ABSTRACT

The civil aviation regulations stipulate the design requirements of the emergency procedures for the departure of the aircraft. In this article, we use three-dimensional electronic map system to produce one engine-out emergency procedures at takeoff stage. This method greatly improves the production efficiency and accuracy of the program, effectively reduces the error and the phenomenon of the leakage in the manual operation. Taking Guangzhou airport as an example, this article shows the design of the Guangzhou airport aircraft taking off route, the obstacle selection, route verification process, and the production of one engine-out emergency program in Guangzhou airport.

Keywords:Airplane Performance, Engine-Out, 3D System

基于三维系统制作飞机一发失效应急程序的 研究

魏伟

江苏 南京

收稿日期：2018年11月11日；录用日期：2018年11月28日；发布日期：2018年12月5日

摘 要

本文根据民航法规和民航局下发的飞机一发失效应急程序制作要求，提出了使用三维电子地图系统制作飞机起飞一发失效应急程序的方法。该方法大大的提高了程序的制作效率和准确度，有效减少人工作业中存在的误差和漏筛现象。本文以广州机场为例，利用该制作方法，展示了设计广州机场飞机起飞路径，障碍物筛选，航路验证的过程，完成广州机场一发失效应急程序的制作。

关键词 :飞机性能，一发失效，三维系统

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1. 引言

净空复杂的机场飞机起飞后一旦发生一台发动机失效，其爬升性能将降低一半，如果仍然按民航局公布的标准离场程序飞行，则飞机很可能无法满足爬升梯度越障要求，与下方的障碍物相撞，危及飞行安全。中国民用航空规章CCAR-121-R4部《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》 [1] I分部第121.189条“涡轮发动机驱动的飞机不得以大于该飞机飞行手册中所确定的某个重量起飞，在该重量下，预定净起飞飞行轨迹以10.7米(35英尺)的余度超越所有障碍物，或者能以一个特定距离侧向避开障碍物。”这就要求在某些地形复杂的机场，需为飞机制定起飞一发失效的应急程序。

在民航局在《关于制定起飞一发失效应急程序的通知》 [2] (AC-FS-2000-2)文件中，航空公司需制定起飞一发失效的应急程序，使飞行员在紧急情况下可以从容处置，避免飞行员因缺少紧急情况处置预案而手忙脚乱，做出错误的决策和处理。因此，制作飞机起飞一发失效应急程序对保证飞行安全将起重大的作用。

2. 飞机起飞一发失效应急程序制作方法

2.1. 制作方法介绍

根据民航局下发的《飞机起飞一发失效应急程序和一发失效复飞应急程序制作规范》 [3] 中详细的描述了飞机起飞一发失效应急程序制作的各项规定。目前制作应急程序的方法是在纸质版1:50 w或1:100 w地图上绘制应急程序路线，对起飞航路上的障碍物进行筛选，从而完成一发失效应急程序的制作。一台发动机失效应急程序设计工作涉及的知识面广、数据量大、计算复杂、制图严格、周期长、设计不规范、审查工作难度较大等问题。

手工制作存在误差问题，就1:50 w地图而言，绘制误差1 mm，将有5 m的地理差别，会造成地图绘制不准确等诸多问题。其次，由于手工绘制地图，无法按照实际的起飞转弯半径绘制，会造成障碍物的筛选与实际飞行路径不一致。设计一个机场的一台发动机失效应急程序，需要绘制几十张图纸，对上百个障碍物反复评估。为了保证工作质量，要对每一个数据进行认真复查。

2.2. 三维系统介绍

飞机起飞一发失效应急程序三维系统是基于高精度，高程电子地图开发的。将三维模型和电子地图有效结合，系统可针对已有电子地图数据机场进行起飞一发失效航迹绘制、修改，障碍点分析，生成保护区，打印出图和轨迹回放等功能。该系统的地图绘制方法完全符合中国民航局下发的《飞机起飞一发失效应急程序和一发失效复飞应急程序制作规范》 [3] 中相关规定，可以完成扩展保护区的绘制等平时手工制作很难实施的工作(图1)。

图1. 三维系统

该三维系统的高程电子地图由国家测绘局提供，保证了数据的准确性。该系统是将电子地图与三维系统相结合，可以直观地看到所设计机场周边的地形，地貌。程序制作人员可通过系统直观判断机场起飞路径的障碍物情况，并设计有效的应急程序。系统能够完成起飞路径的绘制，保护区的生成，障碍物的自动筛选等功能。大大的减少了工作量，并且提高筛选的精度，减少漏筛的概率。

利用具有高程数据的电子地图三维系统制作飞机起飞一发失效应急程序不但可以提高制作中的精度，而且可以与波音、空客性能软件制作的路径相结合，提高障碍物的筛选准确度。从而有效解决工作量大，周期长，审查困难等诸多问题。

3. 基于三维系统制作飞机起飞一发失效应急程序的方法

在三维系统中制作飞机起飞一发失效应急程序的主要方法 [4] [5] 简述如下：

1) 维护机场信息、跑道信息、相关导航台信息；

2) 设计飞机起飞一发失效应急程序路径；

3) 生成保护区，并筛选保护区内障碍物；

4) 选取有效障碍物信息放入空客/波音性能软件(PEP/BCOP)中进行计算，获得飞机模拟数据；

5) 将飞机模拟数据导入三维系统中，与所设计的应急程序路径进行对比，若偏差较大，利用三维系统工具对路径进行修改，完成上述(3)~(4)，反复迭代，直至飞机模拟数据与设计路径一致。从而获得准确的障碍物数据。

此制作方法的流程图如图2所示：

图2. 制作流程图

4. 广州机场应急程序制作实例

以广州机场02L号跑道的飞机起飞一发失效应急程序设计为例，展示通过三维系统制作应急程序的方法。

4.1. 程序设计前准备

根据中国民航国内航空资料汇编(AIP)中给出的机场信息，在系统中维护正确的广州机场跑道信息，所涉及导航台信息，如图3所示：

图3. 机场信息管理界面

新建一个程序设计方案，如图4。

4.2. 起飞路径设计及障碍物确定

首先利用三维系统的轨迹绘制工具(图5)进行应急程序路径设计。

图4. 新建航迹设计方案界面

图5. 绘制工具

广州机场机场位于珠江三角洲北端，花都市东面约8 km，附近散布着一些村庄和孤立小山丘，其中南面和西南面净空较好，北面5~6 km内有海拔高度70 m以下的横枝沥等若干山丘，东北方向4~9 km有220 m以下的山头；西面有西岭雷达天线、广播天线塔和花都电视塔等高大人工障碍物。除南面和西南面外，其他方向9 km以外地形逐渐增高至海拔300~600 m的丘陵地带，其中以位于跑道北端延长线上，距跑道北端约12.5 km，海拔高度400 m左右的鸡山山梁，和距跑道北端16 km，海拔高度531.24 m的羊石顶对飞行影响最大。东北、北面和西面约50 km以外逐渐进入南岭山区，出现1000 m以上的高山。综合广州机场地形考虑，我们所设计的02L号跑道单发起飞路径为沿031˚磁航迹(RNAV离场沿034˚磁航迹)爬升至D4.0 IBB，右转沿184˚磁航迹飞至岑村(CEN台) (如图6所示)。

图6. 起飞路径设计

生成保护区，系统将自动生成局方规定的从跑道末端或净空道末端(如有) 90米开始，以12.5%的扩张率扩张至900米宽度，然后保持标称航迹两侧900米等距直至起飞航迹的结束点。对于转弯过程中保护区的绘制原理为从无法使用的转弯控制点两侧半宽900米开始以12.5%的扩张率对称扩张直至下一个可供使用的转弯控制点或取得航迹引导的一点，此后以25%的收缩率恢复至正常900米半宽保护区。如图7所示。

图7. 生成保护区

保护区生成后，针对保护区范围对障碍物进行筛选，利用系统对筛选逻辑自动调整筛选参数，如最低筛选障碍物高度、增加树高高度、转弯梯度损失等。系统会在障碍物海拔基础上自动增加所需高度，以便于计算出障碍物梯度(如图8所示)。筛选完成的障碍物可直观的在地图中显示出来，通过点击所列障碍物，即可自动跳至该障碍物点。

图8. 障碍物筛选

将筛选好的障碍物根据距离和梯度进行甄别和筛选，将筛选好的障碍物放到波音BCOP和STAS软件中计算，获得飞机的起飞重量及模拟起飞路径(如图A1~图A2所示)。

将BCOP软件计算获得的起飞路径导入三维系统中，与原设计路径进行对比，如图9所示。由于飞机实际转弯半径与计算转弯半径会有出入，使得模拟轨迹与设计路径不同，需要对设计路径做出相应修改，重新生成保护区筛选障碍物数据，反复迭代。直至设计路径与BCOP模拟轨迹吻合。

最后得到的障碍物数据如下表1 (#为在转弯过程中的障碍物)：

4.3. 飞机起飞路径越障分析

将确认好的障碍物数据与中国民航国内航空资料汇编(AIP)中A型图及半径15公里内障碍物数据综合考虑，得到最终的障碍物数据，并对其进行越障评估。

图9. 起飞模拟轨迹与设计轨迹对比

表1. 筛选障碍物数据

根据波音性能软件STAS输出数据，单发爬升第二阶段的总梯度为3.0%，净梯度为2.2%。根据BCOPV1单发模拟数据，按照上述计算得出的净高度及越障余度如下表2所示：

表2. 障碍物数据汇总

从而得到广州机场02L跑道的机场分析，如图10所示，以及一发失效应急程序图如图11所示。

计算02L号跑道执行按梯度要求的标准仪表离场程序，飞机起飞重量为63.7吨；通过02L跑道一发失效程序验证，B737-800飞机起飞重量为70.6吨，提高了6.9吨的重量。因此，应急程序在保障运行安全的同时满足了航班载量的需求。

图10. 起飞分析数据

图11. 起飞一发失效应急程序图

4.4. 三维系统制作的应急程序与传统手工制作对比

传统地图更新困难，当前使用的仍然是上世纪测量数据，而电子地图所筛选障碍物较精细，且更加接近真实地形高度，更加优化起飞分析计算结果。

三维系统制作简单，可通过系统实现迭代，不需要重新打印地图，手工绘制，减少设计周期，高效完成应急程序设计任务，为航企创造效益。

5. 结论

本文依据中国民航CCAR-121部法规及一发失效应急程序制作规定，介绍了利用三维电子地图系统制作一发失效应急程序的方法。并通过广州机场实例说明该方法存在一定的优势，有效的节省了手工制图的时间，并提高了工作准确度，大大减少制作过程中的误差。本文所介绍的三维系统制作一发失效应急程序方法，具有一定的借鉴和参考意义。

文章引用

魏 伟. 基于三维系统制作飞机一发失效应急程序的研究
Research on Engine-Out Emergency Procedure of Aircraft Based on 3D System[J]. 国际航空航天科学, 2018, 06(04): 67-76. https://doi.org/10.12677/JAST.2018.64008

参考文献