张子彦

（成都飞机设计研究所，四川成都 610041）

0 引言

中国是个多山的国家，也是世界上高原机场最多的国家，所以飞机在山区和高原机场的飞行安全问题，尤其是在高原机场的起飞和着陆安全问题显得特别重要。

高原机场所特有的复杂地形、强烈的大气紊流、空气密度低和飞行员缺氧等，使得飞机在高原机场起飞着陆比普通机场困难得多，发生事故的征候多，出现事故的概率高。高原机场对飞机飞行的各种影响因素，可以归结为飞行员对飞机的操纵控制和飞机的闭环操纵稳定性问题。因此，研究飞机在高原机场的闭环稳定性问题，在飞机设计、飞行训练、飞行品质和适航性分析等方面，对提高飞机的飞行安全都具有重要的意义。

1 在飞行终端区飞行的特点

飞机在飞行终端区飞行，有不同于高空飞行的特点。首先，飞机在起飞着陆过程中构型的变化很大，前缘襟翼、后缘襟翼的收放和偏度变化，以及起落架的收放都会对飞机的气动力特性造成较大的影响，而飞机气动力变化会影响飞机的操纵稳定特性和闭环稳定性；其次，飞机近地飞行还存在地面效应，会对飞机的气动特性造成较大的影响，包括飞机的稳定性和操纵性，并且这种影响是随着飞机离地高度而变化的；另外，飞机近地飞行的干扰因素多，能见度变化、建筑物及地形以及地面大气紊流都会对飞行员的操纵造成不利影响。因此，飞机的起飞着陆阶段是对飞机操纵精度要求最高的阶段。

2 高原机场终端区飞行的特殊性

2.1 空气密度低

高原地区空气密度比平原地区小，这对飞机的飞行性能有很大的影响。随着高度的增加，空气密度不断降低，空气密度的降低使飞机的空气动力特性大幅下降，从而使飞机的起飞着陆性能和阻尼特性大幅下降。阻尼特性的下降必然引起飞机动稳定性的降低。同一架飞机在3 000 m高度的机场与海平面机场相比，由于空气密度下降，同样速度下飞机的升力下降，其滑跑速度需增加约25%才能从地面起飞；同时，随着高度的增加，空气密度不断降低，发动机的推力也不断降低。发动机相对于海平面起飞总推力下降的幅度可达到25%左右，进一步降低了飞机的起飞着陆性能。因此，在高原机场飞行时，飞机起降要求更大的起降速度和更长的滑跑距离。如果飞行员忽略了这些因素，飞机在起飞着陆时就容易发生事故，这也是飞机在高原机场着陆时冲出跑道的事件远远多于平原机场的原因。

对高原机场还必须考虑温度对空气密度的影响。空气密度是和温度成反比的，在同样高度条件下温度越高，空气密度越低。高原地区的日气温变化大，最高可达30℃，对空气密度的影响相当于大约1 000 m高度变化对空气密度的影响。即在同一机场，温度越高，飞机的飞行性能也越差，更容易发生飞行安全问题。

2.2 地形复杂

飞机的起飞和着陆航线是有一定要求的，而飞机设计包括飞行控制系统飞行控制律的设计和自动着陆系统的设计，通常没有考虑高原机场的特殊情况。许多高原机场建在崇山峻岭或山谷之中，地形非常复杂，机场附近的高山可能迫使飞机改变起飞和着陆的飞行轨迹，使得飞机起飞和着陆无法按照原来设计的航线飞行，或者设计的飞行控制系统和自动着陆系统不能满足要求。飞机在进行高原机场飞行时必须考虑各个机场特殊地形的影响，既要检查飞机飞行控制系统的适应性更改，又要考虑飞机起飞着陆性能的变化。有些高原机场，如林芝机场（见图1），由于地形复杂，要求飞机必须装备RNP系统。

图1 林芝机场Fig.1 Linzhi airport

2.3 高原机场的特殊气流流场

大气紊流、风切变和微风暴等大气流场的变化会对飞机的飞行安全造成严重的影响。由于高原机场地形复杂、气象条件突变以及特殊的气流流场变化，使这些影响更为严重。例如，在山谷中的机场上方会出现方向变化的回旋风，往往会给飞行员的操纵和修正造成很大的困难，如果反应不及时就可能造成飞行事故。

有些高原机场，如图2所示建在山顶上的攀枝花机场，跑道两端和侧面均为深谷，金沙江在西、北、东三面环绕机场。机场与江面海拔高差达1 000 m，跑道上方会形成强烈的上洗气流、下洗气流和侧洗气流，将严重影响飞机飞行轨迹的保持，这也是类似机场飞行员感到特别难飞的原因。

图2 攀枝花机场Fig.2 Panzhihua airport

2.4 高原缺氧环境对飞行员生理特性的影响

高原环境下空气稀薄，缺氧将对人体造成严重的高原反应，这对飞行员也不例外。这时飞行员的生理机能可能会大大下降，飞行员的视觉反应和行动反应以及决策时间都会有比较大的时间延迟。这会对飞行员的操纵能力和飞机的闭环稳定性造成不利影响，严重时容易引起PIO，使飞机进入危险飞行状态。

3 高原机场终端区飞行闭环稳定性

3.1 高原机场终端区飞行闭环稳定性的重要性

目前，在我国高原机场飞行存在轻微事故多、事故征候多、新进入高原机场运营的航空公司事故征候多、航班误点率高、机场使用效率低和飞行员畏难情绪大等问题。飞机在终端区飞行时需要精确操纵，而此时由于影响因素复杂，外界因素对飞行员操纵的干扰大，要保持对飞机的精确操纵会比较困难。据统计，飞机的飞行事故有70%以上是发生在这一区域的。因此，如何保证飞机在终端区飞行时具有良好的闭环稳定性是非常重要的。

3.2 影响高原机场飞行闭环稳定性的因素

影响飞机高原机场飞行的人-机闭环稳定性有以下三个主要因素［2］:

（1）飞机本体阻尼特性变差。在高原机场飞行时由于空气密度低，飞机的阻尼特性差，从而降低了飞机起飞着陆状态的闭环稳定性。

（2）外界扰动增强。高原机场复杂地形和复杂气象所引起的外部强烈的大气紊流、突风等扰动会对飞机的闭环稳定性造成不利的影响。

（3）缺氧对飞行员特性的不利影响。飞行员的生理特性会对飞机的闭环稳定性有较大的影响，如果飞行员的生理特性和正常情况有较大的偏离，可能会引起人机闭环稳定性问题。

现代飞机在高空飞行时座舱内部有增压系统，在起飞着陆过程中增压舱的压力逐渐改变，以适应地面的状态。因此，在高原机场起飞和进场着陆过程中飞行员是在缺氧条件下工作的。在缺氧条件下人的生理反应能力比正常情况要变差，表现为［1］:视觉反应变慢，清晰度变差；心理反应变慢，判断和决策变缓；行动反应变慢，肌肉爆发力和持续性减弱。机场的海拔高度越高，缺氧越严重，影响越大，越容易出现人机闭环稳定性变差的问题。因此，研究高原缺氧飞行条件下对飞行员行为特性的影响，对原来标准状态下的飞行员数学模型进行修正，并以此为基础来研究高原飞行条件下的人-机闭环稳定性问题是非常必要的。

缺氧的影响并不仅仅反映在高度的变化上，它还和其他一些因素有关。在实际分析中必须考虑各种不同缺氧条件的影响:

①高度的影响:高度越高，空气密度越低，缺氧越严重；

②缺氧时间:短时间的缺氧和长时间的缺氧对人体的影响是不同的；

③过渡过程:经验表明，进入高原的不同过渡过程，对缺氧状态的反应是不一样的。如果是缓慢进入高原地区，会比较容易适应；反之，如果是突然进入，则影响较大；

④飞行员的个体特性:不同的人对高原缺氧的反应是不一样的。即使是同一个人，在不同的身体状态和精神状态对缺氧的反应也可能有较大的差别。

4 高原机场缺氧条件下闭环稳定性分析

4.1 建立高原机场缺氧条件飞行员数学模型

不同的研究对飞行员的数学模型有不同的表述形式，以文献［3-4］多通道飞行员感知和操纵数学模型研究结果为基础，图3给出了简化的飞行员数学模型。

图3 飞行员数学模型Fig.3 Pilot mathematical model

图中，飞行员模型由三部分组成，各部分动态特性可以通过比例增益和时间延迟来表示:

（1）中央神经系统综合

①中央视觉系统通道:该通道为飞行员对三轴姿态和三轴滚转速率的感知特性；

②外围视觉系统通道:该通道为飞行员视觉感知滚转速率的特性；

③前庭系统通道:该通道为飞行员对飞机飞行姿态动态变化的敏感性，它实际上是飞行员不依赖视觉感知加速度和角加速度变化的能力。

（2）中央神经系统决策延迟

①信息综合部分:将视觉系统和前庭系统进行综合；

②感知和作出决定的延迟:飞行员将感知的信息综合后进行判断，再作出采取行动的决定。中央神经系统作出的采取行动决定输出到飞行员的神经运动系统。

（3）神经运动系统:飞行员神经运动系统为飞行员四肢采取行动的动态特性。

进行飞机闭环稳定性分析时，除了用地面飞行模拟器进行研究外，还可以用一些数学方法进行研究，可以把飞行员用一个数学模型来表示。在飞机设计和飞行品质分析时通常把飞行员看成是一个标准的飞行员，这样可以简化飞机的闭环稳定性分析方法，通常可以只对飞机的开环特性进行分析。

在高原机场缺氧条件下，一个正常的飞行员可能变得不正常。在进行高原机场条件飞机闭环稳定性分析时，需要对标准的飞行员数学模型进行修正。为了分析方便，可以在原来的飞行员数学模型基础上增加一个修正传递函数，或者一个简化的时间延迟量。需要注意的是，这里用增加一个修正函数或修正时间延迟的方法来修正飞行员的数学模型，而不是重新建立一个缺氧条件下的数学模型，称为增量修正方法。只要在真实或仿真的高原缺氧条件下对比正常飞行员生理特性的差异，就可以比较容易地建立新的飞行员数学模型。当然，修正函数或修正时间延迟取决于很多因素，需要在真实的或仿真的高原缺氧条件下进行大量的测试、统计和分析研究工作，才能给出这个修正函数或修正时间延迟的数学模型。

4.2 高原机场的闭环稳定性分析

在目前飞机设计过程中所用的飞行品质准则及其分析和检查方法，没有考虑飞行员个体特性的差异，而是把所有的飞行员都看作是标准状态的飞行员，所以，无法考虑由于高原缺氧条件对飞行员生理特性的影响可能引起的对飞机闭环稳定性的不利影响。而目前的飞行品质分析研究方法是通过近百年的飞机设计的经验总结和发展而来的。为了分析研究高原机场缺氧条件对飞机闭环稳定性的影响，完全抛弃传统的分析方法而重新建立新的分析方法是不明智的，也是非常困难的。

有了高原机场条件飞行员数学模型的修正，可以把修正量加到飞机飞行控制系统模型中。把高原机场条件下一个受缺氧影响的飞行员和一架正常飞机所组成的闭环系统，等效为一个正常的飞行员和增加了修正函数或修正时间延迟的飞机所组成的闭环系统。也就是把缺氧条件下飞行员驾驶一架正常的飞机，等效地看作正常的飞行员驾驶一架飞行控制系统特性变差（时间延迟加大）的飞机。等效闭环系统如图4所示。

图4 等效闭环系统示意图Fig.4 Equivalent closed-loop system

5 结束语

为了分析研究高原机场终端区飞行的闭环稳定性问题，需要在高原机场缺氧条件下对飞行员的数学模型进行修正，采用增量修正方法通过在真实的或仿真的高原缺氧条件下对比测试正常飞行员的生理特性的差异，可以较容易地建立起新的飞行员数学模型。在此基础上利用等效闭环系统方法，可以使用传统的分析方法来进行高原机场条件下的闭环稳定性分析。

进一步组织力量在高原机场不同的缺氧条件下进行飞行员生理特性的对比测试研究，采用增量修正方法建立修正后的飞行员数学模型；考虑高原机场条件下的各种不利因素，利用等效闭环系统方法进行闭环稳定性的分析研究、加强飞行员训练，对减少和防止高原机场飞行出现闭环稳定性问题，提高飞机飞行的安全性具有重要意义。

［1］张子彦.高原机场飞行条件飞行员数学模型分析［J］.计算机仿真，2011，27（S）:182-184.

［2］Zhang Ziyan.Flying control and safety on plateau airports［J］.Procedia Engineering，2011，（17）:97-103.

［3］Mulder M，Kaljouw W J，Paassen M M V.Parameterized multi-loop model of pilot’s use of central and peripheral visual motion cues［R］.AIAA-2005-5894，2005.

［4］Hosman R，Schuring J，Vander G P.Pilot model development for the manual balked landing maneuver［R］.AIAA-2005-5884，2005.