高原機場終端區(qū)飛行閉環(huán)穩(wěn)定性分析

張子彥

（成都飛機設計研究所，四川成都 610041）

0 引言

中國是個多山的國家，也是世界上高原機場最多的國家，所以飛機在山區(qū)和高原機場的飛行安全問題，尤其是在高原機場的起飛和著陸安全問題顯得特別重要。

高原機場所特有的復雜地形、強烈的大氣紊流、空氣密度低和飛行員缺氧等，使得飛機在高原機場起飛著陸比普通機場困難得多，發(fā)生事故的征候多，出現事故的概率高。高原機場對飛機飛行的各種影響因素，可以歸結為飛行員對飛機的操縱控制和飛機的閉環(huán)操縱穩(wěn)定性問題。因此，研究飛機在高原機場的閉環(huán)穩(wěn)定性問題，在飛機設計、飛行訓練、飛行品質和適航性分析等方面，對提高飛機的飛行安全都具有重要的意義。

1 在飛行終端區(qū)飛行的特點

飛機在飛行終端區(qū)飛行，有不同于高空飛行的特點。首先，飛機在起飛著陸過程中構型的變化很大，前緣襟翼、后緣襟翼的收放和偏度變化，以及起落架的收放都會對飛機的氣動力特性造成較大的影響，而飛機氣動力變化會影響飛機的操縱穩(wěn)定特性和閉環(huán)穩(wěn)定性；其次，飛機近地飛行還存在地面效應，會對飛機的氣動特性造成較大的影響，包括飛機的穩(wěn)定性和操縱性，并且這種影響是隨著飛機離地高度而變化的；另外，飛機近地飛行的干擾因素多，能見度變化、建筑物及地形以及地面大氣紊流都會對飛行員的操縱造成不利影響。因此，飛機的起飛著陸階段是對飛機操縱精度要求最高的階段。

2 高原機場終端區(qū)飛行的特殊性

2.1 空氣密度低

高原地區(qū)空氣密度比平原地區(qū)小，這對飛機的飛行性能有很大的影響。隨著高度的增加，空氣密度不斷降低，空氣密度的降低使飛機的空氣動力特性大幅下降，從而使飛機的起飛著陸性能和阻尼特性大幅下降。阻尼特性的下降必然引起飛機動穩(wěn)定性的降低。同一架飛機在3 000 m高度的機場與海平面機場相比，由于空氣密度下降，同樣速度下飛機的升力下降，其滑跑速度需增加約25%才能從地面起飛；同時，隨著高度的增加，空氣密度不斷降低，發(fā)動機的推力也不斷降低。發(fā)動機相對于海平面起飛總推力下降的幅度可達到25%左右，進一步降低了飛機的起飛著陸性能。因此，在高原機場飛行時，飛機起降要求更大的起降速度和更長的滑跑距離。如果飛行員忽略了這些因素，飛機在起飛著陸時就容易發(fā)生事故，這也是飛機在高原機場著陸時沖出跑道的事件遠遠多于平原機場的原因。

對高原機場還必須考慮溫度對空氣密度的影響。空氣密度是和溫度成反比的，在同樣高度條件下溫度越高，空氣密度越低。高原地區(qū)的日氣溫變化大，最高可達30℃，對空氣密度的影響相當于大約1 000 m高度變化對空氣密度的影響。即在同一機場，溫度越高，飛機的飛行性能也越差，更容易發(fā)生飛行安全問題。

2.2 地形復雜

飛機的起飛和著陸航線是有一定要求的，而飛機設計包括飛行控制系統(tǒng)飛行控制律的設計和自動著陸系統(tǒng)的設計，通常沒有考慮高原機場的特殊情況。許多高原機場建在崇山峻嶺或山谷之中，地形非常復雜，機場附近的高山可能迫使飛機改變起飛和著陸的飛行軌跡，使得飛機起飛和著陸無法按照原來設計的航線飛行，或者設計的飛行控制系統(tǒng)和自動著陸系統(tǒng)不能滿足要求。飛機在進行高原機場飛行時必須考慮各個機場特殊地形的影響，既要檢查飛機飛行控制系統(tǒng)的適應性更改，又要考慮飛機起飛著陸性能的變化。有些高原機場，如林芝機場（見圖1），由于地形復雜，要求飛機必須裝備RNP系統(tǒng)。

圖1 林芝機場Fig.1 Linzhi airport

2.3 高原機場的特殊氣流流場

大氣紊流、風切變和微風暴等大氣流場的變化會對飛機的飛行安全造成嚴重的影響。由于高原機場地形復雜、氣象條件突變以及特殊的氣流流場變化，使這些影響更為嚴重。例如，在山谷中的機場上方會出現方向變化的回旋風，往往會給飛行員的操縱和修正造成很大的困難，如果反應不及時就可能造成飛行事故。

有些高原機場，如圖2所示建在山頂上的攀枝花機場，跑道兩端和側面均為深谷，金沙江在西、北、東三面環(huán)繞機場。機場與江面海拔高差達1 000 m，跑道上方會形成強烈的上洗氣流、下洗氣流和側洗氣流，將嚴重影響飛機飛行軌跡的保持，這也是類似機場飛行員感到特別難飛的原因。

圖2 攀枝花機場Fig.2 Panzhihua airport

2.4 高原缺氧環(huán)境對飛行員生理特性的影響

高原環(huán)境下空氣稀薄，缺氧將對人體造成嚴重的高原反應，這對飛行員也不例外。這時飛行員的生理機能可能會大大下降，飛行員的視覺反應和行動反應以及決策時間都會有比較大的時間延遲。這會對飛行員的操縱能力和飛機的閉環(huán)穩(wěn)定性造成不利影響，嚴重時容易引起PIO，使飛機進入危險飛行狀態(tài)。

3 高原機場終端區(qū)飛行閉環(huán)穩(wěn)定性

3.1 高原機場終端區(qū)飛行閉環(huán)穩(wěn)定性的重要性

目前，在我國高原機場飛行存在輕微事故多、事故征候多、新進入高原機場運營的航空公司事故征候多、航班誤點率高、機場使用效率低和飛行員畏難情緒大等問題。飛機在終端區(qū)飛行時需要精確操縱，而此時由于影響因素復雜，外界因素對飛行員操縱的干擾大，要保持對飛機的精確操縱會比較困難。據統(tǒng)計，飛機的飛行事故有70%以上是發(fā)生在這一區(qū)域的。因此，如何保證飛機在終端區(qū)飛行時具有良好的閉環(huán)穩(wěn)定性是非常重要的。

3.2 影響高原機場飛行閉環(huán)穩(wěn)定性的因素

影響飛機高原機場飛行的人-機閉環(huán)穩(wěn)定性有以下三個主要因素［2］:

（1）飛機本體阻尼特性變差。在高原機場飛行時由于空氣密度低，飛機的阻尼特性差，從而降低了飛機起飛著陸狀態(tài)的閉環(huán)穩(wěn)定性。

（2）外界擾動增強。高原機場復雜地形和復雜氣象所引起的外部強烈的大氣紊流、突風等擾動會對飛機的閉環(huán)穩(wěn)定性造成不利的影響。

（3）缺氧對飛行員特性的不利影響。飛行員的生理特性會對飛機的閉環(huán)穩(wěn)定性有較大的影響，如果飛行員的生理特性和正常情況有較大的偏離，可能會引起人機閉環(huán)穩(wěn)定性問題。

現代飛機在高空飛行時座艙內部有增壓系統(tǒng)，在起飛著陸過程中增壓艙的壓力逐漸改變，以適應地面的狀態(tài)。因此，在高原機場起飛和進場著陸過程中飛行員是在缺氧條件下工作的。在缺氧條件下人的生理反應能力比正常情況要變差，表現為［1］:視覺反應變慢，清晰度變差；心理反應變慢，判斷和決策變緩；行動反應變慢，肌肉爆發(fā)力和持續(xù)性減弱。機場的海拔高度越高，缺氧越嚴重，影響越大，越容易出現人機閉環(huán)穩(wěn)定性變差的問題。因此，研究高原缺氧飛行條件下對飛行員行為特性的影響，對原來標準狀態(tài)下的飛行員數學模型進行修正，并以此為基礎來研究高原飛行條件下的人-機閉環(huán)穩(wěn)定性問題是非常必要的。

缺氧的影響并不僅僅反映在高度的變化上，它還和其他一些因素有關。在實際分析中必須考慮各種不同缺氧條件的影響:

①高度的影響:高度越高，空氣密度越低，缺氧越嚴重；

②缺氧時間:短時間的缺氧和長時間的缺氧對人體的影響是不同的；

③過渡過程:經驗表明，進入高原的不同過渡過程，對缺氧狀態(tài)的反應是不一樣的。如果是緩慢進入高原地區(qū)，會比較容易適應；反之，如果是突然進入，則影響較大；

④飛行員的個體特性:不同的人對高原缺氧的反應是不一樣的。即使是同一個人，在不同的身體狀態(tài)和精神狀態(tài)對缺氧的反應也可能有較大的差別。

4 高原機場缺氧條件下閉環(huán)穩(wěn)定性分析

4.1 建立高原機場缺氧條件飛行員數學模型

不同的研究對飛行員的數學模型有不同的表述形式，以文獻［3-4］多通道飛行員感知和操縱數學模型研究結果為基礎，圖3給出了簡化的飛行員數學模型。

圖3 飛行員數學模型Fig.3 Pilot mathematical model

圖中，飛行員模型由三部分組成，各部分動態(tài)特性可以通過比例增益和時間延遲來表示:

（1）中央神經系統(tǒng)綜合

①中央視覺系統(tǒng)通道:該通道為飛行員對三軸姿態(tài)和三軸滾轉速率的感知特性；

②外圍視覺系統(tǒng)通道:該通道為飛行員視覺感知滾轉速率的特性；

③前庭系統(tǒng)通道:該通道為飛行員對飛機飛行姿態(tài)動態(tài)變化的敏感性，它實際上是飛行員不依賴視覺感知加速度和角加速度變化的能力。

（2）中央神經系統(tǒng)決策延遲

①信息綜合部分:將視覺系統(tǒng)和前庭系統(tǒng)進行綜合；

②感知和作出決定的延遲:飛行員將感知的信息綜合后進行判斷，再作出采取行動的決定。中央神經系統(tǒng)作出的采取行動決定輸出到飛行員的神經運動系統(tǒng)。

（3）神經運動系統(tǒng):飛行員神經運動系統(tǒng)為飛行員四肢采取行動的動態(tài)特性。

進行飛機閉環(huán)穩(wěn)定性分析時，除了用地面飛行模擬器進行研究外，還可以用一些數學方法進行研究，可以把飛行員用一個數學模型來表示。在飛機設計和飛行品質分析時通常把飛行員看成是一個標準的飛行員，這樣可以簡化飛機的閉環(huán)穩(wěn)定性分析方法，通常可以只對飛機的開環(huán)特性進行分析。

在高原機場缺氧條件下，一個正常的飛行員可能變得不正常。在進行高原機場條件飛機閉環(huán)穩(wěn)定性分析時，需要對標準的飛行員數學模型進行修正。為了分析方便，可以在原來的飛行員數學模型基礎上增加一個修正傳遞函數，或者一個簡化的時間延遲量。需要注意的是，這里用增加一個修正函數或修正時間延遲的方法來修正飛行員的數學模型，而不是重新建立一個缺氧條件下的數學模型，稱為增量修正方法。只要在真實或仿真的高原缺氧條件下對比正常飛行員生理特性的差異，就可以比較容易地建立新的飛行員數學模型。當然，修正函數或修正時間延遲取決于很多因素，需要在真實的或仿真的高原缺氧條件下進行大量的測試、統(tǒng)計和分析研究工作，才能給出這個修正函數或修正時間延遲的數學模型。

4.2 高原機場的閉環(huán)穩(wěn)定性分析

在目前飛機設計過程中所用的飛行品質準則及其分析和檢查方法，沒有考慮飛行員個體特性的差異，而是把所有的飛行員都看作是標準狀態(tài)的飛行員，所以，無法考慮由于高原缺氧條件對飛行員生理特性的影響可能引起的對飛機閉環(huán)穩(wěn)定性的不利影響。而目前的飛行品質分析研究方法是通過近百年的飛機設計的經驗總結和發(fā)展而來的。為了分析研究高原機場缺氧條件對飛機閉環(huán)穩(wěn)定性的影響，完全拋棄傳統(tǒng)的分析方法而重新建立新的分析方法是不明智的，也是非常困難的。

有了高原機場條件飛行員數學模型的修正，可以把修正量加到飛機飛行控制系統(tǒng)模型中。把高原機場條件下一個受缺氧影響的飛行員和一架正常飛機所組成的閉環(huán)系統(tǒng)，等效為一個正常的飛行員和增加了修正函數或修正時間延遲的飛機所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。也就是把缺氧條件下飛行員駕駛一架正常的飛機，等效地看作正常的飛行員駕駛一架飛行控制系統(tǒng)特性變差（時間延遲加大）的飛機。等效閉環(huán)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 等效閉環(huán)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Equivalent closed-loop system

5 結束語

為了分析研究高原機場終端區(qū)飛行的閉環(huán)穩(wěn)定性問題，需要在高原機場缺氧條件下對飛行員的數學模型進行修正，采用增量修正方法通過在真實的或仿真的高原缺氧條件下對比測試正常飛行員的生理特性的差異，可以較容易地建立起新的飛行員數學模型。在此基礎上利用等效閉環(huán)系統(tǒng)方法，可以使用傳統(tǒng)的分析方法來進行高原機場條件下的閉環(huán)穩(wěn)定性分析。

進一步組織力量在高原機場不同的缺氧條件下進行飛行員生理特性的對比測試研究，采用增量修正方法建立修正后的飛行員數學模型；考慮高原機場條件下的各種不利因素，利用等效閉環(huán)系統(tǒng)方法進行閉環(huán)穩(wěn)定性的分析研究、加強飛行員訓練，對減少和防止高原機場飛行出現閉環(huán)穩(wěn)定性問題，提高飛機飛行的安全性具有重要意義。

［1］張子彥.高原機場飛行條件飛行員數學模型分析［J］.計算機仿真，2011，27（S）:182-184.

［2］Zhang Ziyan.Flying control and safety on plateau airports［J］.Procedia Engineering，2011，（17）:97-103.

［3］Mulder M，Kaljouw W J，Paassen M M V.Parameterized multi-loop model of pilot’s use of central and peripheral visual motion cues［R］.AIAA-2005-5894，2005.

［4］Hosman R，Schuring J，Vander G P.Pilot model development for the manual balked landing maneuver［R］.AIAA-2005-5884，2005.