油重量及其分布,在滿足各種限制條件下達到起飛重量、重心和配平的狀態。經常乘坐飛機的旅客都知道,在飛行過程中,為避免引起飛機失衡從而影響飛機操作性是不允許旅客擅自調換座位的。

飛機在空中運行過程中沒有任何的著力點,所以平衡重心是影響飛行安全的重要因素,每種機型的飛機對重心的前後移動都有一個限制範圍,以確保飛行安全以及便利操縱、節省燃油,這個限制範圍稱為重心許可範圍,飛機的重心不得超過其前後限制。

飛機重心略微偏前,飛機的穩定性好,遇到氣流不易顛簸;飛機重心略微偏後,飛機的操縱性好,且省油。飛機重心過於靠前和靠後,甚至飛機重心超出安全允許範圍則會造成嚴重的後果。輕則可能造成飛機起落架損壞,結構損傷、增加飛機油耗、縮短飛機壽命和損傷跑道等;重則在飛機起降階段造成飛機擦尾、衝出跑道, 甚至失速墜毀。

重心位置是相對於平均空氣動力弦(MEAN AERODYNAMIC CHORD,簡稱 MAC,即機翼的幾何重心)線上的百分比來表現,單位為%MAC。比如下圖的波音777,MAC長為7米,如果重心值為25%MAC,

則重心位於機翼前緣的7米*25%=1.75米處。一般來說飛機的重心許可範圍是非常小的,如上圖的777的許可範圍只有1.4米。再比如波音747的許可範圍為13~33%MAC,空中客車380為29~44%MAC。

在地面負責管理飛機重量和重心的是配載人員,他們對照飛機起飛性能表,根據機場氣候、地形、障礙物對起飛重量的影響以及機場跑道對飛機起降重量的限制,計算出飛機的重量限制,確定最佳平衡位置重心,據此對貨物、郵件和行李在飛機中的位置做出合理安排,即裝載平衡表。如果飛機的實際重量和配載員製作的重量數據不符,會影響飛行員駕駛飛機,做出錯誤的飛行速度和角度,存在安全隱患。實際重量超過飛機允許的最大限制重量,可能會機毀人亡。

關於重量的計算事關乘客的平均體重設定,比如國內航線一般為64公斤,國際航線為73公斤,飛行員為77公斤,空中乘務員為59公斤。但是有時也有一些特殊情況。比如某航班需要搭載很多的相撲選手的話,要麼就要事先聽取調查每個選手的體重,然後根據每個人的座位情況,再計算出飛機總體的重心位置。在比如從倫敦到紐約-駕駛波音747-400一書中曾經提到某此航班的飛行員執行任務時,發現飛機比平時要難控制的多,比如起飛滑行跑道長,爬升率低等,但又找不到什麼異常情況。後來落地以後一調查才知道,這次航班的乘客很多都屬於一個古錢幣收藏協會,這些收藏家們登機時都隨身攜帶了很多沉重的古錢,因此飛機的實際重量大大超過了預測重量。萬幸的是那次航班沒有發生事故,畢竟那是一次極其危險的飛行。

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