高原航線發動機失效應急飄降程序設計研究

張 序 ， 郝 帥 ， 楊臻? ， 何 峻

（1. 中國國際航空股份有限公司 運行控制中心西南運行分控中心，成都 610225；2. 中國國際航空股份有限公司西南分公司，成都 610225）

0 引言

近年來，我國多個高原機場投入使用，多條高原航線順利開航，高原飛行的安全記錄不斷被打破。先進機型的投入、飛機多項適航性改裝、優秀機組資源配置和精密導航技術實施都為提升高原航線安全運行水平助力，也為民族團結和邊遠地區經濟發展做出了積極貢獻。

發動機失效是飛行的災難，尤其是在山區飛行時，輕則發生航空不安全事件，重則機毀人亡。因此設計有效且機組易操作的發動機失效后應急飄降程序是一項重點課題。目前，發動機失效后飄降程序的設計常采用空中客車公司Performance Engineer’s Programs軟件或波音公司Performance Engineering Tool軟件完成。近些年來，眾多民航學者展開針對飛機出現發動機失效特情的研究。研究認為，對于飛機來說，發動機失效是非常嚴重的安全威脅，若處置不好，可能導致機毀人亡[1]。如果在高空巡航時出現發動機失效，飛機必須下降至一個更低的、空氣密度更大的飛行高度[2]，應根據地形設計發動機失效后緊急下降的應急飄降程序[3]。但受高原地區航路地形因素的限制，航路上可使用的備降場偏少，高原航線應急飄降程序設計難度較大[4]。結合不同機型運行環境和適應能力的差別，發動機失效應急飄降程序應針對機型、機場和進離場程序的差異分別展開[5]，達到機場適航性匹配和航線適航性匹配的目的[6]。發動機失效應急飄降程序設計過程應首先對航路地形特點與障礙物剖面進行分析，再結合航線地面障礙物限制的凈航跡完成研究。這些應急程序具備民航規章符合性并滿足民航局的監管標準和要求，也為航空公司日常飛行和民航院校訓練飛行中提供飛行應急預案打下堅實的基礎[7]。梳理發現，這些研究所涉及高原航線的航程都偏短，課題組結合前期研究成果，選取“日喀則/和平—北京/首都”航線為研究樣本，結合飛機發動機失效后應急飄降機理，分析飛機飄降程序設計的影響因素，設計空中客車A319-115在巡航時發生1臺發動機失效后的應急飄降程序，優化得到便于機組操作的步驟，達到長航程高原航線安全飛行目的。

1 研究樣本

空中客車A319-115飛機，飛機機尾號為B-6479。依據飛機三視圖[8]可知，飛機加裝鯊鰭小翼，翼展35.48 m，水平尾翼翼展12.45 m，飛機機身長度（至尾錐）33.84 m，機身寬度3.95 m。飛機安裝2臺CFM56-5B7/P發動機，完成發動機執行高原航線的相關改裝，發動機推力等級27K。飛機裝有6個氧氣瓶，儲存了供客艙所有旅客在緊急情況下58min持續使用的氧氣。飛機共有5個油箱，總容積為23 860 L，能注入18.968 t燃油（燃油密度為0.795 kg/L）。樣本航線由日喀則/和平機場（IATA代碼為RKZ，ICAO代碼為ZURK，簡稱“日喀則機場”）飛往北京/首都機場（IATA代碼為PEK，ICAO代碼為ZBAA，簡稱“首都機場”），飛行航路為ZURK DCT RKZ B345 LXA W500 TAPUN Z3 YUS Z1 XNN H15 DNC W211 ZWX W219 YHD W217 VIKON W72 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，航線總距離2817 km，空中飛行時間約240 min。根據規定[9]，該航線屬于高原航線。

2 研究方法

完成高原航線飛機巡航時1臺發動機失效應急飄降程序的設計基于多項民航局規章展開[10-15]。這些規章對渦輪發動機為動力飛機的航路使用提出需求，要求飛機的航路凈飛行航跡數據在預定航跡上，同時應急飄降程序所涉及的機場滿足故障規定的要求，對飛機巡航時與地面最高障礙物的高度距離要求也作出規定。在《飛機航線運營應進行的飛機性能分析》（AC-121FS-006）中還明確要求，如果飛機使用較大重量在障礙物較多的特殊機場起飛，除應急程序的制定外，還應結合地形走勢判斷飛機能否安全越障。所以制作飛機巡航時1臺發動機失效后應急飄降程序是基于民航行業規章、航空器適航需求和航空公司手冊要求下的安全保障程序。

“日喀則/和平—北京/首都”航線上影響飛行安全的障礙物較多，根據空中客車A319-115飛機《飛行機組操作手冊》（Flight Crew Operations Manual，FCOM）的規定，該機型推薦的飄降程序有標準策略和越障策略為：當飛機航路巡航發生1臺發動機失效后，如果不存在地形障礙物的影響，飛行員應采用標準策略完成飄降操作，為確保飛機在穩定的風轉發動機重新點火的空中包線范圍內。具體操作為：

1）設置速度目標。馬赫數M為0.78/300 kt。

2）設置高度目標。將顯示在空中客車多功能顯示組件進步頁面（Progress Page on Multipurpose Control and Display Unit，MCDU PROG）的巡航高度設置為“推薦的最大的1臺發動機失效巡航高度”（Recommend FMC Engine Out Maximum，REC MAX EO），該高度是飛行員設置飛機機翼、發動機等部件為“防冰關”工作狀態，在遠程巡航高度使用長巡航狀態（Long Range Cruise，LRC）發動機失效后的最大飛行高度層，當飛行管理計算機（Flight Management Computer，FMC）失效時，飛機快速檢查單（Quick Reference Handbook，QRH）中也有該進程速度時1臺發動機失效的總升限。

3）其他設置。當垂直下降率（Vertical Speed，V/S）低于500 ft/min時應該選擇“V/S-500 ft/min”并接通自動油門（Aircraft Autothrottle，A/THR），在改平高度上，飛行員可以從QRH查出1臺發動機失效情況下的遠程巡航性能數據。

當空中客車A319-115在山區航路巡航中出現發動機失效，因地形影響保持盡可能高的飛行高度時，飛行員應采用越障策略方式完成飄降的操作，具體操作為：

1）設置速度目標：綠點速度。

2）設置高度目標。在發動機失效條件下，MCDU性能巡航頁面顯示飄降升限，其中QRH、FCOM中對應綠點速度時1臺發動機失效總升限。

3）其他其設置。程序與標準策略相似，但因為速度目標現為綠點速度，下降率和角度減?。☉３指叨戎钡剿俣葴p小到綠點速度后開始下降），越障后返回標準策略。

研究過程對溫度、氣壓采用國際標準大氣（International Standard Atmosphere，ISA）條件。當空中客車A319-115巡航發生1臺發動機失效后，飛機能保持平飛的最大飛行高度被定義為飄降凈升限，它受到飛機重量、外界大氣溫度、除防冰系統工作狀態等因素的限制。如飛機重量越重，飛機飄降凈升限越低，飛機的越障能力就越差。隨著外界氣溫的升高，會造成飛機發動機的推力減弱，同樣的重量下，其飄降凈升限更低，飛機對地面障礙物的越障能力也更差，飛機越障能力的評估是飛機采用氣壓高度對應的幾何高度對地形障礙物的高度來確定的[16]。溫度是影響飄降凈升限的主要氣象因素之一，風也會對飄降程序的設計造成影響，雖不影響飛機的飄降凈升限，但航路上的逆風會影響飛機的越障能力。另外，航路上出現積冰情況時，飛機防冰系統使用也會導致發動機推力下降而使飛機的飄降凈升限降低。

3 1臺發動機失效飄降應急程序設計原理

飛機在山區飛行出現發動機失效后的飄降程序設計基于飛機越障能力，常采用飄降凈升限檢查航路最低安全高度的方法[17]。該方法以分析飛機在1臺發動機失效情況下能否安全越障為重點，在《中國民航國內航空資料匯編》中完成航線規劃后，將樣本航線劃分為若干各航段，分別對每段的最高障礙物進行標注，通過障礙物剖面的繪制，檢查設計出的飄降凈航跡是否滿足航路所有障礙物的越障要求。具體工作流程見圖1。

圖1 發動機失效飄降程序制作流程圖Fig.1 Flow chart of drifting-down with engine-failure making

其中，在確定決斷點時，研究過程綜合考慮最不利的氣象條件。在航路較長的高原航段線飛行時，由于可用機場偏少，對決斷點的選擇會有影響。如果航路上有2個決斷點，分別定義為決斷點A、決斷點B。飛機在起飛機場飛到A之前發生1臺發動機失效，機組應駕駛飛機返回起飛機場；如果飛機在B到目的地機場之間發生1臺發動機失效，機組可以選擇繼續飛往目的地機場；如果飛機在A、B之間發生1臺發動機失效，機組可以通過改變航路走向飛往航路備降場。但這樣設計導致程序設計較復雜，為方便機組操作，較短的高原航線一般都設定1個決斷點。

4 飄降程序設計

高原航線受地形影響，如遇緊急情況需下降飛行高度時，飛機會在3.0 km以上的高度維持較長時間飛行，如采用58 min供氧的空中客車A319-115可讓問題迎刃而解。本研究將完成空中客車A319-115執飛“日喀則/和平—北京/首都”航線1臺發動機失效飄降時機組的操作程序設計。

4.1 航線基礎數據的確定

研究首先依據第2113期《中國民航國內航空資料匯編》完成航線基礎數據規劃和繪制，這是完成后續飄降釋壓程序的根本和基礎數據的來源。

第二步，完成“日喀則/和平—北京/首都”航線保護區的設置。通過航路數據中各航路點的經緯度在地形圖拼接，以航線25 km為距離做出2條平行線（圖2），平行線內是“日喀則/和平—北京/首都”航線的障礙物保護區，該航線高原航段關鍵障礙物的相關數據從中整理得到（表1）。由此可知，該航線的最低飛行高度為7.3 km，其中，根據限制類班機航線使用條件的規定，Z3航路的飛行高度必須在9.5 km（含）以上，“日喀則—P15”的航線最低安全高超過4.3 km。

表1 “日喀則/和平—北京/首都”航線數據（高原航段）Table 1 Route data of “Shigatse/Heping-Beijing/Capital” flight (plateau segment)

圖2 “日喀則/和平—北京/首都”航線障礙物保護區示意圖Fig.2 Schematic diagram of route obstacle protection area of“Shigatse Heping-Beijing Capital” flight

4.2 航線1臺發動機失效飄降應急程序設計的計算參數

影響飄降程序的因素很多，如飛機的重量、飛機巡航高度、高空風向和風速、外界大氣溫度等。同時，飄降程序的速度和飛行過程中空調系統、防冰系統的工作狀態也對飄降程序的設計造成影響?！叭湛t/和平—北京/首都”的航線距離較長，涉及高原航線部分的地形影響范圍大，梳理航路數據發現整條航路上包括西寧/曹家堡機場（IATA代碼為XNN，ICAO代碼為ZLXN，簡稱“西寧機場”）、拉薩/貢嘎機場（IATA代碼為LXA，ICAO代碼為ZULS，簡稱“拉薩機場”）和玉樹/巴塘機場（IATA代碼為YUS，ICAO代碼為ZLYS，簡稱“玉樹機場”）等高原機場，因此研究過程將高原航線部分分解為“日喀則—拉薩”、 “拉薩—玉樹—西寧”和“西寧—北京”3個航段。其中“日喀則—拉薩”、“拉薩—玉樹—西寧”2個航段需要完成飛機在航路發生1臺發動機失效時的應急飄降程序設計。依據前期研究結論[8]，2個較短的航段都可以選擇航段的中點為決斷點。結合表1的相關地形數據，設置應急飄降程序的計算參數，見表2。航路溫度設置在國際標準大氣狀態增加5 ℃（ISA+5），按照民航局咨詢通告《飛機航線運營應進行的飛機性能分析》第5.1節的要求，確定飄降程序風溫的計算參數以航路85%可靠性溫度確定飛機飄降的凈改平高度，結合航路85%可靠性風檢查飛機是否能以規定的余度超越地形或障礙物。所以在國際標準大氣條件下，研究結合近10年“日喀則/和平—北京/首都”航線的風溫有效數據，“日喀則—拉薩”航段飛往日喀則機場方向設置為頂風100 kt，由于近10年飛往拉薩機場方向為不超過10 kt的順風，為提高安全裕度，研究過程設置為靜風狀態?！袄_—玉樹—西寧”航段飛往拉薩機場方向設置為頂風70 kt，飛往西寧機場為靜風狀態。飛機出現發動機失效時的飛機重量是另一個重要的參數。首先是確定飛機在日喀則機場允許的最大起飛重量，這個重量是審定的最大起飛重量、性能限制的最大起飛重量、最大無油重量加上最大起飛油量和最大著陸重量加上計劃的最大航路耗油中的最小值，將其分別定義為GA、GB、GC、GD。樣本飛機審定的最大起飛重量GA為70 t，結合天氣實況，計算得出飛機在日喀則機場起飛的GB為65.3184 t，最終確定GB值為65.184 t。采用System Operations Center系統的DM模塊最大起飛燃油模式完成計算，可得到GC=58.500+18.968=77.468 t，由于飛機GA為70.000 t，所以GC最終確定為70.000 t。在使用DM模塊完成最大燃油消耗模式的計算，得到GD=62.500+8.458=70.958 t。結合4個重量數據，得到空中客車A319-115飛機在日喀則機場允許的最大起飛重量為65.184 t。課題組在DM模塊中計算得到的計劃“日喀則—拉薩”航段的耗油為1.323 t，則預計飛到“日喀則—拉薩”航段中點耗油估算為0.662 t，得到發生發動機失效的飛機重量為64.523 t。為保證一定的安全裕度，確定失效發生時飛機重量為64.500 t。同理，得到“拉薩—玉樹—西寧”航段發生時飛機重量為67.000 t。

表2 空中客車A319-115發動機失效飄降應急程序計算參數Table 2 Calculated parameters of drifting-down with one-engine-failure emergency procedures

依據《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25-R4）的相關要求，假設1臺發動機失效時飛機在空中的位置，確定巡航期間發生發動機失效后的飄降凈航跡，對比程序規劃的凈航跡是否滿足相關障礙物對飛行安全的限制，并確定飛行員空中決策的決斷點。在此基礎上確定飛機1臺發動機失效應急關鍵點，最后制作和優化航線1臺發動機失效飄降應急程序和定義機組操作程序。

4.3 航線1臺發動機失效飄降應急程序設計

結合表1制作“日喀則/和平—北京/首都”航線的最低安全高度剖面，如圖3所示。由于航路點中衛（編號ZWX，經度105.073 4，緯度37.342 0）以后航路最低安全高度均低于10 000 ft，不再涉及到高原航線的飛行，為方便程序設計，簡化最低安全高度剖面，只顯示高原航線部分，如圖4所示。參考表2中的數據，通過對飛機飛行高度、航路高空風、航路溫度、失效點飛機的重量分析，兼顧空調、防冰系統工作狀態（工作狀態均設置為“關閉”）等條件，確定“日喀則/和平—北京/首都”航線1臺發動機失效飄降凈航跡；結合“日喀則—拉薩”、“拉薩—玉樹—西寧”2個航段安全飛行的需要，在飛行航跡上確定出關鍵點A和關鍵點B。關鍵點A是樣本飛機在“日喀則—拉薩”航段上，1臺發動機失效后沿航路飛往拉薩機場或飛回日喀則機場方向時，盡快在其中1個機場著陸的臨界點；關鍵點B是樣本飛機在“拉薩—PNR”航段上，1臺發動機失效后盡快在拉薩機場著陸的臨界點；同時關鍵點B還是樣本飛機在“PNR—西寧”航段上，1臺發動機失效后盡快沿航路飛往玉樹機場或西寧機場并且在該程序制定后盡快在其中1個機場著陸的臨界點。關鍵點的確定還需要樣本飛機凈航跡正好能夠滿足越障的要求。針對“日喀則—拉薩”航段的關鍵點A，若前往拉薩機場著陸，決斷點為A1，若返回日喀則機場著陸，決斷點為A2，由于“日喀則—拉薩”航段距離較短，經過障礙物—飄降剖面分析可知，A1點為日喀則機場，A2點為拉薩機場（圖5a）。因此，整個“日喀則—拉薩”航段中任意一點，既能前往拉薩機場，又能返回日喀則機場，即A點為“日喀則—拉薩”航段中任意一點（圖5b）。同理，結合表1、表2的數據完成“西寧—玉樹—拉薩”航段的關鍵點B的確定，以沿Z3航路“TAPUN以北43 nm”作為該航段的決斷點，機組以此為依據完成應急處置的操作。

圖3 “日喀則/和平—北京/首都”航線最低安全高度剖面Fig.3 “Shigatse Heping-Beijing Capital” minimum safe altitude profile chart

圖4 “日喀則/和平—北京/首都”航線最低安全高度剖面（日喀則—中衛段）Fig.4 “Shigatse Heping-Beijing Capital” minimum safe altitude profile chart (Shigatse—ZWX)

圖5 空中客車A319-115“日喀則/和平—北京/首都”航線1臺發動機失效飄降剖面示意圖Fig.5 Section diagram of drifting-down with one-engine-failure procure of “Shigatse Heping-Beijing Capital” flight with A319-115

按照圖5綜合完成飄降剖面的拼接，最終優化得出空中客車A319-115“日喀則/和平—北京/首都”航線的機組操作示意圖，如圖6所示。在“日喀則—拉薩”航段，初始巡航高度限制在34 100 ft（含）以上，決斷點的最大飛機重量64.500 t，飛行機組和簽派員在航班放行前必須依據計算機飛行計劃檢查決斷點的飛機重量；LXA—PNR之間任意一點1臺發動機失效，沿航路一發飄降/巡航至拉薩機場或日喀則機場；PNR—RKZ之間任意一點1臺發動機失效，飛回拉薩機場或飛往日喀則機場。在“拉薩—玉樹—西寧”航段，初始巡航高度限制在34 100 ft（含）以上，決斷點的最大飛機重量67.000 t，飛機在“拉薩—玉樹—西寧”航段（經Z1、Z3航線）發生1臺發動機失效，根據程序設定的決斷點（PNR），飛機在“XNN—PNR”航段間任意一點1臺發動機失效后，沿航路飛往玉樹機場（或西寧機場），飛機在“PNR—LXA”航段間任意一點1臺發動機失效后，沿航路飛往拉薩機場。

圖6 空中客車A319-115“日喀則/和平—北京/首都”航線1臺發動機失效失效飄降程序機組操作示意圖Fig.6 Diagram of crew operation of drifting-down with one-engine-failure procedures for “Shigatse Heping-Beijing Capital” flight with A319-115

5 結論

制定高原航線不正常情況下的應急預案是確保其安全運行的重要基礎，本文選取空中客車A319-115執行“日喀則/和平—北京/首都”航線為樣本，完成飛機巡航階段1臺發動機失效飄降應急操作程序的設計與優化：

1）受山區地形的影響，對執飛飛機提出更高的要求，飛機改裝確保飛機在巡航階段發生1臺發動機失效情況后能安全飛往更遠的航路備降場。

2）滿足飛機越障的要求是應急飄降程序的根本，在航線基礎數據的條件下，確定“日喀則—拉薩”和“拉薩—西寧—玉樹”2條航段的決斷點（PNR）。其中，“日喀則—拉薩”航段上任意一點均可作為巡航階段飛機1臺發動機失效的決斷點（PNR），“拉薩—西寧—玉樹”航段上，選擇“TAPUN以北43 nm”作為該航段飛機1臺發動機失效的決斷點（PNR）。

3）飛機在巡航階段發生1臺發動機失效是一種緊急情況，應在確定決策點的基礎上優化出一套便于機組操作的程序，完成飄降剖面拼接后，優化得出“北京/首都—日喀則/和平”航線上“日喀則—拉薩—西寧—玉樹”的決斷點（PNR）在“TAPUN以北43 nm”，在“RKZ—PNR”之間巡航階段飛機1臺發動機失效，可沿航路飛往拉薩機場，在“PNR—玉樹”巡航階段飛機1臺發動機失效，可沿航路飛往西寧機場或玉樹機場，其他航段按照平原航線飛機巡航時1臺發動機失效相關機組操作程序完成。