呂碧江， 殷湘濤， 孫俊穎， 陳 曦

(1.中國商用飛機有限責(zé)任公司民機試飛中心,上海 200232;2.中國商用飛機有限責(zé)任公司上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心,上海 200241)

基于精準氣象預(yù)測的地面大側(cè)風(fēng)試驗組織與數(shù)據(jù)處理*

呂碧江1， 殷湘濤1， 孫俊穎1， 陳 曦2

(1.中國商用飛機有限責(zé)任公司民機試飛中心,上海 200232;2.中國商用飛機有限責(zé)任公司上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心,上海 200241)

地面大側(cè)風(fēng)是民機試驗試飛的MOC5科目,目標是檢驗飛機發(fā)動機和輔助動力裝置(APU)在側(cè)風(fēng)情況下的啟動和工作能力,對于飛機的動力系統(tǒng)是一個重要考驗。而大側(cè)風(fēng)是一個很難捕捉和把握的氣象自然狀態(tài),此項試驗非常難以組織。適航條款的要求也難以用數(shù)據(jù)證據(jù)表明。本研究進行了試驗組織架構(gòu)的合理搭建與試驗內(nèi)容的高效安排,通過不斷的飛機調(diào)整與大側(cè)風(fēng)試驗演練,并基于高時空分辨率的數(shù)值模式,獲得了精準的氣象預(yù)測,成功取得有效數(shù)據(jù)。為了快速進行試驗點決策,創(chuàng)新性地使用了滑動平均法完成了實時數(shù)據(jù)的抓取、判斷與分析,最終達到條款要求,完成地面試驗。該大側(cè)風(fēng)試驗的成功組織與實施為后續(xù)試飛活動以及未來其他型號的大側(cè)風(fēng)試驗奠定了良好的基礎(chǔ)與技術(shù)儲備。

大側(cè)風(fēng)試驗; 適航條款; 氣象預(yù)測; 數(shù)據(jù)獲取

殷湘濤(1986-)，男，工程師。

孫俊穎(1987-)，女，工程師。

陳 曦(1988-)，男，博士。

強烈側(cè)風(fēng)會嚴重危害飛機起飛和降落的安全性,飛機起飛和降落的最大正側(cè)風(fēng)必須通過地面試驗和試飛來共同驗證。某型飛機當(dāng)前批準的起飛和著陸側(cè)風(fēng)限制為22kn,不能完全滿足25.233(a)和25.237(a)的要求,目前采用在飛機飛行手冊限制章節(jié)增加側(cè)風(fēng)限制的方式來對條款等效安全[1]。根據(jù)設(shè)計要求和前期試飛結(jié)果,某型飛機在當(dāng)前批準的抗側(cè)風(fēng)能力上,仍然有一定余量,需進行側(cè)風(fēng)包線擴展試驗,包括地面試驗和飛行試驗兩部分。地面試驗作為飛行試驗的前置試驗,需要在飛行試驗前完成,獲得地面?zhèn)蕊L(fēng)運行包線。根據(jù)對TC證前試飛結(jié)果的分析,本次大側(cè)風(fēng)包線擴展試驗的目標值為起飛30kn,著陸27kn。為了滿足30kn側(cè)風(fēng)起飛的要求,考慮到安全裕度,地面試驗需驗證至32kn側(cè)風(fēng)。大側(cè)風(fēng)地面試驗內(nèi)容包括發(fā)動機和APU兩個系統(tǒng)。證前試驗中,發(fā)動機系統(tǒng)已驗證至27kn(滑跑起飛程序),APU系統(tǒng)已驗證至25kn,經(jīng)綜合考慮,此次地面試驗的要求風(fēng)速為大于27kn,目標值32kn。

大側(cè)風(fēng)飛行試驗需要垂直于跑道方向的側(cè)風(fēng)分量滿足設(shè)計指標要求。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)大風(fēng)機場跑道大都按照平行于風(fēng)向設(shè)計,風(fēng)速很大的時候垂直于跑道方向的側(cè)風(fēng)分量有限,無法滿足某型飛機TC證后抗側(cè)風(fēng)能力驗證設(shè)計更改飛行試驗的要求。而大側(cè)風(fēng)地面試驗中,可以通過調(diào)整飛機方向的方法獲得較大的側(cè)風(fēng)分量[2],氣象條件相對容易滿足,可考慮在國內(nèi)實施?；谝陨显?首先在國內(nèi)機場完成某型飛機TC證后抗側(cè)風(fēng)能力驗證設(shè)計更改地面試驗,在此基礎(chǔ)上考慮轉(zhuǎn)場國外完成TC證后抗側(cè)風(fēng)能力驗證設(shè)計更改飛行試驗。

此項大型地面試驗,主要分為三大階段,分別是試驗準備階段、試驗演練階段和試驗實施階段。每個階段都有其重要意義。試驗準備階段主要在組織機構(gòu)、方法研究、場地選取、氣象預(yù)測、飛機調(diào)整等方面進行準備,為進入實驗演練階段做準備;試驗演練階段是對試驗準備成果的初步檢查,通過本場和實地演練,暴露出準備方面的不足以及在試驗指揮、飛機移動、硬件保障、實時決策等具體方面的問題及時進行改進,為真正進行大側(cè)風(fēng)地面試驗做準備;試驗實施階段是在有大側(cè)風(fēng)氣象條件的時間,在合適的機場進行地面試驗,獲得有效數(shù)據(jù),進行條款的驗證。

1 大側(cè)風(fēng)試驗組織架構(gòu)和試驗內(nèi)容

1.1 組織架構(gòu)

本次試驗的組織機構(gòu)設(shè)置如圖1。

圖1 地面大側(cè)風(fēng)試驗組織機構(gòu)圖

每個組織的功能分配如下:

指揮組是對整個試驗各項工作做出決策、發(fā)出指令的主要機構(gòu),對各小組的工作進行分配和檢查;

工程組負責(zé)研究適航條款對試驗的要求,設(shè)置合理的試驗點,明確試驗的技術(shù)要求,并在試驗過程中給出工程支持,在試驗后對數(shù)據(jù)進行解讀和分析,提供工程報告;

試驗組負責(zé)設(shè)計并組織實施試驗,找出合理可實施的試驗方法,并在試驗過程中向指揮組給出決策建議,實時解讀數(shù)據(jù),給出快速試驗報告;

氣象組負責(zé)在前期進行氣象預(yù)測,找出試驗機場和窗口期。在試驗過程中實時提供氣象信息,供工程組和試驗組判斷試驗狀態(tài);

機務(wù)組負責(zé)飛機的操作,包括駕駛艙對發(fā)動機和APU的操作,以及飛機方位的快速調(diào)整,試驗場地的警戒;

測試組負責(zé)試驗數(shù)據(jù)的記錄,并對測試數(shù)據(jù)進行解析,供試驗組和工程組作為事后處理數(shù)據(jù),編制相應(yīng)試驗報告;

綜合保障組主要負責(zé)機場協(xié)調(diào)、應(yīng)急安全和后勤保障方面等事項。

1.2 試驗內(nèi)容

某型飛機TC證后抗側(cè)風(fēng)能力驗證設(shè)計更改地面試驗內(nèi)容包括動力裝置和APU兩個系統(tǒng)共4個科目,其中動力裝置系統(tǒng)包括進氣畸變MOC5試驗、排氣與引氣污染MOC5試驗,APU系統(tǒng)包括進氣系統(tǒng)MOC5試驗、排氣與引氣污染MOC5試驗。試驗點內(nèi)容詳見表1。

表1 側(cè)風(fēng)地面試驗點內(nèi)容

備注:風(fēng)速允差要求:±2kn;風(fēng)向允差要求:±10°。

為了提高試驗效率,最大程度利用氣象窗口,通過對試驗任務(wù)的優(yōu)化和組織,試驗點內(nèi)容及順序安排如表2所示。

表2 試驗點安排

根據(jù)對試驗點的優(yōu)化組合,需進行至少6次地面試驗。在風(fēng)速滿足試驗要求的情況下,應(yīng)迅速調(diào)整好飛機角度,并按試驗點設(shè)置好APU和發(fā)動機構(gòu)型狀態(tài),按要求進行試驗。在風(fēng)速連續(xù)滿足試驗要求且充分保證試驗數(shù)據(jù)有效性的情況下,完成全部試驗共需約3.5小時。由于發(fā)動機安裝的對稱性,在進行動力裝置進氣畸變和動力裝置排氣與引氣污染試驗過程中,在同一個風(fēng)向上,雙發(fā)同時進行試驗,減少飛機調(diào)整角度的次數(shù)。試驗過程中盡量先完成一個風(fēng)向上的全部試驗內(nèi)容后再進行下一個風(fēng)向試驗,避免因為反復(fù)調(diào)整飛機位置造成風(fēng)速資源浪費。整個試驗過程中通過CO濃度測量儀自動測量并記錄客艙和駕駛艙內(nèi)CO濃度。

2 大側(cè)風(fēng)試驗場地選取與氣象預(yù)測

2.1 場地選取

場地選取主要考慮：一是風(fēng)的規(guī)律,二是機場的場地情況。通過對全國風(fēng)場的氣候特點、大風(fēng)成因分析及地表植被情況,初步選定了冷空氣南下中路路徑上的內(nèi)蒙古中東部地區(qū)[3]。在此基礎(chǔ)上,進一步分析了該區(qū)域的機場歷史氣象資料,根據(jù)機場自觀風(fēng)速數(shù)據(jù),錫林浩特機場具備大側(cè)風(fēng)地面試驗的氣象條件,機坪示意圖如圖2所示。機場中有兩塊場地可滿足試驗開車要求,其中預(yù)選場地1可用大小約為100m×100m,預(yù)選場地2可用大小約為80m×80m(如試驗時無航班,占用滑行道,區(qū)域可稍大),場地1西北方向有建筑,可能會對風(fēng)速有影響,場地2周圍比較平坦?？紤]尾氣影響,開車需避開西北方向建筑及停機坪其他航空器。

根據(jù)歷史氣象統(tǒng)計,錫林浩特機場大風(fēng)天風(fēng)向以西到西北風(fēng)居多。按照避開西北方向建筑、停機坪及其他航空器的原則,首選在場地2進行270°和90°試驗(90°試驗只需發(fā)動機慢車功率),次選在預(yù)選場地1進行90°試驗,在預(yù)選場地2進行270°試驗。預(yù)選場地實景如圖3所示。

圖2 機場位置示意圖

圖3 預(yù)選場地實景(飛機停放處)

2.2 氣象預(yù)測

在準備階段的氣象預(yù)測主要是天氣系統(tǒng)發(fā)生的窗口期預(yù)測。按照目前全球數(shù)值預(yù)報水平,數(shù)值模式可以提供10天以上的中期預(yù)報產(chǎn)品,但是對天氣過程的提前預(yù)報認為7天內(nèi)更加準確和穩(wěn)定,高時空分辨率的預(yù)報產(chǎn)品時效只有3天[4]。通過對錫林浩特機場歷年大風(fēng)成因分析,認為冷空氣南下并有低壓配合時易出現(xiàn)滿足試驗要求的大風(fēng)條件。通過對天氣形勢的分析如圖4,準確判斷出適合大側(cè)風(fēng)地面試驗的窗口期。

詳細的氣象預(yù)報將在下文試驗案例分析中闡述。

3 某型飛機地面大側(cè)風(fēng)試驗案例分析

3.1 飛機調(diào)整與試驗演練

飛機調(diào)整是為了保證飛機本身良好狀態(tài)以及測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。試驗主要考察的發(fā)動機和APU符合試驗大綱構(gòu)型要求并處于可試驗狀態(tài)。隨著風(fēng)的變化,通過牽引車能夠快速調(diào)整飛機方向,保證飛機發(fā)動機和APU與風(fēng)處于90°和270°方向。通過加裝測試系統(tǒng)并調(diào)試,保證試驗需要的關(guān)鍵參數(shù)全部符合試驗要求。其中,發(fā)動機相關(guān)參數(shù)主要包括:N1、N2、ITT、PS3、N1振動值、N2 振動值、N2變化率等,APU相關(guān)參數(shù)主要有:APU轉(zhuǎn)速、排氣溫度、滑油壓力等。

試驗演練是為了暴露各個環(huán)節(jié)的不足,發(fā)現(xiàn)在試驗指揮、飛機移動、硬件保障、實時決策等具體方面的問題,以便及時進行改進,為真正進行大側(cè)風(fēng)地面試驗做準備。

第一次演練主要練習(xí)飛機方位的變換,保證通過牽引,飛機能夠快速響應(yīng)指令變換方向,跟上風(fēng)向的變化。這次演練主要以特車組和機務(wù)組為主。第二次演練主要是整個試驗流程的演練,對試驗實時決策、指令傳遞、飛機牽引、飛機防護等進行演練,除了氣象情況和數(shù)據(jù)快速判斷是模擬,其他工作基本達到真實試驗狀態(tài)。本次演練發(fā)現(xiàn)了較多的配合間的問題,列出問題清單如圖5,并及時進行了改進。

圖4 海平面氣壓場圖(填色代表氣壓)

圖5 第二次演練問題清單

第三次演練是在錫林浩特機場的實地演練,是對前期發(fā)現(xiàn)問題的改進后情況檢查和機場實地限制條件確認,除了再次明確了各小組的配合關(guān)系,也明確了由于機場建筑和氣象設(shè)備導(dǎo)致的方向限制。

3.2 精準氣象預(yù)報

試驗期間每天的進場時間,需要更精準的氣象預(yù)報。精準的預(yù)報風(fēng)向風(fēng)速、大風(fēng)起止時間,可以節(jié)約試驗人員的體力,提高試驗的組織效率。高時空分辨率的數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品對更加精準的預(yù)報提供了可能?；谔鞖庑蝿輰︼L(fēng)場的預(yù)報結(jié)果(圖6),再結(jié)合精細化預(yù)報產(chǎn)品(圖7)可以判定大風(fēng)過程的最大風(fēng)速時段及主要風(fēng)向。圖7給出了不同起報時間對一次大風(fēng)過程的變化情況,根據(jù)變化可以對大風(fēng)過程做出調(diào)整,在試驗臨近時進一步確定試驗時間。

圖6 EC模式10m風(fēng)場預(yù)報

圖7 10m風(fēng)場時間序列圖

根據(jù)數(shù)值預(yù)報模式可以給出相對精確的風(fēng)向風(fēng)速變化情況,但是預(yù)報與實況總是有差異。在試驗實施當(dāng)天,結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局大風(fēng)監(jiān)測網(wǎng)(錫林郭勒盟氣象局提供)可以對大風(fēng)預(yù)報做出及時的訂正,另一方面,上游臺站的風(fēng)速變化情況是很好的指針,根據(jù)連續(xù)幾張實況圖的推演,可以在精細化預(yù)報的基礎(chǔ)上明確大風(fēng)的起止時間,對試驗的開始結(jié)束的決策起到了關(guān)鍵作用。

圖8給出了錫林浩特機場上空的溫度對數(shù)壓力圖,溫度對數(shù)壓力圖可以直觀的反應(yīng)高空風(fēng)的情況。當(dāng)850hPa的風(fēng)速達到20m/s以上大氣層結(jié)不穩(wěn)定時,高空風(fēng)動量下傳引起的地面大風(fēng)也會形成。天氣形勢并結(jié)合溫度對數(shù)壓力圖的分析可以在大風(fēng)的客觀預(yù)報上做出更加準確的主觀修正。

綜合以上信息,可以給出相對準確的預(yù)報,得到如表3和表4的精準氣象預(yù)報,供試驗組織進行決策進場時間。

表3 短期天氣預(yù)報

表4 具體時段天氣預(yù)報

3.3 試驗點決策與數(shù)據(jù)分析

試驗要求的風(fēng)最短是1s,最長要達到2min,而側(cè)風(fēng)并不是一直穩(wěn)定在某一速度和方向,因此通過正向投影法對風(fēng)的數(shù)據(jù)的預(yù)判,快速進行試驗點決策,成了能否抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的風(fēng)的關(guān)鍵。針對地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗,試驗組設(shè)計了一個專用的監(jiān)控畫面,如圖9所示,作為決策的關(guān)鍵工具。通過工程組對風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)控和平均風(fēng)速的實時計算,以及試驗組對發(fā)動機和APU相關(guān)參數(shù)的實時監(jiān)控,指揮組得以快速的決策試驗點開始和結(jié)束時機,并獲取試驗所需的有效數(shù)據(jù)。

圖8 錫林浩特機場溫度對數(shù)壓力圖

圖9 地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗機上實時監(jiān)控畫面

一個試驗點是否有效,下面應(yīng)該進行哪個試驗點,需要進行快速數(shù)據(jù)判斷,但實時數(shù)據(jù)的抓取、計算和判斷,也是一個難點。本次試驗的技術(shù)人員,創(chuàng)新性的找出滑動平均值法,對1min和2min內(nèi)的數(shù)據(jù)可以通過快速計算,得出風(fēng)速的平均值,從而判斷出上一個試驗點是否有效,是否符合平均風(fēng)速和最大風(fēng)速的要求,支持了試驗點變換的決策[5]。

本次試驗風(fēng)速采樣率為1Hz,所以1min滑動平均值C1和2min滑動平均值C2的計算方法如下:

式中n為時間(s),Wi為第i秒時的正側(cè)風(fēng)風(fēng)速。試驗過程中,使用以上公式持續(xù)對采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行計算,從而實時獲得已經(jīng)過去的1min和2min內(nèi)正側(cè)風(fēng)平均值,直至獲得滿足試驗要求的平均風(fēng)速。

以90°側(cè)風(fēng)方向上APU進氣系統(tǒng)環(huán)控引氣與電負載試驗點為例,該試驗點要求APU提供電負載和環(huán)控引氣,持續(xù)2min,因此要求90°正側(cè)風(fēng)2min平均值需達到32kn。試驗過程中,在飛機構(gòu)型調(diào)整到位后,持續(xù)進行風(fēng)速采集,并實時計算2min滑動平均值,風(fēng)速數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 風(fēng)速數(shù)據(jù)圖

根據(jù)上圖分析可得,在16:57:15之后,2min滑動平均值開始大于32kn,最大值出現(xiàn)在16:58:01,為33.5kn,即16:56:02-16:58:01期間正側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速為33.5kn。在該時間段內(nèi),APU工作參數(shù)變化圖如圖11所示,APU轉(zhuǎn)速、EGT、滑油溫度、滑油壓力等工作參數(shù)正常,無喘振、熄火、超溫等異常現(xiàn)象,滿足大綱要求。

圖11 APU進氣系統(tǒng)-環(huán)控引氣與電負載試驗主要參數(shù)圖(33.5kn側(cè)風(fēng))

試驗最終取得了理想數(shù)據(jù),發(fā)動機共10個試驗點,平均風(fēng)速達到30.7kn-36.6kn,APU共12個試驗點,平均風(fēng)速30kn-33.6kn,整個試驗過程中無喘振、熄火等不利現(xiàn)象,CO濃度測量全部合格。

4 結(jié)束語

地面大側(cè)風(fēng)試驗的難點在于氣象自然狀態(tài)的精準捕捉。本文通過建立合理的組織架構(gòu),明確具體的試驗?zāi)繕撕蛢?nèi)容,根據(jù)氣象數(shù)據(jù)選取合適的試驗場地并進行了試驗演練,保證了該大型地面試驗的有效開展。通過風(fēng)場情況和探空圖等氣象預(yù)測方法準確獲取了所需時間段的各種氣象信息,試驗過程中使用滑動平均法進行了快速數(shù)據(jù)判斷與分析,最終驗證某型飛機發(fā)動機和APU工作參數(shù)在大側(cè)風(fēng)情況下全部合格。

這次試驗的成功得益于對氣象預(yù)報的技術(shù)把握,也取決于良好的組織和實施,是今后進行大型地面試驗的優(yōu)良案例典范。

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Organization and Data Processing of Ground Crosswind Test Based on Accurate Weather Prediction

LV Bi-jiang1,YIN Xiang-tao1,SUN Jun-ying1,CHEN Xi2

(1.China Commercial Aircraft Corporation,Shanghai 200232; 2.Shanghai Engineering Research Center of Civcl Aircraft Health Monitoring,Shanghai 200241,China)

Ground crosswind test belongs to MOC5 subject of civil aircraft flight tests.The objective is to verify the starting and working capability of the aircraft engine and Auxiliary Power Unit (APU),which is critical test for the aircraft power system.The organization of the test is difficult because the crosswind,as a special weather condition,is hardly to be captured to satisfy the airworthiness requirement.This study introduces a reasonable establishment of the test organization and effective implementation of test contents.Through several aircraft adjustments and crosswind pre-tests,accurate weather prediction is obtained based on the numerical model of high spatial and temporal resolution.In order to make timely decision-making,this study applies the moving average method creatively in data acquisition and finally completes the test with the airworthiness requirement satisfied.The successful organization and implementation of the ground crosswind test lays a good foundation for subsequent flight test as well as further tests for other aircraft types

crosswind test; airworthiness requirement; weather prediction; data acquisition

V211.74；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.028

1673-3819(2017)05-0134-07

2017-01-08

2017-06-16

973計劃(2014CB744903)、國家自然基金(61673270)、上海浦江人才計劃(16PJD028)、中國航天科技創(chuàng)新基金(HTKJCX2015CAAA09)。

呂碧江(1981-),男,湖南常寧人,高級工程師,研究方向為飛行試驗。