B737飛機失速警告原理解析

飛機失速對飛機安全構成重要威脅。失速是指當飛機迎角超過臨界迎角，機翼出現嚴重氣流分離，而導致飛機升力急劇下降，進而不能保持高度的一種現象。因此，航空管理部門都要求民航飛機裝備失速警告系統，在飛機接近失速時給飛行員提供警告[1]，提醒飛行員迅速操作飛機以恢復正常狀態，避免失速，從而保證飛行安全。對於如何觸發並提供警告信息，各公司的運行人員和飛行員，甚至部分飛機製造廠商都不能合理解釋，本文通過詳細分析B737系列（B737-700和B737-800）飛機警告原理，更好的了解失速警告原理，同時補充說明機動能力(過載能力)系統對失速告警系統的補充，完整的闡述了飛機各系統對失速的保護。

一、失速警告基本工作原理

根據空氣動力學原理[2]，可將失速的情形分為二種，一種是飛機在較低速或正常巡航速度時，為了獲得足夠的升力，增大迎角，導致氣流分離而失速，另一種是飛機高速飛行時，氣流通過翼面產生激波，進而產生阻力失去升力而失速。對於第二種，失速警告系統不進行處理。在第一種情況中，為了更好的探測失速，將失速警告分為兩類：

1、迎角失速：迎角失速是通過比較臨界迎角和飛機實際迎角。在接近臨界迎角時、且失速之前發出警告。對於失速警告的提前量相關適航部門有規定。[3]

2、最低速度失速：為了對迎角失速進行補充，特別添加最低速度警告，對於某個後緣襟翼位置，空速太低時發出警告。每個襟翼位置對應一個最低速度。

失速警告的反饋主要是觸動抖桿器，明確告知飛行員即將失速，飛行員按照相應流程改出抖桿即可。

二、失速警告系統組成

失速警告系統包括失速管理偏航阻尼器（SMYD），駕駛桿抖桿器，升降舵感覺組件（EFSM）和失速警告測試面板。同時失速警告系統接收大氣數據慣性基準系統ADRIS、襟翼位置發送器、PSEU(空地電門)感測器等信息。具體工作流程如圖1所示[4]。

圖1 失速警告系統的組成

其中，失速警告測試面板位於駕駛艙頂面板上。駕駛桿抖桿器位於駕駛桿的前側。失速管理偏航阻尼器（SMYD）位於電子設備艙內，升降舵感覺變換組件位於安定面艙的後隔框的左側。

1、失速管理偏航阻尼器（SMYD）計算機

失速管理偏航阻尼器（SMYD）計算機主要用於失速管理計算和偏航阻尼功能計算等功能。SMYD接收迎角感測器、大氣數據慣性基準系統(ADIRS)、襟翼位置發生器、空地電門等部件傳來的信息，根據飛機的迎角、襟翼位置、真空速、推力等參數，計算臨界迎角。當飛機實際迎角到臨界迎角值時，觸動駕駛桿抖桿器。

2、駕駛桿抖桿器

駕駛桿抖桿器抖動駕駛桿以提醒駕駛員飛機處於失速狀態。駕駛桿抖桿器安裝在駕駛桿上。SMYD1控制機長的駕駛桿抖桿器，SMYD2控制副駕駛的駕駛桿抖桿器。

3、升降舵感覺變換組件(EFSM)

升降舵感覺變換組件(EFSM)接收SMYD計算的阻尼結果，給雙感覺作動筒提供增壓的液壓系統壓力，從而在失速期間增加駕駛桿的感覺力。

4、失速警告測試面板

失速警告測試面板上主要完成對失速警告系統的測試。在飛行運行中，此系統可不參與工作。如失速警告系統無故障，按壓測試電門時，相應的抖桿器能正常抖動。如失速警告系統有故障，按壓測試電門時，對應的抖桿器就不能抖動。

三、失速警告系統分類

SMYD提供兩種失速警告計算，即正常失速警告計算（即迎角失速）和最低速度失速警告計算, SMYD的兩種計算都能給駕駛桿抖桿器提供失速警告信號。

1、正常失速警告以及修正方法

正常失速警告使用數據有：迎角（AOA），後緣襟翼兩位置，前緣襟翼和縫翼的不對稱信息，發動機推力設置（N1和N2），空速（VCAS）以及機翼和發動機熱防冰電門（TAI）狀態。

正常失速警告計劃為每個後緣襟翼位置設定AOA截獲點（即臨界角度），根據襟翼位置不同，AOA截獲點值在13.0°到23.5°之間變化，襟翼越小，A0A截獲點值越小，對於不同機型會有差別。如果AOA大於該後緣襟翼位置時的AOA截獲點，SMYD給駕駛桿抖桿器提供失速警告信號。

以737-700和737-800為例，各襟翼的AOA截獲點如表1所示：

表1 B737-700和B737-800截獲點

上表為不同襟翼位置的基本值，如遇到一些特殊的情況需要，SMYD使用其他數據進行AOA偏量值計算,然後對基本值修正，具體修正值見表2.

表2 AOA截獲點修正

SMYD從正常截獲點計劃中減去最高的啟動偏量值，從而降低截獲點。如出現多個偏量項目，SMYD同時計算所有偏量，並選用最高值。例如對於B737-700襟翼40度的截獲點（臨界交通）為20.2度，如果對TAI偏差進行修正，B737-700襟翼40度的截獲點將會減小到14.9°～19.4°，具體偏量項目介紹如下：

1）前緣襟翼和縫翼不對稱偏差。

當前緣裝置不對稱或前緣裝置和後緣位置不一致時，即設定前緣不對稱偏差。前緣裝置不對稱，即不是所有的前緣縫翼在相同位置或不是所有的前緣襟翼在相同位置。前緣裝置和後緣位置不一致，即前緣裝置的位置和後緣裝置的位置不匹配，如後緣襟翼伸出，但前緣的襟翼或縫翼都是收起的。

前緣襟翼和縫翼不對稱偏差值和後緣襟翼位置相關，後緣襟翼1時為10.2°，後緣襟翼40時為15.0°。

2）高推力偏差

如果對側發動機N2大於75%，同側發動機N1有效，則高推力偏差存在，這可以防止在低速和高推力時俯仰失速趨勢。一般在速度很低（

高推力偏差不隨每個襟翼位置變化而變化，它使用後緣襟翼小於或等於15的信號，以及後緣襟翼大於15的信號。襟翼小於或等於15的最大偏差是6.7°，襟翼大於15的最大偏差是13.6°。

3）前緣非指令運動（UCM）。

襟翼縫翼電子組件（FSEU）會監控前緣的狀態，如果某些原因FSEU探測到一個非指令的前緣運動，襟翼縫翼電子組件（FSEU）提供非指令運動信號。

前緣非指令運動偏差值和後緣襟翼位置相關，後緣襟翼1時為6.7°，後緣襟翼40時為2.9°。

4）熱防冰（TAI）偏差。

當某個機翼防冰或發動機防冰電門在接通位置時，TAI偏差設定。B737系列熱防冰偏差是基於機翼前緣3英寸的粗冰對AOA截獲點的影響來考慮。當機翼防冰移到接通位置超過5 s，在剩餘的飛行過程中，都會鎖定TAI偏差。

TAI偏差值同樣和後緣襟翼位置相關，變化趨勢為：後緣襟翼時為0.8°，後緣襟翼25時到達最大值5.3°，後緣襟翼40時減少為3.3°。

2、最低速度失速警告

對某特定後緣襟翼位置，如果空速太低，SMYD會給駕駛桿抖桿器提供失速警告信號。AOA不用於最低速度失速警告計算，即使AOA並沒有達到臨界值，但速度達到最低值，就會觸發失速警告。最低速度值根據不同後緣襟翼而不同，具體警告位置和速度見下表3。

表3 B737系列失速警告襟翼位置和最低速度

因為最低速度警告只是正常失速警告計算的備份，通常只用於襟縫翼伸出的情況，所以在襟翼收起時（FLAPUP）設置數值較低（60節）,這樣就可抑制機翼光潔形態時的最小速度警告功能。

四、失速警告系統的補充和缺陷

1、失速警告系統補充

為了防止失速，飛行管理計算機對飛機的速度、高度、飛行載荷進行了一些限制。例如飛機廠家推薦的1.3g過載限制包線（抖震邊界），對保護飛機機動能力，有效避免高速激波起到重要作用。當飛機機動能力不足時，PFD（主飛行顯示）空速指示器顯示和發出聲音警告。如圖2中所示，當飛行速度過大進入琥珀帶甚至紅黑的最大速度帶時表示飛機的機動能力不足，並以聲音的形式給機組提示，提醒機組減少速度。

圖2 主飛行顯示最大速度界面

2、失速警告系統的缺陷

對於早期B737-700和800，在飛機光潔構型(Flaps0)下飛行，飛機的迎角探測器為固定值（例如B737-700為13.3）。但實際上飛機的臨界迎角值隨著馬赫速的增加而變小。如果臨近迎角不變，則在極端情況下飛機出現了嚴重的抖震，飛機的失速告警系統仍未觸發。如圖3所示，當飛機速度低於琥珀色速度帶，甚至到達紅黑速度帶時，失速警告系統可能仍然未觸發。後期波音公司對以上問題進行了修正，如表4所示，對速度進行補償，在高馬赫數情況下，臨界迎角的截獲點數值變小，保持抖桿速度提示和機動速度提示一致性，防止速度過低進入琥珀色速度而失速警告系統仍未觸發。

表4 B737-700和B737-800光潔構型截獲點

圖3 主飛行顯示最小速度界面

對於波音777，在計算臨界迎角時，沒有預先設定臨界迎角的表格，而是根據飛機實時狀態計算，結果更精細。保證失速警告提醒在失速之前，但過度精準的系統會導致飛機遇到較大陣風時短時迎角過大進行抖桿提示，增加飛行員心理負擔。

五、失速警告系統總結

失速警告系統是保證飛行安全的一個關鍵系統，是將空氣動力學與實際飛機設計相結合的典型案例，波音在設計失速警告系統過程中，考慮了影響失速的各種因素（速度、積冰、襟翼位置等），並將各種信號、數據量化，進而判斷得出失速結論。隨著技術的不斷進步，飛行管理計算機功能逐步強大，失速警告系統也會更加精細，各種警告問題將會解決。在日常運行中，了解其工作原理對識別和防止飛機失速，提高飛行安全水平都有重要意義。

[1]運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R4），2011，中國民用航空局

[2]簡明空氣動力學傅職忠，2008，中國民航出版社

[3] JET TRANSPORT PERFORMANCE METHODS,2009,波音公司

[4] B737 Aircraft Maintenance Manual，2015，波音公司

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