氣壓高度低溫修正

姜子建 吳簡

（1.中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，四川廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川廣漢 618307）

0 引言

近年來，隨著民用航空業(yè)的迅猛發(fā)展，航班數(shù)目大幅增加，航線的緯度跨度也越來越廣，隨之產(chǎn)生的安全問題就愈發(fā)突出。安全是民航的宗旨，保證安全飛行，降低事故發(fā)生概率是當(dāng)下民航發(fā)展的重中之重，也是我國民航發(fā)展道路上一直追尋的目標(biāo)。

我國幅員遼闊，最北端位于漠河以北，其緯度約為53°N；最南端位于南山群島的曾母暗沙上，其緯度位于4°N附近，南北跨度約50°。如此大跨度的領(lǐng)土，使得我國南北方氣候差異格外明顯：北方地區(qū)以溫帶季風(fēng)氣候為主，冬季寒冷干燥，日均氣溫在零下一度至零下四度左右；南方地區(qū)則多為亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季最冷月平均氣溫在0℃以上。

建有民用機場的內(nèi)蒙古包頭市，其機場海拔高度為1012.2m，我們假設(shè)一月份運行時的平均氣溫為-10°C，根據(jù)ISA計算公式（1）：

其中T為大氣實際溫度，H為飛行高度，得到ISA偏差為-18.36°C。如果以有記錄的日最低溫度計算，當(dāng)日標(biāo)準(zhǔn)偏差可達-39.36°C。如此大的氣溫偏差會對飛行中使用的氣壓式高度表造成極大影響，從而產(chǎn)生很大的誤差。因此在北方地區(qū)民用機場的冬季運行當(dāng)中，高度修正是極其重要且必要的。

1 背景知識介紹

1.1 高度的定義及分類

氣壓高度是通過感受飛機所處位置的靜壓與設(shè)定的基準(zhǔn)面氣壓之間的壓差，來間接表示距基準(zhǔn)面的高度。由此設(shè)計出的氣壓式高度結(jié)構(gòu)如圖1所示。

它的工作原理是將靜壓源連入高度表殼體內(nèi)，再利用一個真空膜盒感受靜壓。當(dāng)真空膜盒產(chǎn)生的彈性力與大氣靜壓作用在真空膜盒上的總壓力平衡時，真空膜盒形變的程度一定。在真空膜盒上設(shè)有傳動機構(gòu)，將膜盒上產(chǎn)生的形變傳遞到高度表指針上，就顯示出了高度。

氣壓差值與高度之間的轉(zhuǎn)化函數(shù)中含有溫度參數(shù)。飛機上的氣壓式高度表則將此變化參數(shù)設(shè)置為一個定值，得到如公式（2）：

1.2 氣壓式高度低溫修正的原因

當(dāng)航空器處于非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下時，溫度參數(shù)不再恒定，高度指示也就產(chǎn)生了誤差。若運行區(qū)域的氣溫低于IAS標(biāo)準(zhǔn)時，空氣分子的間距小，垂直方向上密度變化劇烈，氣壓遞減率增大，氣壓變化加快，相應(yīng)高度表顯示將高于實際飛行高度。即飛行員在空中是按照高度表指示和程序標(biāo)準(zhǔn)來操縱航空器，則在低溫條件下，當(dāng)高度表示數(shù)為程序標(biāo)準(zhǔn)值時，飛機的實際飛行高度已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)。這就是我們常說的“低溫低飛、高溫高飛”。

雖然無論高溫還是低溫都會產(chǎn)生誤差，但是低溫誤差對飛行安全影響更大。盡管產(chǎn)生誤差時，航空器之間的垂直間隔不會發(fā)生大的變化。但是低溫條件下，飛機距地面障礙物的間隔會隨著溫度誤差的加大急劇縮減。對于中低空飛行的航空器，在超障越障程序上會產(chǎn)生很大的影響。如果不對高度進行修正，極易產(chǎn)生危險接近、超前著陸甚至撞山等事故。所以對于北方地區(qū)機場的冬季運行，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的低溫程序是必要的。

2 ICAO和Boeing溫度修正模型

國際民航組織對于航空器的低溫運行有一定的說明，并建立了一個低溫修正模型。當(dāng)?shù)厍虮砻姝h(huán)境溫度遠低于標(biāo)準(zhǔn)大氣預(yù)告值時，必須調(diào)整所計算的最低安全高度/高[1]。為計算低溫修正(Δh) 以確定FAS角和實效VPA，使用如公式（3）：

式中：

ΔTSTD=相對于標(biāo)準(zhǔn)日（ISA）溫度的溫度偏差；

L0=在ISA第一層（海平面至對流層頂）中氣壓高度溫度標(biāo)準(zhǔn)遞減率(-0.0065/m)；

hFAP=FAP處高于入口的程序高；

T0=在海平面的標(biāo)準(zhǔn)溫度(288.15K)；

hTHR=高于平均海平面的入口標(biāo)高。

同樣Boeing公司也設(shè)置了相應(yīng)的高度修正表[2]，如表1所示。

3 數(shù)據(jù)分析和設(shè)想

將幾個典型值代入上文ICAO給出的公式(3)中，求出與ICAO和Boeing在相同條件下的修正值，并建模如圖2、3所示。

其中X、Y坐標(biāo)軸分別表示不同的溫度和高于高度表氣壓基準(zhǔn)源的高，Z坐標(biāo)軸表示氣壓高度的修正值。結(jié)合以上兩張擬合圖，我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，修正量是逐步增大的；同時，隨著高度增大，修正量也在增加。但是，這種對應(yīng)關(guān)系并不是線性相關(guān)的。其次，當(dāng)機場標(biāo)高不同時，修正量也會出現(xiàn)差異，圖2中便是在三個不同的機場標(biāo)高情況下，擬合出的三層修正值的曲面。

出于對航空安全的考慮，無論是國際民航組織還是波音公司，在修正參考值上，都設(shè)有較大的安全余量。從上表波音公司的實例來看，給出參考值并沒有考慮到機場標(biāo)高的差異，而是使用統(tǒng)一的修正量。較大的修正值會提供更大的安全裕度，但是在最后進近階段和復(fù)飛階段等對于高度需求更加精確的環(huán)節(jié)，過大的修正值會造成飛機下滑角增大，飛行員著陸難度升高，乘客舒適度變差，甚至可能造成不必要的復(fù)飛?？梢姡晃兜淖非蟪显６确炊鴷斐娠w行員操縱困難，航行安全系數(shù)下降。所以，在保證安全的前提下，采取更加激進的修正，能夠更好的擬合標(biāo)準(zhǔn)狀況下的航行環(huán)境。這就要求每一個設(shè)有低溫運行程序的機場，根據(jù)機場標(biāo)高、基準(zhǔn)溫度、冬季日平均氣溫等自身信息建立更加符合本機場的低溫修正模型，低溫修正量的差異化也是日后的重要研究出方向。

4 結(jié)語

綜上，在之后的研究中會加入在低溫實驗室中進行的減壓模擬實驗和模擬仿真程序，對進近過程中各階段進行細化分析，尋求在安全范圍內(nèi)，更加激進的低溫修正值。并充分考慮國內(nèi)各機場不同的地理環(huán)境和機場基礎(chǔ)信息，設(shè)計方便駕駛員在實際運行中操作的低溫程序。

本文是在中國民用航空飛行學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目經(jīng)費的資助下撰寫的，感謝學(xué)校提供這樣一個寶貴的研究機會。