FAA污染跑道運行飛機起飛性能數據適航要求

周艷萍 徐有成 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

數據顯示，飛機在有積水或雪的跑道上沖出跑道的風險是干跑道的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/或結合不利的側風，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、美國等在內的很多國家都積極開展飛機在污染道面上運行的適航標準研究。飛機在污染道面起飛的情境如圖1所示。

圖1 污染道面飛機起飛

我國對濕和污染跑道飛機性能的適航研究起步較晚。到目前為止，CCAR25 部[1]對污染跑道上的飛機性能還沒有提出適航標準要求。中國民航局飛行標準司于2009年頒布了咨詢通告《航空承運人濕跑道和污染跑道運行管理規定》(AC-121-FS-2009-33)[2]。依據該咨詢通告，當航空器制造商沒有提供污染跑道飛機性能時，航空器營運人可以利用干跑道所需著陸距離，通過保守換算得到在飛機在污染跑道上著陸所需著陸距離。對污染道面上的起飛距離，這份咨詢通告沒有給出相關的指導材料。

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 開始對濕和污染跑道飛機性能提出規定。2000年發布的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。從那時起，JAR25.1591以及后續的CS25.1591和AMC25.1591僅對污染跑道進行規定。CS25.1591指出申請人可以自行選擇是否提供不同種類污染跑道的性能資料及相應機組操作程序，如果提供這些資料，則必須放入飛行手冊，如不提供則必須在飛行手冊中明確給出相應污染道面的運行限制。AMC 25.1591就如何提供污染道面性能數據提供了一種分析計算方法，并提出要考慮的因素。

FAR 25[4]沒有關于污染跑道的條款要求。過去波音和麥道根據其自身經驗并參考歐洲標準確定污染跑道性能數據。1978 年FAA 頒布了AC 91-6A，標題為Water，Slush and Snow on the Runway，對污染跑道運行提出了頂層要求。為細化AC91-6A的要求，FAA后來又提出AC 91-6B草案，但該草案一直沒有發布。目前,AC91-6A已被取消。

FAA并沒有停止對污染道面相關問題的研究。考慮到污染道面情況的復雜性及其對飛機性能的影響，FAA對頒布指導性標準或指南持非常慎重的態度。2007年8月FAA委托飛機起降性能評估適航要求委員會(Takeoff and Landing Performance Assessment ARC，簡稱TALPA ARC)，就飛機在污染跑道上的起降性能開展研究，希望委員會在飛機審定和運行方面提供建議或指南。2009年7月7日，TALPA委員會向FAA提交了研究成果，形成Takeoff Performance Data for Operations on Contaminated Runways(AC25-31)[5]。TALPA同時還建議FAA修改25部規章，要求將“TC持有人必須要提供飛機在污染道面上起飛的性能數據”列入規章。但到目前為止，FAA還沒有啟動該項工作。針對污染道面著陸情況，截至目前TALPA還未發布相關指導性材料。

AC25-31并沒有對污染道面性能計算給出全面的技術分析過程，而是給出了需要考慮的關鍵要素。

1 道面狀態定義

依據AC25-31，機場跑道道面狀況分類按如下定義。

1)干道面：為非濕、非污染的道面。在跑道報告的可用長度和寬度范圍內，當可見潮氣、霧、積水、雪或冰的面積不超過25%時，該道面狀態為干道面。

2)濕道面：為非干、非污染的道面。當跑道報告的可用長度和寬度范圍內有超過25%的面積上有可見潮氣或深度不大于3 mm的積水時，稱為濕道面。

3)污染道面：當跑道報告的可用長度和寬度范圍內有超過25%的面積被霜、冰以及任意厚度的雪、融雪或積水覆蓋時，稱為污染道面。按道面污染物類型，污染道面又分為下述各種：

(1)干雪：雪中水分不足，且不足以粘結成團，稱之為干雪。干雪通常在溫度小于32 ℉(0 ℃)時存在。

(2)融雪：雪中水的分量達到可以自由流動的程度，具有了液體的特征(如可以流動和噴濺)，此種狀態的雪稱為融雪。當把融雪捧起時，水會流出。當踩踏融雪時，這些含飽和狀態水的雪會被濺開。

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

(4)壓實的雪：雪被壓實成實體狀態時，稱為壓實的雪。當飛機停在壓實的雪面上時，雪面不會有任何部分被排擠開。拿起一塊壓實的雪，雪仍會成一整塊，或可以破損成幾個小塊，但不會粉碎成分散的雪粒。

(5)霜：當氣溫低于冰凍溫度時，空氣中的濕氣凝結成冰晶，這些冰晶沉積在物體表面形成霜。霜不同于冰，每個霜冰晶相互獨立，構造上更具有顆粒構造。

(6)積水：液態的水，厚度大于3 mm。

(7)冰：固體凍結的積水，稱為冰。

(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飛機的機輪摩擦力產生影響。可壓縮污染物，除了會減少機輪摩擦力外，還會產生附加污染物阻力，如表1所示。

表1 道面污染物類型及可壓縮性

表1內容引自AC25-31。EASA AMC25.1591條對污染物可壓縮性的定義稍有不同，FAA認為所有厚度的干雪和濕雪都具有可壓縮性，飛機壓過時會產生附加阻力，EASA認為對于厚度小于5 mm的濕雪和小于10 mm的干雪，可產生的附加阻力很小，可以認作為零，也即可理解為不具有可壓縮性。

3 污染道面飛機起飛性能確定方法

3.1 可接受的驗證方法

FAA接受通過計算分析的方法提供污染道面飛機起飛性能。

污染道面飛機起飛性能計算采用的數學模型基于正常道面飛機性能計算模型，但要對飛機道面摩擦阻力和碾壓污染物時產生的附加阻力等進行修正。正常道面性能計算數學模型當中的參數是基于飛行試驗、風洞試驗獲得，并經過飛行試驗進行確認，該性能數學模型被用于表明對25部規章B分部性能條款的符合性。

3.2 污染道面起飛性能數據的條件和假設

自然環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，給性能計算帶來不確定性，為此，污染道面起飛性能計算基于下列條件和假設：

1) 25部B分部對濕道面的相關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對飛機結構、發動機等造成損傷、吸入發動機后將降低發動機推力，影響飛機起飛加速能力，除非能夠表明在更大的深度不會對飛機結構和發動機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不大于寸0.5 in(13 mm)。

3.3 機輪剎車摩擦系數

表2中的機輪剎車摩擦系數由TALPA ARC工作組研究提出。這些數據在1995-2004年的冬季跑道摩擦系數聯合研究項目中，在最大范圍內經工業界的飛行試驗進行了確認。如果將來工業界發布新標準，這些數據將進行更新。

表2中的滑水速度按下列公式計算：

(1)

式中，vP為地速，單位kn；P為輪胎壓力，單位lb/in2。

表2中的數據所針對的防滑系統類型為全調節式。對半調節防滑系統，剎車摩擦系數應乘以0.625，對開關式防滑系統，剎車摩擦系數應乘以0.375。對沒有安裝防滑系統的飛機，剎車摩擦系數應按個案具體確定。

表2 污染道面剎車摩擦系數

3.4 污染物位移阻力和撞擊阻力計算

飛機滑過可壓縮污染物時，由于污染物被擾動排開以及污染物濺起后撞擊飛機結構表面，會產生附加的污染物位移阻力和撞擊阻力。

FAA接受EASA AMC25.1591提供的計算污染物位移阻力和撞擊阻力的方法。申請人也可以使用EASA接受的其它方法，或是經分析或試驗數據證實的其它方法。

在飛機起飛計算中，污染物位移阻力和撞擊阻力會降低飛機起飛加速能力，但在中斷起飛中將有助于飛機減速。

污染物厚度測量要求在最厚的污染物處測量數據，而性能計算假定污染物厚度在道面均勻一致，因此實際的平均污染物厚度應小于計算使用的污染物厚度。因此對起飛距離和起飛滑跑距離，會給出保守的結果，對加速停止距離會給出偏不保守的結果。FAA建議對加速停止距離，在加速段和停止段都使用50%的污染物厚度，對所有起飛構型給出偏保守的計算結果。

在計算污染物位移阻力和撞擊阻力時需要用到污染物密度。FAA建議使用表3中的密度數值。

表3 污染物密度

3.5 對飛機抬前輪和離地速度的影響

考慮污染物附加阻力對飛機造成的氣動影響，在確定污染道面起飛抬前輪速度vR時，建議可以考慮下面兩種方法，兩種方法各有優缺點。

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)。使用這種方法會減少最小離地速度vmu和起飛離地速度vlof間的余量。因此，應對該余量進行檢查以保證滿足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 污染道面對航向可操縱性的影響

污染道面對航向操縱性的影響，應結合側風以及其它因素，如飛機重量、重心、起飛推力設定等進行綜合評估。飛機制造廠商應在飛機運行類手冊提供建議和指南，指導營運人針對不同的污染道面建立航空公司自己的操作程序，減少這些因素對航向操縱性的影響。

污染道面一臺發動機停車的最小v1和側風限制可能需要進行調整。

4 反推的使用

污染跑道飛機性能允許使用反推，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，且為了獲得預期水平的反推力、保持航向操縱和安全的發動機特性，機組操作程序應包括所有操作步驟，包括將反推收到慢車或收起位置的步驟。

2)在污染跑道上執行中斷起飛，發動機的工作特性必須符合 25.939 的要求。發動機不能有AC25.939-1中所描述的任何不利的工作特性。可以在反推操作程序中指定一個速度，在該速度下將反推收到慢車位，以保證發動機有滿意的工作特性。

3)反推機組操作程序中拉反推到指定檔位的動作應由中等水平機組完成。

4)性能計算中應考慮機組動作后受影響系統的響應時間。比如機組拉反推后反推內鎖的響應時間以及反推轉速增加的過程時間等。

5)為保證中等技能駕駛員始終獲得建議的反推力水平，要求在油門桿設計上提供反推作動感知機構，比如設置反推卡檔。如果油門桿沒有這類設計特征，性能計算時應使用保守的反推力值。

6)要考慮飛機航向控制能力，尤其是反推對流經方向舵和垂尾的氣流的影響。在有側風和機輪摩擦力較低的情況下，再打開反推會進一步減少飛機航向控制能力的影響。應提供飛機側風起飛的建議或指南，包括最大允許的側風限制。這需要通過模擬的方法進行驗證。

7)如果使用不對稱反推力，需要評估該構型下的航向控制能力。可以在反推操作程序中指定一個速度，在該速度下需將反推減小到慢車位置以保證有足夠的航向控制和操縱能力。

8)對單個故障以及組合故障，每架次起落反推功能失效的概率應不大于10-4次，還應考慮飛行中防止反推打開的反推內鎖特征。

9)應通過飛行試驗確定反推能提供的有效阻力。驗證時可以對每種起飛構型進行驗證，或是對最臨界的起飛構型驗證。比如將使用反推和不使用反推的無剎車滑跑距離進行對比。為確保沒有忽略任何不利的情況，在確定加速停止距離的飛行試驗中應使用全部的減速措施。

5 FAA對EASA已批準數據的認可

對EASA已經完成型號審查的飛機，除下面三點外，FAA接受經EASA批準的污染跑道飛機起飛性能數據。盡管在道面摩擦系數或是不可壓縮污染物阻力計算方面AC25-31和AMC25.1591間存在差異，但為減少申請人為獲得新數據而承擔的負擔，最大程度上利用現有數據，FAA接受經EASA批準的數據。

1)提供的性能數據應覆蓋所有類型污染道面(見表2)，除非是制定使用限制，禁止在沒有提供性能數據的污染物類型道面上運行。

2)污染跑道類型定義應和AC25-31一致。存在有濕氣的跑道可認為是濕跑道。

3)對已完成型號取證飛機，允許在不對發動機反推可靠性及操縱性進行重新審查的基礎上，采用反推帶來的效能進行性能計算。但是如果服役經歷表明該型號飛機有尚未解決的反推可靠性問題或操縱問題，則性能計算不允許使用反推的剎車效能。

6 機組運行手冊要求

污染跑道運行飛機性能應在飛行手冊、機組操作手冊或快速檢查單、電子飛行包中提供。如果污染道面飛機性能數據未經局方審定或批準，應注明“僅供參考”。

另外，手冊還應提供如下信息：

1)污染道面性能數據使用說明；

2)不同污染道面類型的定義；

3)在未包含于性能數據中的污染物類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據相關其他建議；

5)性能計算中假設污染物均勻分布并采用均勻厚度的聲明。

7 FAA、EASA和CAAC要求對比

AC25-31(FAA發布)要求和AMC25.1591(EASA發布)要求對比見表4。AC25-31和AMC25.1591在污染物類型、性能計算的基本定義和假設上完全相同，但在論述的重點上各有側重。

表4 AC25-31和AMC25.1591的對比

中國民航局飛標司發布的《航空承運人濕跑道和污染跑道運行管理規定》(AC-121-FS-2009-33)沒有對研制飛機的污染道面飛機性能計算提供指南。該AC只適用于航空公司機組和簽派人員使用，當飛機準備在機場著陸時，如果飛機飛行手冊中無相應污染道面性能數據，機組/簽派可以參考該AC提供的保守計算方法對著陸跑道場長是否足夠進行評估。