张序 罗凤娥 杨臻 杨思浩
(1 中国国际航空股份有限公司 西南运行分控中心，四川 成都 610225；
2 中国民航飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉 618307；
3 中国国际航空股份有限公司 西南分公司，四川 成都 610225)
根据民航规章的要求：航空公司在运行高原航线时，必须完成飞机改装，并制定可靠且便于机组操作的应急程序，确保发动机失效特情发生后，飞行员能根据机组操作程序，驾驶飞机尽快飞往预先设定的备降机场着陆。众多民航学者曾针对高原机场(或航线)安全飞行展开研究，他们建议：涉及高原机场(或航线)的飞行训练，应针对地形环境对飞行员心理生理的影响，落实心理卫生保障[1]，高原机场(或航线)应制定措施解决飞机着陆姿态偏大或着陆平飘距离偏长的问题[2]，飞行员和飞行签派员要重点关注性能降级后飞机在高原机场着陆的风险[3]。同时，由于高原机场飞行对环境的影响很敏感，可通过展开高原危险气象背景的机场端净空评定方法的研究，达到减少影响的目的[4]。执行高原机场(或航线)飞行的飞机需要完成多个关键部件的改装，很多航空公司通过快速存取记录器数据(Quick Access Recorder，简称：QAR)监控发动机的在高原机场(或航线)运行的性能状态[5]。民机试飞曾使用起飞推力限制参数验证试飞(Lapse-rate Take Off，简称LRTO)方式，完成高原机场扇区最低安全高度飞行航迹的设计[6]，所以做好发动机故障的分析和监控还可以提升高原航线运行的安全质量[7]。部分平原航线之间的飞行也涉及高原航段[8]，如：从成都/双流机场(IATA代码：CTU，ICAO代码：ZUUU，简称：双流机场)飞往北京/首都机场(IATA代码：PEK，ICAO代码：ZBAA，简称：首都机场)的临时航线，因“ELPAN - XIXAN”航段最低安全高超过4 300 m，属于高原航线，应按照要求做好发动机失效后飘降程序的设计和优化。
1.1 空中客车 A321-232飞机
研究采用的样本飞机是中国国际航空股份有限公司(Air China Limited，简称：国航)机队的空中客车A321-232飞机，空中客车A321是欧洲空中客车工业公司研制的双发中短程客机，飞机机头到尾翼尖的机身长度为43.78 m，机身宽3.95 m，机身高5.91～6.13 m，翼展为34.15 m。飞机发动机采用尾吊布局，飞机装有两台IAE-V2530-A5型号的发动机，推力等级30 K。飞机油箱总容积23 700 L，最多可加注18 841 kg的燃料(燃料密度：0.795 kg/L)，飞机安装185个座位，另有供客舱乘务员使用的8个座位。
1.2 “成都/双流—北京/首都”航线相关数据
“成都/双流—北京/首都”航线数据为ZUUU GUR9Y GURET W233 AGULU W81 NSH G212 WJC W193 ALGOV W101 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，空中飞行时间大约180 min，同时，“成都/双流—北京/首都”航线还有一条临时航路可以在向空中交通管理单位申请批复后使用，航路走向为ZUUU BOK9Y BOKIR W179 OMBON B330 MUDAP W211 ZWX W219 YHD W217 VIKON W72 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，临时航线的航路关键障碍物等数据如表1所示。
表1 “成都/双流—北京/首都”临时航路相关数据
2.1 航路安全高度高、对飞机性能要求高
高原航线运行受地形影响导致航路的最低安全高度高，以飞往拉萨/贡嘎机场(IATA代码：LXA，ICAO代码：ZULS，简称：拉萨机场)的藏区航线为例：昌都(经度：097.084，纬度：30.314)以东的航路安全高度为6 336 m，昌都以西为7 470 m，飞机在航路上发生发动机失效后，飞机的飘降性能必须满足高原航线飞行的特殊要求，所以飞机发动机等关键部件的维护标准需根据高原运行的要求特别制定。
2.2 航路天气复杂、飞行限制多
高原航线(特别是我国西部、西南部)常因受西南暖湿气流和西风急流的影响，云系多，云层厚，雨量充沛，云中雷暴和结冰现象明显，空气对流强烈，空中颠簸强烈，高空急流常常伴有中度以上的颠簸。但飞机气象雷达受航路地形回波的影响，反射波干扰大，影响飞行员对实际天气情况的判断，增加了飞机航路绕飞的难度。高原航线受地形影响和空中交通管制单位在高原航线指挥飞行高度、飞行间隔、绕飞距离等方面的特殊限制，较平原航线，困难更多。
2.3 通讯导航设施少、有效工作范围受限
高原航线主要在山区，所以在航路上无线电通信干扰大、信号弱，时常出现杂音或者失真，稳定通讯较平原航线更为困难，经常需通过中转台、插转台、飞机之间相互转报，或通过高频通信等方式与地面管制取得联系。同时，高原航线因山区地形影响，地面导航设备修建较少，指示误差相对较大，航站区域内的导航设备有时会出现信号屏蔽或假信号现象。
2.4 特情处置程序复杂
当高原航线飞行发生发动机失效后，受发动机失效后的性能限制，飞行员往往需要实施飘降程序。在实施飘降时，需根据不同航线特点，依据飞机与航路发动机失效折返点的位置关系，做出改航、返航或继续飞向指定机场的决定。但不同机场程序不太一致，情况更复杂。
2.5 航路备降机场少，运行控制难度大
在高原航线(特别是涉及藏区的高原航线)起飞机场和目的地机场之间可供使用的备降机场很少，对于某些机型甚至没有备降机场(如：空中客车A330在藏区仅拉萨机场可用)，在运行时往往使用起飞机场作为其备降机场。签派放行时还经常受备降机场天气因素的制约，运行控制难度大，当运行中当发生特殊情况(如：失火等)要求飞机尽快着陆时，机组决策和处置的难度非常大。
3.1 局方规章的要求
应急飘降指民航飞机在航路巡航发动机失效后，飞行员驾驶飞机保持飞行高度，为抵消发动机推力减小造成的阻力增大，飞机逐渐减速到飘降速度，并根据地面障碍物情况将飞机尽快下降直至改平点的过程，见图1。
图1 飞机一发失效应急飘降过程示意图
民航局通过多项规章对飞机一发失效应急飘降程序做出规定，如在《大型飞机公共航空承运人运行合格审定规则》(简称：CCAR-121-R7)第121.191条规定安装两台涡轮发动机的飞机发生一发失效时航路的限制，并对一发失效时航路净飞行航迹数据做出规定，按照相关特情处置的需要，从机组人员的训练、应急放油程序的安全性、制定备降场的最低天气标准和发动机失效后的油耗都做了准确规定。咨询通告《高原机场运行》(简称：AC-121-FS-2015-21R1)第5.2条要求“合格证持有人在高原机场运行，应制定针对出现客舱释压的供氧和航路上一发失效的应急飘降等紧急情况的处置预案”，第5.4条要求合格证持有人“加强对航班的实时跟踪监控，紧急情况下能快速判断飞机是否已经通过飘降返航点、客舱释压返航点和航路改航点”。《飞机航线运营应进行的飞机性能分析 》(简称：AC-121FS-006)第5.1条提出“航路飘降是基于地图作业完成的，根据航路的地形剖面可以确定决断点和航路备降场”。本文的相关研究和程序设计的计算过程都基于这些规章要求，并结合公司的运行手册和样本实际情况完成。
3.2 程序设计算法
航路障碍物直接影响发动机失效应急飘降程序的设计，本研究第一步是航路障碍物的选取和确定，首先将相邻的地形图按照经纬度网格准确拼接在一起，完成地形图的拼接，形成一张能够覆盖待分析航段及逃离航段的地形图，课题组以样本航线的航路点为圆心，25 000 m为半径作圆，以25 000 m的垂直距离在航线两侧作平行线，平行线与航路点的圆相切，绘制整个航线的障碍物保护区，最终梳理出每个航段的最高障碍物数据。
飞机在航路上发生一发失效后安全超障是关键[9]，研究可知：飞机不同的飞行高度对飘降航迹的影响较小，见图2[10]，但飞机重量和大气温度对应急飘降越障的影响较大[11]，飞机重量越大，飞机越障能力越差，见图3。在高原机场，相同大气温度背景下高原机场大气密度更小，发动机推力变差，飞机越障能力也因可用发动机推力降低而变差[12]，课题组第二步将完成飞机一发失效安全超障的判断。CCAR-121-R7第121.191条明确规定飞机发生一发失效后有三种继续飞行的方法，包括：返回起飞机场、继续飞往目的地机场和上升至航线最低安全高度后飞往指定机场，所以设计飞机一发失效应急飘降程序将基于航路最低安全高度数据，结合样本飞机的最大起飞重量(Maximum Take-Off Weight，简称MTOW)计算得到一发失效净升限，对照检查航路最低高度是否满足安全飞行的要求，只要确保航路的最低安全高度低于该数值，则是可以满足超障的要求，反之则需要重新计算。
图2 巡航高度对飘降航迹的影响
图3 飞机质量对飘降航迹的影响图
第三步是完成样本飞机MTOW的核算。飞机出现发动机失效后，飞机重量是影响越障性能的重要因素，课题组梳理整个航段各分段安全高度，确定其最低安全高度及到达该航段可能的MTOW，当飞机一发失效飘降改平高度高于整个高原航段的航路安全高度，同时高于失效点到航路备降场所飞区域的航路安全高度，说明飞机在高原航段任意一点出现一发失效，均可以安全越障紧急备降，应急飘降过程可以灵活选择决策点和备降场。如果一发失效应急飘降改平高度低于部分高原航段的航路安全高度，则需要利用飞机从起始巡航高度飘降至改平高度之前的航迹来超越这部分高原航段，这时决断点(简称：PNR)的选择就极其关键，应充分考虑飞行员驾驶飞机向后折返或向前前进的飘降航迹，并结合应急程序设计过程来分析飞机空中改航(或逃逸)的航迹。第四步是完成飞机发动机失效时飞机重量的设定及应急程序设计基础数据的确定。第五步是完成应急飘降程序设计和机组操作程序的定义。
本文将完成三个方面的分析和研究：一是，结合“成都/双流—北京/首都”临时航线相关数据确定应急飘降程序设计的基础参数；
二是确认样本飞机可执行“成都/双流—北京/首都”临时航线，完成应急飘降程序的设计和优化；
三是定义合理、高效、易操作的机组操作程序。
4.1 问题提出
2021年10月5日，受航路恶劣天气的影响，飞越航路点AGULU(经度：107.113 1，纬度：32.154 3)去往武汉飞行情报区、上海飞行情报区、北京飞行情报区和沈阳飞行情报区的航班落地间隔60 000 m一架次。经放行评估发现：从双流机场飞往首都机场的航班延误时间超过90 min，放行签派员决定申请使用临时航线执行航班飞行任务。从表1可知，“成都/双流—北京/首都”临时航线在B330航路上“OMBON-XIXAN”航段的最低安全高超过4 300 m，属于高原航线，应按照规章要求完成发动机失效应急飘降程序设计。
4.2 基础数据确定
课题组首先结合表1数据得到“成都/双流—北京/首都”临时航线的保护区示意图，见图4，并完成最低安全高度剖面的制作，见图5，最终分析得到“成都/双流—北京/首都”临时航线高原航段部分的最低安全高度剖面，见图6。依据国际标准大气条件(International Standard Atmosphere，简称：ISA)并结合近10年 “成都/双流—北京/首都”临时航线的风温有效数据，飞往双流机场方向设置为顶风100 kt。因近10年双流机场飞往首都机场方向为不超过10 kt的顺风，为提高安全裕度，研究定义为静风，外界温度设定为ISA+5，飞机引气设定在“关闭”位。经过签派放行系统的模拟计算得出：空中客车A321-232飞机从双流机场飞抵OMBON点消耗燃油大约2 600 kg，飞抵XIXAN点消耗燃油大约3 700 kg，得出飞机在高原航段出现发动机失效后飞机重量在86 400～85 300 kg之间，为提高应急程序设计的安全裕度，将飞机失效时飞机重量设定为85 000 kg。
图4 “成都/双流—北京/首都”临时航线保护区示意图
图5 “成都/双流—北京/首都”临时航线最低安全高度剖面
图6 “成都/双流—北京/首都”临时航线高原航段最低安全高度剖面
4.3 一发失效应急飘降程序设计
课题组结合“成都/双流—北京/首都”临时航线的最低安全高度剖面，参考表1数据，通过对飞行高度、航路高空风、航路温度和失效点飞机重量等数据的计算，兼顾空调和防冰系统的工作状态等条件确定出“成都/双流—北京/首都”临时航线单发应急飘降净航迹，在航迹上确定出关键点A和关键点B，分析关键点与PNR的关系，其中关键点A是样本飞机在“成都/双流-PNR”航线上发动机一发失效后在飞回双流机场方向时尽快在双流机场着陆的临界点，关键点B是样本飞机在“PNR-XIXAN”时尽快在样本飞机净航迹正好能够满足越障的要求后飞往计划的改航机场着陆的临界点。经过计算可知，关键点A点位于BOKIR南边14 Nm，关键点B位于ELPAN南边27 Nm，见图7。
图7 “成都/双流—北京/首都”临时航线应急飘降程序关键点A、关键点B示意图
从示意图可知，当飞机在关键点A以后一发失效，飞行员立即驾驶飞机沿航路飞往兰州/中川机场(IATA代码：LHW，ICAO代码：ZLLL，简称：兰州机场)，或视飞机剩余燃油情况选择沿航路飞往银川/河东机场(IATA代码：INC，ICAO代码：ZLIC，简称：银川机场)并着陆。当飞机在关键点B以前一发失效，可掉头返回双流机场，关键点A和关键点B之间任意一点发生一发失效，飞行员均可驾驶飞机前往改航的兰州机场、银川机场或者掉头返回双流机场。
5.1 研究结论
本文以空中客车A321-232飞机为样本机，完成 “成都/双流—北京/首都”临时航线发动机失效应急飘降程序的设计，因“成都/双流—北京/首都”临时航线的“OMBON-XIXAN”高原航段部分的航程约175 Nm，距离较短，空中客车A321-232在该航段的空中飞行时间仅20 min，且高原航段距离双流机场的飞行时间也不足60 min，所以关键点A和关键点B中间任意一点均可作为“成都/双流—北京/首都”临时航线一发失效应急飘降决断点，最终，本文将OMBON确定为“成都/双流—北京/首都”临时航线应急飘降决断点，见图8，确定决断点后，课题组进行应急飘降程序优化并完成机组操作示意图，供机组和飞行签派员在特情出现后使用，见图9。
研究可知：1)当飞机在双流机场起飞“OMBON-XIXAN”航段前任意一点发生发动机失效特情，飞行员应立即沿原航路视机型和飞机机载剩余燃油情况选择飞往双流机场并尽快着陆，考虑到双流机场冬季出现大雾和夏季出现雷暴的概率较高[13-14]，课题组建议将双流机场附近的成都/天府机场(IATA代码：TFU，ICAO代码：ZUTF，简称：天府机场)、绵阳/南郊机场(IATA代码：MIG，ICAO代码：ZUMY，简称：双流机场)或广元/盘龙机场(IATA代码：GYS，ICAO代码：ZUGU，简称：广元机场)也作为紧急情况下的可用机场供机组选择。2)当飞机在双流机场起飞在“OMBON-XIXAN”航段间任意一点发生发动机失效特情，飞行员应立即沿航路飞往兰州机场；
或视机型和飞机机载剩余燃油情况选择沿航路飞往银川机场。3)当飞机在双流机场起飞飞离“OMBON-XIXAN”航段后，飞机已经飞离航线的高原航段，如发生发动机失效特情，飞行员按照空中客车A321的机型需求完成应急飘降操作即可。
按照设计的发动机失效应急飘降程序结合课题组前期对该航线客舱释压紧急下降程序的设计，从双流机场飞往首都机场以及当天部分由西南区域经机场起飞由AGULU点飞往华北区域机场的航班都可以改飞B330航路执行，可避开因天气原因形成流量控制而造成的延误，而且飞机在空中的飞行时间相差不大，完全可以保证相关航班的安全飞行和正常运行。
图8 “成都/双流—北京/首都”临时航线应急飘降程序决断点示意图
图9 “成都/双流—北京/首都”临时航线应急飘降程序机组操作示意图
5.2 课题展望
随着我国交通运输业的高速发展，可以预见“十四五”期间我国民航将再次迎来高速发展的春天，结合我国空域开放的稳步推进，涉及航路优选的情况会越来越多，而我国超过三分之一的国土都属于高山或者丘陵地区，同样需要结合飞机性能特点完成高原航线应急程序的设计和优化，接下来，课题组将在本研究的基础上，完成国内地形特点的总结和梳理，根据飞机供氧时间和航线所含高原航段距离长短，形成一套通用的发动机失效应急飘降和客舱释压紧急下降程序的设计方法，提升航班运行控制工作的效率，对民航事业的快速发展具有一定的促进意义。
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