側(cè)風(fēng)著陸試飛技術(shù)解讀

2018-08-01 01:34:48徐勇凌

航空世界 2018年8期

文/徐勇凌

ARJ21-700冰島側(cè)風(fēng)著陸試飛凱旋的第二天，筆者回到了閻良，在試飛院的家屬區(qū)居然與試飛員陳明不期而遇。在筆者心目中陳明他們這一批試飛員是中國民機(jī)試飛的中堅(jiān)力量，功勛卓著的他們生活中顯得如此的平常。在陳明的微信朋友圈里，最后一篇文章還是2017年12月25日寫的，那天他和戰(zhàn)友們剛剛完成了大型水上飛機(jī)AG600“鯤龍”的首飛。在不到半年的時(shí)間里陳明和他的試飛團(tuán)隊(duì)接連完成了兩大試飛任務(wù)，但在朋友圈他甚至沒有時(shí)間曬一曬此間網(wǎng)上熱議的冰島側(cè)風(fēng)著陸試飛，作為一名老試飛員，筆者知道這就是試飛員的常態(tài)，他們有太多的任務(wù)要去完成，專注于本職工作是一種職業(yè)狀態(tài)，追熱點(diǎn)曬圖片這樣吸引眼球的事情只好交給其他人了。

ARJ21-700是一款怎樣的飛機(jī)

要討論側(cè)風(fēng)試飛的技術(shù)問題，首先需要來了解一下試飛的對(duì)象。ARJ21-700是一款中型民用客機(jī)，其技術(shù)水平是20世紀(jì)末的，但飛機(jī)的構(gòu)型基本是與80年代的麥道系列飛機(jī)相似，飛控系統(tǒng)比麥道有不小的升級(jí)，但為了總體設(shè)計(jì)的需要并沒有采用最時(shí)髦、最先進(jìn)的電傳飛控系統(tǒng)。座艙內(nèi)航電設(shè)備已經(jīng)采用21世紀(jì)最先進(jìn)的系統(tǒng)，但一款飛機(jī)的性能主要還是與氣動(dòng)外形以及飛控系統(tǒng)來決定。

側(cè)風(fēng)著陸技術(shù)為什么難

2005年夏天，筆者在鼎新機(jī)場(chǎng)試飛新機(jī)。夏季是鼎新的多風(fēng)季節(jié)，側(cè)風(fēng)10米/秒是常有的事，那天因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)側(cè)風(fēng)達(dá)到了16米/秒，對(duì)于戰(zhàn)機(jī)試飛而言風(fēng)險(xiǎn)太大，所以試飛計(jì)劃取消了。就在大家準(zhǔn)備收工離開機(jī)場(chǎng)之際，一架“挑戰(zhàn)者”公務(wù)機(jī)搖搖晃晃地起飛了。為什么現(xiàn)代飛機(jī)包括軍機(jī)和民機(jī)對(duì)于大側(cè)風(fēng)著陸如此謹(jǐn)慎呢？這是因?yàn)閭?cè)風(fēng)條件下如果要完成一個(gè)開放型的飛行任務(wù)，比如說起飛，比如說一般的機(jī)動(dòng)飛行并不是什么難事，在航線飛行中高空的側(cè)風(fēng)有時(shí)甚至達(dá)到30米/秒以上，但在這樣的飛行中飛機(jī)是隨著氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)的，側(cè)風(fēng)對(duì)于飛機(jī)的飛行品質(zhì)與操控影響并不大。但對(duì)于收斂型的飛行任務(wù)而言，比如說著陸，是要控制飛機(jī)收斂在一個(gè)相對(duì)狹小的跑道上，任何一點(diǎn)偏差都有可能帶來危險(xiǎn)的后果。在著陸下滑過程中由于側(cè)風(fēng)的影響飛機(jī)的下降會(huì)偏離預(yù)定軌跡，飛行員必須將飛機(jī)修正回來，但在大側(cè)風(fēng)條件下這樣的修正很難做到準(zhǔn)確，而且由于在著陸過程中飛機(jī)要經(jīng)歷空中飛行和地面滑行的轉(zhuǎn)換，從懸浮飛行狀態(tài)進(jìn)入接觸滑行階段，機(jī)輪接地的瞬間所形成的俯仰力矩和偏航力矩會(huì)使飛機(jī)的滑行方向發(fā)生難以控制的變化，這些都是側(cè)風(fēng)著陸的難點(diǎn)所在。當(dāng)側(cè)風(fēng)達(dá)到一定程度，即使中等以上水平的飛行員也無法確保著陸成功。此時(shí)，按照民航法規(guī)的條款著陸將不被允許，飛行員不得不到備降機(jī)場(chǎng)著陸。

側(cè)風(fēng)著陸試飛試什么

側(cè)風(fēng)著陸試飛不是簡(jiǎn)單的試驗(yàn)飛機(jī)能否在一定側(cè)風(fēng)條件下著陸。試飛考核的是側(cè)風(fēng)條件下飛機(jī)的性能、操控性、飛行品質(zhì)、引導(dǎo)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的工作性能。

所謂性能是指飛機(jī)能在多大側(cè)風(fēng)下穩(wěn)定著陸，側(cè)風(fēng)著陸的性能變化，以及側(cè)風(fēng)著陸對(duì)于著陸下滑速度控制的要求。因?yàn)橐话闱闆r下以相對(duì)較大速度著陸，抗側(cè)風(fēng)的能力可以有所提高。

操控性是指在側(cè)風(fēng)著陸的情況下，飛機(jī)的操控的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性如何。由于側(cè)風(fēng)著陸需要做航向修正，為此飛機(jī)的機(jī)頭方向要向上風(fēng)向偏轉(zhuǎn)一定角度，以便修正由風(fēng)引起的飛機(jī)側(cè)向位移，確保飛機(jī)沿著跑道中心線下滑。另外也可能采用一定側(cè)滑量的方法來修正側(cè)風(fēng)，飛機(jī)在側(cè)滑條件下的操控特性會(huì)有所下降，試飛要考核這種操控性的下降能否接受。

飛行品質(zhì)是指在側(cè)風(fēng)著陸條件下飛機(jī)的安定性如何，國際民航組織適航條令中對(duì)民用飛機(jī)的飛行品質(zhì)有非常嚴(yán)格的規(guī)定，尤其是在著陸階段飛行品質(zhì)的瑕疵是不被接受的。在側(cè)風(fēng)條件下著陸無法做到常態(tài)化條件下的定常下降，飛機(jī)的姿態(tài)與軌跡修正非常頻繁，在這樣的飛行狀態(tài)下飛行品質(zhì)的下降是在所難免的，但這種下降必須是在允許的范圍內(nèi)。

在像著陸這樣的收斂閉環(huán)操控過程中，除了這些客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)外，飛行員的主觀評(píng)價(jià)也是非常重要的，這就是所謂的“庫伯-哈珀”等級(jí)。庫珀-哈珀等級(jí)共分9級(jí)、1～3級(jí)為相對(duì)滿意級(jí)、4級(jí)以上為不滿意、而7級(jí)以上就是危險(xiǎn)級(jí)。飛行員必須對(duì)每次試飛任務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將多名飛行員給出的評(píng)價(jià)進(jìn)行綜合就得到了飛機(jī)的試飛員評(píng)價(jià)等級(jí)。

上述所講的性能、品質(zhì)、操控性是飛機(jī)本身的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于現(xiàn)代民機(jī)而言，飛機(jī)的著陸引導(dǎo)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是飛機(jī)的功能系統(tǒng)，這些系統(tǒng)輔助飛行員完成進(jìn)場(chǎng)著陸任務(wù)，可以說系統(tǒng)越先進(jìn)對(duì)于飛行員的幫助就越大。比如說引導(dǎo)系統(tǒng)可以為飛行員提供操縱指向，以一種最佳狀態(tài)引領(lǐng)飛行員完成側(cè)風(fēng)條件下的進(jìn)場(chǎng)著陸。而自動(dòng)駕駛系統(tǒng)則可以在飛行員不干預(yù)的情況下以一種比人工操控更加完美的狀態(tài)完成著陸過程。民用航空對(duì)于任務(wù)完成的質(zhì)量和安全性提出很高的要求，例如對(duì)于著陸而言軍機(jī)只要滿足99%以上的置信度就可以被接受，而對(duì)于民機(jī)飛機(jī)置信度和安全性必須達(dá)到99.9%，這對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)水平和可靠性是一個(gè)很高的要求。作為試飛員不是簡(jiǎn)單的駕駛員，他必須同時(shí)是一個(gè)系統(tǒng)管理人員，因此他必須對(duì)側(cè)風(fēng)著陸過程中的系統(tǒng)工作狀態(tài)給出評(píng)價(jià)，例如：引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)的準(zhǔn)確性與成功率，自動(dòng)駕駛儀的工作穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等。對(duì)于試飛中由于系統(tǒng)工作狀態(tài)所導(dǎo)致的著陸失敗，試飛員必須找出失敗的原因，并對(duì)這種失誤率給出評(píng)估，以確認(rèn)系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)能否滿足側(cè)風(fēng)著陸的需要。

側(cè)風(fēng)著陸技術(shù)原理分析

對(duì)于飛行技術(shù)的原理分析恐怕是航空理論中最為復(fù)雜的部分。一個(gè)簡(jiǎn)單的側(cè)風(fēng)著陸所包含的技術(shù)內(nèi)涵極為豐富，一般水平的專業(yè)人員包括飛行人員很難將所有的技術(shù)奧秘說清楚。

首先，側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的軌跡偏離的原因是什么？飛機(jī)在大氣環(huán)境中受到氣動(dòng)力、重力、飛機(jī)動(dòng)力、慣性力以及交感力矩等多個(gè)力和力矩的影響，飛行員的操控是通過舵面的偏轉(zhuǎn)改變氣動(dòng)力，從而操控飛機(jī)按照預(yù)定軌跡飛行。在這個(gè)過程中飛行員對(duì)于重力、慣性力和交感力矩是無法控制的，只能通過舵面操控來控制飛機(jī)。在側(cè)風(fēng)著陸過程中飛機(jī)在氣動(dòng)力和重力的作用下在大氣中做慣性運(yùn)動(dòng)，由于側(cè)風(fēng)相對(duì)于大地是一種側(cè)向位移狀態(tài)，飛機(jī)作為一個(gè)慣性體隨著氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)相對(duì)于大地做側(cè)向位移，這是導(dǎo)致側(cè)風(fēng)著陸過程中偏離預(yù)定軌跡的根本原因。

前面已經(jīng)講過，著陸過程是一個(gè)收斂的過程，飛行員必須操控飛機(jī)沿著下降線準(zhǔn)確地操控飛機(jī)在跑道的規(guī)定區(qū)域內(nèi)著陸，因此，飛行員必須通過舵面操控使飛機(jī)形成反側(cè)風(fēng)方向的水平位移，以消除側(cè)風(fēng)的影響。在這一過程中飛行員的操控可以用三種基本方式，一是偏航法，即操控飛機(jī)逆?zhèn)蕊L(fēng)方向形成偏航角，以消除側(cè)風(fēng)的影響；二是側(cè)滑法，即操控飛機(jī)形成一定的坡度完成側(cè)滑，由于在側(cè)滑過程中飛機(jī)會(huì)形成橫側(cè)位移，以此消除側(cè)風(fēng)的影響；第三是航向側(cè)滑綜合修正法，這樣修正的目的是避免偏航角和側(cè)滑角過大，以便于在著陸階段簡(jiǎn)化操控動(dòng)作并減小飛機(jī)的動(dòng)態(tài)變化。以上所述的三種方法其實(shí)是以飛行員第一人稱的視角的技術(shù)描述，然而要講清楚側(cè)風(fēng)著陸的機(jī)理，我們還必須以第三人稱的視角對(duì)側(cè)風(fēng)著陸的過程進(jìn)行分析。

儀表進(jìn)近或目視進(jìn)近從表面看是截然不同的兩種進(jìn)近模式，然而在第三人稱視角看來這兩者是一樣的，側(cè)風(fēng)著陸無非是對(duì)側(cè)風(fēng)的判斷、修正值的大小、出現(xiàn)偏差后的修正、修正到位后的回歸。

在實(shí)際飛行中，通常飛行員是通過飛機(jī)的偏移量來判斷側(cè)風(fēng)的，當(dāng)飛機(jī)向下風(fēng)方向偏移時(shí)，飛行員開始試圖修正軌跡期望回歸標(biāo)準(zhǔn)軌跡。假設(shè)飛機(jī)偏左200米，那么為了快速修正，飛行員會(huì)操控飛機(jī)形成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)下滑道的一定夾角，假設(shè)這個(gè)角度為15度，要形成15度的夾角，飛行員要通過壓坡度、轉(zhuǎn)彎、改平三個(gè)動(dòng)作。在這里，轉(zhuǎn)彎角速度與坡度是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而轉(zhuǎn)彎角度是角速度的積分值；因此，轉(zhuǎn)彎角度就是坡度的積分值。當(dāng)飛行員判斷形成預(yù)期的轉(zhuǎn)彎角度后需要改平，這樣飛機(jī)的軌跡就與標(biāo)準(zhǔn)下滑道形成一定夾角，我們知道飛機(jī)的橫側(cè)位移是橫向速度的積分，而橫側(cè)速度與夾角一一對(duì)應(yīng)；因此，橫側(cè)位移是夾角的積分，經(jīng)過一定時(shí)間的修正橫側(cè)位移的積分量足夠了，飛行員需要減小夾角回歸到標(biāo)準(zhǔn)下降線上；當(dāng)然，為了克服側(cè)風(fēng)還需要保留一定夾角。

以上從數(shù)學(xué)的角度分析側(cè)風(fēng)的修正過程其實(shí)并不復(fù)雜，但是如果這個(gè)修正過程需要人的判斷，加之人修正動(dòng)作的誤差，整個(gè)下降側(cè)風(fēng)修正過程就極為復(fù)雜，修正動(dòng)作不標(biāo)準(zhǔn)就需要反復(fù)修正，這就形成了從俯視圖中看來回震蕩的正弦波曲線。

其實(shí)更為復(fù)雜的是，在側(cè)風(fēng)修正中由于人的因素的介入，涉及到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)，因?yàn)槿藢?duì)于偏差的判斷和修正偏差的動(dòng)作是由經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成的，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的飛行員而言，精確修正幾乎是不可能完成的任務(wù)；判斷的偏差、操控動(dòng)作的偏差、加之復(fù)雜天氣環(huán)境下心理因素的干預(yù)，著陸偏差的修正往往會(huì)錯(cuò)進(jìn)錯(cuò)出最終導(dǎo)致著陸失敗。

好了為了排除人為因素的作用，我們假設(shè)駕駛飛機(jī)的是一名經(jīng)驗(yàn)豐富的試飛員，但對(duì)于大側(cè)風(fēng)著陸而言依然不是一件輕而易舉的事情。當(dāng)側(cè)風(fēng)大于15米/秒，修正側(cè)風(fēng)所需的偏航角會(huì)非常大，有經(jīng)驗(yàn)的飛行員為了減小偏航角，會(huì)采用上風(fēng)站位的方法。我們?cè)趥?cè)風(fēng)著陸的視頻中可以看到很多這樣的畫面；但無論如何在最終著陸階段，所有的這些修正都必須以一種巧妙的方式歸零，這就使得飛機(jī)著陸階段的操控變得極其復(fù)雜。

在空中由偏航角或側(cè)滑所形成的橫向位移速度與側(cè)風(fēng)分量速度剛好相等，飛機(jī)相對(duì)于地面的橫側(cè)位移為0，這是準(zhǔn)確著陸的先決條件；問題是當(dāng)飛機(jī)接地瞬間，機(jī)輪與地面的摩擦力將使飛機(jī)從隨風(fēng)漂移的大氣慣性體系進(jìn)入與地球相連的大地慣性體系。隨風(fēng)漂移的速度消失，而航向夾角形成的位移卻沒有消失；如果不能將航向夾角消除，飛機(jī)將上風(fēng)向迅速偏移，并迅速偏出跑道，為了避免這樣的現(xiàn)象的出現(xiàn)，飛行員必須在飛機(jī)著陸瞬間消除偏航角。

更為復(fù)雜的是在帶有側(cè)滑與偏航角的接地瞬間，會(huì)形成一個(gè)極為復(fù)雜的橫側(cè)力矩，這一力矩會(huì)使飛機(jī)的坡度發(fā)生急劇的變化，如果坡度過大就會(huì)造成翼尖接地形成更加嚴(yán)重的偏航力矩。因此在著陸接地的階段飛行員既要控制好滑行軌跡，又要控制好飛機(jī)姿態(tài)，還要完成放下機(jī)頭、反推、剎車減速等一系列動(dòng)作，任何一點(diǎn)細(xì)小的偏差都有可能導(dǎo)致著陸失敗，這就是側(cè)風(fēng)著陸復(fù)雜的原因所在。

小結(jié)

飛行是人機(jī)一體的交互過程，而飛機(jī)的能力和人的能力都是有限的，因此當(dāng)側(cè)風(fēng)達(dá)到一定值時(shí)，安全著陸幾乎難以完成。并不是性能越好的飛機(jī)側(cè)風(fēng)著陸的能力越強(qiáng)、反應(yīng)越敏捷的飛行員側(cè)風(fēng)著陸能力越強(qiáng)。飛機(jī)的氣動(dòng)力特性、操控系統(tǒng)的技術(shù)水平、起落裝置的結(jié)構(gòu)與功能、動(dòng)力系統(tǒng)等因素都會(huì)影響飛機(jī)的側(cè)風(fēng)著陸能力。而對(duì)飛行員而言，經(jīng)驗(yàn)是至關(guān)重要的，這包括準(zhǔn)確的判斷力、精確的操控能力、偏差的修正能力、應(yīng)急情況的處置能力。

試飛員的水平對(duì)于側(cè)風(fēng)著陸的試飛至關(guān)重要，他不僅要有很好的駕駛技術(shù)完成難度較大的側(cè)風(fēng)著陸，還要有很好的評(píng)估能力對(duì)飛機(jī)的著陸性能給出正確的評(píng)價(jià)。試飛是充滿風(fēng)險(xiǎn)的職業(yè)，尤其是對(duì)于那些首次嘗試的高難度任務(wù)，試飛員的適應(yīng)能力和確保安全的定力是需要多年的修煉才能達(dá)成的。

中國的大飛機(jī)事業(yè)的騰飛有賴于一批像唐長(zhǎng)虹、吳光輝這樣的航空科學(xué)家，也有賴于像趙鵬、陳明、蔡駿這樣一批高水平的試飛員。此次冰島大側(cè)風(fēng)試飛，歷時(shí)40天，由中國試飛院和民航總局試飛員共同完成，而伴隨保障團(tuán)隊(duì)則由試飛院派出；在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中有和筆者多年奮戰(zhàn)的戰(zhàn)友，也由所謂年輕的試飛二代，他們?cè)诋悋l(xiāng)奮力拼搏為國人交出了一份滿意的答卷。