谷潤平 田琳琳 李 娜
(1. 中國民航大學空管學院,天津 300300;2. 中國民航科學技術研究院,北京 100028)
民用飛機RNP AR能力的適航審定標準對比研究
谷潤平1田琳琳1李 娜2
(1. 中國民航大學空管學院,天津 300300;2. 中國民航科學技術研究院,北京 100028)
介紹了基于性能導航(Performance Based Navigation, PBN)的相關概念及適用范圍,以及要求特殊授權的所需導航性能(Required Navigation Performance Authorization Required, RNP AR)的發展現狀、涵義,并以此為理論基礎,研究中美歐相關適航規章的內容,對比分析中、美、歐咨詢通告之間存在的差異性,總結適用于我國民用飛機RNP AR運行的適航標準。
基于性能導航;適航審定;對比研究;適航標準;導航能力
基于性能導航(Performance Based Navigation,PBN)是指以沿空中交通服務航路運行、實施儀表進近程序或在指定空域運行的航空器性能要求為基礎的區域性導航,是區域導航(Range Navigation,RNAV)和所需導航性能(Required Navigation Performance,RNP)的總稱。航空器飛行的傳統導航是指定特定的導航設備,RNP是一種新的導航方式,它結合機載導航設備要求航空器在規定空域內運行所需要的導航性能精度的描述,RNP的類型根據航空器至少95%的時間能夠達到預計導航性能精度的數值來確定。
為了在全球范圍內統一標準,從洋區到進近所有飛行階段都指定了導航規范。每一導航規范都有一個固定代號,如:RNP-4,Basic RNP-1,RNP APCH,RNP AR APCH,每個代號中數字代表95%總飛行時間需要保持的最小橫向導航精度(單位:海里(nmile)),每種導航規范對應不同的導航精度,將其用RNP-XX命名,其中XX就是代表導航精度(單位:nmile)。其中,RNP-4的導航精度為4nmile,表示為RNP-4,Basic RNP-1的導航精度為1nmile,表示為RNP-1,RNP APCH主要包含1nmile,0.3nmile兩種導航精度,表示為RNP-1和RNP-0.3,RNP AR APCH主要包含0.3nmile,0.1nmile兩種導航精度,表示為RNP-0.3和RNP-0.1,導航規范在不同飛行階段的導航精度的應用見表1。

表1 RNP導航運行規范示意表
要求特殊授權的所需導航性能(Required Navigation Performance Authorization Required, RNP AR)進近程序,需要中國民航局特殊授權批準,主要依靠衛星定位系統的精確導航技術,飛行員不必過多依賴地面導航設施即能沿著精準定位的航跡飛行,使飛機在能見度極差時也可安全精確地著陸。通常該程序只對特定航空公司的特定機型適應。但近期中國民航局也積極推進RNP AR程序的公共化,如在中國的四川九寨機場開放使用。
國外在PBN適航規范方面開展了一些研究工作,國際民航組織(ICAO)于2007年3月發布了《PBN手冊》,對PBN導航方式的實施提供實際指導,及RNP和RNAV適航性作具體介紹[1];美國聯邦航空管理局(FAA)于2007年發布了AC 90-100A《終端區及航路區域導航(RNAV)運行》為美國的RNAV航路、儀表離場程序(DP)和標準進場程序(STAR)提供了運行和適航指導[2];FAA 于2014年發布了AC 20-138D《位置和導航系統的適航批準》,為安裝的位置和導航設備提供了適航批準指導[3];FAA 于2011年發布了AC 90-101A CHG 1《RNP AR程序的批準指導》為要求授權的特殊航空器和機組(SAAAR)實施RNP的RNAV儀表進近程序(航圖上為“RNAV(RNP)RWY XX”)的航空器營運人提供適航和運行批準指導[4];歐洲航空安全局(EASA)于2009年發布了AMC 20-26《RNP AR運行的適航批準和運行標準》,提供了RNP AR的適航審定符合性方法,主要涉及到機載設備的適航標準[5];EASA于2009年發布了AMC 20-27《RNP APCH適航批準和運行標準》,明確了在指定的歐洲空域安全運行RNP APCH的運行標準[6]。對于適航分析方面,Lee Nguyen總結了前視式湍流和風切變雷達的問題以及這些系統與相關的適航設計批準[7];J. F. LEWIS,B.Sc.(Eng.)等人基于飛機電氣系統研究了其適航標準和可靠性,評估了對飛機造成無意識威脅的相關操作的原因,并給出解決辦法及措施[8];Croft,John基于高級所需導航性能(A-RNP)與FAA RNP對比分析,重點介紹基于全球定位系統(GPS)的A-RNP的導航能力[9]。
我國在適航標準制定、適航管理等方面發展較落后,主要是依照FAA的適航批準建立的。相關的適航標準主要有:AC-91-08《RNAV5運行批準指南》、AC-91-FS-2009-12《在航路和終端區實施RNAV1和RNAV2的運行指南》、AC-91-FS-2010-01R1《在終端區和進近中實施RNP的運行批準指南》,是有關RNP與RNAV的適航運行準則,沒有涉及到RNP AR適航標準。民航局于2006年發布的《要求授權的特殊航空器和機組(SAAAR)實施公共所需導航性能(RNP)程序的適航和運行批準準則》(AC-91-FS-05)[10],給出了RNP AR適航標準的運行準則,但近10年來內容未作修改,不能與PBN近年來的發展和變化程度相匹配。在PBN運行與適航技術研究方面,鄭智明,葉軍暉提出了一種適用于RNP AR運行能力的適航驗證方法[11];鐘育鳴,張旭婧介紹航空公司獲得RNP AR運行批準需要做的幾項技術工作[12];陳舒文,葛紅娟等人以АП-29(R2003)《俄羅斯旋翼航空器適航標準》為研究對象,從АП-29(R2003)的結構、條款編號、內容等方面與CCAR-29《運輸類旋翼航空器適航規定》進行比較[13]。
中國民用航空局(CAAC)在ICAO的建議下,在全國范圍推廣PBN導航技術,尤其在西部高原/高高原機場,廣泛實施RNP AR 技術。綜上,有關RNP AR適航標準的研究較少。本文介紹了RNP AR發展現狀、涵義,研究了中國、美國和歐洲3個適航規章的內容,主要針對有關RNP AR能力的適航標準進行對比分析,旨在建立適合國產飛機的適航審定要求。
RNP AR是一種高性能的RNP程序,程序不僅提供水平引導,同時提供垂直引導。RNP AR程序所提供的水平保護區窄,沒有額外的緩沖區,其次RNP AR程序能夠提供固定轉彎飛行模式(沿固定的轉彎弧度或坡度轉彎),所以保護區的范圍較傳統程序保護區及飛行模式靈活的多。
RNP AR APCH從機載設備到機組訓練要比RNP APCH嚴格,而且需要每架飛機每個機組進行審定,一般是公司自有的程序,導航規范一般0.3以下。一般用于地形復雜、空域受限且使用該類程序能夠取得明顯效益的機場,精度值一般在0.3至0.1之間。RNP AR APCH只允許使用全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)作為導航源,應對實際能夠達到的RNP精度進行預測。該規范不包括相關的通信和監視要求。目前,我國拉薩、林芝、麗江等機場已應用此導航規范。
適航標準是經過長期工作經驗的積累,吸取歷次飛行事故的教訓,經過驗證或論證及公開征求公眾意見不斷修訂而成。目前,適航標準中較有影響的地區有美國、英國和歐洲。我國主要參照FAA頒發的適航標準,并結合國情而制定,作為CCAR的組成部分。
咨詢通告是適航當局為便于申請人理解和執行適航規章的特定條款或為便于申請人對條款理解和答復的一致性而編寫的說明和指南,具有很強的實用性。中國、美國和歐洲對RNP AR運行都頒布了相應的適航標準準則,為要求授權的特殊航空器和機組實施所需導航性能提供相應的批準準則,具體規章及名稱見表2。
CAAC AC-91-FS-05是為要求授權的特殊航空器和機組(SAAAR)實施公共所需導航性能(RNP)的區域導航(RNAV)儀表進近程序的航空器營運人提供適航和運行批準指導的。提供了營運人實施公共RNP SAAAR儀表進近程序要求的符合性方法。該咨詢通告適用于CCAR91《一般運行和飛行規則》、CCAR121《大型飛機公共航空運輸承運人運行和各審定規則》、CCAR135《小型航空器商業運輸運營人運行合格審定規則》的航空承運人和營運人。
EASA AMC 20-26為實施所需的導航性能授權(RNP AR)適航審批申請人提供了一種符合性方法以及獲得操作批準的適用標準,它涉及到在歐洲空域背景下實施區域導航[12]。
FAA AC 90-101A CHG 1為航空器運營人實施RNP AR運行的區域導航提供適航性和運行批準指導材料[13]。
EASA頒布的AMC 20-26提供了RNP AR的適航審定符合性方法,主要涉及到機載設備的適航標準,主體內容與ICAO《PBN手冊》相一致,與CAAC AC 91-FS-05和FAA AC 90-101 CHG 1相比,大部分內容一致,但部分章節存在差異。圖1為AMC 20-26和AC 90-101 CHG 1及AC-91-FS-05的內容結構差別(其中,AC-91-FS-05和AC 90-101 A CHG 1二者章節結構相似):
下面將對上述中美歐RNP AR規章各章節一一橫向比較其存在的差異,并對比分析各自的合理和存在缺陷的內容,完善國內適航批準準則的建立程序。
主要提供了營運人實施公共RNP SAAAR儀表進近程序要求的符合性方法。除遵循本咨詢通告所述的方法外,營運人也可采用中國民用航空總局認為是可接受的其他方法。本部分的主要差異如下。
2.1.1 局方的初始批準
差異:AC-91-FS-05及AC 90-101 A CHG 1對航空器資格和初始批準建議的運行文件和運營人的批準做了詳細的要求,AMC 20-26的相關內容沒有專門列在“批準”的條款下,而是在“飛行運行文件”中列出。
對比分析:相較之下,中美的資訊通告(AC)更便于查閱,以滿足其提出的要求,以便更好為滿足相關規章服務。AC-91-FS-05規定,任何具有相關運行批準(運行規范(OpsSpec)或授權信(LOA))的營運人可實施特定的RNP SAAAR儀表進近程序,在該規章附錄7中列出了營運人在申請運行時應遞交的文件檢查單和清單,所以其內容較詳細,針對性更強。
2.1.2 概述
差異:AC 90-101A CHG 1在AC-91-FS-05的基礎上增添了審查要求,AC-91-FS-05要求局方應按照該規章附錄7的要求進行審查和驗證。在AC 90-101 A CHG 1中,增添了需要符合該規章附錄的相關要求,而且飛機制造商提供的和FAA所接受的航空器資格文件和運行文件便于運營商對附錄7中所列條項進行準備,并協調FAA總部(HQ)將按照附錄7 圖中所示申請流程。
對比分析:相比中、歐二者更加詳細,清晰,對于使用AC的人員,增加了便捷性,可以按照流程圖及其對應描述容易了解到申請內容的具體程序,以及所需相關事宜。 (其中,附錄的結構做了一些改動,把一些內容的順序進行微小的調動。在AC 90-101 A CHG 1中添加了RNP AR申請流程圖,并對流程圖做了相關描述。)
2.1.3 營運人的批準
差異:AC 90-101 A CHG 1刪除原咨詢通告中“試用期結束和完成規定的進近次數后,局方將評審RNP SAAAR監控大綱的報告,并決定是否取消臨時批準。”的要求。AC 90-101 A CHG 1注釋3中添加了,與FAA 總部協調考慮運營商要求減少臨時授權的需要。
對比分析:這兩方面均放寬了對運營商授權臨時批準的相關要求,可以適用于更多類型民用航空器的臨時批準。對于航空器運營商而言更為實際合理。
這一節主要概述了RNP SAAAR進近程序的關鍵特征,并介紹了RNP進近運行的類型。這3個規章間存在的差異如下。
差異1:AC 90-101 A CHG 1 較于另兩部AC描述更詳細,說明由美國FAA 8260.58A《美國PBN儀表程序設計標準》來定義RNP AR的程序設計標準,并對進近圖樣例分別闡述,其中的圖1是以固定半徑飛行這些航段的RNP AR進近程序;其中的圖2是在復飛過程中RNP值小于1的以固定半徑飛過這些航段的RNP AR進近程序。
對比分析:對于使用者,無論對PBN導航方式的了解程度如何,均可更好地理解不同類別的RNP AR儀表進近程序。
差異2:此處內容未作過多改變,只是將原來的順序做了調整,將原有內容放到注釋中。
對比分析:AC 90-101 A CHG 1更方便查閱。
該部分描述了RNP SAAAR進近要求的航空器性能與功能標準。申請人可通過型號合格審定或補充型號合格審定來符合本附錄要求,并在飛機飛行手冊(補充)中指明。三個規章間存在的差異如下。
2.3.1 引言
差異:AC 90-101 A CHG 1引言中增添要求,除了上述文件中的具體RNP AR準則,飛機還必須遵守AC 20-138 D《位置和導航系統的適航批準》。
對比分析:AC 90-101 A CHG 1要求更高。
2.3.2 性能要求
差異1:3個規章對于航徑定義是相同的,對于水平精度,AC 91FS-05和AC 90-101 A CHG 1只是給出了參考依據:要求航空器應符合航空無線電技術委員會(RTCA)/DO-236B第2.1.1條的規定;AMC 20-26詳細描述了水平精度的要求:在RNP進近中機載導航系統的水平航徑誤差須優于至少等于95%飛行時間的RNP運行誤差。
對比分析:雖然在內容上差異不大,但是對于使用該手冊的人員,顯然AMC更加具體詳細,便于申請人理解。
差異2:水平誤差取決于導航系統總的誤差(包括航徑定義誤差、位置預測誤差、顯示誤差和飛行技術誤差)。垂直誤差主要內容是一致的,但AMC中增加了高度測量系統的誤差要求,即,進近構型的99.7%的高度測量系統誤差須不大于:ASE = -8.8×10-8×H2+6.5×10-3×H+50(ft),其中H為航空器的幾何高度。中、美的規章中在“3.RNP SAAAR一般要求”中的測量誤差章節中有相同的內容。
對比分析:該處只是在內容的順序及結構上做了微小的變動,而且對于內容并無差異,對使用人員也無影響。
差異3:AC-91-FS-05和AC 90-101 A CHG 1對于系統監控有明確要求:RNP的關鍵要素是進近的RNP要求、航空器導航系統監視其實際導航性能的能力,以及為飛行員提供識別在運行中是否滿足運行要求的能力。EASA AMC 20-26是在“導航性能”章節中提到系統應該有監控水平導航性能的能力(如位置不確定性估計、估計位置誤差、實際誤差等),要求系統有為飛行員提供識別在運行中是否滿足運行要求的能力。
對比分析:均在AC不同位置提出識別是否滿足運行要求的能力。而對于垂直導航,EASA可以通過系統垂直監控和告警來實現監控,或者通過一系列的顯示來實現(如氣壓高度顯示、垂直偏移顯示等)。具體說明顯示的設備以及監控告警方式,系統監控性能方面,EASA的內容優于中美頒發的資訊通告相關標準。
2.3.3 RNP SAAAR一般要求
2.3.3.1 差異1
AC-91-FS-05和EASA中為GPS,AC90-101 A CHG 1為GNSS,并對GNSS進行介紹。在注釋中對于水平保護限值(Horizontal Protection Level,HPL)術語的解釋所參閱的文件有所增加,由原來的RTCA/DO-229C擴展了兩部,分別為AC 20-138 D和附錄1,也涉及對全球定位系統的最低運行性能標準和廣域增強系統機載設備這些術語的解釋。
對比分析:AC 90-101 A CHG 1更適用于現在航空發展,RNP AR是高精度的導航方式,GNSS也是目前導航定位精度最高定位系統,并且注釋說明也更全面。
2.3.3.2 差異2
AC-91-FS-05和 AMC 20-26為慣性基準系統(IRS),AC 90-101 A CHG 1為慣性基準元件(IRU)的描述。IRS是由IRU、方式選擇面板(MSU)、控制顯示組件(CDU)組成。AC 90-101 A CHG 1添加相應說明,要求IRU必須滿足美國聯邦法規(Code of Federal Regulations,CFR)121部附錄G中的標準,根據方法中添加的RNP -1運行批準演示改進的慣性性能。
對比分析:AC 90-101 A CHG 1的要求更高,但就目前我國的發展來看,IRS被廣泛使用,AC-91-FS-05和 AMC 20-26更適用于中國。
2.3.3.3 差異3
AC-91-FS-05和 AMC 20-26只要求申請人按照局方要求完成演示,而AC 90-101 A CHG 1要求申情人必須按照AC 120-29 A[14]的5.19.2.2和5.19.3.1完成演示。
對比分析:對于申請人,AC 90-101 A CHG 1更為明確,便于使用。
2.3.3.4 差異4
AC-91-FS-05、AC 90-101 A CHG 1和EASA AMC 20-26對使用小于RNP-0.3的要求主要內容大體一致,但AMC更嚴格。AC規定在固定半徑轉彎(RF)航段復飛,通過激活起始復飛(TOGA)或其它手段時,飛行引導方式應保持在水平導航(LNAV)模式,以保持持續的航跡引導。如果航空器不能提供這種能力,應用下列要求:如果航空器支持RF航段,TOGA后的水平航徑(RF航段)結束點與決斷點高度(DA)之間最小50s的直線航段)必須在通過DA的直線航段定義的航跡的l°范圍內。之前的RF航段轉彎可以是任意角度,半徑可以小達1nmile,可采用符合進近環境和轉彎半徑的速度。飛行機組必須能在400ft將自動駕駛儀或飛行指引儀與區域導航系統耦合起來(接通LNAV)。
對比分析:而AMC中沒有該內容,即要求航空器必須具有此能力,故要求更高。但是更高的要求帶來的不足就是,不是所有民機都可以滿足該要求,尤其對于支線飛機、小飛機所能達到的功能要求不全面,就要給出具體的要求,不具備的設備或功能也給出相應的建議,才能更好地達到資訊通告應起到的實用性。當不滿足時給出相應的條件,更符合多種情形,對于適航標準的規定也更為合理。
2.3.3.5 差異5
AC 90-101 A CHG 1要求申請人應記錄設計符合這種影響的系統,而這個文件可以消除針對飛機運行緩解的應用程序的需要。與此同時,對于垂直引導的缺失,認為是次要的故障條件,因為在引導顯示失去時,飛行員可以采取行動阻止下降或爬升。
對比分析:AC 90-101 A CHG 1與中國和歐洲相比,內容上更充分和詳細;不僅降低了原來有關垂直引導缺失的條件,并給出了可以采取的措施,更符合操作人的需求。
2.3.3.6 差異6
中美AC規定在RF航段復飛(通過激活TOGA或其它手段)時,飛行引導方式應保持在LNAV模式,以保持持續的航跡引導。如果航空器不能提供這種能力,應用下列要求:如果航空器支持RF航段,TOGA后的水平航徑(RF結束點與DA之間最小50s的直線航段)必須在通過DA的直線航段定義的航跡的1°范圍內。之前的RF航段轉彎可以是任意角度,半徑可以小達1nmile,可采用符合進近環境和轉彎半徑的速度。飛行機組必須能在400ft將自動駕駛儀或飛行指引儀與區域導航系統耦合起來(接通LNAV)。
對比分析:與第4點類似,CAAC AC-91-FS-05和EASA AMC 20-26對使用小于RNP-1的要求主要內容大體一致,但AMC更嚴格。這是由于AMC中沒有該內容,即要求航空器必須具有此能力,故要求更高。
2.3.3.7 差異7
使用小于RNP-0.3的要求說明中,失去GNSS的情況,AC 90-101 A CHG 1中添加了詳細的注釋,其它2個規章中沒有。在GNSS丟失事件中(即,當得知RNP能力喪失發生飛機到達決斷點高度(DA)之前),飛機離開最后進近階段的障礙物余隙容積的條件概率應不大于0.001。這將確保當失去GNSS時,1 000架飛機中有999次可以完成RNP AR進近程序。此外,飛機離開復飛障礙物間隙容積的條件概率應小于0.01。這將確保100架飛機有99次可以從失去GNSS時,以最低的最小值完成復飛程序。由于在正常天氣條件下,執行復飛是不太可能的,因此該條件概率沒有美國要求的嚴格。
對比分析:中國應該汲取該處內容,安全是航空業的重中之重,對于失去GNSS的情況應作詳細說明并給出相應措施。
2.3.3.8 差異8
復飛小于RNP-1的進近要求中,AC 90-101 A CHG 1同樣對失去GNSS的復飛進行了詳細的注釋說明。
對比分析:該點與上一內容分析相似。
該章節主要提供了驗證RNP SAAAR進近相關導航數據有效性的營運人程序指南。其間存在的差異及分析主要如下。
2.4.1 引言
差異:AC 90-101 A CHG 1要求飛機數據供應商(例如,飛行管理系統(Flight Management System,FMS)公司)必須有Type2驗收通知書,給飛機運營商的供應商提供數據也必須具備Type1或Type2驗收通書其中一種。
對比分析:相比其它2個規章,AC 90-101 A CHG 1數據提供標準更高,要求嚴格,為民機的安全更具保障。
2.4.2 飛行中應考慮的因素
差異:AC-91-FS-05,實施一臺發動機失效近進程序和制動發動機失效簡要程序的資格方面的指南包含在資訊通告中AC-FS-2000-2《關于制定起飛一發失效應急程序的通知》中。而在AC 90-101 A CHG 1中可以在AC 120-91《機場障礙分析》中,找到關于起飛一發失效近進程序的準則,AMC 20-27沒有提及。
對比分析:比較之下,中美更為完善,可以在一發失效的情況發生時,有相應的處理解決依據。
根據對AC-91-FS-05、AC 90-101 A CHG 1和AMC 20-26逐節對比,主要存在的差異可分為以下幾類:
結構內容方面。其中,中美結構大體相同,歐洲的差異較大,因為我國的CAAC主要參照FAA頒布的標準。
對RNP AR運行的設備要求方面。誠然,美國相比中國的適航標準,要求更為具體詳細,并對所述條件做詳細解釋,對于特殊情況也給出了相應措施;歐洲的AMC一般只提出要求,并無具體闡述,要求更高。然而,AMC 20-26也有敘述全面的部分,例如對航徑的定義,AMC更加具體詳細,便于申請人理解。
規章使用的便利性。例如,附錄1引言中,AC 90-101 A CHG 1更適合申請人操作查閱。
針對國內AC的制定提出以下建議,適航標準的特性之一就是具有實用性,建立適航標準應該符合本國家航空業的發展狀況,內容上應該以中國民用飛機的實際情況為前提,結構上應該從營運商使用角度出發,便于閱覽參考。標準越高固然有其優勢所在,但是,就中國民用飛機的現狀來看,并沒有達到國際最高的標準水平,因此,制定合理的適航標準更有利于適航審定過程,也更利于保證民航的安全。
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[2] AC 90-100A Terminal and En Route Area Navigation(RNAV) Operations [S].
[3] AC 20-138D Airworthiness Approval of Positioning and Navigation Systems[S].
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T-65 [文獻標識碼] C [文章編號] 1003-6660(2017)04-0024-07
10.13237/j.cnki.asq.2017.04.007
[收修訂稿日期] 2017-05-17
國家863計劃基金項目(2014AA110501);國家自然科學基金項目(U1533116,21407174);航空科學基金項目(20140267002)
(編輯:勞邊)