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作者简介:

苏翼,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:民用飞机试飞技术研究。E-mail:suyi@comac.cc;

袁睿坤,男,硕士,助理工程师。主要研究方向:民用飞机运行控制技术与签派技术研究。E-mail:yuanruikun@comac.cc

通讯作者:

苏翼,E-mail:suyi@comac.cc

中图分类号:TP391.99,V212.1

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.03.013

参考文献 1
中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.
参考文献 2
中国民用航空总局.一般运行和飞行规则:CCAR-91-R2[S].北京:中国民用航空总局,2007.
参考文献 3
国际民用航空组织.空中航行服务程序:航空器运行第II卷目视和仪表飞行程序设计[S].蒙特利尔:国际民用航空组织,2014.
参考文献 4
王超.飞行程序运行评估的理论方法及仿真应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.
参考文献 5
管伟.民航空管DVOR/DME导航台信号覆盖与飞行程序综合分析及应用研究[D].成都:电子科技大学,2011.
参考文献 6
舒中平.机场终端区目视飞行程序及辅助设计研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2017.
参考文献 7
宋健.特殊机场RNP AR程序设计及实例分析研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2014.
参考文献 8
叶胡丹.基于ArcObjects的飞行程序保护区自动生成系统[D].大连:大连理工大学,2014.
参考文献 9
欧阳霆.基于GPS的通用航空飞行方法研究与飞行程序设计[D].成都:电子科技大学,2009.
参考文献 10
张萌.GNSS计算机辅助飞行程序设计与验证[D].成都:电子科技大学,2010.
目录contents

    摘要

    起飞推力限制参数验证试飞(lapse-rate take off,简称LRTO)是飞机高高原动力试飞的核心科目之一。该科目在高高原试飞时,需要在高高原机场的最低安全高度(minimum safety altitude,简称MSA)以下飞行。针对高高原起飞推力限制参数验证试飞的飞行航迹设计进行了研究。介绍了扇区最低安全高度的定义和CCAR91部对低高度飞行的适用条款。阐述了航迹设计的基本要求,包括保护区的定义和要求、航迹精度的构成。详细描述了低于扇区最低安全高度飞行航迹的设计方法,包括试飞区域地形数据的获取、航迹绘制的经验总结、航迹的性能校核、模拟机校核和真机飞行时的逐步逼近。以稻城亚丁机场为例介绍了设计完成的飞行航迹在稻城机场应用的情况,包括航迹在实际应用中的超障余度和应用时的气象要求。

    Abstract

    LRTO(lapse-rate take off) is one of the most important subjects of engine flight test on high elevation airport. It requires applicant to fly below MSA(minimum safety altitude) when conduct LRTO flight test on high elevation airport. This paper mainly focuses on the flight track design of LRTO on high elevation airport. The first part introduced the definition of MSA and the applicable provision of part CCAR91. The second part described the basic requirements of the track design, including the definition of protection zone and accuracy of flight track. The third part focused on all details of track design and check methods, including the acquisition of terrain data in flight test area, the experience summary of track drawing, the performance verification of flight track, the verification of simulator and the gradual approach of real aircraft in flight test. At last, taking Daocheng Yading airport as an example,the application of the flight track of LRTO at DCY airport was introduced, including obstacle clearance and meteorological requirements.

  • 0 引言

  • 起飞推力限制参数验证(简称LRTO)科目要求在场高加一定高度(通常低于3 000ft)保持平飞10min,这一要求在平原机场不会成为一个问题。但是在高高原机场,则可能成为制约科目实施的大问题。高高原机场往往处于山区,周围地形复杂,扇区最低安全高度(简称MSA)较高,甚至大于LRTO要求的高度,此时按照正常流程,无法执行起飞推力限制参数验证试飞。为了在高高原安全的执行LRTO试飞,需要找到安全、合规的在MSA以下飞行的方法,即找到一条超障裕度良好的飞行航迹。

  • 1 MSA

  • MSA是以机场无线电导航设施为中心,半径为46km(25nm)的扇形区内对所有障碍物提供一定超障余度的最低高度。每个扇区最低高度的计算:

  • 1)取该扇区内最高的标高;

  • 2)加上至少300m(984ft)超障余度;

  • 3)所得数值以50m(100ft)向上取整。

  • 4)在山区飞行时,最小超障余度最多可以增加300m(984ft)。

  • 若要在MSA以下飞行,需要参考CCAR91部中的相关规定,CCAR91部117条、119条、153条、155条、157条、159条中对低高度的飞行和目视飞行规则提出了要求,对于发有特许飞行证的民用航空器可以按照飞行手册的要求和相关试验要求进行飞行,但是对于这类特殊的飞行,其飞行方法需要得到相关管制的许可。

  • 2 程序设计的基本原则

  • 对于一般飞行程序的设计,一般参考国际民用航空组织(简称ICAO)附件《航空器运行》的各项设计原则。该程序中部分基本要求也适用于本文论述的试飞航迹的设计:

  • 1) 保持设计的所有程序尽量简单;

  • 2) 尽可能地设计区域导航(regional area navigation,简称RNAV)程序而不是传统程序;

  • 3) 避免使用重复航段,如一个既是标准进场路线(standard terminal arrival route,简称STAR)一部分又是进近一部分的航段;

  • 4) 转弯小于30 °时,避免使用与甚高频全向信标(very high frequency omnidirectional radio range,简称VOR)径向线相交叉的航向航段。

  • 2.1 程序设计的基本原则

  • 对于每个设计的程序,其实就是按照一个既定的航迹飞行,但是由于导航精度和飞行误差的原因,每个航迹都需要设计相应的保护区,航迹的保护区可由主区和副区构成,主区和副区的区别主要为提供不同程度的超障余度,如图1所示。

  • 图1 保护区主区和副区

  • 有时候,设计的程序没有副区,那样保护区就需要提供全超障余度。如果设计了副区,则不需要在所有保护区范围内提供全超障余度,副区的超障余度可以线性减小到零,这也就意味着可以降低整个保护区的超障余度,获得更高的实用性,故如果在地形较为复杂的地区,或者繁忙地区,为了减少保护区的大小、细化超障要求,一般设计的航迹都有副区,如图2所示。

  • 图2 副区超障余度

  • 副区的最低超障余度是通过从副区的两个边界线性插值得到的,其公式为:

  • MOCSY = MOCP ×(1-Y/WS)
    (1)
  • 其中,MOCP为主区的超障余度;MOCSY为副区某个点的超障余度;WS为副区的宽度;Y为障碍物和主区边界的距离。

  • 相比于直线飞行,飞机在转弯时的保护区设计更加复杂,其保护区与飞机的转弯半径、飞机高度、指示空速、风、坡度角、飞行技术容差、滚转率(到达目标坡度的时间)、飞行员的反应时间等因素都息息相关。

  • 转弯区的保护区分为内外边界。内边界设计可分为在指定高度转弯或在指定转弯点转弯。外边界设计一般可采用风螺旋线法或者画边界圆弧法。转弯内边界参考示意图如图3所示,转弯外边界参考示意图如图4所示。

  • 图3 转弯内边界

  • 图4 转弯外边界

  • 2.2 航迹精度

  • 航迹精度衡量实际飞行航迹相对于理论设计航迹的偏差。该偏差主要由导航系统定位误差、飞行技术误差构成。保护区本质上是为了保证在一定航迹误差水平下的超障安全。如果飞机导航系统没有定位误差,飞行管理计算机探测计算的环境风和高度也没有误差,飞机执行飞行引导也不存在任何误差,那么飞机飞行航迹可以与理论设计航迹完全重合,保护区仅需要大于飞机翼展即可保证安全。传统无线电导航与新型的RNAV、所需导航性能(required navigation performance,简称RNP)等相比误差较大,使用精度更高的导航方式可以减小保护区大小,提高LRTO航迹设计的灵活性与可执行性。

  • 有的飞机具有固定半径转弯(Radius to Fix,简称RF)能力,具有该能力的飞机可以精确地追踪给定航迹。对于这种飞机,保护区可以进一步缩小,航迹设计的灵活性与可执行性可大大提升。

  • 3 低于扇区最低安全高度飞行航迹设计方法

  • 对于LRTO及其他要求低于扇区最低安全高度飞行的科目,为了确保科目可行性,同时保证飞行安全,需要在飞行区域内找到一条相对干净的航迹,使得在该航迹和航迹容差的保护区有足够的超障余度。

  • 为了找到这样一条干净的航迹,需要进行一系列科学的飞行航迹设计、验证和飞行逼近。

  • 首先,必须详细了解试飞区域的地形、地貌和详细的标高数据,包括等高线等参数。

  • 随后,根据获得的高精度地形数据,寻找地形较为平坦的航迹,绘制该航迹,并充分考虑航迹两侧保护区宽度。航迹的绘制需要以经纬度坐标为定位点或者VOR径向线、距离测量设备(distance measuring equipment,简称DME)距离为定位点。此外,为了确保航迹的可实施性,在航迹设计时需要充分考虑管制区,尽量避免一个飞行航迹需要跨多个管制区,管制区的交接将大大增加实际试飞中的协调难度,在管制权交接时还容易发生信息失真,造成安全隐患。另外一个涉及空地协同的注意事项,是航迹设计的定位点推荐按照RNP程序的命名方式命名,避免使用VOR径向线和DME距离命名的传统导航方式,以免飞行时空地沟通位置不畅。

  • 除了上述的常规设计方法外,也可充分借鉴航空公司起飞后一发失效程序的航迹,一般来说,起飞一发失效程序的航迹周围的超障余度比较良好,但是有时候航空公司为了保证起飞一发失效程序与标准进近、离场程序的一致性,并未选择超障余度最佳的航迹。另外,一发失效程序飞行速度与LRTO科目飞行速度差异很大,应特别注意校核转弯保护区。

  • 航迹绘制成功后需要根据飞机性能进行详细性能校核,确保飞机在爬升、平飞、下降、转弯等工况下可以良好地保持在航迹和航迹保护区内,该性能检查不仅要考虑正常情况,还应考虑各种非正常情况,如发动机出现单发,也要确保能按照该航迹爬升至安全高度。在性能校核后应根据性能校核的结果对航迹初稿进行二次迭代。

  • 若条件允许,可利用带地形数据库的全动模拟机对经过二次迭代后的飞行航迹进行二次校核,该校核需要考虑使用自动驾驶仪和人工飞行两种情况,此轮校核主要为了检查航迹的保持能力、可重复性和考虑飞行技术误差后是否会超过航迹的保护区范围,并叠加相关气象条件(侧风、顺风、紊流等)模拟更真实的环境。

  • 最后,在真实飞行时,同样需要循序渐进,从扇区最低安全高度开始逐渐的下降高度,在首次下降到扇区最低安全高度时,需要确保全程保持目视可见周围的地形,至少一名机组成员全程关注外界地形环境,保证充分的安全裕度。

  • 4 试飞风险和降低措施

  • 常规的LRTO试飞需要试验发动机长时间处于最大推力,另一发则处在较小推力以确保不至于超速,这就导致飞机的试验发动机存在超温、转速超限、喘振等不良工作特性的风险,同时若试验发动机发生失效,导致的不平衡力矩可能导致飞机偏出跑道。

  • 除了这些LRTO的常规风险外,在高高原机场进行试飞,耦合了高高原机场净空条件差、飞机性能衰减、天气多变等因素,将明显加大试验的风险,增加风险发生的概率。

  • 为了降低高高原LRTO试飞的风险,通常有如下措施:

  • 1) 设计合理、净空条件良好的飞行航迹;

  • 2) 充分的模拟机训练,在试飞时逐步逼近;

  • 3) 试飞前完成性能数据计算,包括起飞限重、单发爬升性能等;

  • 4) 机组熟悉单发失效的相关程序;

  • 5) 试飞期间密切监控发动机相关参数;

  • 6) 充分的空地协同,密切关注天气变化;

  • 7) 消防、救援车辆现场待命。

  • 5 实施案例

  • 稻城亚丁机场标高4 411m/14 471ft,位于西南横断山脉群山之中,地形崎岖,是世界上海拔最高的机场。机场扇区最低安全高度为19 000ft,约为场高加4 500ft。需要按照低于扇区最低安全高度飞行的实施办法设计一条飞行航迹,设计后的飞行航迹如图5所示。

  • 图5 转弯外边界

  • 该航迹为起飞以后按照跑道径向线继续飞行到DME距离8n mile,后转弯至205 °径向线归台。归台后按照164 °径向线飞至DME11n mile,接130 °径向线飞至DME14n mile,随后飞至DME30n mile后向台飞行进近着陆。航迹中每个定位点按照先后顺序标注了编号、DME距离和径向线,以确保飞行员和地面管制、监控人员对飞机位置的沟通清晰、准确。

  • 程序设计完成后进行了性能校核、模拟机验证等步骤,实际用于某机型在稻城机场的试飞。某型飞机在实际试飞前进行了逐步逼近,从场高19 000ft开始熟悉地形地貌,建立机组信心,随后逐步下降,整个飞行过程中要求气象为场高加3 000ft以下疏云,无降水、结冰、中度以上颠簸等不利天气。经实际飞行验证,该航迹满足了飞机按场高加3 000ft飞行时至少超障600m,符合山区飞行的超障要求。

  • 6 结论

  • 新型号飞机若需要进行高高原LRTO试飞,则可按照本文的航迹设计方法绘制一条低于高高原MSA、但仍具有足够超障余度的飞行航迹,以便安全、高效地完成LRTO试飞科目。

  • 参考文献

    • [1] 中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.

    • [2] 中国民用航空总局.一般运行和飞行规则:CCAR-91-R2[S].北京:中国民用航空总局,2007.

    • [3] 国际民用航空组织.空中航行服务程序:航空器运行第II卷目视和仪表飞行程序设计[S].蒙特利尔:国际民用航空组织,2014.

    • [4] 王超.飞行程序运行评估的理论方法及仿真应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

    • [5] 管伟.民航空管DVOR/DME导航台信号覆盖与飞行程序综合分析及应用研究[D].成都:电子科技大学,2011.

    • [6] 舒中平.机场终端区目视飞行程序及辅助设计研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2017.

    • [7] 宋健.特殊机场RNP AR程序设计及实例分析研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2014.

    • [8] 叶胡丹.基于ArcObjects的飞行程序保护区自动生成系统[D].大连:大连理工大学,2014.

    • [9] 欧阳霆.基于GPS的通用航空飞行方法研究与飞行程序设计[D].成都:电子科技大学,2009.

    • [10] 张萌.GNSS计算机辅助飞行程序设计与验证[D].成都:电子科技大学,2010.

  • 参考文献

    • [1] 中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.

    • [2] 中国民用航空总局.一般运行和飞行规则:CCAR-91-R2[S].北京:中国民用航空总局,2007.

    • [3] 国际民用航空组织.空中航行服务程序:航空器运行第II卷目视和仪表飞行程序设计[S].蒙特利尔:国际民用航空组织,2014.

    • [4] 王超.飞行程序运行评估的理论方法及仿真应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

    • [5] 管伟.民航空管DVOR/DME导航台信号覆盖与飞行程序综合分析及应用研究[D].成都:电子科技大学,2011.

    • [6] 舒中平.机场终端区目视飞行程序及辅助设计研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2017.

    • [7] 宋健.特殊机场RNP AR程序设计及实例分析研究[D].广汉:中国民用航空飞行学院,2014.

    • [8] 叶胡丹.基于ArcObjects的飞行程序保护区自动生成系统[D].大连:大连理工大学,2014.

    • [9] 欧阳霆.基于GPS的通用航空飞行方法研究与飞行程序设计[D].成都:电子科技大学,2009.

    • [10] 张萌.GNSS计算机辅助飞行程序设计与验证[D].成都:电子科技大学,2010.

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