基于PEP的飞机一发失效复飞应急程序优化

谢春生，戴玉洁

（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

中国民航发展受自然、地理环境的严重制约，设计飞机起飞一发失效及一发失效复飞应急程序能根本上解决此困境。因此，中国民航从业人员非常重视飞机一发失效应急程序设计研究。

20世纪90年代，空中客车公司（简称空客）《空客快速参考手册》中提出一发失效应急程序（EOSID）的设计思想并举例分析了起飞一发失效应急程序的制作方法，为航空公司制作一发失效应急程序提供了重要参考。2003年，空客公司给出部分数据和理论计算方法，并通过性能工程师软件中起飞着陆与航迹模拟两大模块演示了计算过程，讨论了制作一发失效应急程序的流程。

2000年，中国民用航空局（简称民航局）下发《关于制定起飞一发失效应急程序的通知》，航空公司在局方和飞机制造商协助下，开展一发失效应急程序设计、验证工作。2005年民航局与波音公司、美国联邦航空管理局共同召开一发失效应急程序国际研讨会。2006年在《高原及地形复杂机场和航线运行的飞机性能分析》中，系统讲述地形复杂机场一发失效应急程序制定[1]。2014年，民航局下发《飞机起飞一发失效应急程序和一发失效复飞应急程序制作规范》咨询通告。

国内外研究表明，一发失效复飞应急程序有待优化，因此根据航空器飞行动力模型，分析设计并优化一发失效复飞应急程序，再根据性能工程师程序（PEP，performance engineer programs）模型，对所设计的一发失效复飞应急程序进行仿真分析。

1 研究方法

1.1 一发失效复飞动力模型

航空器运动过程，其三维动力模型微分方程为

其中：T为发动机推力；D为航空器所受阻力；m为航空器质量；g为重力加速度；V为航空器速度；α为迎角；γ为航迹角；ψ为航向角。

当飞机一发失效复飞时，飞机可用发动机数量变为（N-1）台，所用推力为起飞可用最大推力（TOGA），飞机构型为起飞着陆构型，起落架收起，飞机速度V为失速速度Vslg的1.23～1.4倍之间，且大于最小爬升速度VMCL，对于双发飞机，最小爬升梯度为2.1%。一发失效复飞动力模型，如图1所示。

图1 一发失效复飞动力模型Fig.1 Dynamic model of OEI missed approach

空客性能工程师软件（PEP模型），利用用户提供的飞行程序参数，根据输入的飞机机型、发动机信息，机场航行、气象资料，结合飞行动力学模型进行模拟，输出航空器运行参数。

1.2 一发失效复飞应急程序设计

飞机一发失效复飞应急程序是为满足飞机的一发失效进近着陆过程中复飞的安全超障要求，提高着陆限重，制定不同于标准仪表复飞应急程序以及跑道同方向起飞一发失效应急程序的路线、方案[2]，如图2所示。

图2 一发失效复飞应急程序流程Fig.2 Flowchart of OEI missed approach emergent procedure

承运人对飞机进行一发失效复飞超障评估，首先须确定一个参考高度[3]。计算一发失效复飞参考高度须视具体情况，参照公布的复飞应急程序、起飞一发失效应急程序或一发失效复飞应急程序。若飞机一发失效复飞时，沿起飞一发失效应急程序航迹，应按一发失效复飞应急程序超障要求来评估复飞起点到同向起飞跑道或净空道末端障碍物。若一发失效复飞参考高度大于最小下降高度（MDA）和决断高度（DA）的较低值，可采用以下3种方式或其组合确保飞机一发失效复飞过程中安全越障：

1）减小着陆重量，使得一发失效复飞梯度能够满足公布的标准仪表进近复飞梯度要求；

2）MDA/DA提至一发失效复飞参考决断高度或以上；

3）制作一发失效复飞应急程序，重新分析计算一发失效复飞参考高度。

制作航空器一发失效复飞应急程序[4]，流程如下：

1）获取机场航行数据，包含机场跑道、气象、障碍物、导航台等信息。依据终端区障碍物分布，初步设计一发失效复飞应急程序；

2）在CAD中绘制一发失效复飞路径及保护区。传统导航的飞机一发失效复飞保护区，自复飞点开始，保持半宽1/2 W=300 m至保护区融合处；偏置进近时，应增加偏置距离后维持12.5%扩张率（1/2 W=0.125D+90 m，其中D为飞机到可用起飞距离末端的距离）至半宽900 m（传统飞行程序与RNAV1和RNP1飞行程序取1/2W=900 m，RNP AR飞行程序则取900 m及2倍所需导航性能（RNP）中较小值）；之后保持宽度直至航迹终点。如图3所示。

图3 直线复飞保护区Fig.3 Protection area of straight missed approach segment

复飞转弯段，从转弯点开始设计航迹控制点，航迹角度变化每45°设立一个点。缺少航迹控制点且转弯点处半宽未达900 m，则继续以12.5%扩展至900 m半宽，之后仍未取得航迹引导的，则继续以12.5%扩展至取得航迹引导，之后以25%收缩至900 m半宽；若转弯时保护区半宽已达900 m，则从转弯点处开始以12.5%扩展，直到取得航迹引导，再以25%收缩至900 m半宽。如图4所示。

3）列举位于一发失效复飞应急程序保护区内的障碍物，构成障碍物列表；

图4 转弯复飞保护区Fig.4 Protection area of turning missed approach segment

4）依据性能分析数据，使用PEP模型模拟一发失效应急复飞程序。其中最大着陆重量及相应的最后进近速度（Vfa）从着陆分析表中获得（着陆分析中不考虑障碍物），复飞航段改平高度参考起飞最低改平高度。分别进行低温、高温超障检查。

5）根据模拟结果，分析障碍物是否满足越障要求。若满足，则应当公布此程序为该机型的一发失效复飞应急程序；若不满足，则修改复飞参数，再次进行超障检查，仍不满足，则重新定义一发失效复飞路径，重复初始设计过程。

2 案例分析

2.1 一发失效复飞应急程序设计

某机场19号跑道设置一发失效复飞应急程序航行数据：跑道长度2 600 m，机场标高1 664 m，跑道坡度-0.03%，外界温度最高/最低值为26℃/2℃，无风。

选取A319-112机型CONF FULL和CONF 3两种构型，空调开、防冰关、干跑道、着陆限重61 t（大于起飞限重 58.1 t）、Vfa为 138 kn（1 kn=1.852 km/h），起落架放下。

根据图2设计一发失效复飞应急程序，航空器一发失效复飞过程中，以直线爬升至XXX台，之后左转，并沿149°磁航迹爬升至D8.0BSD，左转回XXX台，程序如图5所示。

图5 一发失效复飞应急程序图Fig.5 OEI missed approach emergent procedure

按照该机场19号跑道一发失效复飞应急程序绘制保护区，进行障碍物评估得出计算所需障碍物数据，如表1所示。

表1 飞机一发失效复飞障碍物列表Tab.1 OEI missed approach obstacle list

2.2 PEP仿真模拟

基于1.1节中的飞行动力模型，根据空客PEP模型进行飞机一发失效复飞应急程序的仿真模拟。依据1.2节中设计的一发失效复飞应急程序，在运行飞行路径（OFP，operational flight path）模块的 ground track中设置水平剖面模型，如表2所示。在flight segment中设置垂直剖面模型，如表3所示，所得仿真结果如图6、图7所示。

表2 A319-112一发失效复飞应急程序水平剖面模型Tab.2 GroundtrackprofilemodelofA319-112OEImissed approachemergentprocedure

表3 匀速航段A319-112一发失效复飞应急程序垂直剖面模型Tab.3 Cruise segment vertical profile model of A319-112 OEI missed approach emergent procedure

图6 一发失效复飞应急程序水平剖面图Fig.6 Ground track profile of OEI missed approach emergent procedure

2.3 结果分析

图7 一发失效复飞应急程序垂直剖面图Fig.7 Segment profile of OEI missed approach emergent procedure

由图3、图4可知，模拟过程实现了所设计的一发失效复飞应急程序，2.1节中对该机场的一发失效复飞应急程序设计是可行的。对于19号跑道飞机一发失效复飞应急程序模拟结果进行安全性评估，在参考高度340 ft（1 ft=0.304 8 m）情况下对障碍物进行高温超障检查（26℃）及低温超障检查（2℃）的结果如表4所示。

表4 A319-112一发失效复飞超障检查表（参考高度340 ft）Tab.4 Obstacle analysis of A319-112 OEI missed approach（referential altitude 340 ft）

由表4可知，对5号障碍物进行高温检查时，不满足规定的最低35 ft超障余度。可采取提高MDA/DA至一发失效复飞参考决断高度或以上的方法，如图8所示。将飞机一发失效复飞参考高度提高至380 ft，在PEP中重新进行模拟分析，对障碍物进行高温（26℃）及低温（2℃）情况下的超障检查，如表5所示。在不降低最大着陆重量的前提下，保证了飞机一发失效复飞过程中的安全越障。

图8 一发失效复飞应急程序参考高度图Fig.8 Referential altitude of OEI missed approach emergent procedure

表5 A319-112一发失效复飞超障检查表（参考高度380 ft）Tab.5 Obstacle analysis of A319-112 OEI missed approach（referential altitude 380 ft）

3 结语

结合PEP动力模型，分析设计并优化一发失效复飞应急程序，既保障飞行过程中的安全越障，又提高了飞机最大允许着陆重量，解决了着陆过程中的安全性和经济性的矛盾。