空客A320接通AP执行盲降进近时放襟翼时机研究
空客A320接通AP执行盲降进近时放襟翼时机研究Research on The Timing of Releasing Flaps When Airbus A320Engaged AP to Perform ILS Approach——中国民航局空中交通管理局 任治
摘要：航空器着陆构型的建立是飞行员在航空器进近着陆阶段的一项重要工作，过早建立着陆构型会延长航空器滞空时间，而过晚建立则会影响稳定进近甚至引发航空器复飞。为研究航空器着陆构型建立过程中放出襟翼时机的选择，对进近过程的影响，利用A320-CEO型航空器准FTD-6级飞行模拟机平台，针对北京首都机场01号跑道ILS/DME仪表进近程序，按照正常、稍晚、较晚放出襟翼设计了A、B、C三种不同的放襟翼策略。经过三组放襟翼对照实验，输出航空器的水平轨迹、垂直轨迹、速度及燃油消耗等实验数据，研究三种放襟翼策略在进近效率方面的差异。分析表明，策略C代表的一定程度晚放襟翼方案可以有效缩短进近时间23%，降低燃油消耗35%，提升进近效率。本文的研究成果能为大流量机场挖掘单个航空器进近效率以提升空域利用率、降低燃油消耗率提供思路和方法。
关键词：飞行模拟机；自动驾驶；襟翼；进近效率；燃油消耗；
Abstract: The establishment of aircraft landing configuration is an important task for pilots in the phase of approaching. Landing configuration established too early will prolong in-flight time, while landing configuration established too late will affect the stabilized approach and even cause missed approach. In order to study the influence of the choice of flap release timing on the approach phase during the establishment of the aircraft's landing configuration, the A320-CEO aircraft quasi-FTD-6 flight simulator platform was used to engage the ILS/DME IAP of RW01, ZBAA. Three different flap release strategies, A, B and C, are designed according to the normal, late and later released of the flaps. After three sets of flap-releasing control experiments, the experimental data such as horizontal trajectory, vertical trajectory, speed and fuel consumption of the aircraft were output, and the differences in approach efficiency of the three flap-releasing strategies were studied. The analysis shows that a certain extent of late release of the flaps can effectively shorten the approach time by 23% and reduce fuel consumption by 35%. The research results of this paper can provide ideas and methods for excavating the approach efficiency of a single aircraft in large-traffic airports to improve airspace utilization and reduce fuel consumption.
Key words: flight simulation; auto pilot; flaps; approach efficiency; fuel consumption；
00引言
航空器在进近着陆阶段，飞行员设置着陆构型的时机影响着进近效率。较高的航空器进近效率可以缩短航空器滞空时间，从而提升空域利用率和航班正点率。着陆构型主要包括襟翼、起落架及扰流板的设置位置。在正常进近着陆情况下，扰流板应处于预位状态，起落架则一般在襟翼达到给定角度后放下，因此本文通过研究襟翼设置时机来分析着陆构型与进近效率之间的关联。
不同组类及型别的航空器由于飞行操纵系统、各类性能包线有较大的差异，因此所选航空器的不同也会影响研究结果。由于窄体机数量在我国占比达到78.3%，而空中客车A320系列窄体客机又占窄体客机一半以上，因此本文选择空中客车公司制造的A320-CEO型飞机作为研究对象。
01飞行操纵原理
由于真机试飞成本高昂、安全风险极高，而高级别的飞行模拟机通过建立特定型号航空器的气动模型、控制力感和物理驾驶舱，可以实现接近于真机试飞的试验。采用飞行模拟机进行模拟实验，相比于大多数专家学者采用诸如BADA模型（Base of Aircraft Data，即航空器基础数据，是由欧控开发的以ASCⅡ文件组成的资料，可确定1000 多种机型航空器的空速、爬升/下降率、推力、阻力之间的关系）等各类模型搭建模拟试验平台，可以反映飞行员操作、视景变化等各类因素对飞行的影响，从而提高验证结果的合理性和准确性。本文所进行的实验采用准FTD-6级A320-CEO飞机模拟机，下面介绍实验所需飞行操纵的基本原理。
图1A320飞机驾驶舱布局
空中客车公司在A320上最早将电传飞控系统应用于民用大型客机，而A320还是第一架使用侧杆代替传统驾驶盘的飞机，图1为A320-CEO型飞机的驾驶舱布局。为避免过多的人为因素特别是飞行技术误差对实验造成的影响，本文实验时将接通飞机自动驾驶仪（AP，Auto Pilot），因此“遮光板”和“中央操纵台”为本次实验主要操作的区域。实验过程中，根据 “仪表板 ”区域的PFD（Primary Flight Display，主飞行显示器）和ND（Navigation Display，导航显示）显示信息对襟翼手柄、起落架手柄进行相应操作。A320的襟翼手柄分为0、1、2、3和Full（全）五个位置。
图2显示为PFD上襟翼限制速度与收襟翼动作的关联。左边为速度带，其中红黑带下限为当前襟翼极限速度VFE，琥珀色“等号”所示为下一个襟翼极限速度，绿色F代表最小收襟翼速度，洋红色三角代表进近速度。此外，还需介绍未显示在图2上的两个速度指标，分别是绿点速度（在速度带上用绿点表示）和最小收缝翼速度（在速度带上用S表示）。
A320飞机在进近着陆时，由巡航速度首次减速到250Kt（即Knot，海里/小时）且低于15000ft时，速度带出现第一个VFE，指示可以放出襟翼1，同时低于该VFE的绿点速度也显示出来；放出襟翼1后，出现下一个VFE和S速度；放出襟翼2，速度会向S速度减速（S速度会在速度带上消失），在减速过程中，下一个VFE、F速度和进近速度出现；放出襟翼3，速度会向F速度减速（F速度不会在速度带上消失），在减速过程中，下一个VFE出现；当襟翼放全后，着陆形态完全建立。
图2PFD速度带与襟翼手柄示意
由上述过程可以得出，进近过程中需参考速度带上的提示信息将襟翼按照档位逐级放出以建立着陆形态。由于襟翼极限速度VFE是以区间的形式给出的，因此可以对襟翼放出时机进行调整，即在速度刚刚减速到VFE后不一定马上放出相应档位襟翼。从空气动力学角度来看，襟翼放出越早，减速时机越早，可以越早建立稳定的着陆形态（航空公司会在运行手册中规定建立着陆形态时距离跑道入口的最小距离，此数值会由于航空公司、机型、机场及着陆标准的不同而变化），但是进近平均速度越小，进近效率一定程度上会受到影响；而襟翼放出越晚，则进近平均速度越大，进近效率也越高，但是可能由于减速时机过晚而无法在着陆前建立着陆形态。因此，襟翼放出时机的选择需要在安全与效率之间寻找平衡点。
02实验设计及参数映射
本次实验所飞的飞行程序基于北京首都机场01号跑道RNP ILS/DME程序进行改造。由于实际公布的RNP ILS/DME程序五边较长，结合空中交通管制员在对空指挥中采用雷达引导截获下滑道信号的情况，对飞行程序进行短五边改造，即利用FAF点作为四边（Base）与五边相衔接的四转弯点。改造后的四边长度（A001与FAF两点间距离）与该程序原四边长度保持一致，均为5海里。图3为本次实验最终确定的飞行程序，图4为依据该程序在飞管计算机上设定的右起落航线飞行计划。
图3实验所使用的进近程序
图4实验所使用的飞行计划
对照实验方案设计如下：
1.根据性能和配载情况，输入起飞性能：ZFW零油重量54.5吨，ZFCG零油重心34%，起始重心CG配平31.6%，成本指数CI为35，起始巡航高度FL059，起飞襟翼2/DN0.4，决断速度V1为142Kt，抬轮速度VR为142Kt，起飞安全速度V2为150Kt，自动刹车压力等级为MAX；
2.执行起飞操作，起飞后襟翼逐级收光，起落架收起，收推力至LVL/CL档并接通自动推力A/THR，接通自动驾驶AP，右转旁切AA171，直飞AA422，过点后在下降顶点（洋红色“D”处）激活进近（点击MCDU激活进近阶段按钮），空速由250Kt开始下降，高度设定3000ft（900m）；
3A.襟翼放出策略一：1）减速过第1个VFE（230Kt），继续减速至绿点速度210Kt时，放出襟翼1；2）减速至第二个VFE（200Kt）时，放出襟翼2，接通进近APPR和ILS按钮，飞过FI01Z点截获航向道信号，航迹稳定后放下起落架；3）减速至第三个VFE（185Kt）时，放出襟翼3；4）减速至第四个VFE（177Kt）时，放出襟翼全，着陆形态全；
3B.襟翼放出策略二：1）减速至200Kt，放出襟翼1，接通进近APPR和ILS按钮，飞过FI01Z点截获航向道信号，航迹稳定在五边上；2）减速至190Kt，放出襟翼2，随后放下起落架；3）减速至170Kt，放出襟翼3；4）减速至148Kt，放出襟翼全，着陆形态全；
3C.襟翼放出策略三：1）过FI01Z点前接通进近APPR和ILS按钮，过FI01Z点截获航向道信号，减速至200Kt，放出襟翼1；2）减速至190Kt，放出襟翼2，随后放下起落架；3）减速至155Kt，放出襟翼3；4）减速至148Kt，放出襟翼全，着陆形态全；
4.飞机着陆形态完全，速度保持在进近速度138Kt，沿下滑道继续进近，无线电高度表150ft时，油门杆收至IDLE慢车推力，断开A/THR，断开AP，手动落地。
上述三组对照实验开展过程中，步骤1、2、4步均为每组重复动作，变量控制体现在步骤3A、3B、3C中。
03模拟仿真结果
三组对照实验完成后，将相应轨迹、油耗及重量数据输出，绘制图形如下：
图5 水平轨迹图
图6垂直轨迹图
根据图5水平轨迹图可知，A、B、C三种放襟翼策略在接通AP时模拟机飞出的水平轨迹在五边直线段差异较小，在三转弯后至四转弯前的航迹不稳定阶段和两个转弯阶段有一定差异，但轨迹偏差仍可满足旁切A001和FI01Z两点的要求，因此总体上，三种策略对水平轨迹影响较小，均可保证稳定可靠的水平剖面。
图6所示垂直轨迹图中，蓝色线条代表飞机气压式高度表所显示高度大于等于900m的阶段（实验程序选择900m/3000ft作为截获下滑信号高度），绿色线条代表高度大于等于600m且小于900m的阶段（实验程序中600m为最后梯级下降定位点高度），红色线条代表高度大于等于27.3m且小于600m的阶段（实验跑道接地地带标高为27.3m）。据图6可知，进近时间由策略A至C逐个缩短，但是三种策略都可以保证稳定可靠的下降剖面。
图7速度剖面图
图8油耗剖面图
结合图7、图8所示的三种策略的速度和油耗剖面。总体上，每种策略的速度值都明显呈现三个减速阶段，但是由策略A至C，减速开始阶段由于晚放襟翼而逐步滞后。同时还可发现，策略C曲线更加平滑，速度波动较少。而观察油耗剖面也表明，策略C油耗波动幅度和波动量相较于其他策略都要小一些。因此，策略C相较于其他两种策略，无论是减速过程还是发动机燃油消耗过程都要更加平滑。
表 1 主要评价指标
指标分类
策略编号
A
B
C
实验值
进近时间/s
419
364
323
归一化
进近时间
100%
87%
77%
实验值
燃油消耗/kg
269.98
207.32
174.58
归一化
燃油消耗
100%
77%
65%
实验值
平均速度/Kt
164
175
189
归一化
平均速度
100%
107%
115%
为更加直观的对三种策略进行评估，笔者将每种策略的进近时间、燃油消耗及平均速度的实验记录值和归一化处理数据为主要评价指标（参见表1）进行分析。表中数据说明，从A001点完成三转弯到最终落地，策略C相比策略A，耗时缩短23%，油耗减少35%，而平均速度仅增加15%，即通过很小的平均速度增幅在保证安全的前提下带来了进近效率和燃油经济性的较大提升。
04结语
基于A320准FTD-6级模拟机实验设备，按照给定的实验参数，接通AP执行盲降进近，通过三组对照实验研究放襟翼时机对进近各项指标的影响，综合分析实验数据，得到如下结论：
1）选择在飞机仪表提示的VFE之后一定程度的晚放襟翼有利于提高平均速度，减少燃油消耗，缩短进近时间，通过缩短航空器滞空时间提升了空域利用率和进近效率。
2）晚放襟翼对飞机水平和垂直轨迹影响较小，客观上一定程度的晚放使飞行轨迹更加平滑，速度变化更加平顺，有利于提升驾驶员及乘客的乘坐舒适性。
但是本文提出的方案及实验过程仍有很多不足之处，如未考虑气象条件（能见度、盛行风、阵风及恶劣天气的影响）、飞行技术误差（本实验选择的自动驾驶落地在实际运行中要求极为严苛，多数情况下实际条件仅能满足手动驾驶落地，因此实际飞行条件相比本实验的理想条件有差异），同时本文对于实验结果的评价指标不够系统和全面，下一步笔者将进一步完善实验方案和评价体系，在本文基础上研究放襟翼的最佳时机问题。
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——本文源自《飞行员》杂志2022年第3期 总第113期
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