飞行阶段中基于飞行性能的超限事件.docx
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飞行阶段中基于飞行性能的超限事件
飞行阶段中基于飞行性能的超限事件参数研究
一个完整的飞行过程主要包括:
滑跑、起飞、巡航、下降、进近和着陆。
经过多年来的事故统计和民航专业人士的分析总结出“黑色的11分钟”的说法,即起飞爬升的3分钟和进近着陆的8分钟[6],绝大多数的民航飞行事故是发生在这11分钟里的。
因此,在整个飞行过程中,分析这11分钟的飞行数据尤为关键。
根据某航空公司2006-2007年度超限事件的数量统计结果(附表B)可知,超限事件也大都集中在起飞和进近着陆阶段,这进一步说明了飞行安全的重点阶段是起飞爬升和进近着陆阶段。
而影响超限事件的产生有多种因素,同时各个飞行阶段有不同的飞行性能衡量标准,所以为了降低这两个阶段的超限事件发生次数,不仅要结合可能影响超限事件发生的QAR参数(简称特征参数)进行分析,还要结合这两个阶段的飞行性能进行分析,从而为下一章开展超限事件特征参数中异常值的数据挖掘奠定了理论基础,同时这种研究思路还创新了超限事件的研究方法和研究途径,对航空公司开展超限事件分析工作具有重要的借鉴意义。
本章分别介绍了起飞、进近着陆两个阶段的飞行性能及各阶段可能发生的超限事件及特征参数的选取,并依据某航空公司某机型一年中发生的超限事件数量和类别进行了统计分析,根据最常发生的超限事件开展了基于飞行性能的特征参数分析。
3.1起飞阶段飞行性能及超限事件特征参数的选取
3.1.1主要性能及其影响因素分析
起飞阶段一般是指飞机从跑道上开始滑跑起,到爬升至离地垂直高度50英尺的过程。
起飞性能一般包括起飞决断速度V1、抬前轮速度VR、离地速度VLOF、起飞安全速度V2、起飞滑跑距离和起飞距离等。
一般起飞过程如图3-1所示。
图3-1一般起飞过程
起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2的数值每次飞行均不同,每一架飞机在起飞前都需要由飞机性能计算人员根据飞机载重、重心位置等进行计算来确定本次飞行的起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2,因此这些参数的值并不固定,每一次飞行都不同。
这些参数的计算和确定都是为了确保飞行员在起飞过程中具有足够的安全裕度对飞机进行必要的飞机操纵,如侧风修正等等。
下面针对这五个性能指标介绍如下。
1.起飞决断速度V1。
V1是起飞滑跑过程中出现发动机停车等严重故障时飞行员决定中断起飞或继续起飞的重要依据。
即当飞机达到V1速度时未出现发动机停车等严重故障,飞行员必须继续起飞;而当飞机还未达到V1速度时就出现了发动机停车等严重故障,飞行员必须中断起飞。
2.抬前轮速度VR。
VR是起飞滑跑过程中飞行员决定拉杆使飞机前轮抬起时的重要依据。
当飞机速度达到VR时,飞行员应当进行拉杆操纵,使飞机前轮抬起,从而增大飞机俯仰角,升力增大,便于飞机正常起飞离地。
若未达到VR时就抬前轮,可能导致离地速度VLOF过小,飞机升力不足影响正常起飞;若滑跑速度超过VR后拉杆动作过晚,则很可能导致离地速度VLOF大。
3.起飞安全速度V2。
V2是指飞机离地后距离起飞跑道表面的垂直高度大于50英尺时所必须达到的速度。
在此速度下飞行员才能够确保在起飞爬升阶段具有足够的安全裕度,以确保飞机的稳定性和操纵性。
同时起飞安全速度V2还是衡量离地速度VLOF大小的参考标准。
4.离地速度VLOF。
VLOF是指飞机起飞滑跑时主轮离地时的瞬时速度,也就是当升力正好等于重力时的瞬时速度,其近似计算公式表示为:
(3.1)
可以看出,离地速度VLOF与飞机的起飞重量W、升力系数CL、机翼面积S、空气密度
等相关,在起飞阶段起飞重量、空气密度可以视为常数不变,而升力系数CL与机翼形状、机翼上下压力差相关,一般而言在飞机迎角小于临界迎角时,升力系数随迎角增大而线性增大,当迎角达到临界迎角时升力系数达到最大值
,根据升力公式此时升力也达到最大,升力L的近似计算公式为:
(3.2)
而当迎角超过临界迎角后,发生“失速”。
此时升力系数快速减小,从而升力L快速减小,飞机产生掉头等失速状态,极大危害飞行安全。
总的来说,飞机起飞重量越大,迎角越小(即升力系数越小),机翼面积越小(即收起襟翼),离地速度VLOF则越大。
离地速度过大可能会导致飞机冲出跑道,离地速度过小会影响飞机的操纵性和稳定性,降低安全裕度。
5.起飞滑跑距离与起飞距离。
起飞滑跑距离是指飞机从开始滑跑至主轮离地之间的距离;起飞距离是指飞机从开始滑跑至达到离地50英尺垂直高度时所经过的水平距离。
这两个距离大小与离地速度、离地姿态等密切相关,是衡量飞机正常起飞的重要性能标准。
起飞滑跑距离大,可能会导致冲出跑道等事故发生。
综上所述,影响飞机起飞阶段上述飞行性能的主要因素主要包括以下8个方面。
第一,油门位置。
油门的大小与发动机转速等参数直接相关,并会影响到离地速度、滑跑距离等性能。
油门大,发动机转速高,推力就大,因而加速度就大,所以起飞滑跑时速度就大。
一般情况下,起飞滑跑阶段飞机处于全发满油门状态。
但是由于成功的起飞还由离地姿态(如俯仰角)等其他因素影响,因而简单的加大油门并不会确保完成成功的起飞滑跑。
第二,离地姿态。
离地姿态主要指离地时的俯仰角。
俯仰角是指飞机纵轴与地平面之间的夹角。
俯仰角的变化一般通过驾驶杆控制升降舵从而改变尾翼升力从而使飞机抬头或低头,最终改变俯仰角。
起飞时飞机离地仰角过大可能会导致擦尾,甚至失速的发生;仰角过小可能会导致升力不足而需要更长的起飞滑跑距离,甚至导致飞机离地后又下沉接地。
决定离地姿态的主要操纵因素包括要抬前轮速度、离地仰角、抬头速率等。
第三,襟翼位置。
襟翼直接影响飞机的气动力(包括阻力和升力),放下襟翼,增大机翼面积,可增大升力,导致离地速度小,缩短起飞滑跑距离。
第四,起飞重量。
根据公式(3.1),起飞时的重量越大,离地速度就越大,同时也就需要更长的起飞滑跑距离。
与起飞决断速度V1、抬前轮速度VR以及起飞安全速度V2相同,起飞重量W的具体数值必须在每次飞行前根据飞机性能计算得出,一般情况下实际起飞重量不能超过最大起飞重量。
第五,跑道表面质量。
跑道表面如果不够光滑平坦,摩擦系数就大,导致飞机阻力大,飞机加速度变小,从而滑跑距离就长。
第六,风向、风速。
若要使飞机的升力大于重力而离地,无论逆风顺风,飞机离地时相对于空气的速度(即空速,或表速)是一定的,即为离地速度VLOF。
而相对于地面的速度(即地速)则决定了飞机的滑跑距离,因此在离地前主要是看它的地速而不是空速,所以无论在顺风还是逆风情况下,飞机的地速是决定飞机滑跑距离的最终因素。
逆风滑跑时,
“地速=空速-风速”,离地时空速不变,故离地地速小,起飞滑跑的距离短;顺风滑跑时,“地速=空速+风速”,离地时空速不变,故离地地速大,滑跑距离就长。
另外,风向和风速的快速变化对于起飞阶段的飞行安全具有重要影响,即风切变。
风切变表现为气流运动速度和方向的突然变化。
它可以出现在垂直方向上,也可以出现在水平方向上。
600米以下的叫低空风切变,飞机在这种环境中飞行,相应地就要发生突然性的空速变化。
根据升力公式(公式3.2),空速变化引起升力变化,升力变化又引起飞行高度的变化。
因此风向和风速会影响起飞阶段的离地速度VLOF、抬头速率等。
第七,跑道坡度。
在一些特殊的机场,比如高原机场,跑道会有一定的坡度。
下坡起飞时,容易达到离地速度,滑跑的距离就短。
而上坡起飞时,则需要更长的滑跑距离。
同时,下坡滑跑容易导致抬前轮速度大、离地速度大、抬头速率大;而上坡滑跑容易导致抬前轮速度小、离地速度小、抬头速率小等事件;
第八,机场的压力、高度与气温。
机场的压力、高度和气温会引起空气密度变化,根据公式3.1和3.2可知,密度小导致升力小和离地速度大,起飞滑跑距离增长。
比如在高原机场,起飞滑跑距离相应就要增大。
3.1.2起飞阶段可能发生的超限事件及其特征参数的选取
一般情况下,起飞阶段超限事件可能发生的超限事件主要有:
离地速度大、离地速度小、超过最大起飞重量、中断起飞、起飞形态警告、抬前轮速度大、抬前轮速度小、离地仰角大、抬头速率大、抬头速率小、超过轮胎限制速度等。
超限事件的监控标准在业界并没有统一规定,一般都由各航空公司根据实际情况制定,并在FOQA软件系统中须事先设定后才能进行超限事件的筛选报告。
超限事件产生后,地面分析人员可以根据需要选择与超限事件相关的QAR参数进行飞行数据的输出,以便进行超限事件的原因分析。
超限事件相关的QAR参数可称为特征参数,一般来说每个超限事件对应不同的特征参数。
在起飞阶段各超限事件的发生都有各自不同的原因,相关特征参数的选取一般是各航空公司自定,同时也具有一些通行的标准。
比如,对于超过最大起飞重量超限事件,影响其发生的因素是飞机重量,因此应选取飞机重量这一QAR参数。
所有起飞阶段超限事件及其特征参数的选取见表3.1所示。
表3.1某航空公司737-800机型起飞阶段超限事件及特征参数
起飞阶段
超限事件名称
超限事件代号
超限标准
某航空公司超限事件
特征参数
离地速度大
113
≥(V2+25)kn
空速、主空地电门、俯仰角、发动机转速、驾驶杆位置、拉杆力
离地速度小
115
≤V2kn
超过最大起飞重量
104
>最大起飞重量
飞机重量
中断起飞
105
探测到
发动机转速
起飞形态警告
107
探测到
襟翼位置
抬前轮速度大
109
≥(VR+20)kn
地速、空速、发动机转速、前轮空地电门
抬前轮速度小
111
≤VRkn
离地仰角大
117
≥9.5°
地速、表速、主空地电门、驾驶杆位置、俯仰角、无线电高度
抬头速率大
119
≥3.5°/s
俯仰角、前空地开关、主空地开关
抬头速率小
121
≤1.3°/s
超过轮胎限制速度
122
>195kn
地速
3.2进近着陆阶段飞行性能及超限事件特征参数的选取
3.2.1主要性能及其影响因素分析
进近着陆阶段一般是指飞机从进场离地垂直高度50英尺起,到接地停止的过程。
着陆距离即为此阶段的水平距离,进近着陆分为两个阶段:
进场拉平段和减速滑跑段。
进场拉平段是指飞机从离地垂直高度50英尺,以进场速度Vref开始进场,经过下降拉平至主轮着地阶段,进场拉平段的水平距离
的近似计算公式为:
(3.3)
其中H为进场高度(一般为50英尺),
为下滑角,n为进场拉平段的平均垂直过载(即垂直加速度,一般为1.2左右)。
减速滑行段是指飞机从主轮着地后经过减速滑行至速度为零的阶段,减速滑行段的距离即为着陆滑跑距离,该距离
的近似计算公式为:
(3.4)
其中a为按照等减速度设计的刹车制动系统的平均减速度。
一般着陆过程如图3-2所示。
图3-2一般着陆过程
着陆性能一般包括进场速度Vref、着陆滑跑距离
和着陆距离L等。
这三个性能指标的数值每次飞行均不同,每一架飞机在起飞前都需要由飞机性能计算人员根据飞机着陆重量、风速风向等进行计算来确定,因此这些参数的值并不固定,每一次飞行都不同。
这些参数的计算和确定都是为了确保飞行员在起飞过程中具有足够的安全裕度对飞机进行必要的飞机操纵,如应付低空风切变等。
下面针对性能指标介绍如下。
1.进场速度Vref是根据飞机着陆时保证安全裕度而由飞机性能人员计算出的一个速度,其大小为着陆构型失速速度的1.3倍,飞机进场着陆时下降至垂直距离跑道表面50英尺时的进场速度必须大于或等于Vref的值。
飞机着陆构型不同,或着陆重量不同,都会影响其失速速度大小,因此也影响到进场速度的大小,从而影响飞机接地速度,最终影响着陆滑跑距离及着陆距离。
2.着陆滑跑距离是指飞机从接地到滑跑停止所经过的距离,其近似计算公式如式3.4,即
。
着陆距离是指从高于跑道表面50英尺高度开始,下降接地、滑跑停止所经过的水平距离,其大小为L=
。
与起飞阶段类似,影响飞机着陆滑跑距离和着陆距离的主要因素也包括油门位置等六个方面。
第一,油门位置。
进近和着陆过程中油门位置过小或过大都不利于接地,根据升力公式
,油门过小速度就小,而升力系数
与机翼面积S不变,升力L将变小,增加飘飞距离,从而增加着陆距离;油门过大,速度就大,容易形成接地速度过大或接地载荷大,造成重着陆或跳着陆等事件。
第二,着陆姿态。
着陆的姿态主要是俯仰角、倾斜角的大小。
姿态大,则有擦尾的危险,姿态小则有重着陆的危险。
同时,着陆姿态还影响到飞机的升力系数,升力系数又影响到迎角的大小,导致失速的危险。
第三,襟翼位置。
放下襟翼可增大机翼面积,从而增大升力,减小接地载荷,并降低速度,缩短着陆滑跑距离。
第四,着陆重量。
一般通过飞行手册和性能飞行师的计算可以计算出最大着陆重量,只要在最大着陆重量范围内,就不会出现超过最大着陆重量的超限事件。
第五,风向风速。
逆风着陆时,阻力大,接地地速小,着陆距离短,但有可能产生接地点近的超限事件;而顺风着陆时,阻力小,接地速度大,着陆距离长,有可能产生接地点远的超限事件。
第六,进场速度与进场高度。
进场的速度越大,接地时的速度也就越大,着陆滑跑的距离就长,接地点远;进场高度越高,下降率大,接地载荷就大。
在飞机姿态和襟翼位置不变的情况下,根据升力公式
,飞机升力随速度降低而减小,因此接地速度小容易造成接地载荷大、重着陆和跳着陆等事件,所以合适的进场速度和高度是安全着陆的重要条件之一。
3.2.2进近着陆阶段可能发生的超限事件及其特征参数的选取
一般情况下,进近着陆阶段可能发生的超限事件主要有:
进近坡度大50Ft以下超限事件、进近速度大50Ft以下事件、着陆襟翼晚事件、非着陆襟翼落地超限事件、着陆仰角大或小、接地点远超限事件、超过最大着陆重量超限事件、着陆垂直载荷大超限事件、重着陆、跳着陆超限事件、着陆滑跑方向不稳定超限事件、收反推晚超限事件。
类似与上一节3.1.2中对起飞阶段可能发生的超限事件及其特征参数的选取分析,在进近着陆阶段超限事件及其特征参数的选取详见表3.2所示。
表3.2进近着陆阶段超限事件及特征参数
进近阶段
超限事件名称
超限事件代号
超限标准
某航空公司超限事件
特征参数
进近坡度大50Ft以下
164
≥4
坡度、倾斜角、无线电高度
进近速度大50Ft以下
171
≥VREF+15
高度、倾斜角、俯仰角、表速、空速、发动机转速、驾驶杆位置、下滑率、风向、风速等
着陆襟翼晚
181
≤800ft
襟翼伸出位置和无线电高度等
非着陆襟翼落地
185
非30或40
襟翼伸出位置和主空地电门等
着陆仰角大或小
187
≥7°或≤1.0°
地速、表速、驾驶盘位置、驾驶杆位置、倾斜角、俯仰角、无线电高度等
接地点远
193
≥750m
地速、表速等
超过最大着陆重量
194
>最大着陆重量
飞机着陆重量
着陆垂直载荷大
195
≥1.60g值
垂直高度、无线电高度、表速、襟翼、地速、垂直加速度等
重着陆、跳着陆
197
第一次接地≥1.80g值;第二次接地≥1.50g值
地速、垂直加速度等
着陆滑跑方向不稳定
199
≥3°
磁航向等
收反推晚
201
≤30kn
3.3基于飞行性能的关键参数选取及分析
根据上一节的分析,每个飞行阶段都对应不同的超限事件,超限事件在发生次数的数量上和发生阶段的分布上各有不同,有必要进行详细的统计分析,只有这样才能够抓住“主要矛盾”,从而进行这些超限事件关键参数的分析。
3.3.1某航空公司超限事件的统计分布
根据国内某航空公司737-800飞机2006年-2007年各月超限事件发生次数统计(见附录表B),发生的22种超限事件累计达到1799次,平均每种超限事件发生次数为82次,按发生次数排序前四种分别是117、113、169、195事件,如表3.3所示。
表3.3超限事件实例统计表
超限事件代码
超限事件名称
一年内的发生次数
所属飞行阶段
117
离地仰角大
590
起飞阶段
113
离地速度大
245
起飞阶段
169
进近速度大500-50英尺
209
进近阶段
195
着陆垂直载荷大
198
着陆阶段
合计
1242
可以看出,这四种超限事件的发生次数为1242,占全部22种超限事件1799总次数的69%,因而能够代表超限事件的重点,也就是影响飞行安全超限事件中的“主要矛盾”。
因此将上述四个事件列为主要超限事件进行分析研究具有重要意义。
3.3.2主要超限事件关键参数的选取分析
1.进近着陆阶段
起飞阶段关键参数有抬前轮速度、抬前轮速率,起飞后等速爬升过程中飞机仰俯姿态和飞行剖面,以及收襟翼的标牌速度等。
起飞离地时,有两个关键参数影响起飞性能和安全,即离地仰角和离地速度,控制离地速度和离地仰角的主要操纵参数是抬前轮速度和抬前轮速率,过早过快抬前轮将导致离地和起始上升速度小,飞机的操纵性稳定性差;由于抬起头滑跑中飞机姿态高,迎角大,阻力大,会减小飞机的加速度,导致事实上显著减小剩余的跑道长度;可能擦尾。
过慢过晚抬前轮,导致离地和起始上升速度相应增大,增长起飞滑跑距离。
下面以起飞阶段的113和117两个主要超限事件为例,进行关键参数的选取分析。
(1)113事件。
根据表3.1,113事件的特征参数为倾斜角、俯仰角、发动机转速、驾驶杆位置、拉杆力等。
上一节已介绍,离地速度是飞机升力等于重力时的速度,而飞机起飞重量可以视为常数,因此升力的变化速度决定了离地速度的大小。
当升力很快增大为重力大小,这时飞机就离地了,此时的离地速度相对就较小;而若升力增大较慢,则离地速度相对就会较大。
根据离地速度的近似计算公式
,离地速度与起飞重量W、升力系数CL、机翼面积S、空气密度
等有关,其中起飞重量、空气密度和机翼面积在起飞滑跑阶段可视为常数,不考虑其微小变化对离地速度的影响,而升力系数CL主要与迎角有关。
因此重点分析这升力系数变化对离地速度的影响,即函数
。
对于升力系数CL,上一节已做过分析,在临界迎角范围内,该值基本与迎角值成正比。
迎角是指翼弦与相对气流方向(即飞行速度)之间的夹角,迎角的增大或减小是靠操纵杆(驾驶杆)向下或向上而控制升降舵,从而改变飞机的俯仰角来完成的。
因此离地时飞行员对驾驶杆的操纵必须要考虑,即把驾驶杆位置列为113事件的关键参数。
根据飞机升力的近似计算公式:
(3.5)
可以看出,空气密度
为常数,升力Y与升力系数
以及机翼面积S成正比,而与速度
的平方成正比。
因此,要保证离地速度在正常范围内,只有通过提高升力系数、增大机翼面积来提高升力,使之大于等于重力时飞机才可离地。
而飞机起飞滑跑时襟翼已经放下,因此机翼面积在离地前不会发生变化,所以只能通过改变升力系数才能使离地速度在正常范围内确保飞机离地。
比如如果发生113离地速度大事件,一定是空速这一参数发生了异常(超限),但引起离地速度大的原因必须从除空速外的其他参数变化的异常中找出。
根据式3.5中升力
离地时Y等于重力为常数,升力系数CL小则速度v大,故若减小升力系数将增大离地速度,增大升力系数则将减小离地速度。
前面已经分析出在起飞滑跑阶段升力系数与迎角成正比,而迎角又由俯仰角影响,因此驾驶杆位置的参数异常变化是导致113事件发生的主要原因。
表3.4为某航空公司737-800机型发生113离地仰角大事件对应的QAR参数。
表3.4某航空公司737-800机型113超限事件QAR参数(部分)
时间
V2速度
空速(KNOTS)
无线电高度(ft)
空/
地电门
主轮空/地电门
俯仰角(DEG)
N1指示
驾驶杆位置(DEG)
驾驶盘力
6:
18:
30
123.75
-5
GND
GND
-0.2
92.1
0.4
2.54
6:
18:
31
127.75
GND
GND
-0.2
92
0
3.05
6:
18:
32
133.75
-4
GND
GND
-0.2
92
0.4
2.54
6:
18:
33
136.5
GND
GND
-0.2
92
0.4
4.7
6:
18:
34
138.5
-5
GND
GND
-0.2
92
1.4
4.32
6:
18:
35
142.5
GND
GND
0.2
92
359.6
-5.21
6:
18:
36
148.75
-4
GND
AIR
0.9
92
4.2
5.59
6:
18:
37
153.25
GND
AIR
1.9
92
4.9
5.21
6:
18:
38
157.5
-3
GND
AIR
4
92
3.2
4.19
6:
18:
39
158.25
AIR
AIR
6.3
91.9
1.1
1.65
6:
18:
40
160.5
2
AIR
AIR
7.7
92
352.3
-9.4
6:
18:
41
163.5
AIR
AIR
9.7
92
355.4
-5.21
6:
18:
42
162.75
20
AIR
AIR
11.4
92
0.7
6.48
6:
18:
43
174.5
AIR
AIR
12.8
92
2.1
2.29
可以看出在18分39秒至主空地电门AIR/GROUND参数从GROUND变为AIR时(即飞机离地时),俯仰角Pitch参数为10.02°,根据附录表A的超限事件监控表中查得,已超过监控标准10°,因此确定为117离地仰角大事件。
同时可以看出由于驾驶杆位置参数的异动使得俯仰角发生变化,因此从数据表征也可以得出驾驶杆位置是导致离地仰角大的关键因素。
总的来说,飞机起飞滑跑阶段,离地时迎角越小,升力系数越小,离地速度VLOF则越大,越可能导致离地速度大的113事件。
(2)117事件。
根据表3.1,117事件的特征参数为地速、表速、驾驶杆位置、俯仰角、无线电高度等。
上一节已介绍,离地仰角是飞机主轮离地时,也就是飞机升力等于重力时飞机纵轴与水平面的夹角。
仰角的增大或减小是靠驾驶杆向下或向上而控制升降舵,从而改变飞机的俯仰角。
根据离地时的升力公式,
,经过变换得出离地时的升力系数
,而升力系数与仰角成正比,因此不考虑重量W和空气密度
为常数的因素,速度的平方与机翼面积的乘积
与仰角成反比。
在同样的离地速度下,机翼面积越小(即放下襟翼)离地仰角越大。
但一般起飞滑跑阶段中襟翼位置是5度(波音737机型)。
因此如果起飞滑跑阶段襟翼位置没有受异常干扰而导致机翼面积变化,也可以考虑其为常数不变。
所以把驾驶杆位置列为117事件的关键参数,驾驶杆位置的参数异常变化是导致117事件发生的主要原因。
表3.5为某航空公司737-300机型117超限事件特征参数的QAR数据记录情况。
表3.5某航空公司737-300机型117超限事件QAR参数(部分)
GMTHOURS(HOURS)
GROUNDSPEED(KNOTS)
AIR/GROUND
NOSEAIR/GROUND
Pitch(DEG)
RadioAlt(ft)
CONTROLCOLUM(DEG)
COMPUTEDAIRSPEED(KNOTS)
04:
34:
23
121
GROUND
GROUND
-0.53
-0.97
143
124
GROUND
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- 飞行 阶段 基于 性能 超限 事件