葉右軍

(西藏航空有限公司運行控制部, 成都 610225)

根據(jù)中國民用航空局咨詢通告《航空承運人高原機場運行管理規(guī)定》(AC-121-21)[1]及《高原機場運行》(AC121-FS-2015-21R1)[2]規(guī)定,機場海拔高度在2 438 m(8 000 ft) 含以上的機場為高高原機場。截止2022年底,全球范圍內(nèi)的高高原機場有50個[3],主要分布在青藏高原、云貴高原和南美洲的安第斯山脈一帶,國外高高原機場主要分布在尼泊爾、秘魯、玻利維亞等國,中國是擁有高高原機場最多的國家,在中國254個民用運輸機場(港澳臺地區(qū)數(shù)據(jù)另行統(tǒng)計)中高高原機場共有23個,占全球總數(shù)量的46%。高高原機場海拔高,氧氣稀薄,地形復(fù)雜,凈空條件差,受日照強烈且不均,氣候多變,飛行程序復(fù)雜,導(dǎo)致飛機性能衰減,在飛行過程中操作困難,運行控制難度大。

在高高原科學(xué)研究方面。國外學(xué)者對高高原航空科學(xué)研究鮮見,主要關(guān)注在高原對人的影響及氣候環(huán)境的分布。2019年,Kukulies等[4]根據(jù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),研究了青藏高原上空對流和降水的時空變化,結(jié)果表明,高原一般以低層單層云和層狀云類型為主。2021年,Nelson等[5]認(rèn)為健康兒童在到達高原后數(shù)小時內(nèi)可能出現(xiàn)急性高山病(acute mountain sickness,AMS ),極少數(shù)病例可能出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥,包括高原肺水腫和高原腦水腫。低海拔地區(qū)剛生產(chǎn)完的產(chǎn)婦到高原可能需要很長的時間來完成產(chǎn)后適應(yīng)。兒童和青少年乘坐商用飛機出行需要意識到低氧的潛在風(fēng)險。2023年,Mallet等[6]總結(jié)了急性高海拔暴露及相關(guān)環(huán)境適應(yīng)的系統(tǒng)生理反應(yīng),以及在各種高海拔疾病(high-altitude illnesses,HAIs)的流行病學(xué)和病理生理學(xué)基礎(chǔ)上,重點介紹急性高海拔/缺氧暴露和環(huán)境適應(yīng)過程中的分子調(diào)節(jié)和失調(diào)。2023年,Lavrentive等[7]對2017年夏季在西埃爾布魯斯高原(中高加索地區(qū))進行的地基高頻雷達調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,積雪具有很大的變異性,也具有季節(jié)性差異。對積雪場的分析表明,高原中部積雪少于東部和西部。在一年中的暖期,積雪平均高于冷期。

國內(nèi)學(xué)者對高高原航空科學(xué)研究主要集中在對機場及航空器的研究。2011年,Zhang[8]分析了影響高原機場飛行安全和飛行控制的各種因素,以及高原機場飛行中存在的問題,指出了在高原機場缺氧條件下修改飛行員模型的必要性,提出了高原機場條件下閉環(huán)穩(wěn)定性分析方法。2017年,Zhen等[9]為了研究冬季地面輻射供暖的青藏高原機場航站樓室內(nèi)熱環(huán)境特征,對拉薩貢嘎機場2號航站樓的室內(nèi)熱環(huán)境進行了現(xiàn)場測量。通過北京和拉薩的氣象參數(shù)比較,分析了青藏高原獨特的氣候特征。對空氣溫度、黑球溫度、各區(qū)域相對濕度、外殼內(nèi)表面溫度等熱環(huán)境參數(shù)進行了測量和分析。同時,測量了垂直方向上的溫度和相對濕度。研究結(jié)果可為我國青藏高原終端熱環(huán)境的設(shè)計和調(diào)控提供指導(dǎo)。2020年,Shao等[10]提出了一種評估高高原機場跑道偏移事故風(fēng)險的方法,將校正模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,考慮了高高原機場起飛和降落所需的跑道長度、特定環(huán)境溫度和風(fēng)速,計算概率。結(jié)果表明,高高原機場跑道偏移事故的風(fēng)險受溫度和風(fēng)速的影響較大。2020年,Shao等[11]研究了高高原機場拉薩機場鳥擊的隱患,利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)對拉薩機場6 km、13 km和25 km半徑范圍內(nèi)的鳥類數(shù)據(jù)進行分類和柵格化,并根據(jù)西藏2015—2019年的鳥類觀測數(shù)據(jù)和拉薩機場的鳥擊數(shù)據(jù),計算出拉薩機場6 km、13 km和25 km范圍內(nèi)的月鳥擊風(fēng)險指數(shù)(BRI)。結(jié)果表明,拉薩機場環(huán)境因素的時間非平穩(wěn)效應(yīng)比空間非平穩(wěn)效應(yīng)更顯著。2021年,賀元驊等[12]在康定機場與海拔470 m的實驗室開展了FXL型航空電纜低壓與常壓條件下的燃燒實驗,揭示了低壓環(huán)境下飛機電纜燃燒特性。2022年,陳農(nóng)田等[13]從國內(nèi)外高高原人因工程理論研究現(xiàn)狀出發(fā),分析了高高原航空運行特性及關(guān)鍵風(fēng)險,結(jié)合SHELL模型綜述了高高原航空人為因素、航空器適航安全性、航空運行環(huán)境及航空運行規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)研究成果。李嘉銘和邵荃[14]根據(jù)拉薩貢嘎國際機場2011—2016年間的氣象地形條件建立仿真飛行環(huán)境,以B737-700機型為例,結(jié)合飛行員決策結(jié)果差異對部分信息條件缺省的航空器迫降飛行過程進行計算模擬,確定航空器搜尋區(qū)域的范圍和優(yōu)先級。陳農(nóng)田等[3]基于快速存取記錄器(quick access recorder,QAR)記錄的高高原飛行數(shù)據(jù),提出了基于熵權(quán)可變模糊識別的長短期記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(long short-term memory recurrent neural network,LSTM-DNN)深度學(xué)習(xí)民機高高原進近著陸風(fēng)險評估方法。以成都—拉薩航線進近著陸航段為例,對該風(fēng)險評估模型進行訓(xùn)練與測試,并與Logistic 多元回歸、支持向量機(support vector machines,SVM)等評估方法結(jié)果比較,驗證了該風(fēng)險評估方法客觀有效性。2023年,Yang[15]提出了一種用于執(zhí)行要求特殊授權(quán)所需的導(dǎo)航性能(required navigation performance authorization required,RNPAR)進近程序的三維精確制導(dǎo)指令生成方法,并基于九寨黃龍機場的RNPAR進近程序進行了仿真。2023年,You等[16]研究了高壓氧( HBO )對急性高原病,包括急性高原病( AMS )、高原腦水腫( HACE )和高原肺水腫( HAPE )的影響,并總結(jié)了目前試驗的結(jié)果。結(jié)果表明,HBO預(yù)處理可能是急性高原疾病安全有效的預(yù)防方法。2023年,馬俊豪等[17]研究了高高原環(huán)境下富氧對紙箱燃燒特性的影響。在自主設(shè)計的低壓富氧艙中開展紙箱著火實驗,對燃燒過程中的質(zhì)量燃燒速率、火焰形態(tài)和火焰溫度等參數(shù)進行測量,結(jié)果表明通過富氧能明顯減弱低壓對紙箱燃燒的抑制作用,火災(zāi)危險性也隨之增大。

關(guān)于高高原航線運行控制研究在國內(nèi)外的文獻較少。2018年,張序等[18]根據(jù)日喀則和平機場的特點,結(jié)合成拉復(fù)線空域調(diào)整方案,對成都-日喀則航線運行控制進行了研究,確定了航線的油量政策,優(yōu)化了航線飄降釋壓程序。國內(nèi)針對高高原運行控制全面性的研究較少,本文從人、機、環(huán)、管4個維度對高高原航線運行控制進行了分析研究,為有效實施高高原航線運行控制風(fēng)險管控提供參考。

1 研究對象簡介

1.1 高高原機場

高高原機場因其特殊性質(zhì),民航局對航空公司在高高原機場運營設(shè)定了特定的準(zhǔn)入條件[1-2]。根據(jù)中國民用航空局咨詢通告《航空承運人特殊機場的分類標(biāo)準(zhǔn)及運行要求》(AC-121-FS-17R2)[19]和信息通告《境內(nèi)外特殊機場名單》(IB-FS-OPC-001)[20],目前中國共有19個特殊機場,需關(guān)注的機場6個,其中高高原機場14個,大部分高高原機場是中國民用航空局認(rèn)定的特殊機場和需關(guān)注的機場。為了加大安全裕度,基本上中國的航空公司均認(rèn)定高高原機場為公司級的特殊機場,在航班運行控制過程中需要重點關(guān)注。因高高原機場及航線的特殊性,部分不安全事件如表1所示。

表1 高高原航線部分不安全事件

根據(jù)中國民用航空局《2022年全國民用運輸機場生產(chǎn)統(tǒng)計公報》[21]及《國內(nèi)航行資料匯編》[22],中國高高原機場列表(機場飛行區(qū)等級4C及以上)如表2所示,按機場標(biāo)高從高到低依次排序。

表2 中國高高原機場一覽

1.2 高高原機場的地理位置

我國高高原機場主要分布在西藏(7個)、青海(6個)、四川(5個)、云南(2個),甘肅、湖北和新疆各1個。高高原地形復(fù)雜,為因地制宜,機場大多建在河谷或山頂附近,建在河谷附近的機場如圖1所示的拉薩貢嘎機場,建在山頂附近的如圖2所示的九寨黃龍機場。中國高高原機場地理位置分布如圖3所示。

審圖號為GS(2023)336號,底圖無修改

審圖號為GS(2023)336號,底圖無修改

審圖號為GS(2023)1號,底圖無修改

2 高高原航線運行控制的特點

2.1 高高原航線的燃油量政策

高高原的機場分布少,地形復(fù)雜,氣象條件多變,障礙物高且部分機場導(dǎo)航、燈光、保障設(shè)施落后。航線油量的多少會受到多種因素的限制,如飛機性能、氣象、機場特點、有無加油設(shè)施等。在滿足《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》(CCAR-121-R7)[23]燃油量政策的同時,針對高高原機場,需要做進一步的燃油政策研究。

2.1.1 目的地機場無法加油的燃油量政策

由于高高原地形復(fù)雜,不利于物流的運輸,各種運輸成本高,其中也包括燃油運輸成本,且高高原機場大部分離城市距離較遠(yuǎn),如昌都機場到昌都市區(qū)距離126 km。昌都機場不提供加油設(shè)施,在制作飛往昌都機場的航班飛行計劃油量時會將后一段航班的油量一同計算。在有關(guān)昌都機場的高高原航線中,具有代表性的航線為拉薩-昌都,需要先計算昌都-拉薩的飛行計劃,再計算拉薩-昌都的飛行計劃。雖然拉薩-昌都的飛行時間為1 h左右,油量消耗少,但油量攜帶多,航線又受到拉薩機場和昌都機場起飛性能的限制,夏天的拉薩=昌都航線經(jīng)常發(fā)生減載的情況。

2.1.2 目的地機場為孤立機場的燃油量政策

根據(jù)CCAR-121-R7規(guī)章規(guī)定,無可用備降機場的特定目的地機場為孤立機場。目的地為拉薩機場的航線一般不會選擇西藏的其他機場作為備降場,由此拉薩機場可以視作孤立機場。如成都-拉薩航線,考慮到西藏機場的氣象條件及運行限制,在制作飛行計劃時,會基于西藏其他機場不接收航班備降,航班需要飛往成都、重慶等區(qū)外機場備降,航班的酌情攜帶燃油比一般的平原航班多。

2.1.3 受性能限制的固定燃油量政策

高高原航線油量受多種因素的限制。如拉薩-阿里航線,在制作飛行計劃時,會考慮到阿里機場無法落地,且飛往拉薩備降時拉薩機場無法接收備降,航班飛往成都方向的情況,再考慮到航線飄降點的重量和阿里機場落地重量等性能方面的限制,此航段的油量是固定的。

2.1.4 空客A319-115機型油箱容量限制的燃油量政策

空客A319-115機型的油箱容量為19 t。在北京-拉薩和南京-拉薩航線中,由于受到機型油箱容量的限制,在制作飛行計劃的時候會將油箱加滿,在落地拉薩機場的油量少于其他落地拉薩航線油量,針對此種情況,需要制作相應(yīng)的監(jiān)控措施,重點關(guān)注油量的變化以及目的地機場的天氣,如果拉薩機場天氣不滿足降落標(biāo)準(zhǔn),飛機盤旋等待時間要比其他航線要短,需要機長和簽派工程師共同決策,提前做好航班備降的準(zhǔn)備。

2.2 高高原航線的備降場選擇

備降場分為起飛備降場,航路備降場和目的地備降場,不同航空公司航路備降場的具體規(guī)定不一樣。

2.2.1 高高原航線的起飛備降場

當(dāng)飛機從高高原機場起飛時,由于受到CCAR-121-R7規(guī)章的限制,即雙發(fā)飛機的起飛備降場需要在單發(fā)時在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下飛行1 h的距離內(nèi),但高高原機場分布較少且距離遠(yuǎn)、環(huán)境復(fù)雜。晝間運行期間,航班從拉薩貢嘎起飛時,可以選擇日喀則和平機場作為起飛備降場。西藏除了拉薩貢嘎機場均不能夜航,例如夜間從拉薩起飛,無法選擇起飛備降場。

2.2.2 高高原航線的目的地備降場

如拉薩-阿里航線,根據(jù)CCAR-121-R7 121.643條規(guī)章限制,阿里昆莎機場只有一種RNPAR進近程序,若拉薩的傳統(tǒng)進近程序無法使用,則不能選擇拉薩作為目的地備降場。目的地備降場的選取一般為非高高原機場或非特殊機場。

2.2.3 高高原航線的航路備降場

因考慮到飛機性能方面的單發(fā)升限和供氧時間,大部分涉及高高原的航線需要制作釋壓、飄降程序,CCAR-121-R7 121.191規(guī)章明確規(guī)定有飄降程序的航線須選擇飄降航路備降場。雙流-昌都航線,因為航程短,而西藏航空A319-115機型氧氣瓶的供氧時間為55 min,在發(fā)生釋壓時,有足夠的時間下降到特定的高度10 000 ft(1 ft≈0.304 8 m),所以不需要制作釋壓程序;因A319-115機型的單發(fā)升限足以使飛機越過航路最低安全高度且具有正梯度,所以不需要制作飄降程序。

2.3 高高原機場的氣象條件

高高原機場的氣象條件復(fù)雜多變。拉薩貢嘎機場是典型的高高原機場,其復(fù)雜的氣象條件對航空公司的運行控制造成了諸多困難。拉薩機場的氣候特點為春風(fēng)、夏雨、秋晴、冬干。夏天雷雨季的航班運行是拉薩機場一年之中最困難的運行控制時期,時間在每年的6—9月,夏季的青藏高原氣流不穩(wěn)定,易形成熱力型雷暴和系統(tǒng)性雷暴,熱力型雷暴主要分布在17:00—20:00,系統(tǒng)性雷暴主要分布在20:00—23:00。熱力型雷暴可以在短時間內(nèi)形成,覆蓋拉薩機場本場或跑道兩端的進近航路,也可以在短時間內(nèi)消散,一個雷雨過程大致1～2 h,消散后有約1 h的間隙期,后繼續(xù)形成雷雨。秋季是拉薩機場一年中氣象條件最穩(wěn)定的季節(jié),以晴天為主。

拉薩機場冬春季運行控制的難點主要表現(xiàn)為航空器除防冰,揚沙、浮塵對能見度的影響,風(fēng)切變對起飛、進近的影響和大風(fēng)天氣對機型風(fēng)速限制的影響。揚沙、浮塵對能見度影響較大,截至2023年11月,拉薩機場RNPAR進近程序能見度標(biāo)準(zhǔn)為5 km。當(dāng)出現(xiàn)沙暴、塵暴天氣時,考慮到該天氣對飛機發(fā)動機及其他設(shè)備的影響,應(yīng)避免進入。當(dāng)機場出現(xiàn)風(fēng)切變時,飛機也應(yīng)避免繼續(xù)起飛或進近,拉薩當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時,如果正側(cè)風(fēng)超過規(guī)定的機型風(fēng)速限制,不能繼續(xù)起飛或進近。

其他高高原機場典型的氣象特征有邦達機場的降雪、跑道積冰、低溫;林芝機場的全年時段的低云,午后大風(fēng)天氣;阿里機場的低溫,大風(fēng)亂流。

由于大部分高高原機場主用RNPAR程序,進近程序的導(dǎo)航方式為氣壓式垂直導(dǎo)航(Baro—VNAV),沒有裝配溫度補償系統(tǒng)的航空器將會有運行溫度的限制[24]。例如拉薩機場,西藏航空A319-115機型最高運行溫度是31 ℃,最低運行溫度是-25 ℃。受飛機起降包線的限制,部分機場的修正海平面氣壓(query normal height, QNH)也是有限制的,如昌都機場的QNH不能低于1 003 hPa。

2.4 高高原航線的機型選擇

飛高高原航線的飛機需要經(jīng)過特殊的改裝,如發(fā)動機的推力、氧氣的配備、通信導(dǎo)航設(shè)施的改裝。

2.4.1 機型起降包線

高高原機場的標(biāo)高需要在飛機的起降包線內(nèi),根據(jù)空客《飛機飛行手冊》[25]的限制,空客A320-214機型起降包線為-2 000～9 200 ft,沒有達到拉薩機場的標(biāo)高,則不能在拉薩機場起降;空客A319-115機型起降包線為-2 000～12 500 ft,稻城亞丁機場的標(biāo)高在起降包線范圍內(nèi),是可以運行的。

2.4.2 機型供氧系統(tǒng)

飛機的供氧系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合所運行高原機場及航路的應(yīng)急下降和急救用的補充氧氣要求,并且滿足機組人員在著陸后至下一次起飛前的必要供氧要求。對于旅客供氧系統(tǒng),普通平原航線可以在10 min左右下降到10 000 ft,而高高原航線因航路安全高度高、地形復(fù)雜,無法在短時間內(nèi)下降到10 000 ft,對供氧有一定的時間要求,西藏航空A319-115機型為6個氧氣瓶供氧,持續(xù)時間為55 min。當(dāng)A319-115在海拔高于3 600 m(12 000 ft)以上過站時,需要配備12瓶便攜式氧氣瓶,以便機組持續(xù)用氧。

2.4.3 高高度電門

當(dāng)座艙壓力高度大于14 000 ft時,飛機會自動釋放氧氣面罩,為了避免飛機在海拔高度大于14 000 ft的機場(如昌都機場標(biāo)高為14 472 ft)降落開艙門后釋放氧氣面罩,飛機會安裝高高度電門。

2.4.4 通訊導(dǎo)航設(shè)施

CCAR-121-R7 121.97條規(guī)章要求,航空公司需要在4 min內(nèi)建立獨立于空管系統(tǒng)的可靠的語音通信,而高高原機場地處偏遠(yuǎn)山區(qū),甚高頻(very high frequency,VHF)的傳播距離不夠遠(yuǎn),高頻(high frequency,HF)信號的傳播易被高高原地形遮蔽,因此,飛機上安裝衛(wèi)星電話是可靠穩(wěn)定的選擇。對于高高原的進近程序,需要高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航,如RNPAR進近程序,導(dǎo)航精度為0.1～0.3 nmile(1 nmile≈1 852 m),對飛機導(dǎo)航設(shè)備有更高的要求[26],執(zhí)行RNPAR運行的所需的最低設(shè)備如表3所示。

表3 執(zhí)行RNP AR運行的所需的最低設(shè)備

2.5 高高原航線運行關(guān)鍵人員訓(xùn)練的要求

參與高高原航線運行的關(guān)鍵人員,如簽派工程師、飛行機組、機務(wù)維修人員、乘務(wù)員,都需要經(jīng)過一系列培訓(xùn)考核才能履行相應(yīng)的職責(zé)[27-28],相關(guān)人員訓(xùn)練要求如表4所示。根據(jù)《高原機場運行》規(guī)定,高高原航線運行的應(yīng)至少配備3名飛行員,至少包含1名機長和1名資深副駕駛[2]。

表4 高高原航線運行關(guān)鍵人員訓(xùn)練要求

2.6 高高原航線的飛行程序

高高原航線的進離場飛行程序和進近飛行程序絕大部分都是基于性能的導(dǎo)航(performance based navigation,PBN)飛行程序,因為高高原地地形易遮蔽信號且導(dǎo)航設(shè)施落后,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)就成了最佳的導(dǎo)航方式。飛行程序的設(shè)計需要因地制宜,如拉薩、林芝機場的進離場程序是沿著河谷設(shè)計的。飛機運行PBN程序,需要接收至少5顆衛(wèi)星的完整導(dǎo)航信號,接收機自主完整性監(jiān)測(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)是運行PBN程序的基礎(chǔ),空客A319-115采用星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system,SBAS),如果在終端區(qū)RAIM預(yù)測空洞時間在5 min以上,根據(jù)中國民用航空局咨詢通告《在航路和終端區(qū)實施 RNAV1 和 RNAV2 的運行指南 》[29]、《在終端區(qū)和進近中實施RNP的運行批準(zhǔn)指南》[30],則不能執(zhí)行RNP 程序,可以采取改用傳統(tǒng)導(dǎo)航方式,或延誤航班、改航和取消航班來避開RAIM預(yù)測空洞時間段。

2.7 高高原機場的起飛落地重量限制

高高原機場起飛,為了給飛機提供足夠的推力,A319-115機型使用關(guān)空調(diào)起飛,為了避免飛機起飛后座艙壓力告警,不能同時關(guān)閉2個空調(diào)組件,且需要輔助動力裝置(auxiliary power unit,APU)工作為飛機提供增壓。當(dāng)溫度達到一定數(shù)值時,飛機的性能衰減,起飛重量和落地重量會受到限制,達不到飛機的結(jié)構(gòu)限制重量,常常會出現(xiàn)減載的情況,特別是夏天的拉薩貢嘎機場、阿里昆莎機場和昌都邦達機場。

高高原航線的重量限制會受到航路飄降點重量、起飛性能分析重量、落地性能分析重量三者共同的限制,最終可以執(zhí)行的重量會采用安全裕度最大的重量限制。為了提高航班在高高原機場起飛的業(yè)載,通?？梢钥紤]修正氣壓、等待溫度降低、減少油量、使用不同的起飛飛行程序、更換跑道起飛、更換干使用重量較輕的飛機等方法來實現(xiàn)。

2.8 高高原機場運行時間限制

因為高高原機場導(dǎo)航、燈光、保障設(shè)施能力薄弱,地形復(fù)雜,大部分機場只能在晝間時間段內(nèi)運行,即不能夜航?？紤]到午后日照分布不均勻,部分機場易出現(xiàn)大風(fēng)亂流等不確定性因素,其運行時間段不會在午后。不能夜航的機場需要簽派工程師結(jié)合航線單發(fā)飄降程序和座艙釋壓緊急下降程序,須準(zhǔn)確計算飛往航線決斷點的飛行時間,最后計算出起飛后需要返航落地的時間,且落地時間段內(nèi)不能在夜航時段內(nèi)。

3 結(jié)語

因全球地理位置關(guān)系,中國高高原機場數(shù)量眾多,分布廣泛,且每一個高高原機場都有其專屬特點,高高原航線的運行風(fēng)險多而雜,需要從不同的方面對各種運行風(fēng)險進行控制,特別是人、機、環(huán)、管4個維度進行分析。對高高原機場的運行控制研究需要持續(xù)加大力度,完善每一個高高原航線的安全隱患和危險源排查,通過開發(fā)運行控制系統(tǒng)硬件和軟件給參與高高原航線運行控制的相關(guān)人員提供有力支撐,以更加科學(xué)的方法來完善每一個高高原機場的運行控制,實現(xiàn)高高原航線運行的安全高效。