張序 羅鳳娥 楊臻 楊思浩

(1 中國國際航空股份有限公司 西南運行分控中心，四川 成都 610225；2 中國民航飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307；3 中國國際航空股份有限公司 西南分公司，四川 成都 610225)

根據(jù)民航規(guī)章的要求：航空公司在運行高原航線時，必須完成飛機改裝，并制定可靠且便于機組操作的應急程序，確保發(fā)動機失效特情發(fā)生后，飛行員能根據(jù)機組操作程序，駕駛飛機盡快飛往預先設定的備降機場著陸。眾多民航學者曾針對高原機場(或航線)安全飛行展開研究，他們建議：涉及高原機場(或航線)的飛行訓練，應針對地形環(huán)境對飛行員心理生理的影響，落實心理衛(wèi)生保障[1]，高原機場(或航線)應制定措施解決飛機著陸姿態(tài)偏大或著陸平飄距離偏長的問題[2]，飛行員和飛行簽派員要重點關注性能降級后飛機在高原機場著陸的風險[3]。同時，由于高原機場飛行對環(huán)境的影響很敏感，可通過展開高原危險氣象背景的機場端凈空評定方法的研究，達到減少影響的目的[4]。執(zhí)行高原機場(或航線)飛行的飛機需要完成多個關鍵部件的改裝，很多航空公司通過快速存取記錄器數(shù)據(jù)(Quick Access Recorder，簡稱：QAR)監(jiān)控發(fā)動機的在高原機場(或航線)運行的性能狀態(tài)[5]。民機試飛曾使用起飛推力限制參數(shù)驗證試飛(Lapse-rate Take Off，簡稱LRTO)方式，完成高原機場扇區(qū)最低安全高度飛行航跡的設計[6]，所以做好發(fā)動機故障的分析和監(jiān)控還可以提升高原航線運行的安全質(zhì)量[7]。部分平原航線之間的飛行也涉及高原航段[8]，如：從成都/雙流機場(IATA代碼：CTU，ICAO代碼：ZUUU，簡稱：雙流機場)飛往北京/首都機場(IATA代碼：PEK，ICAO代碼：ZBAA，簡稱：首都機場)的臨時航線，因“ELPAN - XIXAN”航段最低安全高超過4 300 m，屬于高原航線，應按照要求做好發(fā)動機失效后飄降程序的設計和優(yōu)化。

1 樣本介紹

1.1 空中客車 A321-232飛機

研究采用的樣本飛機是中國國際航空股份有限公司(Air China Limited，簡稱：國航)機隊的空中客車A321-232飛機，空中客車A321是歐洲空中客車工業(yè)公司研制的雙發(fā)中短程客機，飛機機頭到尾翼尖的機身長度為43.78 m，機身寬3.95 m，機身高5.91～6.13 m，翼展為34.15 m。飛機發(fā)動機采用尾吊布局，飛機裝有兩臺IAE-V2530-A5型號的發(fā)動機，推力等級30 K。飛機油箱總?cè)莘e23 700 L，最多可加注18 841 kg的燃料(燃料密度：0.795 kg/L)，飛機安裝185個座位，另有供客艙乘務員使用的8個座位。

1.2 “成都/雙流—北京/首都”航線相關數(shù)據(jù)

“成都/雙流—北京/首都”航線數(shù)據(jù)為ZUUU GUR9Y GURET W233 AGULU W81 NSH G212 WJC W193 ALGOV W101 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，空中飛行時間大約180 min，同時，“成都/雙流—北京/首都”航線還有一條臨時航路可以在向空中交通管理單位申請批復后使用，航路走向為ZUUU BOK9Y BOKIR W179 OMBON B330 MUDAP W211 ZWX W219 YHD W217 VIKON W72 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，臨時航線的航路關鍵障礙物等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 “成都/雙流—北京/首都”臨時航路相關數(shù)據(jù)

2 高原航線特點

2.1 航路安全高度高、對飛機性能要求高

高原航線運行受地形影響導致航路的最低安全高度高，以飛往拉薩/貢嘎機場(IATA代碼：LXA，ICAO代碼：ZULS，簡稱：拉薩機場)的藏區(qū)航線為例：昌都(經(jīng)度：097.084，緯度：30.314)以東的航路安全高度為6 336 m，昌都以西為7 470 m，飛機在航路上發(fā)生發(fā)動機失效后，飛機的飄降性能必須滿足高原航線飛行的特殊要求，所以飛機發(fā)動機等關鍵部件的維護標準需根據(jù)高原運行的要求特別制定。

2.2 航路天氣復雜、飛行限制多

高原航線(特別是我國西部、西南部)常因受西南暖濕氣流和西風急流的影響，云系多，云層厚，雨量充沛，云中雷暴和結(jié)冰現(xiàn)象明顯，空氣對流強烈，空中顛簸強烈，高空急流常常伴有中度以上的顛簸。但飛機氣象雷達受航路地形回波的影響，反射波干擾大，影響飛行員對實際天氣情況的判斷，增加了飛機航路繞飛的難度。高原航線受地形影響和空中交通管制單位在高原航線指揮飛行高度、飛行間隔、繞飛距離等方面的特殊限制，較平原航線，困難更多。

2.3 通訊導航設施少、有效工作范圍受限

高原航線主要在山區(qū)，所以在航路上無線電通信干擾大、信號弱，時常出現(xiàn)雜音或者失真，穩(wěn)定通訊較平原航線更為困難，經(jīng)常需通過中轉(zhuǎn)臺、插轉(zhuǎn)臺、飛機之間相互轉(zhuǎn)報，或通過高頻通信等方式與地面管制取得聯(lián)系。同時，高原航線因山區(qū)地形影響，地面導航設備修建較少，指示誤差相對較大，航站區(qū)域內(nèi)的導航設備有時會出現(xiàn)信號屏蔽或假信號現(xiàn)象。

2.4 特情處置程序復雜

當高原航線飛行發(fā)生發(fā)動機失效后，受發(fā)動機失效后的性能限制，飛行員往往需要實施飄降程序。在實施飄降時，需根據(jù)不同航線特點，依據(jù)飛機與航路發(fā)動機失效折返點的位置關系，做出改航、返航或繼續(xù)飛向指定機場的決定。但不同機場程序不太一致，情況更復雜。

2.5 航路備降機場少，運行控制難度大

在高原航線(特別是涉及藏區(qū)的高原航線)起飛機場和目的地機場之間可供使用的備降機場很少，對于某些機型甚至沒有備降機場(如：空中客車A330在藏區(qū)僅拉薩機場可用)，在運行時往往使用起飛機場作為其備降機場。簽派放行時還經(jīng)常受備降機場天氣因素的制約，運行控制難度大，當運行中當發(fā)生特殊情況(如：失火等)要求飛機盡快著陸時，機組決策和處置的難度非常大。

3 研究算法簡介

3.1 局方規(guī)章的要求

應急飄降指民航飛機在航路巡航發(fā)動機失效后，飛行員駕駛飛機保持飛行高度，為抵消發(fā)動機推力減小造成的阻力增大，飛機逐漸減速到飄降速度，并根據(jù)地面障礙物情況將飛機盡快下降直至改平點的過程，見圖1。

圖1 飛機一發(fā)失效應急飄降過程示意圖

民航局通過多項規(guī)章對飛機一發(fā)失效應急飄降程序做出規(guī)定，如在《大型飛機公共航空承運人運行合格審定規(guī)則》(簡稱：CCAR-121-R7)第121.191條規(guī)定安裝兩臺渦輪發(fā)動機的飛機發(fā)生一發(fā)失效時航路的限制，并對一發(fā)失效時航路凈飛行航跡數(shù)據(jù)做出規(guī)定，按照相關特情處置的需要，從機組人員的訓練、應急放油程序的安全性、制定備降場的最低天氣標準和發(fā)動機失效后的油耗都做了準確規(guī)定。咨詢通告《高原機場運行》(簡稱：AC-121-FS-2015-21R1)第5.2條要求“合格證持有人在高原機場運行，應制定針對出現(xiàn)客艙釋壓的供氧和航路上一發(fā)失效的應急飄降等緊急情況的處置預案”，第5.4條要求合格證持有人“加強對航班的實時跟蹤監(jiān)控，緊急情況下能快速判斷飛機是否已經(jīng)通過飄降返航點、客艙釋壓返航點和航路改航點”?！讹w機航線運營應進行的飛機性能分析 》(簡稱：AC-121FS-006)第5.1條提出“航路飄降是基于地圖作業(yè)完成的，根據(jù)航路的地形剖面可以確定決斷點和航路備降場”。本文的相關研究和程序設計的計算過程都基于這些規(guī)章要求，并結(jié)合公司的運行手冊和樣本實際情況完成。

3.2 程序設計算法

航路障礙物直接影響發(fā)動機失效應急飄降程序的設計，本研究第一步是航路障礙物的選取和確定，首先將相鄰的地形圖按照經(jīng)緯度網(wǎng)格準確拼接在一起，完成地形圖的拼接，形成一張能夠覆蓋待分析航段及逃離航段的地形圖，課題組以樣本航線的航路點為圓心，25 000 m為半徑作圓，以25 000 m的垂直距離在航線兩側(cè)作平行線，平行線與航路點的圓相切，繪制整個航線的障礙物保護區(qū)，最終梳理出每個航段的最高障礙物數(shù)據(jù)。

飛機在航路上發(fā)生一發(fā)失效后安全超障是關鍵[9]，研究可知：飛機不同的飛行高度對飄降航跡的影響較小，見圖2[10]，但飛機重量和大氣溫度對應急飄降越障的影響較大[11]，飛機重量越大，飛機越障能力越差，見圖3。在高原機場，相同大氣溫度背景下高原機場大氣密度更小，發(fā)動機推力變差，飛機越障能力也因可用發(fā)動機推力降低而變差[12]，課題組第二步將完成飛機一發(fā)失效安全超障的判斷。CCAR-121-R7第121.191條明確規(guī)定飛機發(fā)生一發(fā)失效后有三種繼續(xù)飛行的方法，包括：返回起飛機場、繼續(xù)飛往目的地機場和上升至航線最低安全高度后飛往指定機場，所以設計飛機一發(fā)失效應急飄降程序?qū)⒒诤铰纷畹桶踩叨葦?shù)據(jù)，結(jié)合樣本飛機的最大起飛重量(Maximum Take-Off Weight，簡稱MTOW)計算得到一發(fā)失效凈升限，對照檢查航路最低高度是否滿足安全飛行的要求，只要確保航路的最低安全高度低于該數(shù)值，則是可以滿足超障的要求，反之則需要重新計算。

圖2 巡航高度對飄降航跡的影響

圖3 飛機質(zhì)量對飄降航跡的影響圖

第三步是完成樣本飛機MTOW的核算。飛機出現(xiàn)發(fā)動機失效后，飛機重量是影響越障性能的重要因素，課題組梳理整個航段各分段安全高度，確定其最低安全高度及到達該航段可能的MTOW，當飛機一發(fā)失效飄降改平高度高于整個高原航段的航路安全高度，同時高于失效點到航路備降場所飛區(qū)域的航路安全高度，說明飛機在高原航段任意一點出現(xiàn)一發(fā)失效，均可以安全越障緊急備降，應急飄降過程可以靈活選擇決策點和備降場。如果一發(fā)失效應急飄降改平高度低于部分高原航段的航路安全高度，則需要利用飛機從起始巡航高度飄降至改平高度之前的航跡來超越這部分高原航段，這時決斷點(簡稱：PNR)的選擇就極其關鍵，應充分考慮飛行員駕駛飛機向后折返或向前前進的飄降航跡，并結(jié)合應急程序設計過程來分析飛機空中改航(或逃逸)的航跡。第四步是完成飛機發(fā)動機失效時飛機重量的設定及應急程序設計基礎數(shù)據(jù)的確定。第五步是完成應急飄降程序設計和機組操作程序的定義。

4 研究過程舉例

本文將完成三個方面的分析和研究：一是，結(jié)合“成都/雙流—北京/首都”臨時航線相關數(shù)據(jù)確定應急飄降程序設計的基礎參數(shù)；二是確認樣本飛機可執(zhí)行“成都/雙流—北京/首都”臨時航線，完成應急飄降程序的設計和優(yōu)化；三是定義合理、高效、易操作的機組操作程序。

4.1 問題提出

2021年10月5日，受航路惡劣天氣的影響，飛越航路點AGULU(經(jīng)度：107.113 1，緯度：32.154 3)去往武漢飛行情報區(qū)、上海飛行情報區(qū)、北京飛行情報區(qū)和沈陽飛行情報區(qū)的航班落地間隔60 000 m一架次。經(jīng)放行評估發(fā)現(xiàn)：從雙流機場飛往首都機場的航班延誤時間超過90 min，放行簽派員決定申請使用臨時航線執(zhí)行航班飛行任務。從表1可知，“成都/雙流—北京/首都”臨時航線在B330航路上“OMBON-XIXAN”航段的最低安全高超過4 300 m，屬于高原航線，應按照規(guī)章要求完成發(fā)動機失效應急飄降程序設計。

4.2 基礎數(shù)據(jù)確定

課題組首先結(jié)合表1數(shù)據(jù)得到“成都/雙流—北京/首都”臨時航線的保護區(qū)示意圖，見圖4，并完成最低安全高度剖面的制作，見圖5，最終分析得到“成都/雙流—北京/首都”臨時航線高原航段部分的最低安全高度剖面，見圖6。依據(jù)國際標準大氣條件(International Standard Atmosphere，簡稱：ISA)并結(jié)合近10年 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線的風溫有效數(shù)據(jù)，飛往雙流機場方向設置為頂風100 kt。因近10年雙流機場飛往首都機場方向為不超過10 kt的順風，為提高安全裕度，研究定義為靜風，外界溫度設定為ISA+5，飛機引氣設定在“關閉”位。經(jīng)過簽派放行系統(tǒng)的模擬計算得出：空中客車A321-232飛機從雙流機場飛抵OMBON點消耗燃油大約2 600 kg，飛抵XIXAN點消耗燃油大約3 700 kg，得出飛機在高原航段出現(xiàn)發(fā)動機失效后飛機重量在86 400～85 300 kg之間，為提高應急程序設計的安全裕度，將飛機失效時飛機重量設定為85 000 kg。

圖4 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線保護區(qū)示意圖

圖5 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線最低安全高度剖面

圖6 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線高原航段最低安全高度剖面

4.3 一發(fā)失效應急飄降程序設計

課題組結(jié)合“成都/雙流—北京/首都”臨時航線的最低安全高度剖面，參考表1數(shù)據(jù)，通過對飛行高度、航路高空風、航路溫度和失效點飛機重量等數(shù)據(jù)的計算，兼顧空調(diào)和防冰系統(tǒng)的工作狀態(tài)等條件確定出“成都/雙流—北京/首都”臨時航線單發(fā)應急飄降凈航跡，在航跡上確定出關鍵點A和關鍵點B，分析關鍵點與PNR的關系，其中關鍵點A是樣本飛機在“成都/雙流-PNR”航線上發(fā)動機一發(fā)失效后在飛回雙流機場方向時盡快在雙流機場著陸的臨界點，關鍵點B是樣本飛機在“PNR-XIXAN”時盡快在樣本飛機凈航跡正好能夠滿足越障的要求后飛往計劃的改航機場著陸的臨界點。經(jīng)過計算可知，關鍵點A點位于BOKIR南邊14 Nm，關鍵點B位于ELPAN南邊27 Nm，見圖7。

圖7 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線應急飄降程序關鍵點A、關鍵點B示意圖

從示意圖可知，當飛機在關鍵點A以后一發(fā)失效，飛行員立即駕駛飛機沿航路飛往蘭州/中川機場(IATA代碼：LHW，ICAO代碼：ZLLL，簡稱：蘭州機場)，或視飛機剩余燃油情況選擇沿航路飛往銀川/河東機場(IATA代碼：INC，ICAO代碼：ZLIC，簡稱：銀川機場)并著陸。當飛機在關鍵點B以前一發(fā)失效，可掉頭返回雙流機場，關鍵點A和關鍵點B之間任意一點發(fā)生一發(fā)失效，飛行員均可駕駛飛機前往改航的蘭州機場、銀川機場或者掉頭返回雙流機場。

5 研究結(jié)論和展望

5.1 研究結(jié)論

本文以空中客車A321-232飛機為樣本機，完成 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線發(fā)動機失效應急飄降程序的設計，因“成都/雙流—北京/首都”臨時航線的“OMBON-XIXAN”高原航段部分的航程約175 Nm，距離較短，空中客車A321-232在該航段的空中飛行時間僅20 min，且高原航段距離雙流機場的飛行時間也不足60 min，所以關鍵點A和關鍵點B中間任意一點均可作為“成都/雙流—北京/首都”臨時航線一發(fā)失效應急飄降決斷點，最終，本文將OMBON確定為“成都/雙流—北京/首都”臨時航線應急飄降決斷點，見圖8，確定決斷點后，課題組進行應急飄降程序優(yōu)化并完成機組操作示意圖，供機組和飛行簽派員在特情出現(xiàn)后使用，見圖9。

研究可知：1)當飛機在雙流機場起飛“OMBON-XIXAN”航段前任意一點發(fā)生發(fā)動機失效特情，飛行員應立即沿原航路視機型和飛機機載剩余燃油情況選擇飛往雙流機場并盡快著陸，考慮到雙流機場冬季出現(xiàn)大霧和夏季出現(xiàn)雷暴的概率較高[13-14]，課題組建議將雙流機場附近的成都/天府機場(IATA代碼：TFU，ICAO代碼：ZUTF，簡稱：天府機場)、綿陽/南郊機場(IATA代碼：MIG，ICAO代碼：ZUMY，簡稱：雙流機場)或廣元/盤龍機場(IATA代碼：GYS，ICAO代碼：ZUGU，簡稱：廣元機場)也作為緊急情況下的可用機場供機組選擇。2)當飛機在雙流機場起飛在“OMBON-XIXAN”航段間任意一點發(fā)生發(fā)動機失效特情，飛行員應立即沿航路飛往蘭州機場；或視機型和飛機機載剩余燃油情況選擇沿航路飛往銀川機場。3)當飛機在雙流機場起飛飛離“OMBON-XIXAN”航段后，飛機已經(jīng)飛離航線的高原航段，如發(fā)生發(fā)動機失效特情，飛行員按照空中客車A321的機型需求完成應急飄降操作即可。

按照設計的發(fā)動機失效應急飄降程序結(jié)合課題組前期對該航線客艙釋壓緊急下降程序的設計，從雙流機場飛往首都機場以及當天部分由西南區(qū)域經(jīng)機場起飛由AGULU點飛往華北區(qū)域機場的航班都可以改飛B330航路執(zhí)行，可避開因天氣原因形成流量控制而造成的延誤，而且飛機在空中的飛行時間相差不大，完全可以保證相關航班的安全飛行和正常運行。

圖8 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線應急飄降程序決斷點示意圖

圖9 “成都/雙流—北京/首都”臨時航線應急飄降程序機組操作示意圖

5.2 課題展望

隨著我國交通運輸業(yè)的高速發(fā)展，可以預見“十四五”期間我國民航將再次迎來高速發(fā)展的春天，結(jié)合我國空域開放的穩(wěn)步推進，涉及航路優(yōu)選的情況會越來越多，而我國超過三分之一的國土都屬于高山或者丘陵地區(qū)，同樣需要結(jié)合飛機性能特點完成高原航線應急程序的設計和優(yōu)化，接下來，課題組將在本研究的基礎上，完成國內(nèi)地形特點的總結(jié)和梳理，根據(jù)飛機供氧時間和航線所含高原航段距離長短，形成一套通用的發(fā)動機失效應急飄降和客艙釋壓緊急下降程序的設計方法，提升航班運行控制工作的效率，對民航事業(yè)的快速發(fā)展具有一定的促進意義。