侧风着陆试飞技术解读

文/徐勇凌

ARJ21-700冰岛侧风着陆试飞凯旋的第二天，笔者回到了阎良，在试飞院的家属区居然与试飞员陈明不期而遇。在笔者心目中陈明他们这一批试飞员是中国民机试飞的中坚力量，功勋卓著的他们生活中显得如此的平常。在陈明的微信朋友圈里，最后一篇文章还是2017年12月25日写的，那天他和战友们刚刚完成了大型水上飞机AG600“鲲龙”的首飞。在不到半年的时间里陈明和他的试飞团队接连完成了两大试飞任务，但在朋友圈他甚至没有时间晒一晒此间网上热议的冰岛侧风着陆试飞，作为一名老试飞员，笔者知道这就是试飞员的常态，他们有太多的任务要去完成，专注于本职工作是一种职业状态，追热点晒图片这样吸引眼球的事情只好交给其他人了。

ARJ21-700是一款怎样的飞机

要讨论侧风试飞的技术问题，首先需要来了解一下试飞的对象。ARJ21-700是一款中型民用客机，其技术水平是20世纪末的，但飞机的构型基本是与80年代的麦道系列飞机相似，飞控系统比麦道有不小的升级，但为了总体设计的需要并没有采用最时髦、最先进的电传飞控系统。座舱内航电设备已经采用21世纪最先进的系统，但一款飞机的性能主要还是与气动外形以及飞控系统来决定。

侧风着陆技术为什么难

2005年夏天，笔者在鼎新机场试飞新机。夏季是鼎新的多风季节，侧风10米/秒是常有的事，那天因为机场侧风达到了16米/秒，对于战机试飞而言风险太大，所以试飞计划取消了。就在大家准备收工离开机场之际，一架“挑战者”公务机摇摇晃晃地起飞了。为什么现代飞机包括军机和民机对于大侧风着陆如此谨慎呢？这是因为侧风条件下如果要完成一个开放型的飞行任务，比如说起飞，比如说一般的机动飞行并不是什么难事，在航线飞行中高空的侧风有时甚至达到30米/秒以上，但在这样的飞行中飞机是随着气团一起运动的，侧风对于飞机的飞行品质与操控影响并不大。但对于收敛型的飞行任务而言，比如说着陆，是要控制飞机收敛在一个相对狭小的跑道上，任何一点偏差都有可能带来危险的后果。在着陆下滑过程中由于侧风的影响飞机的下降会偏离预定轨迹，飞行员必须将飞机修正回来，但在大侧风条件下这样的修正很难做到准确，而且由于在着陆过程中飞机要经历空中飞行和地面滑行的转换，从悬浮飞行状态进入接触滑行阶段，机轮接地的瞬间所形成的俯仰力矩和偏航力矩会使飞机的滑行方向发生难以控制的变化，这些都是侧风着陆的难点所在。当侧风达到一定程度，即使中等以上水平的飞行员也无法确保着陆成功。此时，按照民航法规的条款着陆将不被允许，飞行员不得不到备降机场着陆。

侧风着陆试飞试什么

侧风着陆试飞不是简单的试验飞机能否在一定侧风条件下着陆。试飞考核的是侧风条件下飞机的性能、操控性、飞行品质、引导系统的工作稳定性、自动驾驶系统的工作性能。

所谓性能是指飞机能在多大侧风下稳定着陆，侧风着陆的性能变化，以及侧风着陆对于着陆下滑速度控制的要求。因为一般情况下以相对较大速度着陆，抗侧风的能力可以有所提高。

操控性是指在侧风着陆的情况下，飞机的操控的稳定性、准确性如何。由于侧风着陆需要做航向修正，为此飞机的机头方向要向上风向偏转一定角度，以便修正由风引起的飞机侧向位移，确保飞机沿着跑道中心线下滑。另外也可能采用一定侧滑量的方法来修正侧风，飞机在侧滑条件下的操控特性会有所下降，试飞要考核这种操控性的下降能否接受。

飞行品质是指在侧风着陆条件下飞机的安定性如何，国际民航组织适航条令中对民用飞机的飞行品质有非常严格的规定，尤其是在着陆阶段飞行品质的瑕疵是不被接受的。在侧风条件下着陆无法做到常态化条件下的定常下降，飞机的姿态与轨迹修正非常频繁，在这样的飞行状态下飞行品质的下降是在所难免的，但这种下降必须是在允许的范围内。

在像着陆这样的收敛闭环操控过程中，除了这些客观的评价指标外，飞行员的主观评价也是非常重要的，这就是所谓的“库伯-哈珀”等级。库珀-哈珀等级共分9级、1～3级为相对满意级、4级以上为不满意、而7级以上就是危险级。飞行员必须对每次试飞任务进行评价，将多名飞行员给出的评价进行综合就得到了飞机的试飞员评价等级。

上述所讲的性能、品质、操控性是飞机本身的评价指标，对于现代民机而言，飞机的着陆引导系统和自动驾驶系统是飞机的功能系统，这些系统辅助飞行员完成进场着陆任务，可以说系统越先进对于飞行员的帮助就越大。比如说引导系统可以为飞行员提供操纵指向，以一种最佳状态引领飞行员完成侧风条件下的进场着陆。而自动驾驶系统则可以在飞行员不干预的情况下以一种比人工操控更加完美的状态完成着陆过程。民用航空对于任务完成的质量和安全性提出很高的要求，例如对于着陆而言军机只要满足99%以上的置信度就可以被接受，而对于民机飞机置信度和安全性必须达到99.9%，这对系统的技术水平和可靠性是一个很高的要求。作为试飞员不是简单的驾驶员，他必须同时是一个系统管理人员，因此他必须对侧风着陆过程中的系统工作状态给出评价，例如：引导系统引导的准确性与成功率，自动驾驶仪的工作稳定性和准确性等。对于试飞中由于系统工作状态所导致的着陆失败，试飞员必须找出失败的原因，并对这种失误率给出评估，以确认系统的技术状态能否满足侧风着陆的需要。

侧风着陆技术原理分析

对于飞行技术的原理分析恐怕是航空理论中最为复杂的部分。一个简单的侧风着陆所包含的技术内涵极为丰富，一般水平的专业人员包括飞行人员很难将所有的技术奥秘说清楚。

首先，侧风导致的轨迹偏离的原因是什么？飞机在大气环境中受到气动力、重力、飞机动力、惯性力以及交感力矩等多个力和力矩的影响，飞行员的操控是通过舵面的偏转改变气动力，从而操控飞机按照预定轨迹飞行。在这个过程中飞行员对于重力、惯性力和交感力矩是无法控制的，只能通过舵面操控来控制飞机。在侧风着陆过程中飞机在气动力和重力的作用下在大气中做惯性运动，由于侧风相对于大地是一种侧向位移状态，飞机作为一个惯性体随着气团运动，也会相对于大地做侧向位移，这是导致侧风着陆过程中偏离预定轨迹的根本原因。

前面已经讲过，着陆过程是一个收敛的过程，飞行员必须操控飞机沿着下降线准确地操控飞机在跑道的规定区域内着陆，因此，飞行员必须通过舵面操控使飞机形成反侧风方向的水平位移，以消除侧风的影响。在这一过程中飞行员的操控可以用三种基本方式，一是偏航法，即操控飞机逆侧风方向形成偏航角，以消除侧风的影响；二是侧滑法，即操控飞机形成一定的坡度完成侧滑，由于在侧滑过程中飞机会形成横侧位移，以此消除侧风的影响；第三是航向侧滑综合修正法，这样修正的目的是避免偏航角和侧滑角过大，以便于在着陆阶段简化操控动作并减小飞机的动态变化。以上所述的三种方法其实是以飞行员第一人称的视角的技术描述，然而要讲清楚侧风着陆的机理，我们还必须以第三人称的视角对侧风着陆的过程进行分析。

仪表进近或目视进近从表面看是截然不同的两种进近模式，然而在第三人称视角看来这两者是一样的，侧风着陆无非是对侧风的判断、修正值的大小、出现偏差后的修正、修正到位后的回归。

在实际飞行中，通常飞行员是通过飞机的偏移量来判断侧风的，当飞机向下风方向偏移时，飞行员开始试图修正轨迹期望回归标准轨迹。假设飞机偏左200米，那么为了快速修正，飞行员会操控飞机形成相对于标准下滑道的一定夹角，假设这个角度为15度，要形成15度的夹角，飞行员要通过压坡度、转弯、改平三个动作。在这里，转弯角速度与坡度是一一对应关系，而转弯角度是角速度的积分值；因此，转弯角度就是坡度的积分值。当飞行员判断形成预期的转弯角度后需要改平，这样飞机的轨迹就与标准下滑道形成一定夹角，我们知道飞机的横侧位移是横向速度的积分，而横侧速度与夹角一一对应；因此，横侧位移是夹角的积分，经过一定时间的修正横侧位移的积分量足够了，飞行员需要减小夹角回归到标准下降线上；当然，为了克服侧风还需要保留一定夹角。

以上从数学的角度分析侧风的修正过程其实并不复杂，但是如果这个修正过程需要人的判断，加之人修正动作的误差，整个下降侧风修正过程就极为复杂，修正动作不标准就需要反复修正，这就形成了从俯视图中看来回震荡的正弦波曲线。

其实更为复杂的是，在侧风修正中由于人的因素的介入，涉及到一个经验系统，因为人对于偏差的判断和修正偏差的动作是由经验系统构成的，对于经验不足的飞行员而言，精确修正几乎是不可能完成的任务；判断的偏差、操控动作的偏差、加之复杂天气环境下心理因素的干预，着陆偏差的修正往往会错进错出最终导致着陆失败。

好了为了排除人为因素的作用，我们假设驾驶飞机的是一名经验丰富的试飞员，但对于大侧风着陆而言依然不是一件轻而易举的事情。当侧风大于15米/秒，修正侧风所需的偏航角会非常大，有经验的飞行员为了减小偏航角，会采用上风站位的方法。我们在侧风着陆的视频中可以看到很多这样的画面；但无论如何在最终着陆阶段，所有的这些修正都必须以一种巧妙的方式归零，这就使得飞机着陆阶段的操控变得极其复杂。

在空中由偏航角或侧滑所形成的横向位移速度与侧风分量速度刚好相等，飞机相对于地面的横侧位移为0，这是准确着陆的先决条件；问题是当飞机接地瞬间，机轮与地面的摩擦力将使飞机从随风漂移的大气惯性体系进入与地球相连的大地惯性体系。随风漂移的速度消失，而航向夹角形成的位移却没有消失；如果不能将航向夹角消除，飞机将上风向迅速偏移，并迅速偏出跑道，为了避免这样的现象的出现，飞行员必须在飞机着陆瞬间消除偏航角。

更为复杂的是在带有侧滑与偏航角的接地瞬间，会形成一个极为复杂的横侧力矩，这一力矩会使飞机的坡度发生急剧的变化，如果坡度过大就会造成翼尖接地形成更加严重的偏航力矩。因此在着陆接地的阶段飞行员既要控制好滑行轨迹，又要控制好飞机姿态，还要完成放下机头、反推、刹车减速等一系列动作，任何一点细小的偏差都有可能导致着陆失败，这就是侧风着陆复杂的原因所在。

小结

飞行是人机一体的交互过程，而飞机的能力和人的能力都是有限的，因此当侧风达到一定值时，安全着陆几乎难以完成。并不是性能越好的飞机侧风着陆的能力越强、反应越敏捷的飞行员侧风着陆能力越强。飞机的气动力特性、操控系统的技术水平、起落装置的结构与功能、动力系统等因素都会影响飞机的侧风着陆能力。而对飞行员而言，经验是至关重要的，这包括准确的判断力、精确的操控能力、偏差的修正能力、应急情况的处置能力。

试飞员的水平对于侧风着陆的试飞至关重要，他不仅要有很好的驾驶技术完成难度较大的侧风着陆，还要有很好的评估能力对飞机的着陆性能给出正确的评价。试飞是充满风险的职业，尤其是对于那些首次尝试的高难度任务，试飞员的适应能力和确保安全的定力是需要多年的修炼才能达成的。

中国的大飞机事业的腾飞有赖于一批像唐长虹、吴光辉这样的航空科学家，也有赖于像赵鹏、陈明、蔡骏这样一批高水平的试飞员。此次冰岛大侧风试飞，历时40天，由中国试飞院和民航总局试飞员共同完成，而伴随保障团队则由试飞院派出；在这个团队中有和笔者多年奋战的战友，也由所谓年轻的试飞二代，他们在异国他乡奋力拼搏为国人交出了一份满意的答卷。

笔者认为，中国民用航空制造业的腾飞才刚刚开始，让我们期待陈明和他的战友们为我们创造更多的惊喜，也预祝中国大飞机事业——龙腾东方，鹏程万里！