低空風切變下UPRT特點研究

孫 宏，王 靜，王 東，王 迪

（1.中國民用航空飛行學院民航飛行技術與飛行安全科研基地，廣漢 618307；2.湖南航空股份有限公司飛行部，長沙 650000）

0 引言

風切變表現為風速在水平和垂直方向突然變化的大氣現象。遭遇風切變時飛機的空速、升降速率等參數會發生突然性的變化，對飛機操縱和姿態控制帶來極大困難，甚至可能導致事故。尤其是低空風切變是航空界公認的起飛、著陸階段重要的一個危險因素，近年來由于低空風切變導致的航班不安全事件頻繁發生，對飛行安全構成了嚴重的威脅，從表1中統計的近年發生的風切變典型事例可以發現：在實際飛行中，機組處置不當是導致風切變不安全事件頻繁發生的主要原因，尤其是機組對預測式風切變告警信息缺乏足夠的重視和處置決策不及時而致使飛機進入風切變區域，同時，也說明加強機組風切變處置訓練的重要性。風切變處置訓練是一種典型的復雜狀態預防與改出訓練（upset prevention and recovery training，UPRT），按照FAA和ICAO對UPRT的要求，加強機組對風切變處置的識別與訓練對于保障飛行安全具有很重要的意義。本文將主要針對風切變對飛行的影響，分析風切變改出程序及訓練方法的特點。

表1 近5年發生的典型風切變事例匯總

1 風切變及對飛行的影響

低空風切變是指出現在600 m以下的風矢量（風向、風速）水平和（或）垂直方向上的急劇變化現象，通常在強對流天氣、鋒面系統、輻射逆溫、地形地物等天氣背景和地理條件下產生。航空氣象學中，根據飛機運動相對于風矢量之間的各種不同情況，把風切變分為順風切變、逆風切變、側風切變、垂直風切變四種類型，不同類型風切變對飛行影響的嚴重程度不同，以下主要對飛機在起飛爬升或進近著陸過程中遭遇風切變的情況進行分析。

首先是順風切變。遭遇順風切變的典型特征是空速突然降低、飛機因升力減小而掉高度，起飛滑跑時則表現為增速緩慢無法離地。若高度較高，飛機經過切變線后雖然會顯著損失高度但機組仍有機會采取處置程序改出；若高度較低，則機組將可能來不及采取處置而發生墜毀或者在跑道外提前觸地。其次是逆風切變。會導致飛機因空速突然增加升力增大而脫離正常的爬升或下滑路徑，特別是飛機在著陸階段通過逆風切變區域時飛行員將面對如何消耗飛機過高的高度或者大速度的問題。第三是側向風切變。會導致飛機產生側滑、帶坡度繼而偏離原來預定航跡，在著陸階段很容易致使飛機帶坡度和偏流著地甚至沖出跑道。最后是所有風切變中最危險的垂直風切。特別是猝發性、強度大的微下沖氣流，飛機會驟然非正常的下沉偏離原有航跡甚至直接被拍在地上。

2 風切變條件下UPRT處置程序

2.1 反應式風切變處置原則與程序

由飛機飛行增穩計算機（flight augmentation computer，FAC）通過其他系統信號來源判斷出而檢測出來的真實存在的風切變稱為反應式風切變（reactive wind-shear，簡稱RWS）。遭遇反應式風切變表明飛機已進入風切變區域。機組可通過以下三種方法識別反應式風切變：①滑跑前，機組通過外部信息（雷雨天氣，大風，前機報告，管制通報等）來預先識別，提高警惕。②在FAC不提供風切變探測功能的起飛滑跑和低空階段，機組通過觀察風向風速（順風增加），空速（增速緩慢，停滯，甚至減?。?，升降率的顯著變化特征來識別。③在FAC提供風切變探測功能飛行階段，機組須通過機載航電系統發布進入風切變的預警信息來識別。因此，飛行員應時刻關注機載航電系統告警，若一旦觸發RWS預警須立即大聲向機組成員喊話、啟動RWS處置程序。以下分別對起飛滑跑、起飛離地后、進近著陸三個階段遭遇風切變的技術處置原則和程序分析說明。

2.1.1 反應式風切變的處置原則

起飛滑跑階段，風切變處置原則（圖1）。

圖1 起飛滑跑階段反應式風切變的處置原則

①前：中斷起飛，通?？梢栽谂艿纼韧Ｗ★w機。但在決斷前，機組須應通過評估“是否具有足夠剩余跑道”判別執行中斷起飛的安全性。若判斷剩余跑道不足以停下飛機時，則必須繼續起飛以避免飛機沖出跑道。②后：通常是V時抬輪，執行繼續起飛。但當遇到“剩余的跑道不足于加速到正常起飛速度，也不足于實施中斷起飛”的特殊的情況下，飛行員可能需要低于V抬輪以最大程度保證飛機的安全。

起飛離地后和進近著陸階段遭遇RWS的處置原則為：①果斷設定TOGA（Take Off/Go Around）推力，以確保飛機性能。②保持當前構型直至風切變改出。③按需調整俯仰姿態。

2.1.2 反應式風切變的處置程序

各機型的風切變處置程序不盡相同，但都是以記憶項目形式給出的風切變處置程序，因此要求機組準確記憶理解風切變處置程序內容（圖2）。

圖2 A320機型反應式風切變記憶項目

以A320機型為例，反應式風切變的工作范圍：起飛離地后3秒到1300 ft RA（ratio alti?tude）；進近階段為1300ft RA到50ft RA。告警方 式 為PFD（primary flight display）上 的 紅 色“WINDSHEAR”標 志 和“WINDSHEAR，WINDSHEAR，WINDSHEAR”語音警告。

若在之前確認飛機遭遇風切變，機組應立即實施中斷起飛；與此同時，機組應充分意識到較之正常起飛過程，風切變將可能導致飛機加速達到需要很長的時間和滑跑距離，因此機長應謹慎評估是否有足夠的剩余跑道來停住飛機以供中斷。根據局方咨詢通告AC要求，當剩余跑道不足時，機組必須在風切變條件下繼續起飛：①設置推力TOGA，以獲得最大的加速。②距跑道末端600 m（2000 ft）之前抬輪。③較正常以起飛更大的姿態離地；若在之后確認飛機遭遇風切變，機組須在風切變下執行繼續起飛，設置TOGA推力，在時抬輪，并跟隨SRS（speed reference system）指引；若剩下的跑道不足于加速到正常起飛速度，飛行員可能最遲需要在距跑道末端600 m（2000 ft）且空速低于V的情形下冒著擦機尾風險抬輪以安全離地。起飛階段，SRS提供的指引確保了：①飛機在正常發動機形態下的可保持的目標速度為（+10 kt），或在一臺發動機失效形態下可保持最大不超過+15 kt的速度。②沿當前航跡繼續飛行。③減小飛機抬頭的姿態保護。④提供了最小上升率為120 ft/min的飛行航徑角保護。

在離地之后觸發RWS警告，機組應立即使用TOGA推力并保持當前構型以最大限度減小風切變造成的飛機高度和速度損失。若AP（Auto-Pilot）接通，應跟隨SRS指引。復飛階段，SRS提供的俯仰引導確保了：①飛機管理目標速度保持為復飛接通時刻的速度或；②飛機在正常發動機形態下以不超過+25 kt，或一臺發動機失效形態下以不超過+15 kt的速度沿當前航跡繼續飛行。若AP斷開且FD不可用，則起始保持17.5°姿態，然后根據需要調整。因為改變構型在很大程度上會影響飛機當前的性能或者導致飛機進入超速狀態，因此在脫離風切變前不得改變構型（縫翼/襟翼、起落架）。如飛機繼續掉高度，機組可以通過按需向后帶桿到底的方式增加俯仰姿態、減小高度損失。嚴密監控飛行軌跡和速度，脫離風切變后柔和恢復至正常航跡。

2.2 預測式風切變處置原則與程序

起飛著陸階段，機載前視氣象雷達對飛機前方一定范圍內風場發射相干脈沖，通過估計回波信號平均多普勒頻率的方法探測的潛在風切變，稱之為預測式風切變（predictive windshear，簡稱PWS）。而受地波影響，機載前視氣象雷達在起降階段進行風切變檢測時易引發風切變虛假警告。因此，要求機組仔細評估風險，對預式風切變警告PWS的真實性進行判斷，并按照不同階段預測式風切變處置原則對警告進行程序處置。

2.2.1 預測式風切變處置原則

在起飛前、起飛滑跑或著陸過程中，機組確認PWS警告，應立即執行相應合理的決策（推遲起飛，更換跑道，中斷起飛，終止進近，復飛等）和啟動預測式風切變程序以規避飛機進入風切變區域；

2.2.2 預測式風切變處置程序

對于各個機型的PWS的處置程序亦不盡相同，仍以A320為例（見圖3）。

圖3 A320機型預測式風切變記憶項目

A320的PWS警告只在地面低于100 kt的空速或50 ft RA至1200/1500 ft RA（根據構型）之間觸發。因此在起飛、著陸階段，機組根據PFD（primary flight display）顯示的信息、ND（naviga?tion display）顯示風切變圖標、以及音頻警告確認PWS警告觸發等級，仔細判斷是否有風險。且可通過同時滿足：①沒有其他可能發生風切變的跡象。②反應式風切變在工作的條件；排除虛PWS假警告

PWS告警處置程序與RWS告警處置程序的不同體現在：①在起飛前若觸發PWS警告，機組應該延遲起飛或選擇最有利的跑道起飛。②在起飛滑跑過程中只要觸發PWS警告應執行中斷起飛。③進近或著陸階段觸發PWS警告，應執行復飛，避免飛機因高度過低無法改出。④起飛升空后若觸發PWS警告，除了推力設置、SRS指令跟隨外，在飛機沒有進入風切變的前提下可通過改變縫翼/襟翼提高飛機性能對抗風切變對飛機的影響。

3 風切變下UPRT的訓練

3.1 訓練的要點

風切變是一種致使飛機進入復雜狀態的典型天氣現象，因此風切變處置能力的訓練科目是飛行員UPRT訓練的重要內容。根據飛行員培訓大綱其培訓分為理論知識和模擬機訓練兩個方面。①理論基礎部分。飛行員需通過理論知識的學習，重點掌握風切變的典型氣象特征和飛行參數（空速、高度、升降率）變化特點，結合飛行原理知識正確理解風切變對飛機性能影響特點、飛機能量管理要求，熟練掌握風切變下的典型特征與處置程序。②要加強模擬機訓練。重點是機組工作負荷管理、駕駛艙資源管理（CRM）、知識儲備與理解、飛行航跡管理能力等四個方面，尤其是要防止因工作負荷管理不當而觸發超限警告。根據對我院模擬中心15組（共計30名）ACPC（airline copilot preparatory course）飛行學員風切變科目訓練中處置失敗案例的研究與統計分析（表2）也證實了這一點。

通過風切變處置失敗的原因分析（表2），明確了風切變下的UPRT訓練重點：①加強學員控制飛機姿態的操縱能力實現有效的飛行航跡管理，保證飛機不出現超限事件。②加強駕駛艙資源管理。機組在能夠感知和理解所有相關風速、風向、升降率、高度等的前提下，準確預見將要發生的事情或影響運行的事情并在風切變情況下，能利用口頭，肢體語言和書面的方式進行高效的溝通和交流，運行正確適當的決策流程，以避免出現決斷過遲或不恰當的決斷。③加強工作負荷管理，起飛或著陸階段能有限管理時間，認真仔細、平靜放松，按優先級安排任務和監控儀表搜尋準確和充分空速、高度、升降率等信息，保證在高工作負荷的起飛或著陸階段及時識別風切變。④加強學員對風切變處置程序的記憶與理解。

表2 風切變處置失敗原因分析統計

3.2 訓練效果評估

結合中飛院的A320機型ACPC訓練課程對風切變改出訓練效果進行評估。根據320機型飛行員培訓大綱要求14課訓練中安排了起落航線階段的風切變處置科目訓練共計8～10次分為四個階段，每個階段設置2～3次風切變場景。圖4的風切變處置成功率統計曲線反映了學員風切變處置能力成長的過程，通過訓練學員對于風氣變處置成功率從初期的13%提高到90%以上，且當學員成功處置率達到87%時（在第二階段訓練結束之后）表明學員基本掌握風切變處置技能。

圖4 30名飛行學員風切變成功處置率統計曲線

4 結語

本文在初步對風切變的成因、風切變下條件下典型的氣象與飛行參數特征、風切變的處置程序操縱特征進行了簡要的總結與分析的基礎上，對風切變下UPRT的訓練要點與評價做了深入的總結分析。通過分析我們發現：風切變下的UPRT訓練對于提高學員處置能力來講是非常必要，風切變UPRT訓練的重點是學員控制飛機姿態的操縱能力、駕駛艙資源管理尤其是及時正確的處置決策、工作負荷管理、風切變處置程序的記憶與理解。關于如何對訓練的質量進行量化評價、改進訓練方法提高培訓質量和效率，尤其是如何在訓練中基于EBT（evidencebased training，EBT）訓練思想優化訓練程序、提升學員處置此類復雜狀態事件的核心勝任能力是今后有待研究的課題。