張惠，吳敬濤

極端氣候環(huán)境條件下民用飛機(jī)典型飛行事故研究

張惠，吳敬濤

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所三十一室，陜西 西安 710065）

綜述歷年來極端氣候環(huán)境條件導(dǎo)致的民用飛機(jī)典型事故，分析不同氣候環(huán)境條件對飛機(jī)系統(tǒng)以及飛行條件造成的影響，并討論飛機(jī)地面氣候環(huán)境試驗的重要性。以飛機(jī)事故產(chǎn)生的原因分析為出發(fā)點(diǎn)，給出了不同條件下飛機(jī)地面氣候環(huán)境試驗下飛機(jī)的重點(diǎn)檢查部位。

極端氣候；飛機(jī)事故；氣候試驗；飛機(jī)系統(tǒng)

在民用航空全球化的今天，民用飛機(jī)已在全球范圍內(nèi)廣泛使用，在其經(jīng)歷的多種任務(wù)剖面內(nèi)，極可能遭遇世界各地的地表氣候條件。在運(yùn)營階段，民用飛機(jī)不可避免地要遭遇高溫、高寒、濕熱、結(jié)冰等極端氣候環(huán)境。如果飛機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性能力不足，極端氣候輕則可能降低飛機(jī)的使用性能，影響飛機(jī)運(yùn)行；重則可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生安全性事故，嚴(yán)重時甚至還會發(fā)生機(jī)毀人亡的災(zāi)難。

在分析歷年來典型民機(jī)飛行事故的基礎(chǔ)上，對極端氣候環(huán)境條件導(dǎo)致的飛行事故原因進(jìn)行深層次剖析，分析結(jié)果可為民用飛機(jī)在設(shè)計階段的氣候環(huán)境適應(yīng)性要求的確定和運(yùn)營使用階段的氣候環(huán)境適應(yīng)性能力改進(jìn)提供參考。文中給出的不同氣候環(huán)境條件下的重點(diǎn)檢查部位要求，可用于指導(dǎo)飛機(jī)地面氣候環(huán)境試驗工作。

1 民機(jī)系統(tǒng)定義

民用飛機(jī)的主要系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、飛行操縱系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、防冰除雨系統(tǒng)、艙門以及機(jī)上設(shè)施等。在不同的氣候環(huán)境條件下，飛機(jī)可能會出現(xiàn)不同的系統(tǒng)故障。譬如低溫條件可能會造成燃油系統(tǒng)的滲漏，結(jié)冰造成發(fā)動機(jī)系統(tǒng)故障，高溫會導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備出現(xiàn)閥值故障等。因此，在分析極端氣候環(huán)境對飛機(jī)造成的影響時，應(yīng)從飛機(jī)系統(tǒng)出發(fā)，并結(jié)合具體的飛行事故案例進(jìn)行分析。

2 飛機(jī)事故定義

飛機(jī)事故是指在所有人登上飛機(jī)直至所有人下飛機(jī)為止的時間內(nèi)，所發(fā)生的與飛機(jī)運(yùn)行有關(guān)的事件。此事件中包括人員遭受致命傷害或重傷、飛機(jī)受到損壞或結(jié)構(gòu)故障、飛機(jī)失蹤或者處于完全無法接近的地方。

飛機(jī)發(fā)生飛行事故的原因眾多，與極端氣候環(huán)境相關(guān)的主要因素如下：①由于氣候環(huán)境引起機(jī)身失效，發(fā)動機(jī)、操縱舵面、儀表、系統(tǒng)、起落架的損壞或者功能失效；②由于氣候環(huán)境引起的尾流；③由于氣候環(huán)境引起的外來物損壞；④由于可視度低，造成駕駛員的操作失誤；⑤由于閃電、暴雨等，造成飛機(jī)信號中斷；⑥由于風(fēng)切變，造成的飛機(jī)氣動性能的改變；⑦由于結(jié)冰，導(dǎo)致飛機(jī)的流場變化；⑧由于結(jié)冰，發(fā)動機(jī)吸冰而造成發(fā)動機(jī)熄火停車等。

3 典型氣候條件下的飛機(jī)事故綜述

中國的民航事業(yè)起步于20世紀(jì)初，在最初的二三十年里空難頻發(fā)。飛機(jī)事故發(fā)生的主要原因在于早期的飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)和適航條例不夠完備。既有飛機(jī)在安全性、可靠性設(shè)計方面的設(shè)計經(jīng)驗欠缺因素，也有主機(jī)廠所、適航當(dāng)局等對飛機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性能力認(rèn)識不足等問題。由于耐候性品質(zhì)先天不足，在遭遇惡劣氣候環(huán)境影響時，飛機(jī)的不同部位就會受到不同程度的損害。因此，對歷年來極端氣候環(huán)境導(dǎo)致的民機(jī)典型飛行事故進(jìn)行統(tǒng)計分析就顯得十分重要。

各種惡劣天氣引發(fā)的飛機(jī)飛行事故比例如圖1所示。從圖1中可以看出，在各種惡劣天氣引起的典型飛行事故中，主要的天氣因素有六大類，其中風(fēng)切變是導(dǎo)致飛行事故發(fā)生最主要的因素，占47.7%，然后依次是結(jié)冰、大雨、暴風(fēng)雪、太陽輻照、低溫、大霧。飛行中太陽輻照對飛機(jī)造成的影響主要是使得飛機(jī)艙體和電氣設(shè)備表面的誘發(fā)溫度過高，所以文中研究的太陽輻照對飛機(jī)的影響主要?dú)w結(jié)為高溫對飛機(jī)造成的影響。

圖1 各種惡劣天氣引發(fā)的飛機(jī)飛行事故比例

文中的飛機(jī)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來自與氣候環(huán)境相關(guān)的事件數(shù)據(jù)庫，涉及到客運(yùn)、貨運(yùn)、通用類飛機(jī)在飛行中因遭遇大霧、結(jié)冰、暴風(fēng)雪、大雨、風(fēng)切變、極端高、低溫等氣候環(huán)境因素所引發(fā)的相關(guān)飛機(jī)事故數(shù)據(jù)信息[1-2]。

3.1 風(fēng)切邊引起的飛機(jī)事故

歷年來風(fēng)切變是導(dǎo)致飛行事故發(fā)生的最主要因素。飛機(jī)在低空飛行時，會遇到風(fēng)切變，發(fā)生在低空的風(fēng)切變是飛機(jī)起飛和著陸階段的一個主要危險因素，被人們稱為“無形殺手”。風(fēng)切變導(dǎo)致的飛行事故都發(fā)生在飛行高度低于300 m的起飛和著陸階段。

由風(fēng)切變導(dǎo)致的典型飛行事故案例如下：①2004年，臺灣的ATR72-500客機(jī)在臺灣省澎湖縣墜毀。事故原因為特大暴雨中的垂直風(fēng)切邊，導(dǎo)致飛機(jī)因升力不足墜毀，造成飛機(jī)上48人遇難，15人受傷。②2007-09-16，泰國航空公司一架MD-82客機(jī)從曼谷飛往普吉島，飛機(jī)降落時恰逢暴風(fēng)雨，遭遇了風(fēng)切變，導(dǎo)致降落失敗，滑出跑道，與附近建筑發(fā)生碰撞，造成飛機(jī)起火爆炸。③2018-08-28，首都航空由北京飛往澳門的JD5759航班，降落時疑似遭遇風(fēng)切變，在機(jī)體受損、前起落架斷裂的情況下，飛機(jī)復(fù)飛并成功備降寶安機(jī)場。

風(fēng)切變中的低空風(fēng)切變是飛機(jī)起飛降落階段威脅飛機(jī)安全的主要危險因素。風(fēng)切變常伴隨有其他惡劣氣候條件如暴風(fēng)雨等。風(fēng)切變可能會導(dǎo)致飛機(jī)周圍的氣流速度和方向突然發(fā)生變化，飛機(jī)升力也發(fā)生變化，從而使得飛機(jī)無法保持平衡。由于風(fēng)切變在飛機(jī)的氣候環(huán)境實驗中難于模擬，所以只進(jìn)行風(fēng)吹雨氣候環(huán)境試驗，風(fēng)吹雨試驗需要重點(diǎn)檢查飛機(jī)的密封性、發(fā)動機(jī)性能、起落架系統(tǒng)以及操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行風(fēng)吹雨試驗時，在風(fēng)速達(dá)到65節(jié)時，檢查艙門的密封性能是否良好，增壓泄漏量以及漏水量是否滿足設(shè)計要求；發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，起落架系統(tǒng)是否可以準(zhǔn)確地釋放和收起；操縱系統(tǒng)的各項指標(biāo)信號顯示是否正常，可操縱性是否滿足設(shè)計要求。

3.2 結(jié)冰引起的飛機(jī)事故

結(jié)冰天氣嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全。1975—2018年期間，由結(jié)冰引起的災(zāi)難性飛行事故占總事故的14.30%左右。飛機(jī)結(jié)冰被認(rèn)為是航空領(lǐng)域影響飛機(jī)飛行安全的六大主要?dú)夂蛞蛩刂籟3-5]。

由結(jié)冰所導(dǎo)致的空難如下：①2006-06，An-1-2飛機(jī)由于結(jié)冰失去控制，最終在山區(qū)墜毀，死亡40人。②1993-11-

13，由北京飛往烏魯木齊的飛機(jī)MD-82，在烏魯木齊機(jī)場降落過程中，由于云中有輕度結(jié)冰，地面人員指揮飛行員按盲降進(jìn)行。由于跑道端頭的霧越來越厚，飛機(jī)撞擊高壓線后墜地，飛機(jī)墜地后燒毀。機(jī)上8名乘客和4名機(jī)組人員遇難。③2009-10-28，空客A330-200型飛機(jī)在起飛至關(guān)島附近時，機(jī)組人員收到一系列飛機(jī)中央電子監(jiān)控儀錯誤信息，飛機(jī)被迫提前降落。

目前，飛機(jī)的除冰系統(tǒng)都是按照25部附錄C結(jié)冰條件進(jìn)行的。CCAR25.1323中要求空速指示系統(tǒng)盡可能防止結(jié)冰而失靈。適航當(dāng)局發(fā)布的防除冰適航性要求中，也加入了防除冰系統(tǒng)的設(shè)計要求。飛機(jī)在結(jié)冰環(huán)境條件下進(jìn)行氣候環(huán)境試驗，需要重點(diǎn)檢查飛機(jī)的防冰、除冰系統(tǒng)是否能正常工作，飛機(jī)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是否能正常工作，飛機(jī)的皮托管測試數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。飛機(jī)的起落架系統(tǒng)是否收放正常。

飛機(jī)在實驗室進(jìn)行結(jié)冰試驗時，結(jié)冰條件按照CCAR25部規(guī)章附錄C的結(jié)冰氣象包線設(shè)計。驗證飛機(jī)的防除冰系統(tǒng)的告警系統(tǒng)、控制系統(tǒng)是否正常工作，其除冰能力能否保持風(fēng)擋玻璃外表面有足夠的清潔區(qū)域，以滿足駕駛員外部視野清晰度要求；驗證飛機(jī)部件的結(jié)冰特征、防護(hù)性能；驗證發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的啟動性能；檢查飛機(jī)皮托管表面的結(jié)冰情況等。

3.3 大雨引起的飛機(jī)事故

大雨對飛機(jī)的飛行也會造成致命的影響，飛機(jī)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大雨造成的飛行事故占12.15%。大雨造成的典型飛行事故案例如下：①1994-07-20，波音737由西雙版納出發(fā)前往中國昆明，由于雨大、能見度差，機(jī)組使用風(fēng)擋刷在高速位，并噴防雨劑，效果不明顯，跑道模糊。飛機(jī)強(qiáng)行降落，造成飛機(jī)左右發(fā)動機(jī)嚴(yán)重受損、飛機(jī)報廢。②1999-03-24，一架空客A300-600飛機(jī)，在希臘羅得島迪亞戈拉斯機(jī)場著陸時滑出跑道，前起落架折斷。事故原因為飛機(jī)在大雨條件下著陸時沖出跑道，前起落架折斷。③2010-03，波音727-200飛機(jī)，從加拿大哈密爾頓起飛，在跑道著陸時，沖出跑道，飛機(jī)起落架陷入泥土[1]。事故原因為飛機(jī)在下降至距離地面600 ft高度時，遭遇大雨，飛機(jī)在返回跑道中心線時，由于推力過大，沖出跑道。

通過分析大雨造成的飛行事故，不難發(fā)現(xiàn)，雨水對飛機(jī)的影響大致可分為五種：①潮濕環(huán)境下，雨水滲透進(jìn)入燃油系統(tǒng)，會對飛行安全造成影響。②雨水形成的水霧可能會阻礙飛行員的視線，進(jìn)而影響飛行員的目視距離。③雨天在低空區(qū)域可能會產(chǎn)生下降氣流，造成飛機(jī)升力減小，高度下降。雨量越大，下降氣流越大。所以，在大雨和暴雨情況下飛機(jī)不適合起降。④大雨會使飛機(jī)失去控制，飛機(jī)跑道被污染，飛機(jī)滑出跑道。⑤發(fā)動機(jī)吸入雨水，造成停車。

大雨條件下，進(jìn)行飛機(jī)氣候環(huán)境試驗，需要重點(diǎn)檢查飛機(jī)的艙體密封性、電氣設(shè)備的密封性、飛機(jī)的發(fā)動機(jī)功能以及性能，而且在大雨條件下飛行員的目視距離也應(yīng)列入檢查范圍。

3.4 暴風(fēng)雪引起的飛機(jī)事故

飛機(jī)在飛行過程中遇到暴風(fēng)雪，暴風(fēng)雪對飛機(jī)的飛行也會造成致命的影響，暴風(fēng)雪造成的飛行典型事故案例如下：①1977-04-04，DC-9客機(jī)載著81名乘客及4名機(jī)組人員從亨茨維爾起飛，當(dāng)飛機(jī)起飛10 min后，機(jī)組人員發(fā)現(xiàn)飛機(jī)遭遇了暴風(fēng)雪，飛機(jī)緊急降落，機(jī)翼撞擊路旁樹木、加油站和加油站內(nèi)的車輛，機(jī)上62人及地面8人喪生。事故原因為飛機(jī)的除冰系統(tǒng)發(fā)生故障，在遭遇暴風(fēng)雪時，飛行員視野模糊，導(dǎo)致飛機(jī)下降過程中撞樹造成飛機(jī)墜毀。②1982-01-13，佛羅里達(dá)航空公司90號班機(jī)波音737-222自華盛頓機(jī)場起飛時因發(fā)動機(jī)吸入冰雪導(dǎo)致推力不足而失速墜落。③2008-07，MD-88飛機(jī)在執(zhí)行包機(jī)任務(wù)時，由于大雪污染跑道，導(dǎo)致飛機(jī)在機(jī)場著陸時失去控制。

除了暴風(fēng)雪導(dǎo)致的上述事故以外，飛機(jī)在飛行過程中遇到暴風(fēng)雪，還可能造成以下危害：①如果飛行外界溫度升高，暴風(fēng)雪在飛機(jī)座艙蓋附近融化，水滴的滲透可能會造成電子電氣設(shè)備短路而產(chǎn)生故障；②暴風(fēng)雪可能覆蓋在機(jī)身表面，導(dǎo)致飛機(jī)表面結(jié)冰、飛機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰；③在遇到暴風(fēng)雪時，可能會使飛行員視野模糊，飛行員無法維持正常的起飛和降落；④暴風(fēng)雪可能會造成跑道結(jié)冰，導(dǎo)致飛機(jī)無法起飛。在進(jìn)行暴風(fēng)雪的地面氣候環(huán)境試驗時，需要重點(diǎn)檢查飛機(jī)防除冰系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、操縱系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)是否正常工作。

3.5 極端高、低溫引起的飛機(jī)事故

高溫、低溫是飛機(jī)在運(yùn)行過程中所遇到的最為常見的環(huán)境。飛機(jī)的機(jī)載電子電氣設(shè)備、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)能夠正常工作也有一定的溫度限制。極端溫差可能會導(dǎo)致飛機(jī)系統(tǒng)上的相應(yīng)結(jié)構(gòu)（譬如方向舵上的液壓器出現(xiàn)卡滯等）出現(xiàn)故障等。由于極端溫度導(dǎo)致的飛行事故如下：①1991-03-03，一架波音737-200飛機(jī)，載著20名乘客及5名機(jī)組人員前往羅拉奪泉機(jī)場，到達(dá)目的機(jī)場后，由于飛機(jī)方向舵的液壓器在經(jīng)歷極端溫差后，被卡滯，飛機(jī)向右傾側(cè)，并立即失速翻滾，25人全部喪生；②1994-09，波音737客機(jī)在飛行過程中，飛機(jī)方向舵的液壓器經(jīng)歷高、低溫后，被卡住，導(dǎo)致飛機(jī)墜毀在一森林中，死亡132人；③2004年，CRJ200飛機(jī)從中國內(nèi)蒙古包頭起飛，由于溫度原因，在包頭北海公園墜毀。

極端高溫可能會導(dǎo)致電子電氣設(shè)備性能下降、結(jié)構(gòu)承載能力下降，溫度太低會導(dǎo)致電子、電氣設(shè)備無法正常啟動、液壓油和燃油結(jié)冰等。極端溫差可能會導(dǎo)致飛機(jī)因為連接固定零件收縮率不同，導(dǎo)致機(jī)件卡死。

在進(jìn)行極端高溫氣候環(huán)境試驗時，要檢查飛機(jī)上所有電氣設(shè)備是否能正常工作，飛機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)是否能正常工作。

在進(jìn)行低溫環(huán)境條件試驗時，要檢查飛機(jī)的起落架系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和飛機(jī)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、APU是否能正常工作。

實驗室氣候環(huán)境試驗的低溫環(huán)境條件為﹣55 ℃，一般飛機(jī)在進(jìn)行低溫環(huán)境試驗時，在﹣55 ℃環(huán)境下保溫6 h，升溫至﹣40 ℃，檢查飛機(jī)發(fā)動機(jī)的功能和性能、起落架系統(tǒng)的收放性能、操縱系統(tǒng)的操縱性能以及環(huán)控系統(tǒng)的通風(fēng)性能、電子設(shè)備的功能和性能。

高溫高濕環(huán)境試驗以及高溫結(jié)合太陽輻照的環(huán)境試驗都屬于高溫試驗范疇，此時需要考核飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的降溫能力、液壓系統(tǒng)的功能和性能以及所有的電子電氣設(shè)備的工作能力。

3.6 大霧引起的飛機(jī)事故

由于大霧所導(dǎo)致的典型空難如下：①1931-11-19，“濟(jì)南號”郵政飛機(jī)因大霧而撞山墜毀；②1946-03-17，一架美制C-47運(yùn)輸機(jī)在從青島飛往南京途中，因氣候惡劣在南京西郊的岱山撞山墜毀，機(jī)上13人全部遇難；③1946-04-08，一架美制運(yùn)輸機(jī)因氣候惡劣而迷失方向，在晉西北興縣東南部的黑茶山撞山墜毀，17人全部遇難；④1946-12-25，因上海大霧導(dǎo)致夜間能見度不佳，中央航空運(yùn)輸公司48號、中國航空140號及115號客機(jī)先后墜毀，共造成74人死亡，8人受傷，史稱“黑色圣誕之夜空難”。

分析事故原因發(fā)現(xiàn)，這些安全事故都是由于大霧所引起的。大霧條件下的低能見度導(dǎo)致飛行事故發(fā)生的主要原因有：①在飛機(jī)著陸時看不清跑道，使飛機(jī)偏離跑道或過早、過遲接地；②飛行指揮員看不見飛機(jī)，造成指揮失誤；③飛行員看不清地標(biāo)，憑借感覺和儀表飛行時，由于心理壓力產(chǎn)生操縱失誤，引發(fā)事故。

《大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則》（CCAR—121）和《最低氣象條件》中對于飛機(jī)的起飛能見度要求至少在600 m以上。當(dāng)機(jī)場能見度低于350 m，航班無法起飛；低于500 m時，航班無法降落；如果能見度低于50 m，無法進(jìn)行航班滑行。

在大霧條件下，儀表著陸系統(tǒng)需要引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行著陸。因此，在進(jìn)行地面氣候環(huán)境試驗時，需要重點(diǎn)檢查儀表著陸系統(tǒng)在此環(huán)境條件下是否能正常工作，并對飛行員的目視距離進(jìn)行檢查；還需要驗證風(fēng)擋加熱系統(tǒng)功能是否正常，在進(jìn)行環(huán)境試驗時，機(jī)組人員需要對其效能進(jìn)行評估。

4 總結(jié)

本文研究了民機(jī)在極端氣候環(huán)境條件下的典型飛行事故案例，研究結(jié)果表明風(fēng)切變引起的安全事故所占比例最高，但是風(fēng)切變在地面氣候環(huán)境試驗中難以實現(xiàn)，只能分析風(fēng)切變引起的系統(tǒng)失效機(jī)理，并在飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中加以改進(jìn)以及在系統(tǒng)級別的試驗中加以關(guān)注。結(jié)冰、大雨、暴風(fēng)雪、大霧、極端高低溫都可以在整機(jī)環(huán)境實驗室中模擬，并針對飛機(jī)的主要關(guān)注部位進(jìn)行考核。文中針對具體的實驗科目給出了具體的考核部位。對于考核要求，由于不同飛機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性要求不同，所以，需要在編寫試驗大綱時結(jié)合任務(wù)書和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求來給出更為詳盡的試驗要求。本研究可用于指導(dǎo)飛機(jī)氣候環(huán)境試驗科目的選擇以及試驗過程中具體考核對象的檢查。

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V245.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.054

2095－6835（2019）15－0132－03

〔編輯：張思楠〕