機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)適航要求及驗證方法研究

韓麗，劉明，王佳杰

(中國商用飛機有限責(zé)任公司 上海飛機設(shè)計研究院，上?！?01210)

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機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)適航要求及驗證方法研究

韓麗，劉明，王佳杰

(中國商用飛機有限責(zé)任公司 上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

摘要：風(fēng)切變是一種特殊的大氣現(xiàn)象，影響飛行安全，民用飛機在飛行時應(yīng)盡量躲避風(fēng)切變。機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)是一種有效的風(fēng)切變探測系統(tǒng)，可以探測風(fēng)切變的存在并發(fā)出警告，使飛行機組有足夠的時間采取措施安全地避開風(fēng)切變。本文簡要介紹了風(fēng)切變的概念及其危害，梳理了民用飛機主要應(yīng)用的機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)類型，分析了機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)的適航條款要求，并給出了可采用的符合性驗證方法。研究結(jié)果對國內(nèi)民用飛機的適航審定取證工作具有積極意義。

關(guān)鍵詞：民用飛機；低空風(fēng)切變系統(tǒng)；適航要求；符合性驗證方法

0引言

風(fēng)切變是風(fēng)向和風(fēng)速在水平和垂直方向突然變化的大氣紊流，是一種特殊的大氣現(xiàn)象。在航空氣象學(xué)中，風(fēng)切變又分為垂直風(fēng)的水平切變、水平風(fēng)的水平切變和水平風(fēng)的垂直切變?nèi)悺ｏL(fēng)切變作為一種擾動，會對飛機的正常飛行造成影響，若飛行機組不能及時加以修正，將會使飛機航跡發(fā)生變化，在俯沖、滾轉(zhuǎn)、偏航和空速等方面出現(xiàn)復(fù)雜的振蕩。然而，在風(fēng)切變環(huán)境中，飛行機組控制指示空速的能力非常有限，而且飛機重量越大，受風(fēng)切變的影響就越大；風(fēng)切變發(fā)生的高度越低，對飛行的影響也越大。

遭遇風(fēng)切變時的飛行高度是影響飛機起飛著陸安全的關(guān)鍵因素。理論上講，飛機起飛時遭遇風(fēng)切變比著陸時遭遇風(fēng)切變更危險，而事實卻相反，原因是若飛機起飛時遭遇風(fēng)切變，其危險是飛機失速，這時飛行機組無需判斷，只需推大油門以爭取飛機的速度和高度即可。而若是著陸時遭遇風(fēng)切變，則要求飛行機組及早判斷，并完全改變著陸操作，但飛行機組在飛機著陸過程中是難以采取相反操縱動作的，故著陸時發(fā)生的事故更多。據(jù)美國國家運輸安全委員會統(tǒng)計，自1975年以來，由于天氣原因在美國國內(nèi)發(fā)生的惡性空難中，80%是低空風(fēng)切變導(dǎo)致的[1-2]。

為保證飛行安全，民用飛機應(yīng)對低空風(fēng)切變的最直接方法就是“躲避”，即應(yīng)用專門的風(fēng)切變探測技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)，提前避開。一般通過飛機機載風(fēng)切變探測系統(tǒng)或機場范圍內(nèi)的地面低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)來探測風(fēng)切變。通過上述探測技術(shù)，可以使飛機在遭遇風(fēng)切變時或者遭遇風(fēng)切變之前收到警告，給飛行機組足夠的時間來采取措施避開風(fēng)切變[3]。

查閱相關(guān)民用飛機適航規(guī)章，例如《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25部)和《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》(CCAR-121部)，發(fā)現(xiàn)適航規(guī)章對民用飛機機載風(fēng)切變系統(tǒng)的要求甚少。因此，本文重點研究民用飛機機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)的適航規(guī)章要求，明確民用飛機適航取證過程中應(yīng)該滿足的條款要求；同時給出可行的符合性驗證方法。

1機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)概述

機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)按原理可分為預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)和反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)兩類。預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)屬于主動探測系統(tǒng)，具有前視探測功能的機載微波多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，能在飛機遭遇風(fēng)切變之前15 s左右發(fā)出風(fēng)切變警告，使飛行機組有時間采取措施應(yīng)對風(fēng)切變；而反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)屬于被動探測系統(tǒng)，即只有當(dāng)飛機遭遇風(fēng)切變時，系統(tǒng)才會發(fā)出風(fēng)切變警告。

預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)是利用多普勒效應(yīng)工作的雷達(dá)系統(tǒng)，其通過測量運動目標(biāo)的回波信號與發(fā)射信號頻率之間存在的頻率差異——多普勒頻移，來探測運動氣象目標(biāo)。氣象雷達(dá)發(fā)射的信號遇到大氣中的運動粒子被反射回來，根據(jù)多普勒效應(yīng)，運動粒子產(chǎn)生的回波信號與發(fā)射信號之間存在相位差，通過測量該相位差，便可計算出粒子的運動速度，從而反映氣流速度。

反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)是利用飛機現(xiàn)有儀表系統(tǒng)中的一些參數(shù)異常來提示飛行機組飛機遇到了風(fēng)切變。波音公司規(guī)定：當(dāng)飛機空速表指示值突然改變15～20 nmile/h，則認(rèn)為飛機遇到了風(fēng)切變。反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)早先被用于風(fēng)切變實屬無奈之選，隨著科技的發(fā)展以及對風(fēng)切變現(xiàn)象認(rèn)識的逐步深入，應(yīng)對風(fēng)切變最好的辦法應(yīng)是預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)能真正做到“提前發(fā)現(xiàn)，提前避開”。

2適航要求

查閱相關(guān)適航規(guī)章，發(fā)現(xiàn)《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R4)中沒有明確條款對飛機安裝機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)提出要求；而《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》(CCAR-121-R4)中，第358條對低空風(fēng)切變系統(tǒng)提出了要求。

CCAR-121-R4第358條——低空風(fēng)切變系統(tǒng)的設(shè)備要求，條款原文為：“除經(jīng)局方批準(zhǔn)外，按照本規(guī)則實施運行的渦輪動力飛機(渦輪螺旋槳動力飛機除外)應(yīng)當(dāng)裝備有經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)，經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的這些系統(tǒng)的組合[4]。”

結(jié)合上述適航要求及目前民用飛機對風(fēng)切變探測技術(shù)的應(yīng)用，本文認(rèn)為：①反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)屬于“經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)”的一種，當(dāng)飛機遭遇風(fēng)切變時，該系統(tǒng)能夠向飛行機組發(fā)出警告；同時，飛行控制系統(tǒng)自動地綜合利用空速，無線電高度和迎角信息產(chǎn)生最佳的機動指令，幫助飛機脫離風(fēng)切變。②預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)屬于“經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)”的一種，該系統(tǒng)能夠提前探測前方風(fēng)切變的存在；同時，飛行控制系統(tǒng)自動地綜合利用空速，無線電高度和迎角信息產(chǎn)生最佳的避讓機動指令，使飛機避開風(fēng)切變。③“經(jīng)批準(zhǔn)的這些系統(tǒng)的組合”可認(rèn)為是“未來新型風(fēng)切變系統(tǒng)”，該系統(tǒng)不僅具備機載風(fēng)切變警告與飛行指引的功能，還兼具機載風(fēng)切變探測和避讓的功能。

CCAR-121-R4第358條，條款原文語句比較復(fù)雜，僅從字面解析，無法準(zhǔn)確得知“按照本規(guī)則實施運行的渦輪動力飛機(渦輪螺旋槳動力飛機除外)”應(yīng)該裝備哪一種風(fēng)切變系統(tǒng)，反應(yīng)型低空風(fēng)切變系統(tǒng)和預(yù)測型低空風(fēng)切變系統(tǒng)是否需要同時安裝。

考慮CAAC規(guī)章與FAA規(guī)章體系相似，查閱FAA規(guī)章條款，發(fā)現(xiàn)14 CFR Part 121第358條對風(fēng)切變系統(tǒng)提出了要求。

14 CFR Part 121第358條——Low-altitude wind shear system equipment requirements[5](低空風(fēng)切變系統(tǒng)的設(shè)備要求)，條款原文為：“(a) Airplanes manufactured after January 2, 1991. No person may operate a turbine-powered airplane manufactured after January 2, 1991, unless it is equipped with either an approved airborne wind shear warning and flight guidance system, an approved airborne detection and avoidance system, or an approved combination of these systems.”(中文譯為：(a) 1991年1月2日后生產(chǎn)制造的飛機。任何人不得運行1991年1月2日后生產(chǎn)制造的飛機，除非該飛機已經(jīng)裝備了經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)，經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的這些系統(tǒng)的組合。)

查閱規(guī)章制定建議公告(NPRM)，得知14 CFR Part 121第358條對應(yīng)的規(guī)章修正案為1990年5月9日發(fā)布的121-216，相應(yīng)的NPRM為1990年4月9日發(fā)布的55 FR 13242。NPRM主要講述修訂該條款的背景、過程、經(jīng)濟(jì)效益、最終規(guī)章等，其主要內(nèi)容如下：1988年9月27日，F(xiàn)AA在聯(lián)邦注冊報53 FR 37688發(fā)布了新規(guī)章——飛機安裝低空機載風(fēng)切變設(shè)備和加強飛行飛行機組風(fēng)切變培訓(xùn)的要求。新規(guī)章要求：截止1991年1月2日，所有按照121部運營的渦輪動力飛機都必須安裝機載風(fēng)切變警告和飛行指引系統(tǒng)。運營人可以向FAA提交改裝申請，獲得批準(zhǔn)后可以延遲符合該規(guī)章要求的時間。FAA修訂該條款，主要為了降低與風(fēng)切變相關(guān)的飛行事故率，即使飛機遭遇風(fēng)切變，其所安裝的低空風(fēng)切變警告和飛行指引系統(tǒng)，也能提高安全裕度。

1989年3月17日， ATA(交通運輸協(xié)會)向FAA反饋意見：一些老齡飛機不值得安裝風(fēng)切變警告和飛行指引系統(tǒng)，應(yīng)排除在外，建議FAA在規(guī)章中明確。對此，1989年8月1日，F(xiàn)AA在聯(lián)邦注冊報54 FR 34394發(fā)布了NPRM，對規(guī)章進(jìn)行了三點修改：①將一些老齡飛機排除在外，規(guī)定某些老齡飛機不需要安裝機載風(fēng)切變飛行指引系統(tǒng)；②型號合格證持有人為了滿足121-R4第358(a)條款的要求，可以向FAA提交延長符合性截止時間的申請，申請時，型號合格證持有人可以將機載風(fēng)切變系統(tǒng)設(shè)備安裝時間與TCASII設(shè)備的安裝時間保持一致；③當(dāng)預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)發(fā)展成熟可用時，經(jīng)批準(zhǔn)的預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)將被允許安裝。

在征求意見時，達(dá)美航空提出：安裝反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)可能阻礙預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)的發(fā)展與裝機。為此，F(xiàn)AA最終發(fā)布的規(guī)章里特別提出：當(dāng)預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)發(fā)展成熟可用時，預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)也將被允許裝機。

規(guī)章制定建議公告中相應(yīng)的說明是：“(a) The final rule specifically allows for the installation of predictive systems if they become available. (b) Because predictive systems would provide pilots with an opportunity to avoid the encounter, the FAA proposed amending 121.358 to allow the use of predictive systems as soon as they are available and certificated.” (中文譯為：(a) 最終發(fā)布的條款將考慮允許預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)的裝機，前提是預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)技術(shù)可行。(b) 預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)給飛行機組提供了一個提前規(guī)避風(fēng)切變的機會，因此FAA決定，若預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)技術(shù)可行且能夠通過適航驗證，則121.358條款修訂時將允許安裝預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)。)

綜上所述，1990年規(guī)章修訂時，預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)尚未成熟，故14 CFR Part 121.358條并未要求渦輪動力飛機安裝預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)。14 CFR Part 121.358條最開始的要求是：按照121部實施運行的渦輪動力飛機必須安裝機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)。但通過征詢意見，考慮到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，且預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)能夠提供飛行機組避開風(fēng)切變的選擇，F(xiàn)AA最終對機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)的設(shè)備要求進(jìn)行了修訂，允許飛機安裝經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)，即預(yù)測型風(fēng)切變系統(tǒng)(NPRM原文為：“The FAA is amending the airborne low-altitude wind shear equipment rule to provide for acceptance of alternative airplane equipment in the form of an approved airborne wind shear detection and avoidance system (predictive systems).”[6])。因此，CCAR-121-R4第358條可解讀為：“按照本規(guī)則實施運行的飛機，應(yīng)當(dāng)裝備有經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的這些系統(tǒng)的組合?！?/p>

3符合性驗證方法

新研制的飛機在適航審定取證過程中，若安裝有CCAR-121-R4第358條要求的機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)，則必須表明符合CCAR-25-R4第1301條“功能和安裝”和CCAR-25-R4第1309條“設(shè)備、系統(tǒng)及安裝”，即機載風(fēng)切變系統(tǒng)在安裝后功能正常，同時必須保證在各種可預(yù)期的運行條件下能完成預(yù)定功能[7]。

適航符合性驗證方法分10種，分別為：MC0(符合性聲明)、MC1(說明性文件)、MC2(分析/計算)、MC3(安全性評估)、MC4(試驗室試驗)、MC5(地面試驗)、MC6(飛行試驗)、MC7(航空器檢查)、MC8(模擬器試驗)和MC9(設(shè)備合格性)[8-9]。

風(fēng)切變飛行條件很難控制，機載風(fēng)切變系統(tǒng)的測試和飛行試驗屬于高危風(fēng)險科目，因此國際航空制造商幾乎都采取飛行模擬器試驗(MC8)開展適航驗證工作，有時也可結(jié)合MC1說明性文件、MC3安全性評估和MC6飛行試驗等方法開展適航驗證。本文僅介紹機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)飛行模擬器試驗的相關(guān)內(nèi)容。

為了驗證機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)滿足CCAR-25-R4第1301條和第1309條的要求，需按照AC25-12《批準(zhǔn)運輸類飛機機載風(fēng)切變警告系統(tǒng)的適航準(zhǔn)則》驗證風(fēng)切變系統(tǒng)對飛機和發(fā)動機的響應(yīng)是正確與合適的。同時，按照AC120-41《機載風(fēng)切變告警和飛行指引系統(tǒng)的使用批準(zhǔn)準(zhǔn)則》[10]驗證飛行機組的操縱能否有效降低風(fēng)切變的危險程度，驗證機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)能否滿足CCAR-121-R4第358條的要求。其中，AC120-41附件中列出了10種可供使用的解析風(fēng)場，TSO-C117a《運輸類飛機機載風(fēng)切變警告和避讓指引系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]附件中列出了6種可供使用的離散風(fēng)場。

MC8模擬器試驗點的選取非常重要，需要綜合考慮上述規(guī)章、咨詢通告和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，以驗證機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)的警告功能、飛行導(dǎo)引功能是否正確合適；同時由不同的飛行機組在模擬風(fēng)切變環(huán)境下進(jìn)行起飛和著陸操作，得到對機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)的主觀和客觀評估意見；最后進(jìn)行綜合量化分析，判斷機載反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)是否滿足相關(guān)規(guī)章要求。

4結(jié)論

本文通過對機載低空風(fēng)切變系統(tǒng)的適航要求地分析研究，明確CCAR-121-R4第358條的要求為“按照本規(guī)則實施運行的飛機，應(yīng)當(dāng)裝備有經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變警告與飛行指引系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的機載風(fēng)切變探測和避讓系統(tǒng)，或者經(jīng)批準(zhǔn)的這些系統(tǒng)的組合。”同時，給出了機載低空反應(yīng)型風(fēng)切變系統(tǒng)MC8適航符合性驗證可參照的適航規(guī)章，對國內(nèi)民用飛機風(fēng)切變系統(tǒng)適航取證工作具有積極意義。

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韓麗(1988-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機航空器評審技術(shù)。

劉明(1987-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機總體設(shè)計。

王佳杰(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：民用飛機航空器評審技術(shù)。

(編輯：馬文靜)

Analysis of Low-altitude Wind Shear System Airworthiness Requirements and Means of Compliance

Han Li, Liu Ming, Wang Jiajie

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd., Shanghai 201210, China)

Abstract:Low-altitude wind shear is a special atmospheric phenomena, which has bad effects on civil aircraft flight. So one of counter-measures to the effects of low-altitude wind shear is to escape such phenomena. Airborne wind shear system is an effective system which could provide wind shear warning and escape guidance commands based upon sensing the aircraft’s encounter of such phenomena. The concept and damage of low-altitude wind shear are recommended, and the type of civil aircraft airborne wind shear system is introduced. In order to meet the CCAR25 and CCAR121 well, the requirements of airworthiness terms of airborne wind shear system are researched deeply, the means of compliance are proposed. It can be a reference for domestic civil aircraft to meet requirements of CCAR well.

Key words:civil aircraft; low-altitude wind shear system; airworthiness requirements; means of compliance

作者簡介：

中圖分類號：V37

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.017

文章編號:1674-8190(2016)01-120-04

通信作者：韓麗,hanli2@comac.cc

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-11-25