攻坚海拔之巅的飞行难题

　　◎本报记者 叶 青

　　“落地了!”近日，当国产客机ARJ21稳稳地降落在塔尔库什干红旗拉普机场跑道上时，参与试飞人员的心里都深深松了一口气。

　　塔尔库什干红旗拉普机场海拔3258米，是我国最西端的机场，也是新疆海拔最高的民用机场。国产客机ARJ21此次成功完成高高原机场运行试飞，充分验证了我国高高原航空运行技术的有效性与突破性。客机运行范围可覆盖所有高高原机场，为未来开辟更多航线奠定坚实的基础。

       实现三大关键技术突破

　　高高原机场是指海拔高度在2438米(8000英尺)及以上的机场。我国是拥有高高原机场的民航大国，其数量占全球的50%左右，全球海拔最高的6个高高原机场均在我国境内。

　　高高原航线运行独具挑战性。“由于高海拔影响，飞机在起降阶段发动机推力会衰减40%以上，飞机的真空速度增加25%以上，飞机性能严重下降。加上高高原地区的机场周围地形复杂，山脉众多，导致飞机起降航路狭窄，对飞行员的越障和控制精度要求极高，操纵飞机的难度和压力巨大。”中国南方航空集团副总经理高飞介绍。

　　特殊场景验证难，地理环境构建难，特情试飞风险大，特情场景难复现，成了高高原运行的一道道坎。针对飞机起降能力受限、环境预测手段不足以及验证场景缺失等问题，中国南方航空集团、中国商用飞机有限责任公司、腾讯公司及中国民航飞行学院、中国民航科学技术研究院等单位共同发起“国产客机高高原运营与验证关键技术及应用”项目，完成三大主要技术创新，开创了高高原运行研制的新模式。三大创新包括突破国产客机高高原起降能力难点、构建了高高原人—机—环综合验证装备和运行技术体系、首创高高原复杂场景预测与构建技术。

　　高高原机场的地形复杂、气象风险高，机组必须经过大量的飞行训练以具备过硬的飞行技术能力。今年1月，由南航翔翼公司研制的A320NEO全动飞行模拟机顺利通过中国民用航空局D级鉴定，意味着首台高高原特殊环境和特情场景全动模拟机成功面世。

　　“针对国外仿真平台特例化、不通用的问题，模拟机专用操作系统基于跨机型、多帧频、智能化开放性架构，使平台的仿真精度提高了10倍。”南航翔翼公司模拟机项目负责人杨磊表示。

　　该模拟机充分发挥架构优势，攻克了人—机—环多系统、多物理场耦合模型构建技术，逼真地模拟飞机的起飞、降落等各种飞行姿态和动作，拥有高高原EBT场景训练等九大国内首创特色功能，首创了根据飞训数据构建训练场景技术。

       提出结冰高效能保护机制

　　高高原飞行面临着起降、失速、结冰等挑战。其中的飞机结冰问题在民航业历来受到重视。如果机体在飞行途中结冰，将造成重大安全隐患。为确保ARJ21能适应各种环境，保证飞行安全，团队决定使用危险系数最高的冰型开展结冰试验。

　　“我们‘环球追冰’，往返3万公里，寻找最严酷的结冰环境。”中国商飞公司工程总师、ARJ21飞机型号总设计师陈勇说，“最初，我们的飞机是不能满足要求的，比如迎角传感器就出现过被冻结的情况。但在试验试飞中一个个发现问题，一个个及时解决，使飞机的性能大幅提升了。”

　　通过仿真计算、风洞试验、地面和空中自然结冰状态下的试验试飞，团队找到机翼翼面、发动机唇口和风扇结冰、冰块脱落等规律，攻克了25项与结冰试验验证相关的技术难题。

　　实现高高原安全起降，也是一个严峻考验。飞机在严重结冰状态下着陆，所需的着陆速度大幅增加，容易导致重着陆等事故发生。针对飞机飞行中无法探测冰是否脱落的问题，团队提出了一种高效能的结冰保护机制，设计出一整套动、静态结冰界面冻粘试验方法，揭示了冰层在不同情况下的特征和变化规律。

　　该技术依托先进的冰层探测系统，已在国产大型客机C919、C929成功部署，能够准确地测量飞机表面的冰层厚度和状态，并通过科学的算法分析，判断冰层是否已完全脱落。

　　“以往，飞行员们只能依靠经验和直觉来判断飞机结冰的脱落情况。但这种主观性的判断往往存在一定误差。如今，我们的保护机制能够以科学准确的方式告知飞行员飞机是否已彻底脱冰。该技术的出现将彻底改变飞行员在结冰环境下的操控方式。”陈勇介绍，在明确得知冰脱落后，飞行员可以降低进场速度。运用此项技术后，飞机平均进场速度降低17节。

      视景系统真实模拟复杂环境

　　正在飞行中的大型客机，遭遇严重气流剧烈颠簸，机长沉着应对，稳健操控飞机。然而，刚恢复平稳飞行一会儿的飞机，又突然警报声大作，机长再次迅速紧急处理……“太逼真了!”这是国产自研模拟机专用高等级视景系统带给机长的真实感受。

　　基于高高原复杂地域特点，南航联手腾讯公司，基于自研游戏引擎共同研发了模拟机专用高等级视景系统，通过建立地形环境的高精度程序化模型，仿真复原20多种高高原复杂地形场景，在生成速度、精度方面，比国外技术提高了10倍。该技术可模拟高难度飞行、飞机系统故障、恶劣天气等情景，为飞行员提供逼真的驾驶训练体验。

　　“面对庞大的地形数据规模和对实时渲染性能的高要求，视景系统成功攻克数据并行处理和流式加载的技术难题，100平方公里级别的地形数据在毫秒级别内完成加载。”腾讯互动娱乐事业群研发效能部引擎技术中心负责人吴羽介绍。目前，该系统建模及渲染技术已获国内发明专利18项，支持国内多个高高原和高原机场，未来还将支持国内更多机场的高精度数字模型生成。

　　该项目经由8位院士组成的专家团队评估，认为其“整体技术达到国际先进水平，部分国际领先”。近三年来，该项目直接创造经济效益达57亿元人民币。利用该项目的相关技术与装备，未来我国民航领域将可开展针对高高原飞行的专业训练，确保高高原运行安全。