高高原起飛推力限制參數(shù)驗(yàn)證飛行航跡研究

蘇 翼 袁睿坤

(中國(guó)商飛試飛中心，上海 201323)

0 引言

起飛推力限制參數(shù)驗(yàn)證(簡(jiǎn)稱LRTO)科目要求在場(chǎng)高加一定高度(通常低于3 000 ft)保持平飛10 min，這一要求在平原機(jī)場(chǎng)不會(huì)成為一個(gè)問題。但是在高高原機(jī)場(chǎng)，則可能成為制約科目實(shí)施的大問題。高高原機(jī)場(chǎng)往往處于山區(qū)，周圍地形復(fù)雜，扇區(qū)最低安全高度(簡(jiǎn)稱MSA)較高，甚至大于LRTO要求的高度，此時(shí)按照正常流程，無法執(zhí)行起飛推力限制參數(shù)驗(yàn)證試飛。為了在高高原安全的執(zhí)行LRTO試飛，需要找到安全、合規(guī)的在MSA以下飛行的方法，即找到一條超障裕度良好的飛行航跡。

1 MSA

MSA是以機(jī)場(chǎng)無線電導(dǎo)航設(shè)施為中心，半徑為46 km(25 nm)的扇形區(qū)內(nèi)對(duì)所有障礙物提供一定超障余度的最低高度。每個(gè)扇區(qū)最低高度的計(jì)算：

1)取該扇區(qū)內(nèi)最高的標(biāo)高；

2)加上至少300 m(984 ft)超障余度；

3)所得數(shù)值以50 m(100 ft)向上取整。

4)在山區(qū)飛行時(shí)，最小超障余度最多可以增加300 m(984 ft)。

若要在MSA以下飛行，需要參考CCAR91部中的相關(guān)規(guī)定，CCAR91部117條、119條、153條、155條、157條、159條中對(duì)低高度的飛行和目視飛行規(guī)則提出了要求，對(duì)于發(fā)有特許飛行證的民用航空器可以按照飛行手冊(cè)的要求和相關(guān)試驗(yàn)要求進(jìn)行飛行，但是對(duì)于這類特殊的飛行，其飛行方法需要得到相關(guān)管制的許可。

2 程序設(shè)計(jì)的基本原則

對(duì)于一般飛行程序的設(shè)計(jì)，一般參考國(guó)際民用航空組織(簡(jiǎn)稱ICAO)附件《航空器運(yùn)行》的各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則。該程序中部分基本要求也適用于本文論述的試飛航跡的設(shè)計(jì)：

1) 保持設(shè)計(jì)的所有程序盡量簡(jiǎn)單；

2) 盡可能地設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)Ш?regional area navigation,簡(jiǎn)稱RNAV)程序而不是傳統(tǒng)程序；

3) 避免使用重復(fù)航段，如一個(gè)既是標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)路線(standard terminal arrival route,簡(jiǎn)稱STAR)一部分又是進(jìn)近一部分的航段；

4) 轉(zhuǎn)彎小于30 °時(shí)，避免使用與甚高頻全向信標(biāo)(very high frequency omnidirectional radio range,簡(jiǎn)稱VOR)徑向線相交叉的航向航段。

2.1 程序設(shè)計(jì)的基本原則

對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)的程序，其實(shí)就是按照一個(gè)既定的航跡飛行，但是由于導(dǎo)航精度和飛行誤差的原因，每個(gè)航跡都需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)區(qū)，航跡的保護(hù)區(qū)可由主區(qū)和副區(qū)構(gòu)成，主區(qū)和副區(qū)的區(qū)別主要為提供不同程度的超障余度，如圖1所示。

圖1 保護(hù)區(qū)主區(qū)和副區(qū)

有時(shí)候，設(shè)計(jì)的程序沒有副區(qū)，那樣保護(hù)區(qū)就需要提供全超障余度。如果設(shè)計(jì)了副區(qū)，則不需要在所有保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)提供全超障余度，副區(qū)的超障余度可以線性減小到零，這也就意味著可以降低整個(gè)保護(hù)區(qū)的超障余度，獲得更高的實(shí)用性，故如果在地形較為復(fù)雜的地區(qū)，或者繁忙地區(qū)，為了減少保護(hù)區(qū)的大小、細(xì)化超障要求，一般設(shè)計(jì)的航跡都有副區(qū)，如圖2所示。

圖2 副區(qū)超障余度

副區(qū)的最低超障余度是通過從副區(qū)的兩個(gè)邊界線性插值得到的，其公式為：

MOCSY=MOCP×(1-Y/WS)

(1)

其中,MOCP為主區(qū)的超障余度；MOCSY為副區(qū)某個(gè)點(diǎn)的超障余度；WS為副區(qū)的寬度；Y為障礙物和主區(qū)邊界的距離。

相比于直線飛行，飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，其保護(hù)區(qū)與飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑、飛機(jī)高度、指示空速、風(fēng)、坡度角、飛行技術(shù)容差、滾轉(zhuǎn)率(到達(dá)目標(biāo)坡度的時(shí)間)、飛行員的反應(yīng)時(shí)間等因素都息息相關(guān)。

轉(zhuǎn)彎區(qū)的保護(hù)區(qū)分為內(nèi)外邊界。內(nèi)邊界設(shè)計(jì)可分為在指定高度轉(zhuǎn)彎或在指定轉(zhuǎn)彎點(diǎn)轉(zhuǎn)彎。外邊界設(shè)計(jì)一般可采用風(fēng)螺旋線法或者畫邊界圓弧法。轉(zhuǎn)彎內(nèi)邊界參考示意圖如圖3所示，轉(zhuǎn)彎外邊界參考示意圖如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎內(nèi)邊界

2.2 航跡精度

航跡精度衡量實(shí)際飛行航跡相對(duì)于理論設(shè)計(jì)航跡的偏差。該偏差主要由導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差、飛行技術(shù)誤差構(gòu)成。保護(hù)區(qū)本質(zhì)上是為了保證在一定航跡誤差水平下的超障安全。如果飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)沒有定位誤差，飛行管理計(jì)算機(jī)探測(cè)計(jì)算的環(huán)境風(fēng)和高度也沒有誤差，飛機(jī)執(zhí)行飛行引導(dǎo)也不存在任何誤差，那么飛機(jī)飛行航跡可以與理論設(shè)計(jì)航跡完全重合，保護(hù)區(qū)僅需要大于飛機(jī)翼展即可保證安全。傳統(tǒng)無線電導(dǎo)航與新型的RNAV、所需導(dǎo)航性能(required navigation performance,簡(jiǎn)稱RNP)等相比誤差較大，使用精度更高的導(dǎo)航方式可以減小保護(hù)區(qū)大小，提高LRTO航跡設(shè)計(jì)的靈活性與可執(zhí)行性。

有的飛機(jī)具有固定半徑轉(zhuǎn)彎(Radius to Fix,簡(jiǎn)稱RF)能力，具有該能力的飛機(jī)可以精確地追蹤給定航跡。對(duì)于這種飛機(jī)，保護(hù)區(qū)可以進(jìn)一步縮小，航跡設(shè)計(jì)的靈活性與可執(zhí)行性可大大提升。

3 低于扇區(qū)最低安全高度飛行航跡設(shè)計(jì)方法

對(duì)于LRTO及其他要求低于扇區(qū)最低安全高度飛行的科目，為了確保科目可行性，同時(shí)保證飛行安全，需要在飛行區(qū)域內(nèi)找到一條相對(duì)干凈的航跡，使得在該航跡和航跡容差的保護(hù)區(qū)有足夠的超障余度。

為了找到這樣一條干凈的航跡，需要進(jìn)行一系列科學(xué)的飛行航跡設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和飛行逼近。

首先，必須詳細(xì)了解試飛區(qū)域的地形、地貌和詳細(xì)的標(biāo)高數(shù)據(jù)，包括等高線等參數(shù)。

隨后，根據(jù)獲得的高精度地形數(shù)據(jù)，尋找地形較為平坦的航跡，繪制該航跡，并充分考慮航跡兩側(cè)保護(hù)區(qū)寬度。航跡的繪制需要以經(jīng)緯度坐標(biāo)為定位點(diǎn)或者VOR徑向線、距離測(cè)量設(shè)備(distance measuring equipment,簡(jiǎn)稱DME)距離為定位點(diǎn)。此外，為了確保航跡的可實(shí)施性，在航跡設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮管制區(qū)，盡量避免一個(gè)飛行航跡需要跨多個(gè)管制區(qū)，管制區(qū)的交接將大大增加實(shí)際試飛中的協(xié)調(diào)難度，在管制權(quán)交接時(shí)還容易發(fā)生信息失真，造成安全隱患。另外一個(gè)涉及空地協(xié)同的注意事項(xiàng)，是航跡設(shè)計(jì)的定位點(diǎn)推薦按照RNP程序的命名方式命名，避免使用VOR徑向線和DME距離命名的傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，以免飛行時(shí)空地溝通位置不暢。

除了上述的常規(guī)設(shè)計(jì)方法外，也可充分借鑒航空公司起飛后一發(fā)失效程序的航跡，一般來說，起飛一發(fā)失效程序的航跡周圍的超障余度比較良好，但是有時(shí)候航空公司為了保證起飛一發(fā)失效程序與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)近、離場(chǎng)程序的一致性，并未選擇超障余度最佳的航跡。另外，一發(fā)失效程序飛行速度與LRTO科目飛行速度差異很大，應(yīng)特別注意校核轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)。

航跡繪制成功后需要根據(jù)飛機(jī)性能進(jìn)行詳細(xì)性能校核，確保飛機(jī)在爬升、平飛、下降、轉(zhuǎn)彎等工況下可以良好地保持在航跡和航跡保護(hù)區(qū)內(nèi)，該性能檢查不僅要考慮正常情況，還應(yīng)考慮各種非正常情況，如發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)單發(fā)，也要確保能按照該航跡爬升至安全高度。在性能校核后應(yīng)根據(jù)性能校核的結(jié)果對(duì)航跡初稿進(jìn)行二次迭代。

若條件允許，可利用帶地形數(shù)據(jù)庫(kù)的全動(dòng)模擬機(jī)對(duì)經(jīng)過二次迭代后的飛行航跡進(jìn)行二次校核，該校核需要考慮使用自動(dòng)駕駛儀和人工飛行兩種情況，此輪校核主要為了檢查航跡的保持能力、可重復(fù)性和考慮飛行技術(shù)誤差后是否會(huì)超過航跡的保護(hù)區(qū)范圍，并疊加相關(guān)氣象條件(側(cè)風(fēng)、順風(fēng)、紊流等)模擬更真實(shí)的環(huán)境。

最后，在真實(shí)飛行時(shí)，同樣需要循序漸進(jìn)，從扇區(qū)最低安全高度開始逐漸的下降高度，在首次下降到扇區(qū)最低安全高度時(shí)，需要確保全程保持目視可見周圍的地形，至少一名機(jī)組成員全程關(guān)注外界地形環(huán)境，保證充分的安全裕度。

4 試飛風(fēng)險(xiǎn)和降低措施

常規(guī)的LRTO試飛需要試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于最大推力，另一發(fā)則處在較小推力以確保不至于超速，這就導(dǎo)致飛機(jī)的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)存在超溫、轉(zhuǎn)速超限、喘振等不良工作特性的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)若試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失效，導(dǎo)致的不平衡力矩可能導(dǎo)致飛機(jī)偏出跑道。

除了這些LRTO的常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)外，在高高原機(jī)場(chǎng)進(jìn)行試飛，耦合了高高原機(jī)場(chǎng)凈空條件差、飛機(jī)性能衰減、天氣多變等因素，將明顯加大試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，增加風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。

為了降低高高原LRTO試飛的風(fēng)險(xiǎn)，通常有如下措施：

1) 設(shè)計(jì)合理、凈空條件良好的飛行航跡；

2) 充分的模擬機(jī)訓(xùn)練，在試飛時(shí)逐步逼近；

3) 試飛前完成性能數(shù)據(jù)計(jì)算，包括起飛限重、單發(fā)爬升性能等；

4) 機(jī)組熟悉單發(fā)失效的相關(guān)程序；

5) 試飛期間密切監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)；

6) 充分的空地協(xié)同，密切關(guān)注天氣變化；

7) 消防、救援車輛現(xiàn)場(chǎng)待命。

5 實(shí)施案例

稻城亞丁機(jī)場(chǎng)標(biāo)高4 411 m/14 471 ft，位于西南橫斷山脈群山之中，地形崎嶇，是世界上海拔最高的機(jī)場(chǎng)。機(jī)場(chǎng)扇區(qū)最低安全高度為19 000 ft，約為場(chǎng)高加4 500 ft。需要按照低于扇區(qū)最低安全高度飛行的實(shí)施辦法設(shè)計(jì)一條飛行航跡，設(shè)計(jì)后的飛行航跡如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎外邊界

該航跡為起飛以后按照跑道徑向線繼續(xù)飛行到DME距離8 n mile，后轉(zhuǎn)彎至205 °徑向線歸臺(tái)。歸臺(tái)后按照164 °徑向線飛至DME11 n mile，接130 °徑向線飛至DME14 n mile，隨后飛至DME30 n mile后向臺(tái)飛行進(jìn)近著陸。航跡中每個(gè)定位點(diǎn)按照先后順序標(biāo)注了編號(hào)、DME距離和徑向線，以確保飛行員和地面管制、監(jiān)控人員對(duì)飛機(jī)位置的溝通清晰、準(zhǔn)確。

程序設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了性能校核、模擬機(jī)驗(yàn)證等步驟，實(shí)際用于某機(jī)型在稻城機(jī)場(chǎng)的試飛。某型飛機(jī)在實(shí)際試飛前進(jìn)行了逐步逼近，從場(chǎng)高19 000 ft開始熟悉地形地貌，建立機(jī)組信心，隨后逐步下降，整個(gè)飛行過程中要求氣象為場(chǎng)高加3 000 ft以下疏云，無降水、結(jié)冰、中度以上顛簸等不利天氣。經(jīng)實(shí)際飛行驗(yàn)證，該航跡滿足了飛機(jī)按場(chǎng)高加3 000 ft飛行時(shí)至少超障600 m，符合山區(qū)飛行的超障要求。

6 結(jié)論

新型號(hào)飛機(jī)若需要進(jìn)行高高原LRTO試飛，則可按照本文的航跡設(shè)計(jì)方法繪制一條低于高高原MSA、但仍具有足夠超障余度的飛行航跡，以便安全、高效地完成LRTO試飛科目。