張惠，吳敬濤

極端氣候環(huán)境條件下民用飛機典型飛行事故研究

張惠，吳敬濤

（中國飛機強度研究所三十一室，陜西 西安 710065）

綜述歷年來極端氣候環(huán)境條件導致的民用飛機典型事故，分析不同氣候環(huán)境條件對飛機系統(tǒng)以及飛行條件造成的影響，并討論飛機地面氣候環(huán)境試驗的重要性。以飛機事故產(chǎn)生的原因分析為出發(fā)點，給出了不同條件下飛機地面氣候環(huán)境試驗下飛機的重點檢查部位。

極端氣候；飛機事故；氣候試驗；飛機系統(tǒng)

在民用航空全球化的今天，民用飛機已在全球范圍內(nèi)廣泛使用，在其經(jīng)歷的多種任務(wù)剖面內(nèi)，極可能遭遇世界各地的地表氣候條件。在運營階段，民用飛機不可避免地要遭遇高溫、高寒、濕熱、結(jié)冰等極端氣候環(huán)境。如果飛機的環(huán)境適應(yīng)性能力不足，極端氣候輕則可能降低飛機的使用性能，影響飛機運行；重則可能導致飛機發(fā)生安全性事故，嚴重時甚至還會發(fā)生機毀人亡的災難。

在分析歷年來典型民機飛行事故的基礎(chǔ)上，對極端氣候環(huán)境條件導致的飛行事故原因進行深層次剖析，分析結(jié)果可為民用飛機在設(shè)計階段的氣候環(huán)境適應(yīng)性要求的確定和運營使用階段的氣候環(huán)境適應(yīng)性能力改進提供參考。文中給出的不同氣候環(huán)境條件下的重點檢查部位要求，可用于指導飛機地面氣候環(huán)境試驗工作。

1 民機系統(tǒng)定義

民用飛機的主要系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、飛行操縱系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、防冰除雨系統(tǒng)、艙門以及機上設(shè)施等。在不同的氣候環(huán)境條件下，飛機可能會出現(xiàn)不同的系統(tǒng)故障。譬如低溫條件可能會造成燃油系統(tǒng)的滲漏，結(jié)冰造成發(fā)動機系統(tǒng)故障，高溫會導致機載設(shè)備出現(xiàn)閥值故障等。因此，在分析極端氣候環(huán)境對飛機造成的影響時，應(yīng)從飛機系統(tǒng)出發(fā)，并結(jié)合具體的飛行事故案例進行分析。

2 飛機事故定義

飛機事故是指在所有人登上飛機直至所有人下飛機為止的時間內(nèi)，所發(fā)生的與飛機運行有關(guān)的事件。此事件中包括人員遭受致命傷害或重傷、飛機受到損壞或結(jié)構(gòu)故障、飛機失蹤或者處于完全無法接近的地方。

飛機發(fā)生飛行事故的原因眾多，與極端氣候環(huán)境相關(guān)的主要因素如下：①由于氣候環(huán)境引起機身失效，發(fā)動機、操縱舵面、儀表、系統(tǒng)、起落架的損壞或者功能失效；②由于氣候環(huán)境引起的尾流；③由于氣候環(huán)境引起的外來物損壞；④由于可視度低，造成駕駛員的操作失誤；⑤由于閃電、暴雨等，造成飛機信號中斷；⑥由于風切變，造成的飛機氣動性能的改變；⑦由于結(jié)冰，導致飛機的流場變化；⑧由于結(jié)冰，發(fā)動機吸冰而造成發(fā)動機熄火停車等。

3 典型氣候條件下的飛機事故綜述

中國的民航事業(yè)起步于20世紀初，在最初的二三十年里空難頻發(fā)。飛機事故發(fā)生的主要原因在于早期的飛機適航標準和適航條例不夠完備。既有飛機在安全性、可靠性設(shè)計方面的設(shè)計經(jīng)驗欠缺因素，也有主機廠所、適航當局等對飛機的環(huán)境適應(yīng)性能力認識不足等問題。由于耐候性品質(zhì)先天不足，在遭遇惡劣氣候環(huán)境影響時，飛機的不同部位就會受到不同程度的損害。因此，對歷年來極端氣候環(huán)境導致的民機典型飛行事故進行統(tǒng)計分析就顯得十分重要。

各種惡劣天氣引發(fā)的飛機飛行事故比例如圖1所示。從圖1中可以看出，在各種惡劣天氣引起的典型飛行事故中，主要的天氣因素有六大類，其中風切變是導致飛行事故發(fā)生最主要的因素，占47.7%，然后依次是結(jié)冰、大雨、暴風雪、太陽輻照、低溫、大霧。飛行中太陽輻照對飛機造成的影響主要是使得飛機艙體和電氣設(shè)備表面的誘發(fā)溫度過高，所以文中研究的太陽輻照對飛機的影響主要歸結(jié)為高溫對飛機造成的影響。

圖1 各種惡劣天氣引發(fā)的飛機飛行事故比例

文中的飛機事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來自與氣候環(huán)境相關(guān)的事件數(shù)據(jù)庫，涉及到客運、貨運、通用類飛機在飛行中因遭遇大霧、結(jié)冰、暴風雪、大雨、風切變、極端高、低溫等氣候環(huán)境因素所引發(fā)的相關(guān)飛機事故數(shù)據(jù)信息[1-2]。

3.1 風切邊引起的飛機事故

歷年來風切變是導致飛行事故發(fā)生的最主要因素。飛機在低空飛行時，會遇到風切變，發(fā)生在低空的風切變是飛機起飛和著陸階段的一個主要危險因素，被人們稱為“無形殺手”。風切變導致的飛行事故都發(fā)生在飛行高度低于300 m的起飛和著陸階段。

由風切變導致的典型飛行事故案例如下：①2004年，臺灣的ATR72-500客機在臺灣省澎湖縣墜毀。事故原因為特大暴雨中的垂直風切邊，導致飛機因升力不足墜毀，造成飛機上48人遇難，15人受傷。②2007-09-16，泰國航空公司一架MD-82客機從曼谷飛往普吉島，飛機降落時恰逢暴風雨，遭遇了風切變，導致降落失敗，滑出跑道，與附近建筑發(fā)生碰撞，造成飛機起火爆炸。③2018-08-28，首都航空由北京飛往澳門的JD5759航班，降落時疑似遭遇風切變，在機體受損、前起落架斷裂的情況下，飛機復飛并成功備降寶安機場。

風切變中的低空風切變是飛機起飛降落階段威脅飛機安全的主要危險因素。風切變常伴隨有其他惡劣氣候條件如暴風雨等。風切變可能會導致飛機周圍的氣流速度和方向突然發(fā)生變化，飛機升力也發(fā)生變化，從而使得飛機無法保持平衡。由于風切變在飛機的氣候環(huán)境實驗中難于模擬，所以只進行風吹雨氣候環(huán)境試驗，風吹雨試驗需要重點檢查飛機的密封性、發(fā)動機性能、起落架系統(tǒng)以及操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在進行風吹雨試驗時，在風速達到65節(jié)時，檢查艙門的密封性能是否良好，增壓泄漏量以及漏水量是否滿足設(shè)計要求；發(fā)動機的各項性能指標是否滿足設(shè)計要求，起落架系統(tǒng)是否可以準確地釋放和收起；操縱系統(tǒng)的各項指標信號顯示是否正常，可操縱性是否滿足設(shè)計要求。

3.2 結(jié)冰引起的飛機事故

結(jié)冰天氣嚴重威脅飛機的飛行安全。1975—2018年期間，由結(jié)冰引起的災難性飛行事故占總事故的14.30%左右。飛機結(jié)冰被認為是航空領(lǐng)域影響飛機飛行安全的六大主要氣候因素之一[3-5]。

由結(jié)冰所導致的空難如下：①2006-06，An-1-2飛機由于結(jié)冰失去控制，最終在山區(qū)墜毀，死亡40人。②1993-11-

13，由北京飛往烏魯木齊的飛機MD-82，在烏魯木齊機場降落過程中，由于云中有輕度結(jié)冰，地面人員指揮飛行員按盲降進行。由于跑道端頭的霧越來越厚，飛機撞擊高壓線后墜地，飛機墜地后燒毀。機上8名乘客和4名機組人員遇難。③2009-10-28，空客A330-200型飛機在起飛至關(guān)島附近時，機組人員收到一系列飛機中央電子監(jiān)控儀錯誤信息，飛機被迫提前降落。

目前，飛機的除冰系統(tǒng)都是按照25部附錄C結(jié)冰條件進行的。CCAR25.1323中要求空速指示系統(tǒng)盡可能防止結(jié)冰而失靈。適航當局發(fā)布的防除冰適航性要求中，也加入了防除冰系統(tǒng)的設(shè)計要求。飛機在結(jié)冰環(huán)境條件下進行氣候環(huán)境試驗，需要重點檢查飛機的防冰、除冰系統(tǒng)是否能正常工作，飛機的發(fā)動機系統(tǒng)是否能正常工作，飛機的皮托管測試數(shù)據(jù)是否準確。飛機的起落架系統(tǒng)是否收放正常。

飛機在實驗室進行結(jié)冰試驗時，結(jié)冰條件按照CCAR25部規(guī)章附錄C的結(jié)冰氣象包線設(shè)計。驗證飛機的防除冰系統(tǒng)的告警系統(tǒng)、控制系統(tǒng)是否正常工作，其除冰能力能否保持風擋玻璃外表面有足夠的清潔區(qū)域，以滿足駕駛員外部視野清晰度要求；驗證飛機部件的結(jié)冰特征、防護性能；驗證發(fā)動機系統(tǒng)的啟動性能；檢查飛機皮托管表面的結(jié)冰情況等。

3.3 大雨引起的飛機事故

大雨對飛機的飛行也會造成致命的影響，飛機事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大雨造成的飛行事故占12.15%。大雨造成的典型飛行事故案例如下：①1994-07-20，波音737由西雙版納出發(fā)前往中國昆明，由于雨大、能見度差，機組使用風擋刷在高速位，并噴防雨劑，效果不明顯，跑道模糊。飛機強行降落，造成飛機左右發(fā)動機嚴重受損、飛機報廢。②1999-03-24，一架空客A300-600飛機，在希臘羅得島迪亞戈拉斯機場著陸時滑出跑道，前起落架折斷。事故原因為飛機在大雨條件下著陸時沖出跑道，前起落架折斷。③2010-03，波音727-200飛機，從加拿大哈密爾頓起飛，在跑道著陸時，沖出跑道，飛機起落架陷入泥土[1]。事故原因為飛機在下降至距離地面600 ft高度時，遭遇大雨，飛機在返回跑道中心線時，由于推力過大，沖出跑道。

通過分析大雨造成的飛行事故，不難發(fā)現(xiàn)，雨水對飛機的影響大致可分為五種：①潮濕環(huán)境下，雨水滲透進入燃油系統(tǒng)，會對飛行安全造成影響。②雨水形成的水霧可能會阻礙飛行員的視線，進而影響飛行員的目視距離。③雨天在低空區(qū)域可能會產(chǎn)生下降氣流，造成飛機升力減小，高度下降。雨量越大，下降氣流越大。所以，在大雨和暴雨情況下飛機不適合起降。④大雨會使飛機失去控制，飛機跑道被污染，飛機滑出跑道。⑤發(fā)動機吸入雨水，造成停車。

大雨條件下，進行飛機氣候環(huán)境試驗，需要重點檢查飛機的艙體密封性、電氣設(shè)備的密封性、飛機的發(fā)動機功能以及性能，而且在大雨條件下飛行員的目視距離也應(yīng)列入檢查范圍。

3.4 暴風雪引起的飛機事故

飛機在飛行過程中遇到暴風雪，暴風雪對飛機的飛行也會造成致命的影響，暴風雪造成的飛行典型事故案例如下：①1977-04-04，DC-9客機載著81名乘客及4名機組人員從亨茨維爾起飛，當飛機起飛10 min后，機組人員發(fā)現(xiàn)飛機遭遇了暴風雪，飛機緊急降落，機翼撞擊路旁樹木、加油站和加油站內(nèi)的車輛，機上62人及地面8人喪生。事故原因為飛機的除冰系統(tǒng)發(fā)生故障，在遭遇暴風雪時，飛行員視野模糊，導致飛機下降過程中撞樹造成飛機墜毀。②1982-01-13，佛羅里達航空公司90號班機波音737-222自華盛頓機場起飛時因發(fā)動機吸入冰雪導致推力不足而失速墜落。③2008-07，MD-88飛機在執(zhí)行包機任務(wù)時，由于大雪污染跑道，導致飛機在機場著陸時失去控制。

除了暴風雪導致的上述事故以外，飛機在飛行過程中遇到暴風雪，還可能造成以下危害：①如果飛行外界溫度升高，暴風雪在飛機座艙蓋附近融化，水滴的滲透可能會造成電子電氣設(shè)備短路而產(chǎn)生故障；②暴風雪可能覆蓋在機身表面，導致飛機表面結(jié)冰、飛機進氣道結(jié)冰；③在遇到暴風雪時，可能會使飛行員視野模糊，飛行員無法維持正常的起飛和降落；④暴風雪可能會造成跑道結(jié)冰，導致飛機無法起飛。在進行暴風雪的地面氣候環(huán)境試驗時，需要重點檢查飛機防除冰系統(tǒng)、發(fā)動機、操縱系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)是否正常工作。

3.5 極端高、低溫引起的飛機事故

高溫、低溫是飛機在運行過程中所遇到的最為常見的環(huán)境。飛機的機載電子電氣設(shè)備、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)能夠正常工作也有一定的溫度限制。極端溫差可能會導致飛機系統(tǒng)上的相應(yīng)結(jié)構(gòu)（譬如方向舵上的液壓器出現(xiàn)卡滯等）出現(xiàn)故障等。由于極端溫度導致的飛行事故如下：①1991-03-03，一架波音737-200飛機，載著20名乘客及5名機組人員前往羅拉奪泉機場，到達目的機場后，由于飛機方向舵的液壓器在經(jīng)歷極端溫差后，被卡滯，飛機向右傾側(cè)，并立即失速翻滾，25人全部喪生；②1994-09，波音737客機在飛行過程中，飛機方向舵的液壓器經(jīng)歷高、低溫后，被卡住，導致飛機墜毀在一森林中，死亡132人；③2004年，CRJ200飛機從中國內(nèi)蒙古包頭起飛，由于溫度原因，在包頭北海公園墜毀。

極端高溫可能會導致電子電氣設(shè)備性能下降、結(jié)構(gòu)承載能力下降，溫度太低會導致電子、電氣設(shè)備無法正常啟動、液壓油和燃油結(jié)冰等。極端溫差可能會導致飛機因為連接固定零件收縮率不同，導致機件卡死。

在進行極端高溫氣候環(huán)境試驗時，要檢查飛機上所有電氣設(shè)備是否能正常工作，飛機的環(huán)控系統(tǒng)是否能正常工作。

在進行低溫環(huán)境條件試驗時，要檢查飛機的起落架系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和飛機的發(fā)動機系統(tǒng)、APU是否能正常工作。

實驗室氣候環(huán)境試驗的低溫環(huán)境條件為﹣55 ℃，一般飛機在進行低溫環(huán)境試驗時，在﹣55 ℃環(huán)境下保溫6 h，升溫至﹣40 ℃，檢查飛機發(fā)動機的功能和性能、起落架系統(tǒng)的收放性能、操縱系統(tǒng)的操縱性能以及環(huán)控系統(tǒng)的通風性能、電子設(shè)備的功能和性能。

高溫高濕環(huán)境試驗以及高溫結(jié)合太陽輻照的環(huán)境試驗都屬于高溫試驗范疇，此時需要考核飛機環(huán)控系統(tǒng)的降溫能力、液壓系統(tǒng)的功能和性能以及所有的電子電氣設(shè)備的工作能力。

3.6 大霧引起的飛機事故

由于大霧所導致的典型空難如下：①1931-11-19，“濟南號”郵政飛機因大霧而撞山墜毀；②1946-03-17，一架美制C-47運輸機在從青島飛往南京途中，因氣候惡劣在南京西郊的岱山撞山墜毀，機上13人全部遇難；③1946-04-08，一架美制運輸機因氣候惡劣而迷失方向，在晉西北興縣東南部的黑茶山撞山墜毀，17人全部遇難；④1946-12-25，因上海大霧導致夜間能見度不佳，中央航空運輸公司48號、中國航空140號及115號客機先后墜毀，共造成74人死亡，8人受傷，史稱“黑色圣誕之夜空難”。

分析事故原因發(fā)現(xiàn)，這些安全事故都是由于大霧所引起的。大霧條件下的低能見度導致飛行事故發(fā)生的主要原因有：①在飛機著陸時看不清跑道，使飛機偏離跑道或過早、過遲接地；②飛行指揮員看不見飛機，造成指揮失誤；③飛行員看不清地標，憑借感覺和儀表飛行時，由于心理壓力產(chǎn)生操縱失誤，引發(fā)事故。

《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》（CCAR—121）和《最低氣象條件》中對于飛機的起飛能見度要求至少在600 m以上。當機場能見度低于350 m，航班無法起飛；低于500 m時，航班無法降落；如果能見度低于50 m，無法進行航班滑行。

在大霧條件下，儀表著陸系統(tǒng)需要引導飛機進行著陸。因此，在進行地面氣候環(huán)境試驗時，需要重點檢查儀表著陸系統(tǒng)在此環(huán)境條件下是否能正常工作，并對飛行員的目視距離進行檢查；還需要驗證風擋加熱系統(tǒng)功能是否正常，在進行環(huán)境試驗時，機組人員需要對其效能進行評估。

4 總結(jié)

本文研究了民機在極端氣候環(huán)境條件下的典型飛行事故案例，研究結(jié)果表明風切變引起的安全事故所占比例最高，但是風切變在地面氣候環(huán)境試驗中難以實現(xiàn)，只能分析風切變引起的系統(tǒng)失效機理，并在飛機系統(tǒng)設(shè)計中加以改進以及在系統(tǒng)級別的試驗中加以關(guān)注。結(jié)冰、大雨、暴風雪、大霧、極端高低溫都可以在整機環(huán)境實驗室中模擬，并針對飛機的主要關(guān)注部位進行考核。文中針對具體的實驗科目給出了具體的考核部位。對于考核要求，由于不同飛機的環(huán)境適應(yīng)性要求不同，所以，需要在編寫試驗大綱時結(jié)合任務(wù)書和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求來給出更為詳盡的試驗要求。本研究可用于指導飛機氣候環(huán)境試驗科目的選擇以及試驗過程中具體考核對象的檢查。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.054

2095－6835（2019）15－0132－03

〔編輯：張思楠〕