0 引言

我国青藏高原因雪峰连绵数百里被称为“空中禁区”、“生命禁区”,大多数高原机场修建在这片区域。近年来,高原机场开通了很多航线,先进的交通工具和出行方式对当地经济社会的高速发展起到正向促进作用,但受恶劣飞行条件的影响,航空公司对高原航线运行的要求更严格,“十二五”后,西部地区高原机场航线网络将进一步完善,民航局通过完善管理体系,落实主体责任等要求展开部署,航空公司通过强化风险管理,梳理出高原航线安全生产的重点环节和风险点,确保高原航线的运行安全。众多行业学者在前期对高原航线安全运行进行过研究,如:万胤全^[1]建议航空公司工程技术(机务)部门通过对飞机状态的维护,消除或降低高原机场恶劣环境的影响;胡静^[2]通过建立爬升性能计算模型,完成国产大型客机在高原机场起飞后的航线爬升性能优化;黄仪方^[3]完成高原航线运行颠簸规律的分析,提出签派放行工作建议;柴雨丰^[4]通过建模实现高原航线效益的动态化管理;笔者针对高原机场安全飞行建议从人员获得资质、恶劣天气分析和追踪、机场日出日落影响和新技术推广等多个方面开展工作,并针对平原机场飞往高原机场的单发飘降应急程序和客舱释压紧急下降应急程序(简称:飘降释压程序)设计开展研究^[5-8]。梳理研究成果发现:这些研究针对高原机场对飞的高原航线研究偏少,针对如何计算和优化这类高原航线飘降释压程序的研究几乎没有。本文以中国国际航空股份有限公司(Air China Limited,简称国航)执行西宁/曹家堡机场(IATA代码:XNN,ICAO代码:ZLXN,简称西宁机场)飞往玉树/巴塘机场(IATA代码:YUS,ICAO代码:ZLYS,简称玉树机场)的高原航线为样本,通过完善优化航线飘降释压程序,达到高原航线安全飞行的目的,以期为其他同类高原航线安全运行提供参考。

1 研究样本简介

1.1 高原机场、高原航线和复杂机场的概念

高原机场是一般高原机场和高高原机场的统称,一般高原机场的海拔高度在1 524m(含)~2 438m(不含),高高原机场的海拔高度在2 438m(含)以上。在国航的《特殊运行手册》^[9]中定义:如果飞行所需航路某一段的最低安全高度在4 300m及以上,该航路的航段被称为高原航段,当航线中包含有高原航段时,航线就可以被定义为高原航线。从这个定义可知,当涉及高原机场运行的航线一般都属于高原航线,但航线中涉及两个非高原机场,航线中如果包含有最低安全高度超过4 300m的航段,应定义为高原航线。复杂机场应根据机场周围特殊的地形、障碍物、复杂的进近程序或者离场程序等因素来确定,安全飞行对机组、航空器以及运行程序提出特殊的规定,航空公司按照规章要求完成培训,满足运行的特殊要求^[10]。

1.2 “西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线简介

依据第202108期《中国民航国内航空资料汇编》的航线数据,“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的航路走向为ZLXN DCT P302Z1YUS DCT ZLYS(图1),航线最低安全高度高于4 300m,满足高原航线的定义,应按照高原航线的飞行要求制定保障措施,并根据飞行的实际需要设计飘降释压程序。

1.3 A319-115简介

本研究的飞机样本是国航A319-115飞机^[11-12],机尾号B-6227,飞机座舱安装120个普通舱旅客座椅,8个商务舱旅客座椅,6个客舱乘务员座椅,最多可安排4名飞行员执行飞行任务,飞机的最大起飞重量为70 000kg,飞机已完成高原机场运行的相关改装^[13],为旅客提供生命保障的补充供氧为氧气瓶供氧方式(图2),供氧时间大约是58min。

2 飘降释压程序设计原理

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 000m以上的高度维持较长时间飞行,需优化和定义飞机在航线单发飘降和客舱释压紧急下降时机组的操作。

2.1 民航局规章和政策的要求

高原航线运行对飞机巡航能力、起降性能要求严格,航空公司针对客舱释压等紧急情况,如何让飞机尽快着陆,如何保障机上乘员的安全提出工作标准。本文研究过程基于多部民航局规章展开,包括:《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》(简称CCAR-121-R7)、《航空承运人高原机场运行管理规定》(简称AC-121-FS-2015-21R1)^[14]、《民用航空器维修单位合格审定规定》(简称CCAR-145-R3)^[15]、《特殊机场的分类标准及运行要求》(简称AC-121-2009-17R1)^[16]、《运输类飞机适航标准》(简称CCAR-25-R4)^[17]和《高原、特殊机场运行指南》(简称《指南》)^[18]等,在客舱氧气使用方面,CCAR-121-R7中K章第121.329条、第121.333条和第121.337条对以涡轮发动机为动力的飞机上配备用于生命保障的氧气总量和装盛这些氧气设备(即氧气瓶)的数量做出严格规定;CCAR-121-R7中I章第121.157条对以涡轮发动机为动力的飞机所使用的航路类型做出定义,第121.191条要求飞机在一发失效后,航路净飞行航迹数据在预定航迹或机场规定范围、规定高度有正梯度,对航迹和机场范围内也有正梯度要求;CCAR-121-R7中U章第121.673条强调在不同区域飞机在运行时距离最高障碍物有高度要求。在发动机失效后的应急处置方面,CCAR-25-R4通过定义发动机失效飘降总飞行航迹,分析飞机在发动机失效后实际安全飞行航迹的要求。《指南》第六章考虑到高原航线飞行的特殊性,要求航空公司所有与运行有关的人员必须持续开展相关训练并确保通过相关考核。

2.2 研究方法的不同之处与优势

以往的高原航线主要针对非高原机场飞往高原机场飘降释压程序设计,而本文的西宁机场海拔高度2 178m,与玉树机场同属于高原机场,整个飞行都在山区,飞行的安全压力增加,恶劣的运行条件对飘降释压程序设计的要求更高、难度更大。本研究侧重A319-115在航线巡航期间发生不安全事件后,对机组应急操作程序的设计和优化,其优势主要体现在:课题组在研究高原航线的运行特点后,兼顾航空公司“安全、效益、服务”需求,整理出周边的备降场资源,通过优化飘降释压程序确保机组使用更方便、更快捷。

2.3 相关基础数据的确定

准确的基础数据是课题组完成飘降释压程序设计的前提,需要飞行签派员或性能工程师在分析航线的基础上梳理出航路点坐标、各航段的最低安全高度等关键数据,这个环节包括了以下几个步骤:首先,课题组参考《中国民航国内航空资料汇编》基础数据完成航线规划和绘制;第二步,完成“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线保护区的设置,确定航路数据中各航路点,以该航线左右各25 000m画两条平行线,如图3所示,平行线内就是“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的障碍物保护区;最后,将“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线按照山区地形特点划分为若干小航段,把每一个小航段的最高障碍物读取并标记出来,记录障碍物的海拔高度,测量障碍物到基准点的直线距离,梳理出“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的航路障碍物数据,如表1所示,最终得到“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的最低安全高度剖面。

2.4 航线单发飘降应急程序设计原理及计算参数

飞机在航路巡航出现发动机失效最好的解决方案是尽快下降飞行高度,便于机组完成改平的操作,但在高原山区的巡航中,地形限制了飞机“尽快下降飞行高度”的机组操作。在完成程序设计时,首先结合表1的相关地形数据,完成计算参数的设置,如表2所示,其中: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》^[19](简称AC-121FS-006)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(International Standard Atmosphere,简称ISA)条件下,研究结合近10年的风温有效数据,飞往玉树机场方向设置为顶风60kt,由于飞往西宁方向为不超过10kt的顺风,为提高安全裕度,研究过程设置为静风状态。

飞机出现发动机失效时的飞机重量是一个重要的参数,首先是确定飞机在西宁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和GD。样本飞机审定的最大起飞重量为70 000kg,结合天气实况,计算得出使用11号跑道起飞的GB为74 638kg,29号跑道起飞的GB为73 793kg,最终确定GB值为73 793kg。采用中国国际航空股份有限公司(Air China Limited,简称国航)System Operations Center系统的DM模块(简称DM模块)最大起飞燃油模式完成计算,可得到GC=58 500kg+18 968kg=77 468kg,由于飞机GA为70 000kg,所以GC最终确定为70 000kg。在使用DM模块完成最大燃油消耗模式的计算,得到GD=62 500kg+3 693kg=66 193kg,得到飞机在西宁机场允许的最大起飞重量为66 193kg。假设计划的航路耗油为2 500kg,则预计飞到航路中点耗油估算为1 250kg,则发生失效的飞机重量为64 943kg,为保证一定的安全裕度,确定了失效发生时飞机重量为64 500kg。

最后依据CCAR-25-R4的相关要求,通过假设出发动机失效的位置,确定巡航期间发生发动机失效后的飘降净航迹,最后对比程序规划的净航迹是否满足相关障碍物对飞并最后确定飘降程序和关键点。

2.5 客舱释压紧急下降应急程序设计原理及计算参数

座舱高度3 000m是飞机是否使用机载氧气为旅客提供供氧的临界高度,如果发生客舱释压,飞机无法及时下降到这个高度之下,制定客舱释压的相关操作程序就很重要,可以确保在释压之后的应急操作过程中旅客有足够的机载氧气可以使用,生命安全得到充分保障。经过改造的A319-115可支持供氧58min,当客舱释压导致氧气面罩放出后,旅客只需要向下用力拉面罩就能让存储在瓶中的氧气均匀流出,这个方式气体存储量大,供氧时间设置灵活,让高原航线飞行中释压程序的设计更轻松,操作的灵活性更强。课题组依据表2的数据确定了释压程序的计算参数(表3),通过座位数量统计飞机上氧气面罩的安装数量,反推计算得到氧气瓶存储氧气的总量(即氧气压力),在设定氧气面罩氧气流出的流率后,参考表1和表2的航线障碍物数据,绘制出飞机从关键点飞到应急程序制定备降场的最大氧气剖面。

3 “西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线飘降释压程序设计过程研究

3.1 氧气面罩数量和氧气压力的计算

课题组首先依据CCAR-25-R4中第25.1447(C)条的规定,按照“超出座位数量10%的”的要求,计算得出样本飞机应该安装147个氧气面罩。为做好氧气瓶压力的计算,课题组根据空客公司A320family Oxygen Consumption Material文件的规定和空客公司手册的计算公式:Useful volume=Total volume×0.997×(actual pressure/1 850)-Residual volume,样本飞机有6个氧气瓶,每个氧气瓶有5.97ft³(100psi)的氧气因“确保氧气压力调节器可以正常使用”而不可用,则每个氧气瓶的最大瓶压为1 850psi(标准大气条件下),每个氧气瓶的总容量为:

$\begin{array}{c}\text{氧}\text{气}\text{量}\left(1400psi\right)\\ =\text{氧}\text{气}\text{量}\left(105psi\right)\times 1400psi/1850psi-5.97{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3\\ =79.46{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3-5.97{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3\\ =73.49{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3=2402L\end{array}$

则,6个氧气瓶(1 400psi)共可提供14 412L氧气,之后,课题组给定不同飞行高度不同的氧气面罩流率(表4)。

3.2 “西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线单发飘降应急程序设计

结合“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的最低安全高度剖面,课题组参考表3的相关数据,通过飞行高度、航路高空风、航路温度,失效点飞机的重量分析,兼顾空调和防冰系统的工作状态(工作状态为:关闭)等条件确定了“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线单发飘降净航迹,在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“PNR-玉树”航线上发动机一发失效后在飞往玉树机场方向时尽快在玉树机场着陆的临界点,关键点B是样本飞机在“西宁-PNR”时尽快在兰州/中川机场(IATA代码:LHW,ICAO代码:ZLLL,简称兰州机场)或西宁机场着陆的临界点,并且在该程序制定后,样本飞机净航迹正好能够满足越障的要求。

3.3 “西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线客舱释压紧急下降应急程序设计

结合航线最大氧气剖面,课题组确定出飞机在航路上发生客舱释压后机组执行紧急下降应急程序的关键点C和关键点D,对关键点C的定义是,如果样本飞机在关键点C发生客舱释压后,飞机紧急下降到25 000ft(或航路最低安全高度),并能尽快飞到往玉树机场后机载氧气正好用完极限距离,关键点D则是样本飞机在关键点D发生客舱释压后,以同样的下降方式,尽快飞往西宁机场(或兰州机场)后机载氧气正好用完的极限距离,最终课题组通过迭代计算将关键点C至D间的中点作为客舱释压PNR。最后,完成A319-115执行“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线在航路出现座舱释压紧急下降机组操作程序,如图3所示。经计算,从图3可知该条件下C点距离西宁55nm,D点距离西宁43nm。

3.4 “西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线飘降释压应急程序优化

由于“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线航程较短,空中飞行时间不足1h,从图3可知,采用1 400psi的氧气压力让该航线的飘降释压应急程序共有4个决断点出现,相较复杂,考虑应急程序便捷、易操作的原则上,课题组对该航线的飘降释压应急程序的氧气压力提高到1 600psi,同样2 402L容量的氧气量为:

$\begin{array}{c}\text{氧}\text{气}\text{量}\left(1600psi\right)\\ =\text{氧}\text{气}\text{量}\left(105psi\right)\times 1600psi/1850psi-5.97{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3\\ =105{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3\times 0.8649-5.97{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3\\ =84.84{\mathrm{f}\mathrm{t}}^3=2402L\end{array}$

通过对氧气压力的优化后,该航线的飘降释压应急程序就优化为1个决断点,如图4所示。

4 结论

在完成A319-115在执行“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线时发生单发失效或客舱释压情况后飘降释压应急程序的设计后,课题组绘制出机组操作的相关示意图(图5)供其使用,同时,也可在紧急情况下供签派员等参考。

研究结论为:

1) A319-115“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线飘降释压程序的关键点(PNR)为西宁机场到玉树机场的中点,飞机从西宁机场飞往PNR区间的任意一点发生座舱释压后,机组操作飞机紧急下降到25 000ft或“西宁-PNR”航段的最低安全高度之上,西宁机场或兰州机场是该航段发生座舱释压之后的紧急备降场,飞行员应驾驶飞机沿航路或者管制员的指挥,尽快飞往其中一个机场;飞机如果在PNR点飞往玉树机场区间之间任意一点发生座舱释压后,紧急下降到25 000ft或“PNR-西宁”航段最低安全高度之上,玉树机场可以定义为该航班出现座舱释压的紧急备降场,根据程序要求飞行员应驾驶飞机沿航路尽快飞往玉树机场,就是说,当飞机在该航段区间发生座舱释压后,飞行员应驾驶飞机继续飞往目的地机场。

2)在“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线发生一发失效,往返航线的PNR均选择“西宁/曹家堡-玉树/巴塘”航线的中点,当飞机在西宁机场飞往PNR点航段之间任意一点发生一发失效后,飞行员必须驾驶飞机沿航路单发飘降/巡航至西宁机场,如果此时飞机单发超障高度能力满足相关的要求,飞行员可在管制员的指挥下沿航路飞往兰州机场;当飞机在PNR点飞往玉树机场航段之间任意一点一发失效后,飞行员必须驾驶飞机沿航路单发飘降/巡航至玉树机场。就是说,当飞机在航线上任意一点发生一发失效的故障后,飞行员可以驾驶飞机继续飞往目的地机场。

由于本文研究样本的航程较短,所处地域较西藏区域航线的地形条件更好,更容易找到紧急情况下周边的可用备降场,决断点(PNR)更好确定,如果运行“拉萨/贡嘎-阿里/昆莎机场”这样的航线,可用备降场资源更少,安全运行难度更大,设计飘降释压应急程序的难度更大;同时,A330-200通过改装之后,因其很好的性能,也投入到高原航线的运行,但其型几何尺寸较本文样本飞机更大,飞机入口速度与样本飞机有差别,这样在高原航线运行中,部分机场运行会受限,是影响高原航线飘降释压程序设计的因素之一,这是课题组下一阶段需要完成的研究内容。

参考文献