側風著陸試飛技術解讀

文/徐勇凌

ARJ21-700冰島側風著陸試飛凱旋的第二天，筆者回到了閻良，在試飛院的家屬區(qū)居然與試飛員陳明不期而遇。在筆者心目中陳明他們這一批試飛員是中國民機試飛的中堅力量，功勛卓著的他們生活中顯得如此的平常。在陳明的微信朋友圈里，最后一篇文章還是2017年12月25日寫的，那天他和戰(zhàn)友們剛剛完成了大型水上飛機AG600“鯤龍”的首飛。在不到半年的時間里陳明和他的試飛團隊接連完成了兩大試飛任務，但在朋友圈他甚至沒有時間曬一曬此間網上熱議的冰島側風著陸試飛，作為一名老試飛員，筆者知道這就是試飛員的常態(tài)，他們有太多的任務要去完成，專注于本職工作是一種職業(yè)狀態(tài)，追熱點曬圖片這樣吸引眼球的事情只好交給其他人了。

ARJ21-700是一款怎樣的飛機

要討論側風試飛的技術問題，首先需要來了解一下試飛的對象。ARJ21-700是一款中型民用客機，其技術水平是20世紀末的，但飛機的構型基本是與80年代的麥道系列飛機相似，飛控系統(tǒng)比麥道有不小的升級，但為了總體設計的需要并沒有采用最時髦、最先進的電傳飛控系統(tǒng)。座艙內航電設備已經采用21世紀最先進的系統(tǒng)，但一款飛機的性能主要還是與氣動外形以及飛控系統(tǒng)來決定。

側風著陸技術為什么難

2005年夏天，筆者在鼎新機場試飛新機。夏季是鼎新的多風季節(jié)，側風10米/秒是常有的事，那天因為機場側風達到了16米/秒，對于戰(zhàn)機試飛而言風險太大，所以試飛計劃取消了。就在大家準備收工離開機場之際，一架“挑戰(zhàn)者”公務機搖搖晃晃地起飛了。為什么現代飛機包括軍機和民機對于大側風著陸如此謹慎呢？這是因為側風條件下如果要完成一個開放型的飛行任務，比如說起飛，比如說一般的機動飛行并不是什么難事，在航線飛行中高空的側風有時甚至達到30米/秒以上，但在這樣的飛行中飛機是隨著氣團一起運動的，側風對于飛機的飛行品質與操控影響并不大。但對于收斂型的飛行任務而言，比如說著陸，是要控制飛機收斂在一個相對狹小的跑道上，任何一點偏差都有可能帶來危險的后果。在著陸下滑過程中由于側風的影響飛機的下降會偏離預定軌跡，飛行員必須將飛機修正回來，但在大側風條件下這樣的修正很難做到準確，而且由于在著陸過程中飛機要經歷空中飛行和地面滑行的轉換，從懸浮飛行狀態(tài)進入接觸滑行階段，機輪接地的瞬間所形成的俯仰力矩和偏航力矩會使飛機的滑行方向發(fā)生難以控制的變化，這些都是側風著陸的難點所在。當側風達到一定程度，即使中等以上水平的飛行員也無法確保著陸成功。此時，按照民航法規(guī)的條款著陸將不被允許，飛行員不得不到備降機場著陸。

側風著陸試飛試什么

側風著陸試飛不是簡單的試驗飛機能否在一定側風條件下著陸。試飛考核的是側風條件下飛機的性能、操控性、飛行品質、引導系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、自動駕駛系統(tǒng)的工作性能。

所謂性能是指飛機能在多大側風下穩(wěn)定著陸，側風著陸的性能變化，以及側風著陸對于著陸下滑速度控制的要求。因為一般情況下以相對較大速度著陸，抗側風的能力可以有所提高。

操控性是指在側風著陸的情況下，飛機的操控的穩(wěn)定性、準確性如何。由于側風著陸需要做航向修正，為此飛機的機頭方向要向上風向偏轉一定角度，以便修正由風引起的飛機側向位移，確保飛機沿著跑道中心線下滑。另外也可能采用一定側滑量的方法來修正側風，飛機在側滑條件下的操控特性會有所下降，試飛要考核這種操控性的下降能否接受。

飛行品質是指在側風著陸條件下飛機的安定性如何，國際民航組織適航條令中對民用飛機的飛行品質有非常嚴格的規(guī)定，尤其是在著陸階段飛行品質的瑕疵是不被接受的。在側風條件下著陸無法做到常態(tài)化條件下的定常下降，飛機的姿態(tài)與軌跡修正非常頻繁，在這樣的飛行狀態(tài)下飛行品質的下降是在所難免的，但這種下降必須是在允許的范圍內。

在像著陸這樣的收斂閉環(huán)操控過程中，除了這些客觀的評價指標外，飛行員的主觀評價也是非常重要的，這就是所謂的“庫伯-哈珀”等級。庫珀-哈珀等級共分9級、1～3級為相對滿意級、4級以上為不滿意、而7級以上就是危險級。飛行員必須對每次試飛任務進行評價，將多名飛行員給出的評價進行綜合就得到了飛機的試飛員評價等級。

上述所講的性能、品質、操控性是飛機本身的評價指標，對于現代民機而言，飛機的著陸引導系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)是飛機的功能系統(tǒng)，這些系統(tǒng)輔助飛行員完成進場著陸任務，可以說系統(tǒng)越先進對于飛行員的幫助就越大。比如說引導系統(tǒng)可以為飛行員提供操縱指向，以一種最佳狀態(tài)引領飛行員完成側風條件下的進場著陸。而自動駕駛系統(tǒng)則可以在飛行員不干預的情況下以一種比人工操控更加完美的狀態(tài)完成著陸過程。民用航空對于任務完成的質量和安全性提出很高的要求，例如對于著陸而言軍機只要滿足99%以上的置信度就可以被接受，而對于民機飛機置信度和安全性必須達到99.9%，這對系統(tǒng)的技術水平和可靠性是一個很高的要求。作為試飛員不是簡單的駕駛員，他必須同時是一個系統(tǒng)管理人員，因此他必須對側風著陸過程中的系統(tǒng)工作狀態(tài)給出評價，例如：引導系統(tǒng)引導的準確性與成功率，自動駕駛儀的工作穩(wěn)定性和準確性等。對于試飛中由于系統(tǒng)工作狀態(tài)所導致的著陸失敗，試飛員必須找出失敗的原因，并對這種失誤率給出評估，以確認系統(tǒng)的技術狀態(tài)能否滿足側風著陸的需要。

側風著陸技術原理分析

對于飛行技術的原理分析恐怕是航空理論中最為復雜的部分。一個簡單的側風著陸所包含的技術內涵極為豐富，一般水平的專業(yè)人員包括飛行人員很難將所有的技術奧秘說清楚。

首先，側風導致的軌跡偏離的原因是什么？飛機在大氣環(huán)境中受到氣動力、重力、飛機動力、慣性力以及交感力矩等多個力和力矩的影響，飛行員的操控是通過舵面的偏轉改變氣動力，從而操控飛機按照預定軌跡飛行。在這個過程中飛行員對于重力、慣性力和交感力矩是無法控制的，只能通過舵面操控來控制飛機。在側風著陸過程中飛機在氣動力和重力的作用下在大氣中做慣性運動，由于側風相對于大地是一種側向位移狀態(tài)，飛機作為一個慣性體隨著氣團運動，也會相對于大地做側向位移，這是導致側風著陸過程中偏離預定軌跡的根本原因。

前面已經講過，著陸過程是一個收斂的過程，飛行員必須操控飛機沿著下降線準確地操控飛機在跑道的規(guī)定區(qū)域內著陸，因此，飛行員必須通過舵面操控使飛機形成反側風方向的水平位移，以消除側風的影響。在這一過程中飛行員的操控可以用三種基本方式，一是偏航法，即操控飛機逆?zhèn)蕊L方向形成偏航角，以消除側風的影響；二是側滑法，即操控飛機形成一定的坡度完成側滑，由于在側滑過程中飛機會形成橫側位移，以此消除側風的影響；第三是航向側滑綜合修正法，這樣修正的目的是避免偏航角和側滑角過大，以便于在著陸階段簡化操控動作并減小飛機的動態(tài)變化。以上所述的三種方法其實是以飛行員第一人稱的視角的技術描述，然而要講清楚側風著陸的機理，我們還必須以第三人稱的視角對側風著陸的過程進行分析。

儀表進近或目視進近從表面看是截然不同的兩種進近模式，然而在第三人稱視角看來這兩者是一樣的，側風著陸無非是對側風的判斷、修正值的大小、出現偏差后的修正、修正到位后的回歸。

在實際飛行中，通常飛行員是通過飛機的偏移量來判斷側風的，當飛機向下風方向偏移時，飛行員開始試圖修正軌跡期望回歸標準軌跡。假設飛機偏左200米，那么為了快速修正，飛行員會操控飛機形成相對于標準下滑道的一定夾角，假設這個角度為15度，要形成15度的夾角，飛行員要通過壓坡度、轉彎、改平三個動作。在這里，轉彎角速度與坡度是一一對應關系，而轉彎角度是角速度的積分值；因此，轉彎角度就是坡度的積分值。當飛行員判斷形成預期的轉彎角度后需要改平，這樣飛機的軌跡就與標準下滑道形成一定夾角，我們知道飛機的橫側位移是橫向速度的積分，而橫側速度與夾角一一對應；因此，橫側位移是夾角的積分，經過一定時間的修正橫側位移的積分量足夠了，飛行員需要減小夾角回歸到標準下降線上；當然，為了克服側風還需要保留一定夾角。

以上從數學的角度分析側風的修正過程其實并不復雜，但是如果這個修正過程需要人的判斷，加之人修正動作的誤差，整個下降側風修正過程就極為復雜，修正動作不標準就需要反復修正，這就形成了從俯視圖中看來回震蕩的正弦波曲線。

其實更為復雜的是，在側風修正中由于人的因素的介入，涉及到一個經驗系統(tǒng)，因為人對于偏差的判斷和修正偏差的動作是由經驗系統(tǒng)構成的，對于經驗不足的飛行員而言，精確修正幾乎是不可能完成的任務；判斷的偏差、操控動作的偏差、加之復雜天氣環(huán)境下心理因素的干預，著陸偏差的修正往往會錯進錯出最終導致著陸失敗。

好了為了排除人為因素的作用，我們假設駕駛飛機的是一名經驗豐富的試飛員，但對于大側風著陸而言依然不是一件輕而易舉的事情。當側風大于15米/秒，修正側風所需的偏航角會非常大，有經驗的飛行員為了減小偏航角，會采用上風站位的方法。我們在側風著陸的視頻中可以看到很多這樣的畫面；但無論如何在最終著陸階段，所有的這些修正都必須以一種巧妙的方式歸零，這就使得飛機著陸階段的操控變得極其復雜。

在空中由偏航角或側滑所形成的橫向位移速度與側風分量速度剛好相等，飛機相對于地面的橫側位移為0，這是準確著陸的先決條件；問題是當飛機接地瞬間，機輪與地面的摩擦力將使飛機從隨風漂移的大氣慣性體系進入與地球相連的大地慣性體系。隨風漂移的速度消失，而航向夾角形成的位移卻沒有消失；如果不能將航向夾角消除，飛機將上風向迅速偏移，并迅速偏出跑道，為了避免這樣的現象的出現，飛行員必須在飛機著陸瞬間消除偏航角。

更為復雜的是在帶有側滑與偏航角的接地瞬間，會形成一個極為復雜的橫側力矩，這一力矩會使飛機的坡度發(fā)生急劇的變化，如果坡度過大就會造成翼尖接地形成更加嚴重的偏航力矩。因此在著陸接地的階段飛行員既要控制好滑行軌跡，又要控制好飛機姿態(tài)，還要完成放下機頭、反推、剎車減速等一系列動作，任何一點細小的偏差都有可能導致著陸失敗，這就是側風著陸復雜的原因所在。

小結

飛行是人機一體的交互過程，而飛機的能力和人的能力都是有限的，因此當側風達到一定值時，安全著陸幾乎難以完成。并不是性能越好的飛機側風著陸的能力越強、反應越敏捷的飛行員側風著陸能力越強。飛機的氣動力特性、操控系統(tǒng)的技術水平、起落裝置的結構與功能、動力系統(tǒng)等因素都會影響飛機的側風著陸能力。而對飛行員而言，經驗是至關重要的，這包括準確的判斷力、精確的操控能力、偏差的修正能力、應急情況的處置能力。

試飛員的水平對于側風著陸的試飛至關重要，他不僅要有很好的駕駛技術完成難度較大的側風著陸，還要有很好的評估能力對飛機的著陸性能給出正確的評價。試飛是充滿風險的職業(yè)，尤其是對于那些首次嘗試的高難度任務，試飛員的適應能力和確保安全的定力是需要多年的修煉才能達成的。

中國的大飛機事業(yè)的騰飛有賴于一批像唐長虹、吳光輝這樣的航空科學家，也有賴于像趙鵬、陳明、蔡駿這樣一批高水平的試飛員。此次冰島大側風試飛，歷時40天，由中國試飛院和民航總局試飛員共同完成，而伴隨保障團隊則由試飛院派出；在這個團隊中有和筆者多年奮戰(zhàn)的戰(zhàn)友，也由所謂年輕的試飛二代，他們在異國他鄉(xiāng)奮力拼搏為國人交出了一份滿意的答卷。

筆者認為，中國民用航空制造業(yè)的騰飛才剛剛開始，讓我們期待陳明和他的戰(zhàn)友們?yōu)槲覀儎?chuàng)造更多的驚喜，也預祝中國大飛機事業(yè)——龍騰東方，鵬程萬里！