高原航线发动机失效应急飘降程序设计研究

张 序 ， 郝 帅 ， 杨臻䜣 ， 何 峻

（1. 中国国际航空股份有限公司 运行控制中心西南运行分控中心，成都 610225；2. 中国国际航空股份有限公司西南分公司，成都 610225）

0 引言

近年来，我国多个高原机场投入使用，多条高原航线顺利开航，高原飞行的安全记录不断被打破。先进机型的投入、飞机多项适航性改装、优秀机组资源配置和精密导航技术实施都为提升高原航线安全运行水平助力，也为民族团结和边远地区经济发展做出了积极贡献。

发动机失效是飞行的灾难，尤其是在山区飞行时，轻则发生航空不安全事件，重则机毁人亡。因此设计有效且机组易操作的发动机失效后应急飘降程序是一项重点课题。目前，发动机失效后飘降程序的设计常采用空中客车公司Performance Engineer’s Programs软件或波音公司Performance Engineering Tool软件完成。近些年来，众多民航学者展开针对飞机出现发动机失效特情的研究。研究认为，对于飞机来说，发动机失效是非常严重的安全威胁，若处置不好，可能导致机毁人亡[1]。如果在高空巡航时出现发动机失效，飞机必须下降至一个更低的、空气密度更大的飞行高度[2]，应根据地形设计发动机失效后紧急下降的应急飘降程序[3]。但受高原地区航路地形因素的限制，航路上可使用的备降场偏少，高原航线应急飘降程序设计难度较大[4]。结合不同机型运行环境和适应能力的差别，发动机失效应急飘降程序应针对机型、机场和进离场程序的差异分别展开[5]，达到机场适航性匹配和航线适航性匹配的目的[6]。发动机失效应急飘降程序设计过程应首先对航路地形特点与障碍物剖面进行分析，再结合航线地面障碍物限制的净航迹完成研究。这些应急程序具备民航规章符合性并满足民航局的监管标准和要求，也为航空公司日常飞行和民航院校训练飞行中提供飞行应急预案打下坚实的基础[7]。梳理发现，这些研究所涉及高原航线的航程都偏短，课题组结合前期研究成果，选取“日喀则/和平—北京/首都”航线为研究样本，结合飞机发动机失效后应急飘降机理，分析飞机飘降程序设计的影响因素，设计空中客车A319-115在巡航时发生1台发动机失效后的应急飘降程序，优化得到便于机组操作的步骤，达到长航程高原航线安全飞行目的。

1 研究样本

空中客车A319-115飞机，飞机机尾号为B-6479。依据飞机三视图[8]可知，飞机加装鲨鳍小翼，翼展35.48 m，水平尾翼翼展12.45 m，飞机机身长度（至尾锥）33.84 m，机身宽度3.95 m。飞机安装2台CFM56-5B7/P发动机，完成发动机执行高原航线的相关改装，发动机推力等级27K。飞机装有6个氧气瓶，储存了供客舱所有旅客在紧急情况下58min持续使用的氧气。飞机共有5个油箱，总容积为23 860 L，能注入18.968 t燃油（燃油密度为0.795 kg/L）。样本航线由日喀则/和平机场（IATA代码为RKZ，ICAO代码为ZURK，简称“日喀则机场”）飞往北京/首都机场（IATA代码为PEK，ICAO代码为ZBAA，简称“首都机场”），飞行航路为ZURK DCT RKZ B345 LXA W500 TAPUN Z3 YUS Z1 XNN H15 DNC W211 ZWX W219 YHD W217 VIKON W72 DUDIL W69 GUVBA GUV9ZA ZBAA，航线总距离2817 km，空中飞行时间约240 min。根据规定[9]，该航线属于高原航线。

2 研究方法

完成高原航线飞机巡航时1台发动机失效应急飘降程序的设计基于多项民航局规章展开[10-15]。这些规章对涡轮发动机为动力飞机的航路使用提出需求，要求飞机的航路净飞行航迹数据在预定航迹上，同时应急飘降程序所涉及的机场满足故障规定的要求，对飞机巡航时与地面最高障碍物的高度距离要求也作出规定。在《飞机航线运营应进行的飞机性能分析》（AC-121FS-006）中还明确要求，如果飞机使用较大重量在障碍物较多的特殊机场起飞，除应急程序的制定外，还应结合地形走势判断飞机能否安全越障。所以制作飞机巡航时1台发动机失效后应急飘降程序是基于民航行业规章、航空器适航需求和航空公司手册要求下的安全保障程序。

“日喀则/和平—北京/首都”航线上影响飞行安全的障碍物较多，根据空中客车A319-115飞机《飞行机组操作手册》（Flight Crew Operations Manual，FCOM）的规定，该机型推荐的飘降程序有标准策略和越障策略为：当飞机航路巡航发生1台发动机失效后，如果不存在地形障碍物的影响，飞行员应采用标准策略完成飘降操作，为确保飞机在稳定的风转发动机重新点火的空中包线范围内。具体操作为：

1）设置速度目标。马赫数M为0.78/300 kt。

2）设置高度目标。将显示在空中客车多功能显示组件进步页面（Progress Page on Multipurpose Control and Display Unit，MCDU PROG）的巡航高度设置为“推荐的最大的1台发动机失效巡航高度”（Recommend FMC Engine Out Maximum，REC MAX EO），该高度是飞行员设置飞机机翼、发动机等部件为“防冰关”工作状态，在远程巡航高度使用长巡航状态（Long Range Cruise，LRC）发动机失效后的最大飞行高度层，当飞行管理计算机（Flight Management Computer，FMC）失效时，飞机快速检查单（Quick Reference Handbook，QRH）中也有该进程速度时1台发动机失效的总升限。

3）其他设置。当垂直下降率（Vertical Speed，V/S）低于500 ft/min时应该选择“V/S-500 ft/min”并接通自动油门（Aircraft Autothrottle，A/THR），在改平高度上，飞行员可以从QRH查出1台发动机失效情况下的远程巡航性能数据。

当空中客车A319-115在山区航路巡航中出现发动机失效，因地形影响保持尽可能高的飞行高度时，飞行员应采用越障策略方式完成飘降的操作，具体操作为：

1）设置速度目标：绿点速度。

2）设置高度目标。在发动机失效条件下，MCDU性能巡航页面显示飘降升限，其中QRH、FCOM中对应绿点速度时1台发动机失效总升限。

3）其他其设置。程序与标准策略相似，但因为速度目标现为绿点速度，下降率和角度减小（应保持高度直到速度减小到绿点速度后开始下降），越障后返回标准策略。

研究过程对温度、气压采用国际标准大气（International Standard Atmosphere，ISA）条件。当空中客车A319-115巡航发生1台发动机失效后，飞机能保持平飞的最大飞行高度被定义为飘降净升限，它受到飞机重量、外界大气温度、除防冰系统工作状态等因素的限制。如飞机重量越重，飞机飘降净升限越低，飞机的越障能力就越差。随着外界气温的升高，会造成飞机发动机的推力减弱，同样的重量下，其飘降净升限更低，飞机对地面障碍物的越障能力也更差，飞机越障能力的评估是飞机采用气压高度对应的几何高度对地形障碍物的高度来确定的[16]。温度是影响飘降净升限的主要气象因素之一，风也会对飘降程序的设计造成影响，虽不影响飞机的飘降净升限，但航路上的逆风会影响飞机的越障能力。另外，航路上出现积冰情况时，飞机防冰系统使用也会导致发动机推力下降而使飞机的飘降净升限降低。

3 1台发动机失效飘降应急程序设计原理

飞机在山区飞行出现发动机失效后的飘降程序设计基于飞机越障能力，常采用飘降净升限检查航路最低安全高度的方法[17]。该方法以分析飞机在1台发动机失效情况下能否安全越障为重点，在《中国民航国内航空资料汇编》中完成航线规划后，将样本航线划分为若干各航段，分别对每段的最高障碍物进行标注，通过障碍物剖面的绘制，检查设计出的飘降净航迹是否满足航路所有障碍物的越障要求。具体工作流程见图1。

图1 发动机失效飘降程序制作流程图Fig.1 Flow chart of drifting-down with engine-failure making

其中，在确定决断点时，研究过程综合考虑最不利的气象条件。在航路较长的高原航段线飞行时，由于可用机场偏少，对决断点的选择会有影响。如果航路上有2个决断点，分别定义为决断点A、决断点B。飞机在起飞机场飞到A之前发生1台发动机失效，机组应驾驶飞机返回起飞机场；如果飞机在B到目的地机场之间发生1台发动机失效，机组可以选择继续飞往目的地机场；如果飞机在A、B之间发生1台发动机失效，机组可以通过改变航路走向飞往航路备降场。但这样设计导致程序设计较复杂，为方便机组操作，较短的高原航线一般都设定1个决断点。

4 飘降程序设计

高原航线受地形影响，如遇紧急情况需下降飞行高度时，飞机会在3.0 km以上的高度维持较长时间飞行，如采用58 min供氧的空中客车A319-115可让问题迎刃而解。本研究将完成空中客车A319-115执飞“日喀则/和平—北京/首都”航线1台发动机失效飘降时机组的操作程序设计。

4.1 航线基础数据的确定

研究首先依据第2113期《中国民航国内航空资料汇编》完成航线基础数据规划和绘制，这是完成后续飘降释压程序的根本和基础数据的来源。

第二步，完成“日喀则/和平—北京/首都”航线保护区的设置。通过航路数据中各航路点的经纬度在地形图拼接，以航线25 km为距离做出2条平行线（图2），平行线内是“日喀则/和平—北京/首都”航线的障碍物保护区，该航线高原航段关键障碍物的相关数据从中整理得到（表1）。由此可知，该航线的最低飞行高度为7.3 km，其中，根据限制类班机航线使用条件的规定，Z3航路的飞行高度必须在9.5 km（含）以上，“日喀则—P15”的航线最低安全高超过4.3 km。

表1 “日喀则/和平—北京/首都”航线数据（高原航段）Table 1 Route data of “Shigatse/Heping-Beijing/Capital” flight (plateau segment)

图2 “日喀则/和平—北京/首都”航线障碍物保护区示意图Fig.2 Schematic diagram of route obstacle protection area of“Shigatse Heping-Beijing Capital” flight

4.2 航线1台发动机失效飘降应急程序设计的计算参数

影响飘降程序的因素很多，如飞机的重量、飞机巡航高度、高空风向和风速、外界大气温度等。同时，飘降程序的速度和飞行过程中空调系统、防冰系统的工作状态也对飘降程序的设计造成影响。“日喀则/和平—北京/首都”的航线距离较长，涉及高原航线部分的地形影响范围大，梳理航路数据发现整条航路上包括西宁/曹家堡机场（IATA代码为XNN，ICAO代码为ZLXN，简称“西宁机场”）、拉萨/贡嘎机场（IATA代码为LXA，ICAO代码为ZULS，简称“拉萨机场”）和玉树/巴塘机场（IATA代码为YUS，ICAO代码为ZLYS，简称“玉树机场”）等高原机场，因此研究过程将高原航线部分分解为“日喀则—拉萨”、 “拉萨—玉树—西宁”和“西宁—北京”3个航段。其中“日喀则—拉萨”、“拉萨—玉树—西宁”2个航段需要完成飞机在航路发生1台发动机失效时的应急飘降程序设计。依据前期研究结论[8]，2个较短的航段都可以选择航段的中点为决断点。结合表1的相关地形数据，设置应急飘降程序的计算参数，见表2。航路温度设置在国际标准大气状态增加5 ℃（ISA+5），按照民航局咨询通告《飞机航线运营应进行的飞机性能分析》第5.1节的要求，确定飘降程序风温的计算参数以航路85%可靠性温度确定飞机飘降的净改平高度，结合航路85%可靠性风检查飞机是否能以规定的余度超越地形或障碍物。所以在国际标准大气条件下，研究结合近10年“日喀则/和平—北京/首都”航线的风温有效数据，“日喀则—拉萨”航段飞往日喀则机场方向设置为顶风100 kt，由于近10年飞往拉萨机场方向为不超过10 kt的顺风，为提高安全裕度，研究过程设置为静风状态。“拉萨—玉树—西宁”航段飞往拉萨机场方向设置为顶风70 kt，飞往西宁机场为静风状态。飞机出现发动机失效时的飞机重量是另一个重要的参数。首先是确定飞机在日喀则机场允许的最大起飞重量，这个重量是审定的最大起飞重量、性能限制的最大起飞重量、最大无油重量加上最大起飞油量和最大着陆重量加上计划的最大航路耗油中的最小值，将其分别定义为GA、GB、GC、GD。样本飞机审定的最大起飞重量GA为70 t，结合天气实况，计算得出飞机在日喀则机场起飞的GB为65.3184 t，最终确定GB值为65.184 t。采用System Operations Center系统的DM模块最大起飞燃油模式完成计算，可得到GC=58.500+18.968=77.468 t，由于飞机GA为70.000 t，所以GC最终确定为70.000 t。在使用DM模块完成最大燃油消耗模式的计算，得到GD=62.500+8.458=70.958 t。结合4个重量数据，得到空中客车A319-115飞机在日喀则机场允许的最大起飞重量为65.184 t。课题组在DM模块中计算得到的计划“日喀则—拉萨”航段的耗油为1.323 t，则预计飞到“日喀则—拉萨”航段中点耗油估算为0.662 t，得到发生发动机失效的飞机重量为64.523 t。为保证一定的安全裕度，确定失效发生时飞机重量为64.500 t。同理，得到“拉萨—玉树—西宁”航段发生时飞机重量为67.000 t。

表2 空中客车A319-115发动机失效飘降应急程序计算参数Table 2 Calculated parameters of drifting-down with one-engine-failure emergency procedures

依据《运输类飞机适航标准》（CCAR-25-R4）的相关要求，假设1台发动机失效时飞机在空中的位置，确定巡航期间发生发动机失效后的飘降净航迹，对比程序规划的净航迹是否满足相关障碍物对飞行安全的限制，并确定飞行员空中决策的决断点。在此基础上确定飞机1台发动机失效应急关键点，最后制作和优化航线1台发动机失效飘降应急程序和定义机组操作程序。

4.3 航线1台发动机失效飘降应急程序设计

结合表1制作“日喀则/和平—北京/首都”航线的最低安全高度剖面，如图3所示。由于航路点中卫（编号ZWX，经度105.073 4，纬度37.342 0）以后航路最低安全高度均低于10 000 ft，不再涉及到高原航线的飞行，为方便程序设计，简化最低安全高度剖面，只显示高原航线部分，如图4所示。参考表2中的数据，通过对飞机飞行高度、航路高空风、航路温度、失效点飞机的重量分析，兼顾空调、防冰系统工作状态（工作状态均设置为“关闭”）等条件，确定“日喀则/和平—北京/首都”航线1台发动机失效飘降净航迹；结合“日喀则—拉萨”、“拉萨—玉树—西宁”2个航段安全飞行的需要，在飞行航迹上确定出关键点A和关键点B。关键点A是样本飞机在“日喀则—拉萨”航段上，1台发动机失效后沿航路飞往拉萨机场或飞回日喀则机场方向时，尽快在其中1个机场着陆的临界点；关键点B是样本飞机在“拉萨—PNR”航段上，1台发动机失效后尽快在拉萨机场着陆的临界点；同时关键点B还是样本飞机在“PNR—西宁”航段上，1台发动机失效后尽快沿航路飞往玉树机场或西宁机场并且在该程序制定后尽快在其中1个机场着陆的临界点。关键点的确定还需要样本飞机净航迹正好能够满足越障的要求。针对“日喀则—拉萨”航段的关键点A，若前往拉萨机场着陆，决断点为A1，若返回日喀则机场着陆，决断点为A2，由于“日喀则—拉萨”航段距离较短，经过障碍物—飘降剖面分析可知，A1点为日喀则机场，A2点为拉萨机场（图5a）。因此，整个“日喀则—拉萨”航段中任意一点，既能前往拉萨机场，又能返回日喀则机场，即A点为“日喀则—拉萨”航段中任意一点（图5b）。同理，结合表1、表2的数据完成“西宁—玉树—拉萨”航段的关键点B的确定，以沿Z3航路“TAPUN以北43 nm”作为该航段的决断点，机组以此为依据完成应急处置的操作。

图3 “日喀则/和平—北京/首都”航线最低安全高度剖面Fig.3 “Shigatse Heping-Beijing Capital” minimum safe altitude profile chart

图4 “日喀则/和平—北京/首都”航线最低安全高度剖面（日喀则—中卫段）Fig.4 “Shigatse Heping-Beijing Capital” minimum safe altitude profile chart (Shigatse—ZWX)

图5 空中客车A319-115“日喀则/和平—北京/首都”航线1台发动机失效飘降剖面示意图Fig.5 Section diagram of drifting-down with one-engine-failure procure of “Shigatse Heping-Beijing Capital” flight with A319-115

按照图5综合完成飘降剖面的拼接，最终优化得出空中客车A319-115“日喀则/和平—北京/首都”航线的机组操作示意图，如图6所示。在“日喀则—拉萨”航段，初始巡航高度限制在34 100 ft（含）以上，决断点的最大飞机重量64.500 t，飞行机组和签派员在航班放行前必须依据计算机飞行计划检查决断点的飞机重量；LXA—PNR之间任意一点1台发动机失效，沿航路一发飘降/巡航至拉萨机场或日喀则机场；PNR—RKZ之间任意一点1台发动机失效，飞回拉萨机场或飞往日喀则机场。在“拉萨—玉树—西宁”航段，初始巡航高度限制在34 100 ft（含）以上，决断点的最大飞机重量67.000 t，飞机在“拉萨—玉树—西宁”航段（经Z1、Z3航线）发生1台发动机失效，根据程序设定的决断点（PNR），飞机在“XNN—PNR”航段间任意一点1台发动机失效后，沿航路飞往玉树机场（或西宁机场），飞机在“PNR—LXA”航段间任意一点1台发动机失效后，沿航路飞往拉萨机场。

图6 空中客车A319-115“日喀则/和平—北京/首都”航线1台发动机失效失效飘降程序机组操作示意图Fig.6 Diagram of crew operation of drifting-down with one-engine-failure procedures for “Shigatse Heping-Beijing Capital” flight with A319-115

5 结论

制定高原航线不正常情况下的应急预案是确保其安全运行的重要基础，本文选取空中客车A319-115执行“日喀则/和平—北京/首都”航线为样本，完成飞机巡航阶段1台发动机失效飘降应急操作程序的设计与优化：

1）受山区地形的影响，对执飞飞机提出更高的要求，飞机改装确保飞机在巡航阶段发生1台发动机失效情况后能安全飞往更远的航路备降场。

2）满足飞机越障的要求是应急飘降程序的根本，在航线基础数据的条件下，确定“日喀则—拉萨”和“拉萨—西宁—玉树”2条航段的决断点（PNR）。其中，“日喀则—拉萨”航段上任意一点均可作为巡航阶段飞机1台发动机失效的决断点（PNR），“拉萨—西宁—玉树”航段上，选择“TAPUN以北43 nm”作为该航段飞机1台发动机失效的决断点（PNR）。

3）飞机在巡航阶段发生1台发动机失效是一种紧急情况，应在确定决策点的基础上优化出一套便于机组操作的程序，完成飘降剖面拼接后，优化得出“北京/首都—日喀则/和平”航线上“日喀则—拉萨—西宁—玉树”的决断点（PNR）在“TAPUN以北43 nm”，在“RKZ—PNR”之间巡航阶段飞机1台发动机失效，可沿航路飞往拉萨机场，在“PNR—玉树”巡航阶段飞机1台发动机失效，可沿航路飞往西宁机场或玉树机场，其他航段按照平原航线飞机巡航时1台发动机失效相关机组操作程序完成。