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2022 07/ 05 09:08:12
來源:新華每日電訊

從跨國“尋冰”到國內“破冰” 國産大客機適航審定自然結冰試飛記

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  2022年2月17日,國産大型客機自然結冰適航審定試飛在陜西閻良取得關鍵性突破,影響國産大型客機適航審定的“重量級攔路虎”——自然結冰試飛“冰消瓦解”。

  自然結冰試飛一直以來都是飛機取證中至關重要的環節,用以驗證在結冰氣象條件下飛機仍具備安全飛行和運營的能力。飛機結冰,即飛機在結冰氣象條件下飛行時,大氣中的過冷水滴撞擊到飛機表面並累積成冰的一種現象。飛機結冰被認為是誘發飛行失控的三大因素之一。美國聯邦航空管理局(FAA)的統計數據顯示,每年大約有8起因結冰導致的飛行事故。因此,國際上任何一部適航法規,都不可能忽視結冰對飛行安全帶來的影響。國産大型客機要想在國際上拿到適航證,就必須完成自然結冰的試飛科目。

  在國産大型客機自然結冰試飛中,任務牽總單位——中國飛行試驗研究院(簡稱“試飛院”)首次在國內大范圍開展了基于結冰預測模型演算法驗證的結冰資源實測飛行;首次在國內完整、有效地完成了中國民用航空規章CCAR25部附錄C要求的自然結冰試飛;首次完成了美國聯邦航空條例FAR25-121修正案要求的自然結冰試飛驗證條款。此前,在全球范圍內只有空客350和俄羅斯MC21完成了該項驗證。

本組圖片為自然結冰試飛資料圖片。(受訪者提供)

  北美尋“冰”

  試飛,是“飛行試驗”的簡稱,指在真實大氣條件下,對飛機、發動機及機載設備進行探索研究、驗證和鑒定的係統工程。在很大程度上,試飛成功與否,決定著新飛機項目的成敗。

  中國飛行試驗研究院作為“試飛國家隊”,為了啃下自然結冰試飛這塊硬骨頭,多年來一直在鍥而不捨地探索。1986年、1997年和2018年,試飛院在新疆先後組織了多次自然結冰試飛。

  然而,ARJ21-700飛機的自然結冰試飛可謂命運多舛。2002年立項的ARJ21-700飛機,是21世紀我國立項的第一個民用飛機項目,被看作國産大飛機的影子工程。同時,ARJ21-700飛機也是我國首次與美國雙邊適航談判的項目,完全參照美國飛機安全和技術標準進行試飛。

  2010年3月起,ARJ21拉開了自然結冰試驗的序幕。2011年至2014年,試飛院與中國商飛公司在新疆地區組織實施了ARJ21-700飛機自然結冰試飛,始終未能完全捕捉到理想結冰氣象,僅在2012年3月19日取得一次有效數據。2014年3月,ARJ21-700飛機不得不遠赴北美五大湖地區進行此項試驗。在國外專家團隊的指導下,困擾ARJ21適航取證長達4年之久的自然結冰試飛,連去帶回僅用了1個多月就順利結束。

  ARJ21-700飛機的首席試飛員趙鵬至今對這次跨國尋“冰”之旅記憶猶新,尤其是指導他們追雲逐冰的國外氣象專家,能準確判斷飛機飛進哪塊雲裏能結冰,“好像是可以呼風喚雨的魔術師。”

  “自然結冰試飛,屬于航空學與氣象學的交叉學科,氣象需要尋冰,航空技術需要‘破冰’。”國産大型客機試飛副總師丁軍亮説,自然結冰試飛的困難主要體現在兩方面,一是科目本身風險很高,二是結冰氣象環境難以捕捉。

  結冰天氣條件主要由結冰雲層范圍、液態水含量、過冷水滴平均有效直徑和空氣溫度等參數確定。按照中國民用航空規章CCAR25部和美國聯邦航空條例FAR25部的規定,商用飛機進行自然結冰試驗的氣象條件必須滿足:連續最大結冰試驗時液態水含量在每立方米0-0.8克,水滴直徑在15-40微米;間斷最大結冰試驗時液態水含量在每立方米0-3.0克,水滴直徑在15-50微米。尤其後者更屬于極其罕見的極端氣象條件。

  北美五大湖區地理位置特殊,並擁有豐富的水體,有利于結冰氣象的産生,被稱為“天然的結冰超市”。美國聯邦航空條例FAR25部的自然結冰適航條款,就是由美國專家基于北美五大湖區的氣象數據而研究制定的。

  國內探“冰”

  依賴國外資源完成的ARJ21-700飛機自然結冰試飛,讓試飛院的試飛工程技術人員感到“憋屈”:中國這麼大,難道就真的找不出一塊適合大型飛機開展自然結冰試飛的空域?自然結冰試飛只能舍近求遠?

  “我的任務,就是要預測並準確找到滿足自然結冰氣象條件的雲層。”試飛院氣象臺臺長楊濤面對“國內自然結冰資源分布研究不足”“自然結冰預報方法不成熟”“自然結冰氣象保障模式不健全”等一係列由來已久的問題,帶領團隊開始了運輸類飛機自然結冰試飛天氣預報技術研究。

  2020年11月,中國航空工業航空氣象研究中心在試飛院挂牌,進行特殊科目氣象條件保障研究是該中心的任務之一。同期,國産大型客機正式進入適航審定試飛階段。受新冠肺炎疫情和國際形勢影響,遠赴北美五大湖地區執行自然結冰試飛的可行性已經微乎其微。

  試飛院加快歷史資料分析進度,對陜西、湖北、新疆等地開展了持續的結冰天氣預報分析,並發布結冰專項預報近400期。2020年12月,試飛院被工信部確定為國産大型客機自然結冰試飛任務的牽總單位,在國內開展國産大型客機自然結冰試飛的攻堅戰吹響號角。

  在試驗初期,試飛工程技術人員使用通用飛機開啟自然結冰資源飛行實測,利用國王350飛機搭載的PIP降雨粒子圖像探頭等專業探測設備,在陜西和湖北地區對結冰雲層的水準、垂直分布及雲中液態水含量、水滴直徑分布、環境溫度等雲微物理參數進行數據採集。

  歷時近一年的自然結冰資源飛行實測,累計穿雲85次,冰雲中累計飛行1810公里,初步完成了全年四季閻良本場空域的自然結冰資源摸底,初步形成並校驗了較為成熟的結冰預測方法、結冰氣象實時監測及保障模式、探測飛行及風險管控方法和一定樣本的結冰資源數據庫。“通過飛行實測,我們建立了國內短期及中長期預報方法,能夠在國內空域成功找到自然結冰試飛作業區和試驗‘窗口’。”楊濤説。

  標準破“冰”

  根據預測的結冰氣象,2021年12月8日,試飛院首次組織了國産大型客機自然結冰研發試飛,試驗機穿雲4次,成功遭遇符合試驗要求的結冰氣象,圓滿完成自然結冰條件下的試飛內容。此架次飛行,是國産大型客機在結冰環境下的首次飛行,它的成功給所有參試人員打了一劑“強心針”。

  2022年1月,局方審定試飛階段正式開始。10份審定試飛大綱、16個試飛科目、70個試驗點,涵蓋飛行品質、動力裝置、機翼防冰、風擋加溫、駕駛艙視界、結冰探測、沉積靜電、電源等多個專業與係統,國産大型客機自然結冰適航審定試飛注定不凡。

  “連研發試飛在內,共飛了6個架次,所有數據表明,我們組織實施的國産大型客機適航審定自然結冰試飛代表了國內最先進水準,不亞于國際最高水準。”試飛院國産大型客機適航審定自然結冰試飛團隊課題主管趙利利斷言。

  1月20日至22日,試飛團隊抓住難得的氣象“窗口”,連續組織3架次、每架次5小時以上的審定試飛,試驗機累計飛行15小時20分鐘,穿雲18次,執行試驗科目的效率達到70%,遠遠高于國內外同類型飛機的審定試飛效率。

  其中,1月20日的一場試飛被參與人員認為是“一場完美試驗”。試飛員趙明禹、趙生、馬海軍和局方試飛員趙志強緊密配合,與指揮員趙鵬、陳明高效合作,克服長時間雲中飛行和復雜環境帶來的風險,精確控制每個航段的時間,爭分奪秒搶佔結冰時機,歷時5個小時,成功完成防冰係統提前打開、告警時打開、延遲打開、失效構型、左發最大爬升狀態風扇冰脫落、待機45分鐘飛行品質等6個試驗塊共計33個試驗點的飛行試驗內容。

  2022年2月17日12時15分,隨著國産大型客機試驗機在跑道上滑落,其適航審定自然結冰試飛結束。國産大型客機成為繼空客350和俄羅斯MC21之後,全球范圍內第3款完成了美國聯邦航空條例FAR25-121修正案要求的自然結冰試飛驗證的飛機。

  “不惑于‘沒有先例’,不囿于‘現有慣例’。國産大型客機自然結冰試飛在國內取得關鍵性突破,打破了存在已久的‘國內不具備自然結冰試飛條件’的思想枷鎖。研究數據表明,國內多個空域有可能是自然結冰試飛的‘富礦’。”中國飛行試驗研究院院長陳怦認為,更為重要的是,我們可以在試飛研究的基礎上,制定自己的適航條款,打破國外的標準壟斷。(記者付瑞霞)

【糾錯】 【責任編輯:王萌萌 】
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