中国指挥与控制学会会刊 
强烈侧风会严重危害飞机起飞和降落的安全性,飞机起飞和降落的最大正侧风必须通过地面试验和试飞来共同验证。某型飞机当前批准的起飞和着陆侧风限制为22kn,不能完全满足25.233(a)和25.237(a)的要求,目前采用在飞机飞行手册限制章节增加侧风限制的方式来对条款等效安全[1]。根据设计要求和前期试飞结果,某型飞机在当前批准的抗侧风能力上,仍然有一定余量,需进行侧风包线扩展试验,包括地面试验和飞行试验两部分。地面试验作为飞行试验的前置试验,需要在飞行试验前完成,获得地面侧风运行包线。根据对TC证前试飞结果的分析,本次大侧风包线扩展试验的目标值为起飞30kn,着陆27kn。为了满足30kn侧风起飞的要求,考虑到安全裕度,地面试验需验证至32kn侧风。大侧风地面试验内容包括发动机和APU两个系统。证前试验中,发动机系统已验证至27kn(滑跑起飞程序),APU系统已验证至25kn,经综合考虑,此次地面试验的要求风速为大于27kn,目标值32kn。
大侧风飞行试验需要垂直于跑道方向的侧风分量满足设计指标要求。前期调研发现,国内大风机场跑道大都按照平行于风向设计,风速很大的时候垂直于跑道方向的侧风分量有限,无法满足某型飞机TC证后抗侧风能力验证设计更改飞行试验的要求。而大侧风地面试验中,可以通过调整飞机方向的方法获得较大的侧风分量[2],气象条件相对容易满足,可考虑在国内实施。基于以上原因,首先在国内机场完成某型飞机TC证后抗侧风能力验证设计更改地面试验,在此基础上考虑转场国外完成TC证后抗侧风能力验证设计更改飞行试验。
此项大型地面试验,主要分为三大阶段,分别是试验准备阶段、试验演练阶段和试验实施阶段。每个阶段都有其重要意义。试验准备阶段主要在组织机构、方法研究、场地选取、气象预测、飞机调整等方面进行准备,为进入实验演练阶段做准备;试验演练阶段是对试验准备成果的初步检查,通过本场和实地演练,暴露出准备方面的不足以及在试验指挥、飞机移动、硬件保障、实时决策等具体方面的问题及时进行改进,为真正进行大侧风地面试验做准备;试验实施阶段是在有大侧风气象条件的时间,在合适的机场进行地面试验,获得有效数据,进行条款的验证。
1 大侧风试验组织架构和试验内容
1.1 组织架构
本次试验的组织机构设置如图1 。
每个组织的功能分配如下:
指挥组是对整个试验各项工作做出决策、发出指令的主要机构,对各小组的工作进行分配和检查;
工程组负责研究适航条款对试验的要求,设置合理的试验点,明确试验的技术要求,并在试验过程中给出工程支持,在试验后对数据进行解读和分析,提供工程报告;
试验组负责设计并组织实施试验,找出合理可实施的试验方法,并在试验过程中向指挥组给出决策建议,实时解读数据,给出快速试验报告;
气象组负责在前期进行气象预测,找出试验机场和窗口期。在试验过程中实时提供气象信息,供工程组和试验组判断试验状态;
机务组负责飞机的操作,包括驾驶舱对发动机和APU的操作,以及飞机方位的快速调整,试验场地的警戒;
测试组负责试验数据的记录,并对测试数据进行解析,供试验组和工程组作为事后处理数据,编制相应试验报告;
综合保障组主要负责机场协调、应急安全和后勤保障方面等事项。
1.2 试验内容
某型飞机TC证后抗侧风能力验证设计更改地面试验内容包括动力装置和APU两个系统共4个科目,其中动力装置系统包括进气畸变MOC5试验、排气与引气污染MOC5试验,APU系统包括进气系统MOC5试验、排气与引气污染MOC5试验。试验点内容详见表1 。
表1 侧风地面试验点内容 |
| 序号 | 专业 | 科目 | 发动机 引气 | APU 引气 | 风向 | 平均风 速要求 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 动力 装置 | 进气畸变 | 关闭 | 按需 | 90°或270° | 侧风 >27kn 目标风 速32kn |
| 2 | 进气畸变 | 打开 | 按需 | |||
| 3 | 排气与 引气污染 | 关闭 | 关闭 | |||
| 4 | 排气与 引气污染 | 打开 | 关闭 | |||
| 5 | APU | 进气系统 | 按需 | 关闭 | 90°、270° | |
| 6 | 进气系统 | 按需 | 打开 | |||
| 7 | 排气与 引气污染 | 关闭 | 关闭 | |||
| 8 | 排气与 引气污染 | 关闭 | 打开 |
备注:风速允差要求:±2kn;风向允差要求:±10°。 |
为了提高试验效率,最大程度利用气象窗口,通过对试验任务的优化和组织,试验点内容及顺序安排如表2 所示。
表2 试验点安排 |
| 序号 | 内容 | 发动机环控引气 | APU环控引气 | 风向 | 优先等级 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | APU进气系统(电负载、起动主发)、APU排气与引气污染 | 关闭 | 关闭 | 270° | 1 |
| 2 | 动力装置进气畸变(环控引气关)、动力装置排气与引气污染 | 关闭 | 关闭 | ||
| 3 | 动力装置进气畸变(环控引气开)、动力装置排气与引气污染 | 打开 | 关闭 | ||
| 4 | APU进气系统(环控引气、环控引气与电负载)、APU排气与引气污染 | 关闭 | 打开 | ||
| 5 | APU进气系统(电负载、起动主发)、APU排气与引气污染 | 关闭 | 关闭 | 90° | 2 |
| 6 | APU进气系统(环控引气、环控引气与电负载)、APU排气与引气污染 | 关闭 | 打开 |
根据对试验点的优化组合,需进行至少6次地面试验。在风速满足试验要求的情况下,应迅速调整好飞机角度,并按试验点设置好APU和发动机构型状态,按要求进行试验。在风速连续满足试验要求且充分保证试验数据有效性的情况下,完成全部试验共需约3.5小时。由于发动机安装的对称性,在进行动力装置进气畸变和动力装置排气与引气污染试验过程中,在同一个风向上,双发同时进行试验,减少飞机调整角度的次数。试验过程中尽量先完成一个风向上的全部试验内容后再进行下一个风向试验,避免因为反复调整飞机位置造成风速资源浪费。整个试验过程中通过CO浓度测量仪自动测量并记录客舱和驾驶舱内CO浓度。
2 大侧风试验场地选取与气象预测
2.1 场地选取
场地选取主要考虑:一是风的规律,二是机场的场地情况。通过对全国风场的气候特点、大风成因分析及地表植被情况,初步选定了冷空气南下中路路径上的内蒙古中东部地区[3]。在此基础上,进一步分析了该区域的机场历史气象资料,根据机场自观风速数据,锡林浩特机场具备大侧风地面试验的气象条件,机坪示意图如图2 所示。机场中有两块场地可满足试验开车要求,其中预选场地1可用大小约为100m×100m,预选场地2可用大小约为80m×80m(如试验时无航班,占用滑行道,区域可稍大),场地1西北方向有建筑,可能会对风速有影响,场地2周围比较平坦。考虑尾气影响,开车需避开西北方向建筑及停机坪其他航空器。
根据历史气象统计,锡林浩特机场大风天风向以西到西北风居多。按照避开西北方向建筑、停机坪及其他航空器的原则,首选在场地2进行270°和90°试验(90°试验只需发动机慢车功率),次选在预选场地1进行90°试验,在预选场地2进行270°试验。预选场地实景如图3 所示。
2.2 气象预测
3 某型飞机地面大侧风试验案例分析
3.1 飞机调整与试验演练
飞机调整是为了保证飞机本身良好状态以及测试系统的数据采集。试验主要考察的发动机和APU符合试验大纲构型要求并处于可试验状态。随着风的变化,通过牵引车能够快速调整飞机方向,保证飞机发动机和APU与风处于90°和270°方向。通过加装测试系统并调试,保证试验需要的关键参数全部符合试验要求。其中,发动机相关参数主要包括:N1、N2、ITT、PS3、N1振动值、N2 振动值、N2变化率等,APU相关参数主要有:APU转速、排气温度、滑油压力等。
试验演练是为了暴露各个环节的不足,发现在试验指挥、飞机移动、硬件保障、实时决策等具体方面的问题,以便及时进行改进,为真正进行大侧风地面试验做准备。
第一次演练主要练习飞机方位的变换,保证通过牵引,飞机能够快速响应指令变换方向,跟上风向的变化。这次演练主要以特车组和机务组为主。第二次演练主要是整个试验流程的演练,对试验实时决策、指令传递、飞机牵引、飞机防护等进行演练,除了气象情况和数据快速判断是模拟,其他工作基本达到真实试验状态。本次演练发现了较多的配合间的问题,列出问题清单如图5 ,并及时进行了改进。
第三次演练是在锡林浩特机场的实地演练,是对前期发现问题的改进后情况检查和机场实地限制条件确认,除了再次明确了各小组的配合关系,也明确了由于机场建筑和气象设备导致的方向限制。
3.2 精准气象预报
试验期间每天的进场时间,需要更精准的气象预报。精准的预报风向风速、大风起止时间,可以节约试验人员的体力,提高试验的组织效率。高时空分辨率的数值模式预报产品对更加精准的预报提供了可能。基于天气形势对风场的预报结果(图6 ),再结合精细化预报产品(图7 )可以判定大风过程的最大风速时段及主要风向。图7 给出了不同起报时间对一次大风过程的变化情况,根据变化可以对大风过程做出调整,在试验临近时进一步确定试验时间。
根据数值预报模式可以给出相对精确的风向风速变化情况,但是预报与实况总是有差异。在试验实施当天,结合内蒙古自治区气象局大风监测网(锡林郭勒盟气象局提供)可以对大风预报做出及时的订正,另一方面,上游台站的风速变化情况是很好的指针,根据连续几张实况图的推演,可以在精细化预报的基础上明确大风的起止时间,对试验的开始结束的决策起到了关键作用。
综合以上信息,可以给出相对准确的预报,得到如表3 和表4 的精准气象预报,供试验组织进行决策进场时间。
表3 短期天气预报 |
| 日期 | 天气 | 温度/℃ | 风 |
|---|---|---|---|
| 4月15日 | 晴 | 3-20 | 风向:260转300 风速:3-6m/s,阵风11m/s |
| 4月16日 | 阴有小雨 | 2-18 | 风向:260 风速:6-14m/s,阵风20m/s |
| 4月17日 | 雨夹雪 | -3-10 | 风向:300 风速:8-15m/s,阵风20m/s |
表4 具体时段天气预报 |
| 具体时段 | 天气 | 风向 | 风速/(m/s) | 阵风/(m/s) |
|---|---|---|---|---|
| 16日12时-16日20时 | 小雨 | 240 | 10-14 | 20 |
| 16日20时-17日10时 | 小雨 | 280 | 4-10 | 16 |
| 17日10时-17日23时 | 多云 | 300 | 12-15 | 20 |
| 17日23时-18日15时 | 多云 | 320 | 10-14 | 17 |
3.3 试验点决策与数据分析
试验要求的风最短是1s,最长要达到2min,而侧风并不是一直稳定在某一速度和方向,因此通过正向投影法对风的数据的预判,快速进行试验点决策,成了能否抓住转瞬即逝的风的关键。针对地面侧风试验,试验组设计了一个专用的监控画面,如图9 所示,作为决策的关键工具。通过工程组对风向、风速的监控和平均风速的实时计算,以及试验组对发动机和APU相关参数的实时监控,指挥组得以快速的决策试验点开始和结束时机,并获取试验所需的有效数据。
一个试验点是否有效,下面应该进行哪个试验点,需要进行快速数据判断,但实时数据的抓取、计算和判断,也是一个难点。本次试验的技术人员,创新性的找出滑动平均值法,对1min和2min内的数据可以通过快速计算,得出风速的平均值,从而判断出上一个试验点是否有效,是否符合平均风速和最大风速的要求,支持了试验点变换的决策[5]。
本次试验风速采样率为1Hz,所以1min滑动平均值C1和2min滑动平均值C2的计算方法如下:
C1=
C2=
式中n为时间(s),Wi为第i秒时的正侧风风速。试验过程中,使用以上公式持续对采集到的风速数据进行计算,从而实时获得已经过去的1min和2min内正侧风平均值,直至获得满足试验要求的平均风速。
以90°侧风方向上APU进气系统环控引气与电负载试验点为例,该试验点要求APU提供电负载和环控引气,持续2min,因此要求90°正侧风2min平均值需达到32kn。试验过程中,在飞机构型调整到位后,持续进行风速采集,并实时计算2min滑动平均值,风速数据如图10 所示。
根据上图分析可得,在16:57:15之后,2min滑动平均值开始大于32kn,最大值出现在16:58:01,为33.5kn,即16:56:02-16:58:01期间正侧风平均风速为33.5kn。在该时间段内,APU工作参数变化图如图11 所示,APU转速、EGT、滑油温度、滑油压力等工作参数正常,无喘振、熄火、超温等异常现象,满足大纲要求。
试验最终取得了理想数据,发动机共10个试验点,平均风速达到30.7kn-36.6kn,APU共12个试验点,平均风速30kn-33.6kn,整个试验过程中无喘振、熄火等不利现象,CO浓度测量全部合格。
4 结束语
地面大侧风试验的难点在于气象自然状态的精准捕捉。本文通过建立合理的组织架构,明确具体的试验目标和内容,根据气象数据选取合适的试验场地并进行了试验演练,保证了该大型地面试验的有效开展。通过风场情况和探空图等气象预测方法准确获取了所需时间段的各种气象信息,试验过程中使用滑动平均法进行了快速数据判断与分析,最终验证某型飞机发动机和APU工作参数在大侧风情况下全部合格。
这次试验的成功得益于对气象预报的技术把握,也取决于良好的组织和实施,是今后进行大型地面试验的优良案例典范。