機載低空風切變系統適航要求及驗證方法研究

韓麗，劉明，王佳杰

(中國商用飛機有限責任公司 上海飛機設計研究院，上海　201210)

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機載低空風切變系統適航要求及驗證方法研究

韓麗，劉明，王佳杰

(中國商用飛機有限責任公司 上海飛機設計研究院，上海201210)

摘要：風切變是一種特殊的大氣現象，影響飛行安全，民用飛機在飛行時應盡量躲避風切變。機載低空風切變系統是一種有效的風切變探測系統，可以探測風切變的存在并發出警告，使飛行機組有足夠的時間采取措施安全地避開風切變。本文簡要介紹了風切變的概念及其危害，梳理了民用飛機主要應用的機載低空風切變系統類型，分析了機載低空風切變系統的適航條款要求，并給出了可采用的符合性驗證方法。研究結果對國內民用飛機的適航審定取證工作具有積極意義。

關鍵詞：民用飛機；低空風切變系統；適航要求；符合性驗證方法

0引言

風切變是風向和風速在水平和垂直方向突然變化的大氣紊流，是一種特殊的大氣現象。在航空氣象學中，風切變又分為垂直風的水平切變、水平風的水平切變和水平風的垂直切變三類。風切變作為一種擾動，會對飛機的正常飛行造成影響，若飛行機組不能及時加以修正，將會使飛機航跡發生變化，在俯沖、滾轉、偏航和空速等方面出現復雜的振蕩。然而，在風切變環境中，飛行機組控制指示空速的能力非常有限，而且飛機重量越大，受風切變的影響就越大；風切變發生的高度越低，對飛行的影響也越大。

遭遇風切變時的飛行高度是影響飛機起飛著陸安全的關鍵因素。理論上講，飛機起飛時遭遇風切變比著陸時遭遇風切變更危險，而事實卻相反，原因是若飛機起飛時遭遇風切變，其危險是飛機失速，這時飛行機組無需判斷，只需推大油門以爭取飛機的速度和高度即可。而若是著陸時遭遇風切變，則要求飛行機組及早判斷，并完全改變著陸操作，但飛行機組在飛機著陸過程中是難以采取相反操縱動作的，故著陸時發生的事故更多。據美國國家運輸安全委員會統計，自1975年以來，由于天氣原因在美國國內發生的惡性空難中，80%是低空風切變導致的[1-2]。

為保證飛行安全，民用飛機應對低空風切變的最直接方法就是“躲避”，即應用專門的風切變探測技術，提前發現，提前避開。一般通過飛機機載風切變探測系統或機場范圍內的地面低空風切變探測系統來探測風切變。通過上述探測技術，可以使飛機在遭遇風切變時或者遭遇風切變之前收到警告，給飛行機組足夠的時間來采取措施避開風切變[3]。

查閱相關民用飛機適航規章，例如《運輸類飛機適航標準》(CCAR-25部)和《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》(CCAR-121部)，發現適航規章對民用飛機機載風切變系統的要求甚少。因此，本文重點研究民用飛機機載低空風切變系統的適航規章要求，明確民用飛機適航取證過程中應該滿足的條款要求；同時給出可行的符合性驗證方法。

1機載低空風切變系統概述

機載低空風切變系統按原理可分為預測型低空風切變系統和反應型低空風切變系統兩類。預測型低空風切變系統屬于主動探測系統，具有前視探測功能的機載微波多普勒雷達系統，能在飛機遭遇風切變之前15 s左右發出風切變警告，使飛行機組有時間采取措施應對風切變；而反應型低空風切變系統屬于被動探測系統，即只有當飛機遭遇風切變時，系統才會發出風切變警告。

預測型低空風切變系統是利用多普勒效應工作的雷達系統，其通過測量運動目標的回波信號與發射信號頻率之間存在的頻率差異——多普勒頻移，來探測運動氣象目標。氣象雷達發射的信號遇到大氣中的運動粒子被反射回來，根據多普勒效應，運動粒子產生的回波信號與發射信號之間存在相位差，通過測量該相位差，便可計算出粒子的運動速度，從而反映氣流速度。

反應型低空風切變系統是利用飛機現有儀表系統中的一些參數異常來提示飛行機組飛機遇到了風切變。波音公司規定：當飛機空速表指示值突然改變15～20 nmile/h，則認為飛機遇到了風切變。反應型低空風切變系統早先被用于風切變實屬無奈之選，隨著科技的發展以及對風切變現象認識的逐步深入，應對風切變最好的辦法應是預測型低空風切變系統，因為該系統能真正做到“提前發現，提前避開”。

2適航要求

查閱相關適航規章，發現《運輸類飛機適航標準》(CCAR-25-R4)中沒有明確條款對飛機安裝機載低空風切變系統提出要求；而《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》(CCAR-121-R4)中，第358條對低空風切變系統提出了要求。

CCAR-121-R4第358條——低空風切變系統的設備要求，條款原文為：“除經局方批準外，按照本規則實施運行的渦輪動力飛機(渦輪螺旋槳動力飛機除外)應當裝備有經批準的機載風切變警告與飛行指引系統，經批準的機載風切變探測和避讓系統，或者經批準的這些系統的組合[4]。”

結合上述適航要求及目前民用飛機對風切變探測技術的應用，本文認為：①反應型低空風切變系統屬于“經批準的機載風切變警告與飛行指引系統”的一種，當飛機遭遇風切變時，該系統能夠向飛行機組發出警告；同時，飛行控制系統自動地綜合利用空速，無線電高度和迎角信息產生最佳的機動指令，幫助飛機脫離風切變。②預測型低空風切變系統屬于“經批準的機載風切變探測和避讓系統”的一種，該系統能夠提前探測前方風切變的存在；同時，飛行控制系統自動地綜合利用空速，無線電高度和迎角信息產生最佳的避讓機動指令，使飛機避開風切變。③“經批準的這些系統的組合”可認為是“未來新型風切變系統”，該系統不僅具備機載風切變警告與飛行指引的功能，還兼具機載風切變探測和避讓的功能。

CCAR-121-R4第358條，條款原文語句比較復雜，僅從字面解析，無法準確得知“按照本規則實施運行的渦輪動力飛機(渦輪螺旋槳動力飛機除外)”應該裝備哪一種風切變系統，反應型低空風切變系統和預測型低空風切變系統是否需要同時安裝。

考慮CAAC規章與FAA規章體系相似，查閱FAA規章條款，發現14 CFR Part 121第358條對風切變系統提出了要求。

14 CFR Part 121第358條——Low-altitude wind shear system equipment requirements[5](低空風切變系統的設備要求)，條款原文為：“(a) Airplanes manufactured after January 2, 1991. No person may operate a turbine-powered airplane manufactured after January 2, 1991, unless it is equipped with either an approved airborne wind shear warning and flight guidance system, an approved airborne detection and avoidance system, or an approved combination of these systems.”(中文譯為：(a) 1991年1月2日后生產制造的飛機。任何人不得運行1991年1月2日后生產制造的飛機，除非該飛機已經裝備了經批準的機載風切變警告與飛行指引系統，經批準的機載風切變探測和避讓系統，或者經批準的這些系統的組合。)

查閱規章制定建議公告(NPRM)，得知14 CFR Part 121第358條對應的規章修正案為1990年5月9日發布的121-216，相應的NPRM為1990年4月9日發布的55 FR 13242。NPRM主要講述修訂該條款的背景、過程、經濟效益、最終規章等，其主要內容如下：1988年9月27日，FAA在聯邦注冊報53 FR 37688發布了新規章——飛機安裝低空機載風切變設備和加強飛行飛行機組風切變培訓的要求。新規章要求：截止1991年1月2日，所有按照121部運營的渦輪動力飛機都必須安裝機載風切變警告和飛行指引系統。運營人可以向FAA提交改裝申請，獲得批準后可以延遲符合該規章要求的時間。FAA修訂該條款，主要為了降低與風切變相關的飛行事故率，即使飛機遭遇風切變，其所安裝的低空風切變警告和飛行指引系統，也能提高安全裕度。

1989年3月17日， ATA(交通運輸協會)向FAA反饋意見：一些老齡飛機不值得安裝風切變警告和飛行指引系統，應排除在外，建議FAA在規章中明確。對此，1989年8月1日，FAA在聯邦注冊報54 FR 34394發布了NPRM，對規章進行了三點修改：①將一些老齡飛機排除在外，規定某些老齡飛機不需要安裝機載風切變飛行指引系統；②型號合格證持有人為了滿足121-R4第358(a)條款的要求，可以向FAA提交延長符合性截止時間的申請，申請時，型號合格證持有人可以將機載風切變系統設備安裝時間與TCASII設備的安裝時間保持一致；③當預測型風切變系統發展成熟可用時，經批準的預測型風切變系統將被允許安裝。

在征求意見時，達美航空提出：安裝反應型風切變系統可能阻礙預測型風切變系統的發展與裝機。為此，FAA最終發布的規章里特別提出：當預測型風切變系統發展成熟可用時，預測型風切變系統也將被允許裝機。

規章制定建議公告中相應的說明是：“(a) The final rule specifically allows for the installation of predictive systems if they become available. (b) Because predictive systems would provide pilots with an opportunity to avoid the encounter, the FAA proposed amending 121.358 to allow the use of predictive systems as soon as they are available and certificated.” (中文譯為：(a) 最終發布的條款將考慮允許預測型風切變系統的裝機，前提是預測型風切變系統技術可行。(b) 預測型風切變系統給飛行機組提供了一個提前規避風切變的機會，因此FAA決定，若預測型風切變系統技術可行且能夠通過適航驗證，則121.358條款修訂時將允許安裝預測型風切變系統。)

綜上所述，1990年規章修訂時，預測型風切變系統尚未成熟，故14 CFR Part 121.358條并未要求渦輪動力飛機安裝預測型風切變系統。14 CFR Part 121.358條最開始的要求是：按照121部實施運行的渦輪動力飛機必須安裝機載風切變警告與飛行指引系統。但通過征詢意見，考慮到科學技術的進步，且預測型風切變系統能夠提供飛行機組避開風切變的選擇，FAA最終對機載低空風切變系統的設備要求進行了修訂，允許飛機安裝經批準的機載風切變探測和避讓系統，即預測型風切變系統(NPRM原文為：“The FAA is amending the airborne low-altitude wind shear equipment rule to provide for acceptance of alternative airplane equipment in the form of an approved airborne wind shear detection and avoidance system (predictive systems).”[6])。因此，CCAR-121-R4第358條可解讀為：“按照本規則實施運行的飛機，應當裝備有經批準的機載風切變警告與飛行指引系統，或者經批準的機載風切變探測和避讓系統，或者經批準的這些系統的組合。”

3符合性驗證方法

新研制的飛機在適航審定取證過程中，若安裝有CCAR-121-R4第358條要求的機載低空風切變系統，則必須表明符合CCAR-25-R4第1301條“功能和安裝”和CCAR-25-R4第1309條“設備、系統及安裝”，即機載風切變系統在安裝后功能正常，同時必須保證在各種可預期的運行條件下能完成預定功能[7]。

適航符合性驗證方法分10種，分別為：MC0(符合性聲明)、MC1(說明性文件)、MC2(分析/計算)、MC3(安全性評估)、MC4(試驗室試驗)、MC5(地面試驗)、MC6(飛行試驗)、MC7(航空器檢查)、MC8(模擬器試驗)和MC9(設備合格性)[8-9]。

風切變飛行條件很難控制，機載風切變系統的測試和飛行試驗屬于高危風險科目，因此國際航空制造商幾乎都采取飛行模擬器試驗(MC8)開展適航驗證工作，有時也可結合MC1說明性文件、MC3安全性評估和MC6飛行試驗等方法開展適航驗證。本文僅介紹機載反應型風切變系統飛行模擬器試驗的相關內容。

為了驗證機載反應型風切變系統滿足CCAR-25-R4第1301條和第1309條的要求，需按照AC25-12《批準運輸類飛機機載風切變警告系統的適航準則》驗證風切變系統對飛機和發動機的響應是正確與合適的。同時，按照AC120-41《機載風切變告警和飛行指引系統的使用批準準則》[10]驗證飛行機組的操縱能否有效降低風切變的危險程度，驗證機載反應型風切變系統能否滿足CCAR-121-R4第358條的要求。其中，AC120-41附件中列出了10種可供使用的解析風場，TSO-C117a《運輸類飛機機載風切變警告和避讓指引系統技術標準》[11]附件中列出了6種可供使用的離散風場。

MC8模擬器試驗點的選取非常重要，需要綜合考慮上述規章、咨詢通告和技術標準的要求，以驗證機載反應型風切變系統的警告功能、飛行導引功能是否正確合適；同時由不同的飛行機組在模擬風切變環境下進行起飛和著陸操作，得到對機載反應型風切變系統的主觀和客觀評估意見；最后進行綜合量化分析，判斷機載反應型風切變系統是否滿足相關規章要求。

4結論

本文通過對機載低空風切變系統的適航要求地分析研究，明確CCAR-121-R4第358條的要求為“按照本規則實施運行的飛機，應當裝備有經批準的機載風切變警告與飛行指引系統，或者經批準的機載風切變探測和避讓系統，或者經批準的這些系統的組合。”同時，給出了機載低空反應型風切變系統MC8適航符合性驗證可參照的適航規章，對國內民用飛機風切變系統適航取證工作具有積極意義。

參考文獻

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[6] Federal Aviation Administration. Federal Register Vol.55 No.68. NPRM airborne low-altitude windshear equipment requirements[S]. USA: FAA, 1990.

[7] 中國民用航空局. CCAR-25-R4運輸類飛機適航標準[S]. 北京: 中國民用航空局, 2011.

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[10]FederalAviationAdministration.AC120-41Criteriaforoperationalapprovalofairbornewindshearalertingandflightguidancesystems[S].USA:FAA, 1983.

[11]FederalAviationAdministration.TSO-C117aAirbornewi-ndshearandescapeguidancesystemsfortransportairplanes[S].USA:FAA, 1996.

韓麗(1988-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機航空器評審技術。

劉明(1987-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機總體設計。

王佳杰(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：民用飛機航空器評審技術。

(編輯：馬文靜)

Analysis of Low-altitude Wind Shear System Airworthiness Requirements and Means of Compliance

Han Li, Liu Ming, Wang Jiajie

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd., Shanghai 201210, China)

Abstract:Low-altitude wind shear is a special atmospheric phenomena, which has bad effects on civil aircraft flight. So one of counter-measures to the effects of low-altitude wind shear is to escape such phenomena. Airborne wind shear system is an effective system which could provide wind shear warning and escape guidance commands based upon sensing the aircraft’s encounter of such phenomena. The concept and damage of low-altitude wind shear are recommended, and the type of civil aircraft airborne wind shear system is introduced. In order to meet the CCAR25 and CCAR121 well, the requirements of airworthiness terms of airborne wind shear system are researched deeply, the means of compliance are proposed. It can be a reference for domestic civil aircraft to meet requirements of CCAR well.

Key words:civil aircraft; low-altitude wind shear system; airworthiness requirements; means of compliance

作者簡介：

中圖分類號：V37

文獻標識碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.017

文章編號:1674-8190(2016)01-120-04

通信作者：韓麗,hanli2@comac.cc

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-11-25