低空風(fēng)切變下UPRT特點(diǎn)研究

孫 宏，王 靜，王 東，王 迪

（1.中國民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，廣漢 618307；2.湖南航空股份有限公司飛行部，長沙 650000）

0 引言

風(fēng)切變表現(xiàn)為風(fēng)速在水平和垂直方向突然變化的大氣現(xiàn)象。遭遇風(fēng)切變時(shí)飛機(jī)的空速、升降速率等參數(shù)會發(fā)生突然性的變化，對飛機(jī)操縱和姿態(tài)控制帶來極大困難，甚至可能導(dǎo)致事故。尤其是低空風(fēng)切變是航空界公認(rèn)的起飛、著陸階段重要的一個(gè)危險(xiǎn)因素，近年來由于低空風(fēng)切變導(dǎo)致的航班不安全事件頻繁發(fā)生，對飛行安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，從表1中統(tǒng)計(jì)的近年發(fā)生的風(fēng)切變典型事例可以發(fā)現(xiàn)：在實(shí)際飛行中，機(jī)組處置不當(dāng)是導(dǎo)致風(fēng)切變不安全事件頻繁發(fā)生的主要原因，尤其是機(jī)組對預(yù)測式風(fēng)切變告警信息缺乏足夠的重視和處置決策不及時(shí)而致使飛機(jī)進(jìn)入風(fēng)切變區(qū)域，同時(shí)，也說明加強(qiáng)機(jī)組風(fēng)切變處置訓(xùn)練的重要性。風(fēng)切變處置訓(xùn)練是一種典型的復(fù)雜狀態(tài)預(yù)防與改出訓(xùn)練（upset prevention and recovery training，UPRT），按照FAA和ICAO對UPRT的要求，加強(qiáng)機(jī)組對風(fēng)切變處置的識別與訓(xùn)練對于保障飛行安全具有很重要的意義。本文將主要針對風(fēng)切變對飛行的影響，分析風(fēng)切變改出程序及訓(xùn)練方法的特點(diǎn)。

表1 近5年發(fā)生的典型風(fēng)切變事例匯總

1 風(fēng)切變及對飛行的影響

低空風(fēng)切變是指出現(xiàn)在600 m以下的風(fēng)矢量（風(fēng)向、風(fēng)速）水平和（或）垂直方向上的急劇變化現(xiàn)象，通常在強(qiáng)對流天氣、鋒面系統(tǒng)、輻射逆溫、地形地物等天氣背景和地理?xiàng)l件下產(chǎn)生。航空氣象學(xué)中，根據(jù)飛機(jī)運(yùn)動相對于風(fēng)矢量之間的各種不同情況，把風(fēng)切變分為順風(fēng)切變、逆風(fēng)切變、側(cè)風(fēng)切變、垂直風(fēng)切變四種類型，不同類型風(fēng)切變對飛行影響的嚴(yán)重程度不同，以下主要對飛機(jī)在起飛爬升或進(jìn)近著陸過程中遭遇風(fēng)切變的情況進(jìn)行分析。

首先是順風(fēng)切變。遭遇順風(fēng)切變的典型特征是空速突然降低、飛機(jī)因升力減小而掉高度，起飛滑跑時(shí)則表現(xiàn)為增速緩慢無法離地。若高度較高，飛機(jī)經(jīng)過切變線后雖然會顯著損失高度但機(jī)組仍有機(jī)會采取處置程序改出；若高度較低，則機(jī)組將可能來不及采取處置而發(fā)生墜毀或者在跑道外提前觸地。其次是逆風(fēng)切變。會導(dǎo)致飛機(jī)因空速突然增加升力增大而脫離正常的爬升或下滑路徑，特別是飛機(jī)在著陸階段通過逆風(fēng)切變區(qū)域時(shí)飛行員將面對如何消耗飛機(jī)過高的高度或者大速度的問題。第三是側(cè)向風(fēng)切變。會導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑、帶坡度繼而偏離原來預(yù)定航跡，在著陸階段很容易致使飛機(jī)帶坡度和偏流著地甚至沖出跑道。最后是所有風(fēng)切變中最危險(xiǎn)的垂直風(fēng)切。特別是猝發(fā)性、強(qiáng)度大的微下沖氣流，飛機(jī)會驟然非正常的下沉偏離原有航跡甚至直接被拍在地上。

2 風(fēng)切變條件下UPRT處置程序

2.1 反應(yīng)式風(fēng)切變處置原則與程序

由飛機(jī)飛行增穩(wěn)計(jì)算機(jī)（flight augmentation computer，F(xiàn)AC）通過其他系統(tǒng)信號來源判斷出而檢測出來的真實(shí)存在的風(fēng)切變稱為反應(yīng)式風(fēng)切變（reactive wind-shear，簡稱RWS）。遭遇反應(yīng)式風(fēng)切變表明飛機(jī)已進(jìn)入風(fēng)切變區(qū)域。機(jī)組可通過以下三種方法識別反應(yīng)式風(fēng)切變：①滑跑前，機(jī)組通過外部信息（雷雨天氣，大風(fēng)，前機(jī)報(bào)告，管制通報(bào)等）來預(yù)先識別，提高警惕。②在FAC不提供風(fēng)切變探測功能的起飛滑跑和低空階段，機(jī)組通過觀察風(fēng)向風(fēng)速（順風(fēng)增加），空速（增速緩慢，停滯，甚至減?。?，升降率的顯著變化特征來識別。③在FAC提供風(fēng)切變探測功能飛行階段，機(jī)組須通過機(jī)載航電系統(tǒng)發(fā)布進(jìn)入風(fēng)切變的預(yù)警信息來識別。因此，飛行員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注機(jī)載航電系統(tǒng)告警，若一旦觸發(fā)RWS預(yù)警須立即大聲向機(jī)組成員喊話、啟動RWS處置程序。以下分別對起飛滑跑、起飛離地后、進(jìn)近著陸三個(gè)階段遭遇風(fēng)切變的技術(shù)處置原則和程序分析說明。

2.1.1 反應(yīng)式風(fēng)切變的處置原則

起飛滑跑階段，風(fēng)切變處置原則（圖1）。

圖1 起飛滑跑階段反應(yīng)式風(fēng)切變的處置原則

①前：中斷起飛，通?？梢栽谂艿纼?nèi)停住飛機(jī)。但在決斷前，機(jī)組須應(yīng)通過評估“是否具有足夠剩余跑道”判別執(zhí)行中斷起飛的安全性。若判斷剩余跑道不足以停下飛機(jī)時(shí)，則必須繼續(xù)起飛以避免飛機(jī)沖出跑道。②后：通常是V時(shí)抬輪，執(zhí)行繼續(xù)起飛。但當(dāng)遇到“剩余的跑道不足于加速到正常起飛速度，也不足于實(shí)施中斷起飛”的特殊的情況下，飛行員可能需要低于V抬輪以最大程度保證飛機(jī)的安全。

起飛離地后和進(jìn)近著陸階段遭遇RWS的處置原則為：①果斷設(shè)定TOGA（Take Off/Go Around）推力，以確保飛機(jī)性能。②保持當(dāng)前構(gòu)型直至風(fēng)切變改出。③按需調(diào)整俯仰姿態(tài)。

2.1.2 反應(yīng)式風(fēng)切變的處置程序

各機(jī)型的風(fēng)切變處置程序不盡相同，但都是以記憶項(xiàng)目形式給出的風(fēng)切變處置程序，因此要求機(jī)組準(zhǔn)確記憶理解風(fēng)切變處置程序內(nèi)容（圖2）。

圖2 A320機(jī)型反應(yīng)式風(fēng)切變記憶項(xiàng)目

以A320機(jī)型為例，反應(yīng)式風(fēng)切變的工作范圍：起飛離地后3秒到1300 ft RA（ratio alti?tude）；進(jìn)近階段為1300ft RA到50ft RA。告警方 式 為PFD（primary flight display）上 的 紅 色“WINDSHEAR”標(biāo) 志 和“WINDSHEAR，WINDSHEAR，WINDSHEAR”語音警告。

若在之前確認(rèn)飛機(jī)遭遇風(fēng)切變，機(jī)組應(yīng)立即實(shí)施中斷起飛；與此同時(shí)，機(jī)組應(yīng)充分意識到較之正常起飛過程，風(fēng)切變將可能導(dǎo)致飛機(jī)加速達(dá)到需要很長的時(shí)間和滑跑距離，因此機(jī)長應(yīng)謹(jǐn)慎評估是否有足夠的剩余跑道來停住飛機(jī)以供中斷。根據(jù)局方咨詢通告AC要求，當(dāng)剩余跑道不足時(shí)，機(jī)組必須在風(fēng)切變條件下繼續(xù)起飛：①設(shè)置推力TOGA，以獲得最大的加速。②距跑道末端600 m（2000 ft）之前抬輪。③較正常以起飛更大的姿態(tài)離地；若在之后確認(rèn)飛機(jī)遭遇風(fēng)切變，機(jī)組須在風(fēng)切變下執(zhí)行繼續(xù)起飛，設(shè)置TOGA推力，在時(shí)抬輪，并跟隨SRS（speed reference system）指引；若剩下的跑道不足于加速到正常起飛速度，飛行員可能最遲需要在距跑道末端600 m（2000 ft）且空速低于V的情形下冒著擦機(jī)尾風(fēng)險(xiǎn)抬輪以安全離地。起飛階段，SRS提供的指引確保了：①飛機(jī)在正常發(fā)動機(jī)形態(tài)下的可保持的目標(biāo)速度為（+10 kt），或在一臺發(fā)動機(jī)失效形態(tài)下可保持最大不超過+15 kt的速度。②沿當(dāng)前航跡繼續(xù)飛行。③減小飛機(jī)抬頭的姿態(tài)保護(hù)。④提供了最小上升率為120 ft/min的飛行航徑角保護(hù)。

在離地之后觸發(fā)RWS警告，機(jī)組應(yīng)立即使用TOGA推力并保持當(dāng)前構(gòu)型以最大限度減小風(fēng)切變造成的飛機(jī)高度和速度損失。若AP（Auto-Pilot）接通，應(yīng)跟隨SRS指引。復(fù)飛階段，SRS提供的俯仰引導(dǎo)確保了：①飛機(jī)管理目標(biāo)速度保持為復(fù)飛接通時(shí)刻的速度或；②飛機(jī)在正常發(fā)動機(jī)形態(tài)下以不超過+25 kt，或一臺發(fā)動機(jī)失效形態(tài)下以不超過+15 kt的速度沿當(dāng)前航跡繼續(xù)飛行。若AP斷開且FD不可用，則起始保持17.5°姿態(tài)，然后根據(jù)需要調(diào)整。因?yàn)楦淖儤?gòu)型在很大程度上會影響飛機(jī)當(dāng)前的性能或者導(dǎo)致飛機(jī)進(jìn)入超速狀態(tài)，因此在脫離風(fēng)切變前不得改變構(gòu)型（縫翼/襟翼、起落架）。如飛機(jī)繼續(xù)掉高度，機(jī)組可以通過按需向后帶桿到底的方式增加俯仰姿態(tài)、減小高度損失。嚴(yán)密監(jiān)控飛行軌跡和速度，脫離風(fēng)切變后柔和恢復(fù)至正常航跡。

2.2 預(yù)測式風(fēng)切變處置原則與程序

起飛著陸階段，機(jī)載前視氣象雷達(dá)對飛機(jī)前方一定范圍內(nèi)風(fēng)場發(fā)射相干脈沖，通過估計(jì)回波信號平均多普勒頻率的方法探測的潛在風(fēng)切變，稱之為預(yù)測式風(fēng)切變（predictive windshear，簡稱PWS）。而受地波影響，機(jī)載前視氣象雷達(dá)在起降階段進(jìn)行風(fēng)切變檢測時(shí)易引發(fā)風(fēng)切變虛假警告。因此，要求機(jī)組仔細(xì)評估風(fēng)險(xiǎn)，對預(yù)式風(fēng)切變警告PWS的真實(shí)性進(jìn)行判斷，并按照不同階段預(yù)測式風(fēng)切變處置原則對警告進(jìn)行程序處置。

2.2.1 預(yù)測式風(fēng)切變處置原則

在起飛前、起飛滑跑或著陸過程中，機(jī)組確認(rèn)PWS警告，應(yīng)立即執(zhí)行相應(yīng)合理的決策（推遲起飛，更換跑道，中斷起飛，終止進(jìn)近，復(fù)飛等）和啟動預(yù)測式風(fēng)切變程序以規(guī)避飛機(jī)進(jìn)入風(fēng)切變區(qū)域；

2.2.2 預(yù)測式風(fēng)切變處置程序

對于各個(gè)機(jī)型的PWS的處置程序亦不盡相同，仍以A320為例（見圖3）。

圖3 A320機(jī)型預(yù)測式風(fēng)切變記憶項(xiàng)目

A320的PWS警告只在地面低于100 kt的空速或50 ft RA至1200/1500 ft RA（根據(jù)構(gòu)型）之間觸發(fā)。因此在起飛、著陸階段，機(jī)組根據(jù)PFD（primary flight display）顯示的信息、ND（naviga?tion display）顯示風(fēng)切變圖標(biāo)、以及音頻警告確認(rèn)PWS警告觸發(fā)等級，仔細(xì)判斷是否有風(fēng)險(xiǎn)。且可通過同時(shí)滿足：①沒有其他可能發(fā)生風(fēng)切變的跡象。②反應(yīng)式風(fēng)切變在工作的條件；排除虛P(yáng)WS假警告

PWS告警處置程序與RWS告警處置程序的不同體現(xiàn)在：①在起飛前若觸發(fā)PWS警告，機(jī)組應(yīng)該延遲起飛或選擇最有利的跑道起飛。②在起飛滑跑過程中只要觸發(fā)PWS警告應(yīng)執(zhí)行中斷起飛。③進(jìn)近或著陸階段觸發(fā)PWS警告，應(yīng)執(zhí)行復(fù)飛，避免飛機(jī)因高度過低無法改出。④起飛升空后若觸發(fā)PWS警告，除了推力設(shè)置、SRS指令跟隨外，在飛機(jī)沒有進(jìn)入風(fēng)切變的前提下可通過改變縫翼/襟翼提高飛機(jī)性能對抗風(fēng)切變對飛機(jī)的影響。

3 風(fēng)切變下UPRT的訓(xùn)練

3.1 訓(xùn)練的要點(diǎn)

風(fēng)切變是一種致使飛機(jī)進(jìn)入復(fù)雜狀態(tài)的典型天氣現(xiàn)象，因此風(fēng)切變處置能力的訓(xùn)練科目是飛行員UPRT訓(xùn)練的重要內(nèi)容。根據(jù)飛行員培訓(xùn)大綱其培訓(xùn)分為理論知識和模擬機(jī)訓(xùn)練兩個(gè)方面。①理論基礎(chǔ)部分。飛行員需通過理論知識的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握風(fēng)切變的典型氣象特征和飛行參數(shù)（空速、高度、升降率）變化特點(diǎn)，結(jié)合飛行原理知識正確理解風(fēng)切變對飛機(jī)性能影響特點(diǎn)、飛機(jī)能量管理要求，熟練掌握風(fēng)切變下的典型特征與處置程序。②要加強(qiáng)模擬機(jī)訓(xùn)練。重點(diǎn)是機(jī)組工作負(fù)荷管理、駕駛艙資源管理（CRM）、知識儲備與理解、飛行航跡管理能力等四個(gè)方面，尤其是要防止因工作負(fù)荷管理不當(dāng)而觸發(fā)超限警告。根據(jù)對我院模擬中心15組（共計(jì)30名）ACPC（airline copilot preparatory course）飛行學(xué)員風(fēng)切變科目訓(xùn)練中處置失敗案例的研究與統(tǒng)計(jì)分析（表2）也證實(shí)了這一點(diǎn)。

通過風(fēng)切變處置失敗的原因分析（表2），明確了風(fēng)切變下的UPRT訓(xùn)練重點(diǎn)：①加強(qiáng)學(xué)員控制飛機(jī)姿態(tài)的操縱能力實(shí)現(xiàn)有效的飛行航跡管理，保證飛機(jī)不出現(xiàn)超限事件。②加強(qiáng)駕駛艙資源管理。機(jī)組在能夠感知和理解所有相關(guān)風(fēng)速、風(fēng)向、升降率、高度等的前提下，準(zhǔn)確預(yù)見將要發(fā)生的事情或影響運(yùn)行的事情并在風(fēng)切變情況下，能利用口頭，肢體語言和書面的方式進(jìn)行高效的溝通和交流，運(yùn)行正確適當(dāng)?shù)臎Q策流程，以避免出現(xiàn)決斷過遲或不恰當(dāng)?shù)臎Q斷。③加強(qiáng)工作負(fù)荷管理，起飛或著陸階段能有限管理時(shí)間，認(rèn)真仔細(xì)、平靜放松，按優(yōu)先級安排任務(wù)和監(jiān)控儀表搜尋準(zhǔn)確和充分空速、高度、升降率等信息，保證在高工作負(fù)荷的起飛或著陸階段及時(shí)識別風(fēng)切變。④加強(qiáng)學(xué)員對風(fēng)切變處置程序的記憶與理解。

表2 風(fēng)切變處置失敗原因分析統(tǒng)計(jì)

3.2 訓(xùn)練效果評估

結(jié)合中飛院的A320機(jī)型ACPC訓(xùn)練課程對風(fēng)切變改出訓(xùn)練效果進(jìn)行評估。根據(jù)320機(jī)型飛行員培訓(xùn)大綱要求14課訓(xùn)練中安排了起落航線階段的風(fēng)切變處置科目訓(xùn)練共計(jì)8～10次分為四個(gè)階段，每個(gè)階段設(shè)置2～3次風(fēng)切變場景。圖4的風(fēng)切變處置成功率統(tǒng)計(jì)曲線反映了學(xué)員風(fēng)切變處置能力成長的過程，通過訓(xùn)練學(xué)員對于風(fēng)氣變處置成功率從初期的13%提高到90%以上，且當(dāng)學(xué)員成功處置率達(dá)到87%時(shí)（在第二階段訓(xùn)練結(jié)束之后）表明學(xué)員基本掌握風(fēng)切變處置技能。

圖4 30名飛行學(xué)員風(fēng)切變成功處置率統(tǒng)計(jì)曲線

4 結(jié)語

本文在初步對風(fēng)切變的成因、風(fēng)切變下條件下典型的氣象與飛行參數(shù)特征、風(fēng)切變的處置程序操縱特征進(jìn)行了簡要的總結(jié)與分析的基礎(chǔ)上，對風(fēng)切變下UPRT的訓(xùn)練要點(diǎn)與評價(jià)做了深入的總結(jié)分析。通過分析我們發(fā)現(xiàn)：風(fēng)切變下的UPRT訓(xùn)練對于提高學(xué)員處置能力來講是非常必要，風(fēng)切變UPRT訓(xùn)練的重點(diǎn)是學(xué)員控制飛機(jī)姿態(tài)的操縱能力、駕駛艙資源管理尤其是及時(shí)正確的處置決策、工作負(fù)荷管理、風(fēng)切變處置程序的記憶與理解。關(guān)于如何對訓(xùn)練的質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià)、改進(jìn)訓(xùn)練方法提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率，尤其是如何在訓(xùn)練中基于EBT（evidencebased training，EBT）訓(xùn)練思想優(yōu)化訓(xùn)練程序、提升學(xué)員處置此類復(fù)雜狀態(tài)事件的核心勝任能力是今后有待研究的課題。