FAA污染跑道運(yùn)行飛機(jī)起飛性能數(shù)據(jù)適航要求

周艷萍 徐有成 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)在有積水或雪的跑道上沖出跑道的風(fēng)險(xiǎn)是干跑道的8倍。75%的著陸偏出或沖出跑道事故的間接原因是跑道條件本身和/或結(jié)合不利的側(cè)風(fēng)，18%的著陸事故的直接原因是道面有積水、雪水、雪或冰。濕和污染跑道會(huì)顯著增大滑跑、起飛、著陸和加速停止的距離，為此包括歐洲、美國(guó)等在內(nèi)的很多國(guó)家都積極開(kāi)展飛機(jī)在污染道面上運(yùn)行的適航標(biāo)準(zhǔn)研究。飛機(jī)在污染道面起飛的情境如圖1所示。

圖1 污染道面飛機(jī)起飛

我國(guó)對(duì)濕和污染跑道飛機(jī)性能的適航研究起步較晚。到目前為止，CCAR25 部[1]對(duì)污染跑道上的飛機(jī)性能還沒(méi)有提出適航標(biāo)準(zhǔn)要求。中國(guó)民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司于2009年頒布了咨詢通告《航空承運(yùn)人濕跑道和污染跑道運(yùn)行管理規(guī)定》(AC-121-FS-2009-33)[2]。依據(jù)該咨詢通告，當(dāng)航空器制造商沒(méi)有提供污染跑道飛機(jī)性能時(shí)，航空器營(yíng)運(yùn)人可以利用干跑道所需著陸距離，通過(guò)保守?fù)Q算得到在飛機(jī)在污染跑道上著陸所需著陸距離。對(duì)污染道面上的起飛距離，這份咨詢通告沒(méi)有給出相關(guān)的指導(dǎo)材料。

JAR-25 第13次修訂案[3]于1988 年引入了JAR 25.1591 Performance Information for Operations with Contaminated Runway Surface Conditions和AMC 25.1591 The Derivation and Methodology of Performance Information for Use When Taking-Off and Landing with Contaminated Runway Surface Conditions，JAA 開(kāi)始對(duì)濕和污染跑道飛機(jī)性能提出規(guī)定。2000年發(fā)布的JAR-25第15次修訂將JAR 25.1591中濕跑道要求部分移到B分部正常性能要求中。從那時(shí)起，JAR25.1591以及后續(xù)的CS25.1591和AMC25.1591僅對(duì)污染跑道進(jìn)行規(guī)定。CS25.1591指出申請(qǐng)人可以自行選擇是否提供不同種類(lèi)污染跑道的性能資料及相應(yīng)機(jī)組操作程序，如果提供這些資料，則必須放入飛行手冊(cè)，如不提供則必須在飛行手冊(cè)中明確給出相應(yīng)污染道面的運(yùn)行限制。AMC 25.1591就如何提供污染道面性能數(shù)據(jù)提供了一種分析計(jì)算方法，并提出要考慮的因素。

FAR 25[4]沒(méi)有關(guān)于污染跑道的條款要求。過(guò)去波音和麥道根據(jù)其自身經(jīng)驗(yàn)并參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)確定污染跑道性能數(shù)據(jù)。1978 年FAA 頒布了AC 91-6A，標(biāo)題為Water，Slush and Snow on the Runway，對(duì)污染跑道運(yùn)行提出了頂層要求。為細(xì)化AC91-6A的要求，F(xiàn)AA后來(lái)又提出AC 91-6B草案，但該草案一直沒(méi)有發(fā)布。目前,AC91-6A已被取消。

FAA并沒(méi)有停止對(duì)污染道面相關(guān)問(wèn)題的研究。考慮到污染道面情況的復(fù)雜性及其對(duì)飛機(jī)性能的影響，F(xiàn)AA對(duì)頒布指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)或指南持非常慎重的態(tài)度。2007年8月FAA委托飛機(jī)起降性能評(píng)估適航要求委員會(huì)(Takeoff and Landing Performance Assessment ARC，簡(jiǎn)稱(chēng)TALPA ARC)，就飛機(jī)在污染跑道上的起降性能開(kāi)展研究，希望委員會(huì)在飛機(jī)審定和運(yùn)行方面提供建議或指南。2009年7月7日，TALPA委員會(huì)向FAA提交了研究成果，形成Takeoff Performance Data for Operations on Contaminated Runways(AC25-31)[5]。TALPA同時(shí)還建議FAA修改25部規(guī)章，要求將“TC持有人必須要提供飛機(jī)在污染道面上起飛的性能數(shù)據(jù)”列入規(guī)章。但到目前為止，F(xiàn)AA還沒(méi)有啟動(dòng)該項(xiàng)工作。針對(duì)污染道面著陸情況，截至目前TALPA還未發(fā)布相關(guān)指導(dǎo)性材料。

AC25-31并沒(méi)有對(duì)污染道面性能計(jì)算給出全面的技術(shù)分析過(guò)程，而是給出了需要考慮的關(guān)鍵要素。

1 道面狀態(tài)定義

依據(jù)AC25-31，機(jī)場(chǎng)跑道道面狀況分類(lèi)按如下定義。

1)干道面：為非濕、非污染的道面。在跑道報(bào)告的可用長(zhǎng)度和寬度范圍內(nèi)，當(dāng)可見(jiàn)潮氣、霧、積水、雪或冰的面積不超過(guò)25%時(shí)，該道面狀態(tài)為干道面。

2)濕道面：為非干、非污染的道面。當(dāng)跑道報(bào)告的可用長(zhǎng)度和寬度范圍內(nèi)有超過(guò)25%的面積上有可見(jiàn)潮氣或深度不大于3 mm的積水時(shí)，稱(chēng)為濕道面。

3)污染道面：當(dāng)跑道報(bào)告的可用長(zhǎng)度和寬度范圍內(nèi)有超過(guò)25%的面積被霜、冰以及任意厚度的雪、融雪或積水覆蓋時(shí)，稱(chēng)為污染道面。按道面污染物類(lèi)型，污染道面又分為下述各種：

(1)干雪：雪中水分不足，且不足以粘結(jié)成團(tuán)，稱(chēng)之為干雪。干雪通常在溫度小于32 ℉(0 ℃)時(shí)存在。

(2)融雪：雪中水的分量達(dá)到可以自由流動(dòng)的程度，具有了液體的特征(如可以流動(dòng)和噴濺)，此種狀態(tài)的雪稱(chēng)為融雪。當(dāng)把融雪捧起時(shí)，水會(huì)流出。當(dāng)踩踏融雪時(shí)，這些含飽和狀態(tài)水的雪會(huì)被濺開(kāi)。

(3)濕雪：雪中存在適量水分，可以將雪捏成雪團(tuán)，但又不能擠壓出水，此種狀態(tài)的雪稱(chēng)為濕雪。

(4)壓實(shí)的雪：雪被壓實(shí)成實(shí)體狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)為壓實(shí)的雪。當(dāng)飛機(jī)停在壓實(shí)的雪面上時(shí)，雪面不會(huì)有任何部分被排擠開(kāi)。拿起一塊壓實(shí)的雪，雪仍會(huì)成一整塊，或可以破損成幾個(gè)小塊，但不會(huì)粉碎成分散的雪粒。

(5)霜：當(dāng)氣溫低于冰凍溫度時(shí)，空氣中的濕氣凝結(jié)成冰晶，這些冰晶沉積在物體表面形成霜。霜不同于冰，每個(gè)霜冰晶相互獨(dú)立，構(gòu)造上更具有顆粒構(gòu)造。

(6)積水：液態(tài)的水，厚度大于3 mm。

(7)冰：固體凍結(jié)的積水，稱(chēng)為冰。

(8)濕冰：熔化的冰或是冰上覆蓋有任何深度的水。

2 污染物壓縮性

按污染物特性，污染物分為可壓縮污染物和不可壓縮污染物。不可壓縮污染物只對(duì)飛機(jī)的機(jī)輪摩擦力產(chǎn)生影響?？蓧嚎s污染物，除了會(huì)減少機(jī)輪摩擦力外，還會(huì)產(chǎn)生附加污染物阻力，如表1所示。

表1 道面污染物類(lèi)型及可壓縮性

表1內(nèi)容引自AC25-31。EASA AMC25.1591條對(duì)污染物可壓縮性的定義稍有不同，F(xiàn)AA認(rèn)為所有厚度的干雪和濕雪都具有可壓縮性，飛機(jī)壓過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加阻力，EASA認(rèn)為對(duì)于厚度小于5 mm的濕雪和小于10 mm的干雪，可產(chǎn)生的附加阻力很小，可以認(rèn)作為零，也即可理解為不具有可壓縮性。

3 污染道面飛機(jī)起飛性能確定方法

3.1 可接受的驗(yàn)證方法

FAA接受通過(guò)計(jì)算分析的方法提供污染道面飛機(jī)起飛性能。

污染道面飛機(jī)起飛性能計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型基于正常道面飛機(jī)性能計(jì)算模型，但要對(duì)飛機(jī)道面摩擦阻力和碾壓污染物時(shí)產(chǎn)生的附加阻力等進(jìn)行修正。正常道面性能計(jì)算數(shù)學(xué)模型當(dāng)中的參數(shù)是基于飛行試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，并經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，該性能數(shù)學(xué)模型被用于表明對(duì)25部規(guī)章B分部性能條款的符合性。

3.2 污染道面起飛性能數(shù)據(jù)的條件和假設(shè)

自然環(huán)境下由于污染道面的污染物分布狀況以及污染物含水量等各不相同，給性能計(jì)算帶來(lái)不確定性，為此，污染道面起飛性能計(jì)算基于下列條件和假設(shè)：

1) 25部B分部對(duì)濕道面的相關(guān)定義同樣適用于污染道面，包括濕道面起飛距離定義(25.113(b))、濕道面起飛滑跑距離定義(25.113(c)(2))，污染道面的起飛鏡面高度和濕道面起飛鏡面高度相同為15 ft、污染道面和濕道面都不能有凈空道。

2)假定污染物在可用道面均勻分布；

3)對(duì)可壓縮污染物，假定污染物比重和厚度均勻一致。

由于道面污染物濺起可能會(huì)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)等造成損傷、吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后將降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力，影響飛機(jī)起飛加速能力，除非能夠表明在更大的深度不會(huì)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可接受的損傷或不利影響，建議道面的融雪深度和積水的深度應(yīng)不大于寸0.5 in(13 mm)。

3.3 機(jī)輪剎車(chē)摩擦系數(shù)

表2中的機(jī)輪剎車(chē)摩擦系數(shù)由TALPA ARC工作組研究提出。這些數(shù)據(jù)在1995-2004年的冬季跑道摩擦系數(shù)聯(lián)合研究項(xiàng)目中，在最大范圍內(nèi)經(jīng)工業(yè)界的飛行試驗(yàn)進(jìn)行了確認(rèn)。如果將來(lái)工業(yè)界發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)，這些數(shù)據(jù)將進(jìn)行更新。

表2中的滑水速度按下列公式計(jì)算：

(1)

式中，vP為地速，單位kn；P為輪胎壓力，單位lb/in2。

表2中的數(shù)據(jù)所針對(duì)的防滑系統(tǒng)類(lèi)型為全調(diào)節(jié)式。對(duì)半調(diào)節(jié)防滑系統(tǒng)，剎車(chē)摩擦系數(shù)應(yīng)乘以0.625，對(duì)開(kāi)關(guān)式防滑系統(tǒng)，剎車(chē)摩擦系數(shù)應(yīng)乘以0.375。對(duì)沒(méi)有安裝防滑系統(tǒng)的飛機(jī)，剎車(chē)摩擦系數(shù)應(yīng)按個(gè)案具體確定。

表2 污染道面剎車(chē)摩擦系數(shù)

3.4 污染物位移阻力和撞擊阻力計(jì)算

飛機(jī)滑過(guò)可壓縮污染物時(shí)，由于污染物被擾動(dòng)排開(kāi)以及污染物濺起后撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面，會(huì)產(chǎn)生附加的污染物位移阻力和撞擊阻力。

FAA接受EASA AMC25.1591提供的計(jì)算污染物位移阻力和撞擊阻力的方法。申請(qǐng)人也可以使用EASA接受的其它方法，或是經(jīng)分析或試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)的其它方法。

在飛機(jī)起飛計(jì)算中，污染物位移阻力和撞擊阻力會(huì)降低飛機(jī)起飛加速能力，但在中斷起飛中將有助于飛機(jī)減速。

污染物厚度測(cè)量要求在最厚的污染物處測(cè)量數(shù)據(jù)，而性能計(jì)算假定污染物厚度在道面均勻一致，因此實(shí)際的平均污染物厚度應(yīng)小于計(jì)算使用的污染物厚度。因此對(duì)起飛距離和起飛滑跑距離，會(huì)給出保守的結(jié)果，對(duì)加速停止距離會(huì)給出偏不保守的結(jié)果。FAA建議對(duì)加速停止距離，在加速段和停止段都使用50%的污染物厚度，對(duì)所有起飛構(gòu)型給出偏保守的計(jì)算結(jié)果。

在計(jì)算污染物位移阻力和撞擊阻力時(shí)需要用到污染物密度。FAA建議使用表3中的密度數(shù)值。

表3 污染物密度

3.5 對(duì)飛機(jī)抬前輪和離地速度的影響

考慮污染物附加阻力對(duì)飛機(jī)造成的氣動(dòng)影響，在確定污染道面起飛抬前輪速度vR時(shí)，建議可以考慮下面兩種方法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

方法一：采用非污染道面相同的vR速度，但需增加從vR到起飛距離末端間的距離，以此保證在起飛距離末端獲得起飛安全速度(v2)。使用這種方法會(huì)減少最小離地速度vmu和起飛離地速度vlof間的余量。因此，應(yīng)對(duì)該余量進(jìn)行檢查以保證滿足25.107(e) 的要求。

方法二：增加vR以獲得正常的vlof速度。使用這種方法能保證vlof和vmu間的余量。

3.6 污染道面對(duì)航向可操縱性的影響

污染道面對(duì)航向操縱性的影響，應(yīng)結(jié)合側(cè)風(fēng)以及其它因素，如飛機(jī)重量、重心、起飛推力設(shè)定等進(jìn)行綜合評(píng)估。飛機(jī)制造廠商應(yīng)在飛機(jī)運(yùn)行類(lèi)手冊(cè)提供建議和指南，指導(dǎo)營(yíng)運(yùn)人針對(duì)不同的污染道面建立航空公司自己的操作程序，減少這些因素對(duì)航向操縱性的影響。

污染道面一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)的最小v1和側(cè)風(fēng)限制可能需要進(jìn)行調(diào)整。

4 反推的使用

污染跑道飛機(jī)性能允許使用反推，但需要滿足下列條件：

1)污染跑道中斷起飛反推使用程序和非污染跑道中斷起飛反推使用程序必須相同，且為了獲得預(yù)期水平的反推力、保持航向操縱和安全的發(fā)動(dòng)機(jī)特性，機(jī)組操作程序應(yīng)包括所有操作步驟，包括將反推收到慢車(chē)或收起位置的步驟。

2)在污染跑道上執(zhí)行中斷起飛，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性必須符合 25.939 的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)不能有AC25.939-1中所描述的任何不利的工作特性?？梢栽诜赐撇僮鞒绦蛑兄付ㄒ粋€(gè)速度，在該速度下將反推收到慢車(chē)位，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)有滿意的工作特性。

3)反推機(jī)組操作程序中拉反推到指定檔位的動(dòng)作應(yīng)由中等水平機(jī)組完成。

4)性能計(jì)算中應(yīng)考慮機(jī)組動(dòng)作后受影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。比如機(jī)組拉反推后反推內(nèi)鎖的響應(yīng)時(shí)間以及反推轉(zhuǎn)速增加的過(guò)程時(shí)間等。

5)為保證中等技能駕駛員始終獲得建議的反推力水平，要求在油門(mén)桿設(shè)計(jì)上提供反推作動(dòng)感知機(jī)構(gòu)，比如設(shè)置反推卡檔。如果油門(mén)桿沒(méi)有這類(lèi)設(shè)計(jì)特征，性能計(jì)算時(shí)應(yīng)使用保守的反推力值。

6)要考慮飛機(jī)航向控制能力，尤其是反推對(duì)流經(jīng)方向舵和垂尾的氣流的影響。在有側(cè)風(fēng)和機(jī)輪摩擦力較低的情況下，再打開(kāi)反推會(huì)進(jìn)一步減少飛機(jī)航向控制能力的影響。應(yīng)提供飛機(jī)側(cè)風(fēng)起飛的建議或指南，包括最大允許的側(cè)風(fēng)限制。這需要通過(guò)模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

7)如果使用不對(duì)稱(chēng)反推力，需要評(píng)估該構(gòu)型下的航向控制能力?？梢栽诜赐撇僮鞒绦蛑兄付ㄒ粋€(gè)速度，在該速度下需將反推減小到慢車(chē)位置以保證有足夠的航向控制和操縱能力。

8)對(duì)單個(gè)故障以及組合故障，每架次起落反推功能失效的概率應(yīng)不大于10-4次，還應(yīng)考慮飛行中防止反推打開(kāi)的反推內(nèi)鎖特征。

9)應(yīng)通過(guò)飛行試驗(yàn)確定反推能提供的有效阻力。驗(yàn)證時(shí)可以對(duì)每種起飛構(gòu)型進(jìn)行驗(yàn)證，或是對(duì)最臨界的起飛構(gòu)型驗(yàn)證。比如將使用反推和不使用反推的無(wú)剎車(chē)滑跑距離進(jìn)行對(duì)比。為確保沒(méi)有忽略任何不利的情況，在確定加速停止距離的飛行試驗(yàn)中應(yīng)使用全部的減速措施。

5 FAA對(duì)EASA已批準(zhǔn)數(shù)據(jù)的認(rèn)可

對(duì)EASA已經(jīng)完成型號(hào)審查的飛機(jī)，除下面三點(diǎn)外，F(xiàn)AA接受經(jīng)EASA批準(zhǔn)的污染跑道飛機(jī)起飛性能數(shù)據(jù)。盡管在道面摩擦系數(shù)或是不可壓縮污染物阻力計(jì)算方面AC25-31和AMC25.1591間存在差異，但為減少申請(qǐng)人為獲得新數(shù)據(jù)而承擔(dān)的負(fù)擔(dān)，最大程度上利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)AA接受經(jīng)EASA批準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1)提供的性能數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋所有類(lèi)型污染道面(見(jiàn)表2)，除非是制定使用限制，禁止在沒(méi)有提供性能數(shù)據(jù)的污染物類(lèi)型道面上運(yùn)行。

2)污染跑道類(lèi)型定義應(yīng)和AC25-31一致。存在有濕氣的跑道可認(rèn)為是濕跑道。

3)對(duì)已完成型號(hào)取證飛機(jī)，允許在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)反推可靠性及操縱性進(jìn)行重新審查的基礎(chǔ)上，采用反推帶來(lái)的效能進(jìn)行性能計(jì)算。但是如果服役經(jīng)歷表明該型號(hào)飛機(jī)有尚未解決的反推可靠性問(wèn)題或操縱問(wèn)題，則性能計(jì)算不允許使用反推的剎車(chē)效能。

6 機(jī)組運(yùn)行手冊(cè)要求

污染跑道運(yùn)行飛機(jī)性能應(yīng)在飛行手冊(cè)、機(jī)組操作手冊(cè)或快速檢查單、電子飛行包中提供。如果污染道面飛機(jī)性能數(shù)據(jù)未經(jīng)局方審定或批準(zhǔn)，應(yīng)注明“僅供參考”。

另外，手冊(cè)還應(yīng)提供如下信息：

1)污染道面性能數(shù)據(jù)使用說(shuō)明；

2)不同污染道面類(lèi)型的定義；

3)在未包含于性能數(shù)據(jù)中的污染物類(lèi)型和污染物深度條件下禁止起飛的限制；

4)和污染道面起飛性能數(shù)據(jù)相關(guān)其他建議；

5)性能計(jì)算中假設(shè)污染物均勻分布并采用均勻厚度的聲明。

7 FAA、EASA和CAAC要求對(duì)比

AC25-31(FAA發(fā)布)要求和AMC25.1591(EASA發(fā)布)要求對(duì)比見(jiàn)表4。AC25-31和AMC25.1591在污染物類(lèi)型、性能計(jì)算的基本定義和假設(shè)上完全相同，但在論述的重點(diǎn)上各有側(cè)重。

表4 AC25-31和AMC25.1591的對(duì)比

中國(guó)民航局飛標(biāo)司發(fā)布的《航空承運(yùn)人濕跑道和污染跑道運(yùn)行管理規(guī)定》(AC-121-FS-2009-33)沒(méi)有對(duì)研制飛機(jī)的污染道面飛機(jī)性能計(jì)算提供指南。該AC只適用于航空公司機(jī)組和簽派人員使用，當(dāng)飛機(jī)準(zhǔn)備在機(jī)場(chǎng)著陸時(shí)，如果飛機(jī)飛行手冊(cè)中無(wú)相應(yīng)污染道面性能數(shù)據(jù)，機(jī)組/簽派可以參考該AC提供的保守計(jì)算方法對(duì)著陸跑道場(chǎng)長(zhǎng)是否足夠進(jìn)行評(píng)估。