姜子建 吳簡(jiǎn)

（1.中國(guó)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(guó)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(lái)，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(lái)越廣，隨之產(chǎn)生的安全問(wèn)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(guó)民航發(fā)展道路上一直追尋的目標(biāo)。

我國(guó)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(guó)南北方氣候差異格外明顯：北方地區(qū)以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，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(jī)場(chǎng)的內(nèi)蒙古包頭市，其機(jī)場(chǎng)海拔高度為1012.2m，我們假設(shè)一月份運(yùn)行時(shí)的平均氣溫為-10°C，根據(jù)ISA計(jì)算公式（1）：

其中T為大氣實(shí)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(jì)算，當(dāng)日標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)-39.36°C。如此大的氣溫偏差會(huì)對(duì)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(jī)場(chǎng)的冬季運(yùn)行當(dāng)中，高度修正是極其重要且必要的。

1 背景知識(shí)介紹

1.1 高度的定義及分類

氣壓高度是通過(guò)感受飛機(jī)所處位置的靜壓與設(shè)定的基準(zhǔn)面氣壓之間的壓差，來(lái)間接表示距基準(zhǔn)面的高度。由此設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，真空膜盒形變的程度一定。在真空膜盒上設(shè)有傳動(dòng)機(jī)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(jī)上的氣壓式高度表則將此變化參數(shù)設(shè)置為一個(gè)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(shí)，溫度參數(shù)不再恒定，高度指示也就產(chǎn)生了誤差。若運(yùn)行區(qū)域的氣溫低于IAS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(shí)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(lái)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(shí)，飛機(jī)的實(shí)際飛行高度已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)。這就是我們常說(shuō)的“低溫低飛、高溫高飛”。

雖然無(wú)論高溫還是低溫都會(huì)產(chǎn)生誤差，但是低溫誤差對(duì)飛行安全影響更大。盡管產(chǎn)生誤差時(shí)，航空器之間的垂直間隔不會(huì)發(fā)生大的變化。但是低溫條件下，飛機(jī)距地面障礙物的間隔會(huì)隨著溫度誤差的加大急劇縮減。對(duì)于中低空飛行的航空器，在超障越障程序上會(huì)產(chǎn)生很大的影響。如果不對(duì)高度進(jìn)行修正，極易產(chǎn)生危險(xiǎn)接近、超前著陸甚至撞山等事故。所以對(duì)于北方地區(qū)機(jī)場(chǎng)的冬季運(yùn)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(guó)際民航組織對(duì)于航空器的低溫運(yùn)行有一定的說(shuō)明，并建立了一個(gè)低溫修正模型。當(dāng)?shù)厍虮砻姝h(huán)境溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣預(yù)告值時(shí)，必須調(diào)整所計(jì)算的最低安全高度/高[1]。為計(jì)算低溫修正(Δh) 以確定FAS角和實(shí)效VPA，使用如公式（3）：

式中：

ΔTSTD=相對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)，隨著高度增大，修正量也在增加。但是，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是線性相關(guān)的。其次，當(dāng)機(jī)場(chǎng)標(biāo)高不同時(shí)，修正量也會(huì)出現(xiàn)差異，圖2中便是在三個(gè)不同的機(jī)場(chǎng)標(biāo)高情況下，擬合出的三層修正值的曲面。

出于對(duì)航空安全的考慮，無(wú)論是國(guó)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(shí)例來(lái)看，給出參考值并沒(méi)有考慮到機(jī)場(chǎng)標(biāo)高的差異，而是使用統(tǒng)一的修正量。較大的修正值會(huì)提供更大的安全裕度，但是在最后進(jìn)近階段和復(fù)飛階段等對(duì)于高度需求更加精確的環(huán)節(jié)，過(guò)大的修正值會(huì)造成飛機(jī)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?，一味的追求超障裕度反而會(huì)造成飛行員操縱困難，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(jìn)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(gè)設(shè)有低溫運(yùn)行程序的機(jī)場(chǎng)，根據(jù)機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)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(yǔ)

綜上，在之后的研究中會(huì)加入在低溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的減壓模擬實(shí)驗(yàn)和模擬仿真程序，對(duì)進(jìn)近過(guò)程中各階段進(jìn)行細(xì)化分析，尋求在安全范圍內(nèi)，更加激進(jìn)的低溫修正值。并充分考慮國(guó)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)不同的地理環(huán)境和機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)信息，設(shè)計(jì)方便駕駛員在實(shí)際運(yùn)行中操作的低溫程序。

本文是在中國(guó)民用航空飛行學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助下撰寫的，感謝學(xué)校提供這樣一個(gè)寶貴的研究機(jī)會(huì)。