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飛機,為什么越來越敢在霧天起降?

作者: 發布時間:2019-10-22 10:20:00 來源: 查看次數:336次

8月26到27日,即將啟用的北京大興國際機場在薄霧中進行了第二次真機試飛。對關注民航的真飛友們而言,這次試飛的最大亮點之一,便是完成了國內首次75米跑道視程條件下的起飛以及III B類(跑道視程不足175米)的降落測試。

首個完成III B類著陸試飛的機組及團隊慶祝試飛成功

(圖源:澎湃新聞)

現代民航飛機的起降速度達到了120節甚至更高,滑行經過75/175米的距離分別只需要一秒多和三秒左右的時間。光憑飛行員的視覺,顯然是不可能在這么短的反應時間內,安然應付起降階段的復雜狀況的。

那么,是什么在這樣的天氣中保障機場的安全高效運行?這就要請出本文、也是這次試飛真正的主角——“盲降”,也就是儀表著陸系統(ILS)。

【0】序章:穿云破霧的慧眼

ILS是什么?

我們在搭乘飛機即將抵達目的地的時候,總會聽到空乘“我們的飛機已經開始下降”的溫柔廣播,而后我們與所有人一起調直座椅靠背,靜靜等待抵達。然而,在駕駛艙里,客艙的各位不能離開座位的30分鐘,并不是一句簡單的“下降”可以概括的。

飛行員在這段時間內需要執行一系列復雜的程序;從飛行流程上來看,這些程序可以分為下降(Descent,或稱“下高”)和進近(Approach)兩部分。下降階段,飛機從萬米高空按照航路逐漸降低高度,為進近做好準備。而到了進近階段,飛機對準機場跑道不斷接近、下降,最終精確地“踩”在小小的跑道接地區上,完成著陸。

俗話說“天高任鳥飛”,但對飛機而言,這話恐怕要反過來理解——越是在接近機場的低空,為了保證一步“踩”中安全的著陸點,對飛行軌跡的要求與限制就越是嚴格。同時,另一個雪上加霜的問題是,低空不像云端之上的高空,沒有一望千里的干凈空氣,很多時候飛機甚至要在濃霧中穿行。

飛機在濃霧中著陸

(圖源:Léo Chambert視頻截圖)

又要求精確又看不見,怎么辦?

人的其他感覺顯然是沒有那么靠譜的,那就只能依靠飛機的”感覺”——無線電了。

讓無線電得以精準地引導飛機進近的,正是ILS。


【1】 第一幕:御波而行的力量

從1930年代——那個無線電導航領域基本是一張白紙的年代開始,人類就開始探索利用無線電引導進近的技術。

1932年,德國洛倫茲公司(和洛倫茲力的洛倫茲沒有關系)設計出了第一套無線電降落裝置:LFF。盡管它的技術現在看來有些原始,但其原理與現代ILS系統已十分接近。LFF系統在跑道的左右兩側末端,平行地朝跑道延長線方向各發射一束信息不同的無線電波——左側不斷發送 “短點”而右側不斷發送“長劃”。當飛機相對正確的水平航道(即“航向道”)偏左時,飛行員會從耳機中聽到 “短點”,反之聽到“長劃”。只有飛機在航向道上時,飛行員會同時聽到來自兩個信號源的聲音,連起來恰好成為持續的“嘟——”聲。除此之外,LFF系統還在航向道下方設置了兩個指點信標,以為飛行員提供距離信息。當飛行員接收到飛越指點信標的信號時,ta就可以確定飛機離接地點的距離,并據此控制好高度和速度直到落地。

LFF航向臺工作原理

(除特別說明外,以下示意圖均來自Wikipedia)

此后,英、美、蘇等航空強國基于類似的“左右信號比對確定航向道+指點信標確認距離”的技術框架,分別設計了不同類型的無線電引導系統。

不過顯而易見的是,這些掌握核心科技的新系統并不會繼承LFF簡單得有些發傻的“短點”和“長劃”比對方式。作為替代,英國研發的系統用兩側信號的強度差來確定飛機相對正確航向道的位置(左邊信號強度大則偏左,反之偏右)即比幅原理,而蘇聯則選擇了相位差(左邊相位領先意味著飛機離左側發射臺近即偏左,反之偏右)即比相原理。

比幅式儀表著陸系統的航向臺工作原理

此外,另一個令樸素的引導系統成為真正實用的精密著陸系統的改進,則是增加了垂直航道(即“下滑道“)”的精確引導。

垂直引導的方式幾乎就是水平引導的翻版:兩個信號臺分別向下滑道偏上及偏下方向定向發送信號,通過這兩個信號的比對來確認飛機相對下滑道的位置。這樣飛機的高度就不再需要飛行員通過指點信標與航圖進行手動控制了,而是同樣可以享受無線電精密引導的“待遇“。

下滑臺工作原理示意圖

新的無線電技術令引導更加精準,而航向道與下滑道的組合賦予了飛機一條精密的降落航跡,再加上指點信標提供的精準距離參考,構成了現代的ILS系統的開端。1948年,在國際民航組織(ICAO)的芝加哥大會上,ILS被確立為進近著陸引導的標準設備。[1]


【2】 第二幕:聚光燈下的舞蹈

在此后到來的噴氣機時代中,ILS成為全球民航通用的著陸設施。值得一提的是,民航領域的ILS后來幾乎全部采用了英國的比幅式原理。

1964年,英國人開始嘗試將當時已經成熟的自動駕駛系統與ILS結合起來,進行自動著陸的嘗試。實驗結果是成功的,ILS系統順利引導了一架“三叉戟“客機進近并降落在了機場跑道上。一年后,英國歐洲航空開始將這一技術應用于“三叉戟“執飛的客運航班中,至此開始了民航客機的自動著陸時代。[2]

(放一張筆者高中時畫的英國歐洲航空三叉戟hhh)

但此時的自動著陸并不十分完善。如本文開頭所述,ILS系統在越低的高度需要越高的精確度;但此時的ILS并不能在離下滑臺較近的位置上保持足夠的精度,因此在進近的最后階段,仍然需要依靠飛機自身維持姿態的能力或飛行員的手動操縱。[3]

確切地說,此時的ILS自動降落還是I類儀表著陸水平,即最多只能在I級低能見度氣象條件下運行,對跑道視程(約等于“有效能見度”)的要求還較高。ILS自動降落的真正實用化,要等到幾年后II/III類儀表著陸的實現。

(ICAO對儀表著陸各等級的定義見下表)

不過這倒不完全是ILS系統的不足,還有很大一部分原因是飛機機載無線電的不完善——需要注意的是,自動降落的實現依賴于地面引導(ILS)、飛機性能以及飛行員素質,缺一不可。

1968年,“三叉戟”通過了II類儀表著陸認證;同年,法制“快帆”客機成為了第一種通過III A類儀表著陸認證的飛機。第二年的一月,配合早已摩拳擦掌的III A類ILS系統,“快帆”在一次商業航班中實現了世界首次III A級氣象條件下的自動著陸。[4]

此后,各種具備III類儀表著陸資質的新型客機百花齊放,已有機型也紛紛通過認證獲得III類資質。下圖是一張1972年首飛的洛克希德L-1011客機的海報,圖中龐然大物穿云破霧而出,向觀者展示了其III A 類儀表著陸能力的強大——領先的自動著陸系統已然成為這款高科技客機的重要賣點之一。

屬于ILS與自動著陸的時代,已經到來。并且,持續到現在。

【3】第三幕:推陳出新的嘗試

不過,在進近引導技術的舞臺上,ILS并不是唯一的舞者。

ILS說到底只是一種技術,而ILS的目標——低能見度下的安全高效著陸,才是民航真正的需求。從ILS自動著陸剛剛實用化的60年代開始,人們就開始嘗試開發下一代的設備,以期并實現更多的實用功能與更好的性能。

1972年,ICAO正式提出對新一代著陸引導系統的要求。在這一要求的指引下,各國開始從不同的技術路線出發,研究ILS的下一代產品。

在無數個試圖取代ILS的技術方案中,以英美研制的微波著陸系統(MLS)最為成熟完善。

與ILS一樣,MLS同樣是通過飛機接收、處理地面信號而實現引導進近的。簡單而言,它和ILS一樣,同樣由水平引導、垂直引導測距三個部分組成。不同的是,它的引導原理是用微波等速率地來回掃描一個區域,通過計算飛機收到相鄰兩次掃描信號的時間間隔來確定飛機相對正確進近航線的位置。

微波著陸系統“等時掃描”式工作原理示意圖

(本圖示水平引導部分,即方位臺)

相較ILS,MLS可以引導更加復雜的進近航路(ILS只能引導直線進近),并且受天氣影響更小,很好地符合了ICAO的要求。1975年,MLS被美國聯邦航空局(FAA)確立為下一代著陸系統的技術標準,并在1978年得到了ICAO的承認。

然而MLS最終(至少到今天)并沒能取代ILS。這一方面是因為,ILS本身已經是非常成熟的技術,要想在世界范圍內將早已通行的ILS系統更改為MLS成本過高;另一方面,衛星系統的蓬勃發展也使得相對傳統的MLS失去了獨特的優勢。

雖然MLS取代ILS的愿景最終沒有如期實現,但ILS這一源自40年代技術的設計的落后與局限,卻已日漸成為確鑿而嚴峻的事實。不能引導復雜進近程序、信道數少、對環境要求苛刻……即使如今ILS仍然承擔著幾乎全部的進近引導重任,它還是已經有些力不從心。

今天對ILS接班人的研發的著力點,是導航衛星。

隨著GPS等導航衛星的精度不斷提升,航空導航領域已經出現了從地基導航臺轉向星基導航系統的趨勢。星基導航系統以其靈活性與高覆蓋率讓飛機擺脫了導航臺的限制——用于進近引導時,則可以說是擺脫了ILS幾乎一切的固有缺陷。

利用GPS系統針對航空導航優化的廣域增強技術(WAAS),人們研發出了LPV進近模式,其性能已接近I類儀表著陸的標準。

不過,單純的星基導航目前還難以達到精密進近的要求。一個有效的解決方案是,將地面導航臺與衛星結合起來。

地基增強系統(GBAS)就是這一技術路線的成果,借助衛星信號和地面臺的校準,GBAS能完全實現III類儀表著陸的功能。[5]目前,GBAS相關設備已經被安裝在部分機場與多數新型客機上,我們期待著它未來的發展與成功。

GBAS工作流程示意圖(圖源:FAA)

【4】番外:在紅色的大地上

1948年,ILS被ICAO確認為進近引導的標準設備。

1949年,新中國成立。世界民航的里程碑事件和中國歷史的轉折點,幾乎同時發生了。

然而當時的中國百廢待興,尚沒有發達的航空業,ILS并沒有立即在中國扎根。直到8年后的1957年,由林立仁工程師領導的團隊開始自主研制中國第一款ILS系統,一年后定型并按年份命名為“安全58型”。也許是因為當時中蘇關系密切或蘇制飛機較多,這套系統采用的是上文提及的蘇聯比相式原理,而非更流行的比幅式。

1963年,我們的“巴鐵”巴基斯坦準備與我國開通直飛航線,所用機型為美制波音720(707的一種改型)。由于波音飛機安裝的是比幅式ILS的接收裝置,“安全58型”無法為其提供引導。

為服務中巴航線,林立仁團隊奮戰一年,開發出比幅式的“安全58-1型”ILS系統,并成功投入上海-卡拉奇航線的保障中。此后的許多年,我國與更多西方國家開通航線。在沒有西方設備的情況下,這套“安全58-1”兢兢業業,為祖國的經濟與外交作出了卓越的貢獻。[6]

為中國ILS發展做出巨大貢獻的工程師——林立仁

1975年,中國從英國引進STAN37/38型ILS系統,這是一套在當時具有先進水平的、具有III A類運行能力的ILS系統,服務了中外各國的“三叉戟”等新式飛機。此后,中國先后從美國Wilcox、挪威Normarc與意大利Thales引進更新一代的ILS設備,提高了各大機場的起降效率。

不過,出于安全、經濟、飛行員培訓等原因,中國內地的ILS系統長期沒有開放III類運行。直到去年3月,上海浦東國際機場34L跑道的ILS設備正式按III A類運行標準開放,結束了“全中國(內地)沒有一臺III類盲降”的歷史。[7]

浦東機場III A類運行驗證試飛成功

(圖源:中國民航網)

本次試飛的北京大興國際機場所使用的,是一臺ThalesILS420型ILS設備[8],可以實現目前最頂級的III B類儀表著陸——這正是本次試飛的亮點科目之一。本月底,大興機場將正式開航。按照計劃,屆時其III B類運行將直接開放,成為全國首個“出生就能III類盲降”的機場。

當然,在利用ILS技術為民航服務的同時,我國在國際上對下一代儀表著陸產品的研發熱潮中也沒有落下。在GBAS成為研發焦點的今天,我國已于今年4月順利完成了國產GBAS地面設備的首次試飛[9];同時,基于“北斗”衛星的GBAS系統也在研發當中。也許不久的將來,我們就能乘坐國產客機,在全套國產GBAS設備的引導下平穩地著陸了。

【5】結語

提起“ILS”、“盲降”的名字,人們總是會聯想到十分先進甚至科幻的技術;而實際上,它的原理是那么簡單,以至于很難想象世界上每天都有那么多飛機,就在這樣的設備的指引下精確地完成一次次著陸,甚至是伸手不見五指的濃霧之中的著陸。

然而原理簡單不代表技術廉價——將簡單設計的潛力發揮到極致,是實現民航最需要的可靠與高效率的常規操作。從最初的“聽音辨位”到如今就在家門口的III B類自動著陸,簡單的框架在更迭中不斷完善,最終成為了我們現在看到的、頂起民航半邊天的樣子。

不過當然,新技術總是令人興奮的。聽慣了“cleared for ILS runway XX approach”的我們也想聽點別的有意思的,不是嗎?

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