低空风切变下UPRT特点研究

孙 宏，王 静，王 东，王 迪

（1.中国民用航空飞行学院民航飞行技术与飞行安全科研基地，广汉 618307；2.湖南航空股份有限公司飞行部，长沙 650000）

0 引言

风切变表现为风速在水平和垂直方向突然变化的大气现象。遭遇风切变时飞机的空速、升降速率等参数会发生突然性的变化，对飞机操纵和姿态控制带来极大困难，甚至可能导致事故。尤其是低空风切变是航空界公认的起飞、着陆阶段重要的一个危险因素，近年来由于低空风切变导致的航班不安全事件频繁发生，对飞行安全构成了严重的威胁，从表1中统计的近年发生的风切变典型事例可以发现：在实际飞行中，机组处置不当是导致风切变不安全事件频繁发生的主要原因，尤其是机组对预测式风切变告警信息缺乏足够的重视和处置决策不及时而致使飞机进入风切变区域，同时，也说明加强机组风切变处置训练的重要性。风切变处置训练是一种典型的复杂状态预防与改出训练（upset prevention and recovery training，UPRT），按照FAA和ICAO对UPRT的要求，加强机组对风切变处置的识别与训练对于保障飞行安全具有很重要的意义。本文将主要针对风切变对飞行的影响，分析风切变改出程序及训练方法的特点。

表1 近5年发生的典型风切变事例汇总

1 风切变及对飞行的影响

低空风切变是指出现在600 m以下的风矢量（风向、风速）水平和（或）垂直方向上的急剧变化现象，通常在强对流天气、锋面系统、辐射逆温、地形地物等天气背景和地理条件下产生。航空气象学中，根据飞机运动相对于风矢量之间的各种不同情况，把风切变分为顺风切变、逆风切变、侧风切变、垂直风切变四种类型，不同类型风切变对飞行影响的严重程度不同，以下主要对飞机在起飞爬升或进近着陆过程中遭遇风切变的情况进行分析。

首先是顺风切变。遭遇顺风切变的典型特征是空速突然降低、飞机因升力减小而掉高度，起飞滑跑时则表现为增速缓慢无法离地。若高度较高，飞机经过切变线后虽然会显著损失高度但机组仍有机会采取处置程序改出；若高度较低，则机组将可能来不及采取处置而发生坠毁或者在跑道外提前触地。其次是逆风切变。会导致飞机因空速突然增加升力增大而脱离正常的爬升或下滑路径，特别是飞机在着陆阶段通过逆风切变区域时飞行员将面对如何消耗飞机过高的高度或者大速度的问题。第三是侧向风切变。会导致飞机产生侧滑、带坡度继而偏离原来预定航迹，在着陆阶段很容易致使飞机带坡度和偏流着地甚至冲出跑道。最后是所有风切变中最危险的垂直风切。特别是猝发性、强度大的微下冲气流，飞机会骤然非正常的下沉偏离原有航迹甚至直接被拍在地上。

2 风切变条件下UPRT处置程序

2.1 反应式风切变处置原则与程序

由飞机飞行增稳计算机（flight augmentation computer，FAC）通过其他系统信号来源判断出而检测出来的真实存在的风切变称为反应式风切变（reactive wind-shear，简称RWS）。遭遇反应式风切变表明飞机已进入风切变区域。机组可通过以下三种方法识别反应式风切变：①滑跑前，机组通过外部信息（雷雨天气，大风，前机报告，管制通报等）来预先识别，提高警惕。②在FAC不提供风切变探测功能的起飞滑跑和低空阶段，机组通过观察风向风速（顺风增加），空速（增速缓慢，停滞，甚至减小），升降率的显著变化特征来识别。③在FAC提供风切变探测功能飞行阶段，机组须通过机载航电系统发布进入风切变的预警信息来识别。因此，飞行员应时刻关注机载航电系统告警，若一旦触发RWS预警须立即大声向机组成员喊话、启动RWS处置程序。以下分别对起飞滑跑、起飞离地后、进近着陆三个阶段遭遇风切变的技术处置原则和程序分析说明。

2.1.1 反应式风切变的处置原则

起飞滑跑阶段，风切变处置原则（图1）。

图1 起飞滑跑阶段反应式风切变的处置原则

①前：中断起飞，通常可以在跑道内停住飞机。但在决断前，机组须应通过评估“是否具有足够剩余跑道”判别执行中断起飞的安全性。若判断剩余跑道不足以停下飞机时，则必须继续起飞以避免飞机冲出跑道。②后：通常是V时抬轮，执行继续起飞。但当遇到“剩余的跑道不足于加速到正常起飞速度，也不足于实施中断起飞”的特殊的情况下，飞行员可能需要低于V抬轮以最大程度保证飞机的安全。

起飞离地后和进近着陆阶段遭遇RWS的处置原则为：①果断设定TOGA（Take Off/Go Around）推力，以确保飞机性能。②保持当前构型直至风切变改出。③按需调整俯仰姿态。

2.1.2 反应式风切变的处置程序

各机型的风切变处置程序不尽相同，但都是以记忆项目形式给出的风切变处置程序，因此要求机组准确记忆理解风切变处置程序内容（图2）。

图2 A320机型反应式风切变记忆项目

以A320机型为例，反应式风切变的工作范围：起飞离地后3秒到1300 ft RA（ratio alti⁃tude）；进近阶段为1300ft RA到50ft RA。告警方 式 为PFD（primary flight display）上 的 红 色“WINDSHEAR”标 志 和“WINDSHEAR，WINDSHEAR，WINDSHEAR”语音警告。

若在之前确认飞机遭遇风切变，机组应立即实施中断起飞；与此同时，机组应充分意识到较之正常起飞过程，风切变将可能导致飞机加速达到需要很长的时间和滑跑距离，因此机长应谨慎评估是否有足够的剩余跑道来停住飞机以供中断。根据局方咨询通告AC要求，当剩余跑道不足时，机组必须在风切变条件下继续起飞：①设置推力TOGA，以获得最大的加速。②距跑道末端600 m（2000 ft）之前抬轮。③较正常以起飞更大的姿态离地；若在之后确认飞机遭遇风切变，机组须在风切变下执行继续起飞，设置TOGA推力，在时抬轮，并跟随SRS（speed reference system）指引；若剩下的跑道不足于加速到正常起飞速度，飞行员可能最迟需要在距跑道末端600 m（2000 ft）且空速低于V的情形下冒着擦机尾风险抬轮以安全离地。起飞阶段，SRS提供的指引确保了：①飞机在正常发动机形态下的可保持的目标速度为（+10 kt），或在一台发动机失效形态下可保持最大不超过+15 kt的速度。②沿当前航迹继续飞行。③减小飞机抬头的姿态保护。④提供了最小上升率为120 ft/min的飞行航径角保护。

在离地之后触发RWS警告，机组应立即使用TOGA推力并保持当前构型以最大限度减小风切变造成的飞机高度和速度损失。若AP（Auto-Pilot）接通，应跟随SRS指引。复飞阶段，SRS提供的俯仰引导确保了：①飞机管理目标速度保持为复飞接通时刻的速度或；②飞机在正常发动机形态下以不超过+25 kt，或一台发动机失效形态下以不超过+15 kt的速度沿当前航迹继续飞行。若AP断开且FD不可用，则起始保持17.5°姿态，然后根据需要调整。因为改变构型在很大程度上会影响飞机当前的性能或者导致飞机进入超速状态，因此在脱离风切变前不得改变构型（缝翼/襟翼、起落架）。如飞机继续掉高度，机组可以通过按需向后带杆到底的方式增加俯仰姿态、减小高度损失。严密监控飞行轨迹和速度，脱离风切变后柔和恢复至正常航迹。

2.2 预测式风切变处置原则与程序

起飞着陆阶段，机载前视气象雷达对飞机前方一定范围内风场发射相干脉冲，通过估计回波信号平均多普勒频率的方法探测的潜在风切变，称之为预测式风切变（predictive windshear，简称PWS）。而受地波影响，机载前视气象雷达在起降阶段进行风切变检测时易引发风切变虚假警告。因此，要求机组仔细评估风险，对预式风切变警告PWS的真实性进行判断，并按照不同阶段预测式风切变处置原则对警告进行程序处置。

2.2.1 预测式风切变处置原则

在起飞前、起飞滑跑或着陆过程中，机组确认PWS警告，应立即执行相应合理的决策（推迟起飞，更换跑道，中断起飞，终止进近，复飞等）和启动预测式风切变程序以规避飞机进入风切变区域；

2.2.2 预测式风切变处置程序

对于各个机型的PWS的处置程序亦不尽相同，仍以A320为例（见图3）。

图3 A320机型预测式风切变记忆项目

A320的PWS警告只在地面低于100 kt的空速或50 ft RA至1200/1500 ft RA（根据构型）之间触发。因此在起飞、着陆阶段，机组根据PFD（primary flight display）显示的信息、ND（naviga⁃tion display）显示风切变图标、以及音频警告确认PWS警告触发等级，仔细判断是否有风险。且可通过同时满足：①没有其他可能发生风切变的迹象。②反应式风切变在工作的条件；排除虚PWS假警告

PWS告警处置程序与RWS告警处置程序的不同体现在：①在起飞前若触发PWS警告，机组应该延迟起飞或选择最有利的跑道起飞。②在起飞滑跑过程中只要触发PWS警告应执行中断起飞。③进近或着陆阶段触发PWS警告，应执行复飞，避免飞机因高度过低无法改出。④起飞升空后若触发PWS警告，除了推力设置、SRS指令跟随外，在飞机没有进入风切变的前提下可通过改变缝翼/襟翼提高飞机性能对抗风切变对飞机的影响。

3 风切变下UPRT的训练

3.1 训练的要点

风切变是一种致使飞机进入复杂状态的典型天气现象，因此风切变处置能力的训练科目是飞行员UPRT训练的重要内容。根据飞行员培训大纲其培训分为理论知识和模拟机训练两个方面。①理论基础部分。飞行员需通过理论知识的学习，重点掌握风切变的典型气象特征和飞行参数（空速、高度、升降率）变化特点，结合飞行原理知识正确理解风切变对飞机性能影响特点、飞机能量管理要求，熟练掌握风切变下的典型特征与处置程序。②要加强模拟机训练。重点是机组工作负荷管理、驾驶舱资源管理（CRM）、知识储备与理解、飞行航迹管理能力等四个方面，尤其是要防止因工作负荷管理不当而触发超限警告。根据对我院模拟中心15组（共计30名）ACPC（airline copilot preparatory course）飞行学员风切变科目训练中处置失败案例的研究与统计分析（表2）也证实了这一点。

通过风切变处置失败的原因分析（表2），明确了风切变下的UPRT训练重点：①加强学员控制飞机姿态的操纵能力实现有效的飞行航迹管理，保证飞机不出现超限事件。②加强驾驶舱资源管理。机组在能够感知和理解所有相关风速、风向、升降率、高度等的前提下，准确预见将要发生的事情或影响运行的事情并在风切变情况下，能利用口头，肢体语言和书面的方式进行高效的沟通和交流，运行正确适当的决策流程，以避免出现决断过迟或不恰当的决断。③加强工作负荷管理，起飞或着陆阶段能有限管理时间，认真仔细、平静放松，按优先级安排任务和监控仪表搜寻准确和充分空速、高度、升降率等信息，保证在高工作负荷的起飞或着陆阶段及时识别风切变。④加强学员对风切变处置程序的记忆与理解。

表2 风切变处置失败原因分析统计

3.2 训练效果评估

结合中飞院的A320机型ACPC训练课程对风切变改出训练效果进行评估。根据320机型飞行员培训大纲要求14课训练中安排了起落航线阶段的风切变处置科目训练共计8～10次分为四个阶段，每个阶段设置2～3次风切变场景。图4的风切变处置成功率统计曲线反映了学员风切变处置能力成长的过程，通过训练学员对于风气变处置成功率从初期的13%提高到90%以上，且当学员成功处置率达到87%时（在第二阶段训练结束之后）表明学员基本掌握风切变处置技能。

图4 30名飞行学员风切变成功处置率统计曲线

4 结语

本文在初步对风切变的成因、风切变下条件下典型的气象与飞行参数特征、风切变的处置程序操纵特征进行了简要的总结与分析的基础上，对风切变下UPRT的训练要点与评价做了深入的总结分析。通过分析我们发现：风切变下的UPRT训练对于提高学员处置能力来讲是非常必要，风切变UPRT训练的重点是学员控制飞机姿态的操纵能力、驾驶舱资源管理尤其是及时正确的处置决策、工作负荷管理、风切变处置程序的记忆与理解。关于如何对训练的质量进行量化评价、改进训练方法提高培训质量和效率，尤其是如何在训练中基于EBT（evidencebased training，EBT）训练思想优化训练程序、提升学员处置此类复杂状态事件的核心胜任能力是今后有待研究的课题。