极端气候环境条件下民用飞机典型飞行事故研究

2019-08-22张惠吴敬涛

科技与创新 2019年15期

关键词：暴风雪结冰气候

张惠，吴敬涛

张惠，吴敬涛

（中国飞机强度研究所三十一室，陕西西安 710065）

综述历年来极端气候环境条件导致的民用飞机典型事故，分析不同气候环境条件对飞机系统以及飞行条件造成的影响，并讨论飞机地面气候环境试验的重要性。以飞机事故产生的原因分析为出发点，给出了不同条件下飞机地面气候环境试验下飞机的重点检查部位。

极端气候；飞机事故；气候试验；飞机系统

在民用航空全球化的今天，民用飞机已在全球范围内广泛使用，在其经历的多种任务剖面内，极可能遭遇世界各地的地表气候条件。在运营阶段，民用飞机不可避免地要遭遇高温、高寒、湿热、结冰等极端气候环境。如果飞机的环境适应性能力不足，极端气候轻则可能降低飞机的使用性能，影响飞机运行；重则可能导致飞机发生安全性事故，严重时甚至还会发生机毁人亡的灾难。

在分析历年来典型民机飞行事故的基础上，对极端气候环境条件导致的飞行事故原因进行深层次剖析，分析结果可为民用飞机在设计阶段的气候环境适应性要求的确定和运营使用阶段的气候环境适应性能力改进提供参考。文中给出的不同气候环境条件下的重点检查部位要求，可用于指导飞机地面气候环境试验工作。

1 民机系统定义

民用飞机的主要系统包括燃油系统、液压系统、起落架系统、飞行操纵系统、气源系统、空调系统、氧气系统、防火系统、防冰除雨系统、舱门以及机上设施等。在不同的气候环境条件下，飞机可能会出现不同的系统故障。譬如低温条件可能会造成燃油系统的渗漏，结冰造成发动机系统故障，高温会导致机载设备出现阀值故障等。因此，在分析极端气候环境对飞机造成的影响时，应从飞机系统出发，并结合具体的飞行事故案例进行分析。

2 飞机事故定义

飞机事故是指在所有人登上飞机直至所有人下飞机为止的时间内，所发生的与飞机运行有关的事件。此事件中包括人员遭受致命伤害或重伤、飞机受到损坏或结构故障、飞机失踪或者处于完全无法接近的地方。

飞机发生飞行事故的原因众多，与极端气候环境相关的主要因素如下：①由于气候环境引起机身失效，发动机、操纵舵面、仪表、系统、起落架的损坏或者功能失效；②由于气候环境引起的尾流；③由于气候环境引起的外来物损坏；④由于可视度低，造成驾驶员的操作失误；⑤由于闪电、暴雨等，造成飞机信号中断；⑥由于风切变，造成的飞机气动性能的改变；⑦由于结冰，导致飞机的流场变化；⑧由于结冰，发动机吸冰而造成发动机熄火停车等。

3 典型气候条件下的飞机事故综述

中国的民航事业起步于20世纪初，在最初的二三十年里空难频发。飞机事故发生的主要原因在于早期的飞机适航标准和适航条例不够完备。既有飞机在安全性、可靠性设计方面的设计经验欠缺因素，也有主机厂所、适航当局等对飞机的环境适应性能力认识不足等问题。由于耐候性品质先天不足，在遭遇恶劣气候环境影响时，飞机的不同部位就会受到不同程度的损害。因此，对历年来极端气候环境导致的民机典型飞行事故进行统计分析就显得十分重要。

各种恶劣天气引发的飞机飞行事故比例如图1所示。从图1中可以看出，在各种恶劣天气引起的典型飞行事故中，主要的天气因素有六大类，其中风切变是导致飞行事故发生最主要的因素，占47.7%，然后依次是结冰、大雨、暴风雪、太阳辐照、低温、大雾。飞行中太阳辐照对飞机造成的影响主要是使得飞机舱体和电气设备表面的诱发温度过高，所以文中研究的太阳辐照对飞机的影响主要归结为高温对飞机造成的影响。

图1 各种恶劣天气引发的飞机飞行事故比例

文中的飞机事故统计数据均来自与气候环境相关的事件数据库，涉及到客运、货运、通用类飞机在飞行中因遭遇大雾、结冰、暴风雪、大雨、风切变、极端高、低温等气候环境因素所引发的相关飞机事故数据信息[1-2]。

3.1 风切边引起的飞机事故

历年来风切变是导致飞行事故发生的最主要因素。飞机在低空飞行时，会遇到风切变，发生在低空的风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个主要危险因素，被人们称为“无形杀手”。风切变导致的飞行事故都发生在飞行高度低于300 m的起飞和着陆阶段。

由风切变导致的典型飞行事故案例如下：①2004年，台湾的ATR72-500客机在台湾省澎湖县坠毁。事故原因为特大暴雨中的垂直风切边，导致飞机因升力不足坠毁，造成飞机上48人遇难，15人受伤。②2007-09-16，泰国航空公司一架MD-82客机从曼谷飞往普吉岛，飞机降落时恰逢暴风雨，遭遇了风切变，导致降落失败，滑出跑道，与附近建筑发生碰撞，造成飞机起火爆炸。③2018-08-28，首都航空由北京飞往澳门的JD5759航班，降落时疑似遭遇风切变，在机体受损、前起落架断裂的情况下，飞机复飞并成功备降宝安机场。

风切变中的低空风切变是飞机起飞降落阶段威胁飞机安全的主要危险因素。风切变常伴随有其他恶劣气候条件如暴风雨等。风切变可能会导致飞机周围的气流速度和方向突然发生变化，飞机升力也发生变化，从而使得飞机无法保持平衡。由于风切变在飞机的气候环境实验中难于模拟，所以只进行风吹雨气候环境试验，风吹雨试验需要重点检查飞机的密封性、发动机性能、起落架系统以及操纵系统的稳定性。

在进行风吹雨试验时，在风速达到65节时，检查舱门的密封性能是否良好，增压泄漏量以及漏水量是否满足设计要求；发动机的各项性能指标是否满足设计要求，起落架系统是否可以准确地释放和收起；操纵系统的各项指标信号显示是否正常，可操纵性是否满足设计要求。

3.2 结冰引起的飞机事故

结冰天气严重威胁飞机的飞行安全。1975—2018年期间，由结冰引起的灾难性飞行事故占总事故的14.30%左右。飞机结冰被认为是航空领域影响飞机飞行安全的六大主要气候因素之一[3-5]。

由结冰所导致的空难如下：①2006-06，An-1-2飞机由于结冰失去控制，最终在山区坠毁，死亡40人。②1993-11-

13，由北京飞往乌鲁木齐的飞机MD-82，在乌鲁木齐机场降落过程中，由于云中有轻度结冰，地面人员指挥飞行员按盲降进行。由于跑道端头的雾越来越厚，飞机撞击高压线后坠地，飞机坠地后烧毁。机上8名乘客和4名机组人员遇难。③2009-10-28，空客A330-200型飞机在起飞至关岛附近时，机组人员收到一系列飞机中央电子监控仪错误信息，飞机被迫提前降落。

目前，飞机的除冰系统都是按照25部附录C结冰条件进行的。CCAR25.1323中要求空速指示系统尽可能防止结冰而失灵。适航当局发布的防除冰适航性要求中，也加入了防除冰系统的设计要求。飞机在结冰环境条件下进行气候环境试验，需要重点检查飞机的防冰、除冰系统是否能正常工作，飞机的发动机系统是否能正常工作，飞机的皮托管测试数据是否准确。飞机的起落架系统是否收放正常。

飞机在实验室进行结冰试验时，结冰条件按照CCAR25部规章附录C的结冰气象包线设计。验证飞机的防除冰系统的告警系统、控制系统是否正常工作，其除冰能力能否保持风挡玻璃外表面有足够的清洁区域，以满足驾驶员外部视野清晰度要求；验证飞机部件的结冰特征、防护性能；验证发动机系统的启动性能；检查飞机皮托管表面的结冰情况等。

3.3 大雨引起的飞机事故

大雨对飞机的飞行也会造成致命的影响，飞机事故统计数据显示，大雨造成的飞行事故占12.15%。大雨造成的典型飞行事故案例如下：①1994-07-20，波音737由西双版纳出发前往中国昆明，由于雨大、能见度差，机组使用风挡刷在高速位，并喷防雨剂，效果不明显，跑道模糊。飞机强行降落，造成飞机左右发动机严重受损、飞机报废。②1999-03-24，一架空客A300-600飞机，在希腊罗得岛迪亚戈拉斯机场着陆时滑出跑道，前起落架折断。事故原因为飞机在大雨条件下着陆时冲出跑道，前起落架折断。③2010-03，波音727-200飞机，从加拿大哈密尔顿起飞，在跑道着陆时，冲出跑道，飞机起落架陷入泥土[1]。事故原因为飞机在下降至距离地面600 ft高度时，遭遇大雨，飞机在返回跑道中心线时，由于推力过大，冲出跑道。

通过分析大雨造成的飞行事故，不难发现，雨水对飞机的影响大致可分为五种：①潮湿环境下，雨水渗透进入燃油系统，会对飞行安全造成影响。②雨水形成的水雾可能会阻碍飞行员的视线，进而影响飞行员的目视距离。③雨天在低空区域可能会产生下降气流，造成飞机升力减小，高度下降。雨量越大，下降气流越大。所以，在大雨和暴雨情况下飞机不适合起降。④大雨会使飞机失去控制，飞机跑道被污染，飞机滑出跑道。⑤发动机吸入雨水，造成停车。

大雨条件下，进行飞机气候环境试验，需要重点检查飞机的舱体密封性、电气设备的密封性、飞机的发动机功能以及性能，而且在大雨条件下飞行员的目视距离也应列入检查范围。

3.4 暴风雪引起的飞机事故

飞机在飞行过程中遇到暴风雪，暴风雪对飞机的飞行也会造成致命的影响，暴风雪造成的飞行典型事故案例如下：①1977-04-04，DC-9客机载着81名乘客及4名机组人员从亨茨维尔起飞，当飞机起飞10 min后，机组人员发现飞机遭遇了暴风雪，飞机紧急降落，机翼撞击路旁树木、加油站和加油站内的车辆，机上62人及地面8人丧生。事故原因为飞机的除冰系统发生故障，在遭遇暴风雪时，飞行员视野模糊，导致飞机下降过程中撞树造成飞机坠毁。②1982-01-13，佛罗里达航空公司90号班机波音737-222自华盛顿机场起飞时因发动机吸入冰雪导致推力不足而失速坠落。③2008-07，MD-88飞机在执行包机任务时，由于大雪污染跑道，导致飞机在机场着陆时失去控制。

除了暴风雪导致的上述事故以外，飞机在飞行过程中遇到暴风雪，还可能造成以下危害：①如果飞行外界温度升高，暴风雪在飞机座舱盖附近融化，水滴的渗透可能会造成电子电气设备短路而产生故障；②暴风雪可能覆盖在机身表面，导致飞机表面结冰、飞机进气道结冰；③在遇到暴风雪时，可能会使飞行员视野模糊，飞行员无法维持正常的起飞和降落；④暴风雪可能会造成跑道结冰，导致飞机无法起飞。在进行暴风雪的地面气候环境试验时，需要重点检查飞机防除冰系统、发动机、操纵系统、起落架系统是否正常工作。

3.5 极端高、低温引起的飞机事故

高温、低温是飞机在运行过程中所遇到的最为常见的环境。飞机的机载电子电气设备、液压系统、燃油系统能够正常工作也有一定的温度限制。极端温差可能会导致飞机系统上的相应结构（譬如方向舵上的液压器出现卡滞等）出现故障等。由于极端温度导致的飞行事故如下：①1991-03-03，一架波音737-200飞机，载着20名乘客及5名机组人员前往罗拉夺泉机场，到达目的机场后，由于飞机方向舵的液压器在经历极端温差后，被卡滞，飞机向右倾侧，并立即失速翻滚，25人全部丧生；②1994-09，波音737客机在飞行过程中，飞机方向舵的液压器经历高、低温后，被卡住，导致飞机坠毁在一森林中，死亡132人；③2004年，CRJ200飞机从中国内蒙古包头起飞，由于温度原因，在包头北海公园坠毁。

极端高温可能会导致电子电气设备性能下降、结构承载能力下降，温度太低会导致电子、电气设备无法正常启动、液压油和燃油结冰等。极端温差可能会导致飞机因为连接固定零件收缩率不同，导致机件卡死。

在进行极端高温气候环境试验时，要检查飞机上所有电气设备是否能正常工作，飞机的环控系统是否能正常工作。

在进行低温环境条件试验时，要检查飞机的起落架系统、操纵系统和飞机的发动机系统、APU是否能正常工作。

实验室气候环境试验的低温环境条件为﹣55 ℃，一般飞机在进行低温环境试验时，在﹣55 ℃环境下保温6 h，升温至﹣40 ℃，检查飞机发动机的功能和性能、起落架系统的收放性能、操纵系统的操纵性能以及环控系统的通风性能、电子设备的功能和性能。

高温高湿环境试验以及高温结合太阳辐照的环境试验都属于高温试验范畴，此时需要考核飞机环控系统的降温能力、液压系统的功能和性能以及所有的电子电气设备的工作能力。

3.6 大雾引起的飞机事故

由于大雾所导致的典型空难如下：①1931-11-19，“济南号”邮政飞机因大雾而撞山坠毁；②1946-03-17，一架美制C-47运输机在从青岛飞往南京途中，因气候恶劣在南京西郊的岱山撞山坠毁，机上13人全部遇难；③1946-04-08，一架美制运输机因气候恶劣而迷失方向，在晋西北兴县东南部的黑茶山撞山坠毁，17人全部遇难；④1946-12-25，因上海大雾导致夜间能见度不佳，中央航空运输公司48号、中国航空140号及115号客机先后坠毁，共造成74人死亡，8人受伤，史称“黑色圣诞之夜空难”。

分析事故原因发现，这些安全事故都是由于大雾所引起的。大雾条件下的低能见度导致飞行事故发生的主要原因有：①在飞机着陆时看不清跑道，使飞机偏离跑道或过早、过迟接地；②飞行指挥员看不见飞机，造成指挥失误；③飞行员看不清地标，凭借感觉和仪表飞行时，由于心理压力产生操纵失误，引发事故。

《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR—121）和《最低气象条件》中对于飞机的起飞能见度要求至少在600 m以上。当机场能见度低于350 m，航班无法起飞；低于500 m时，航班无法降落；如果能见度低于50 m，无法进行航班滑行。

在大雾条件下，仪表着陆系统需要引导飞机进行着陆。因此，在进行地面气候环境试验时，需要重点检查仪表着陆系统在此环境条件下是否能正常工作，并对飞行员的目视距离进行检查；还需要验证风挡加热系统功能是否正常，在进行环境试验时，机组人员需要对其效能进行评估。

4 总结

本文研究了民机在极端气候环境条件下的典型飞行事故案例，研究结果表明风切变引起的安全事故所占比例最高，但是风切变在地面气候环境试验中难以实现，只能分析风切变引起的系统失效机理，并在飞机系统设计中加以改进以及在系统级别的试验中加以关注。结冰、大雨、暴风雪、大雾、极端高低温都可以在整机环境实验室中模拟，并针对飞机的主要关注部位进行考核。文中针对具体的实验科目给出了具体的考核部位。对于考核要求，由于不同飞机的环境适应性要求不同，所以，需要在编写试验大纲时结合任务书和环境适应性设计要求来给出更为详尽的试验要求。本研究可用于指导飞机气候环境试验科目的选择以及试验过程中具体考核对象的检查。

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