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飞机,为什么越来越敢在雾天起降?

 2019-09-13 来源:微信 作者:THU交通人  [投稿排行榜]
2019-09-13 09:51:35

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飞机,为什么越来越敢在雾天起降?

      8月26到27日,即将启用的北京大兴国际机场在薄雾中进行了第二次真机试飞。对关注民航的真飞友们而言,这次试飞的最大亮点之一,便是完成了国内首次75米跑道视程条件下的起飞以及III B类(跑道视程不足175米)的降落测试。

      现代民航飞机的起降速度达到了120节甚至更高,滑行经过75/175米的距离分别只需要一秒多和三秒左右的时间。光凭飞行员的视觉,显然是不可能在这么短的反应时间内,安然应付起降阶段的复杂状况的。

      那么,是什么在这样的天气中保障机场的安全高效运行?这就要请出本文、也是这次试飞真正的主角——“盲降”,也就是仪表着陆系统(ILS)

      【0】序章:穿云破雾的慧眼

      ILS是什么?

      我们在搭乘飞机即将抵达目的地的时候,总会听到空乘“我们的飞机已经开始下降”的温柔广播,而后我们与所有人一起调直座椅靠背,静静等待抵达。然而,在驾驶舱里,客舱的各位不能离开座位的30分钟,并不是一句简单的“下降”可以概括的。

      飞行员在这段时间内需要执行一系列复杂的程序;从飞行流程上来看,这些程序可以分为下降(Descent,或称“下高”)和进近(Approach)两部分。下降阶段,飞机从万米高空按照航路逐渐降低高度,为进近做好准备。而到了进近阶段,飞机对准机场跑道不断接近、下降,最终精确地“踩”在小小的跑道接地区上,完成着陆。

      俗话说“天高任鸟飞”,但对飞机而言,这话恐怕要反过来理解——越是在接近机场的低空,为了保证一步“踩”中安全的着陆点,对飞行轨迹的要求与限制就越是严格。同时,另一个雪上加霜的问题是,低空不像云端之上的高空,没有一望千里的干净空气,很多时候飞机甚至要在浓雾中穿行。

      图:飞机在浓雾中着陆 (图源:Léo Chambert视频截图)

      又要求精确又看不见,怎么办?

      人的其他感觉显然是没有那么靠谱的,那就只能依靠飞机的”感觉”——无线电了。

      让无线电得以精准地引导飞机进近的,正是ILS

      【1】 第一幕:御波而行的力量

      从1930年代——那个无线电导航领域基本是一张白纸的年代开始,人类就开始探索利用无线电引导进近的技术。

      1932年,德国洛伦兹公司(和洛伦兹力的洛伦兹没有关系)设计出了第一套无线电降落装置:LFF。尽管它的技术现在看来有些原始,但其原理与现代ILS系统已十分接近。LFF系统在跑道的左右两侧末端,平行地朝跑道延长线方向各发射一束信息不同的无线电波——左侧不断发送 “短点”而右侧不断发送“长划”。当飞机相对正确的水平航道(即“航向道”)偏左时,飞行员会从耳机中听到 “短点”,反之听到“长划”。只有飞机在航向道上时,飞行员会同时听到来自两个信号源的声音,连起来恰好成为持续的“嘟——”声。除此之外,LFF系统还在航向道下方设置了两个指点信标,以为飞行员提供距离信息。当飞行员接收到飞越指点信标的信号时,ta就可以确定飞机离接地点的距离,并据此控制好高度和速度直到落地。

      图:LFF航向台工作原理

      注:(除特别说明外,以下示意图均来自Wikipedia)

      此后,英、美、苏等航空强国基于类似的“左右信号比对确定航向道+指点信标确认距离”的技术框架,分别设计了不同类型的无线电引导系统。

      不过显而易见的是,这些掌握核心科技的新系统并不会继承LFF简单得有些发傻的“短点”和“长划”比对方式。作为替代,英国研发的系统用两侧信号的强度差来确定飞机相对正确航向道的位置(左边信号强度大则偏左,反之偏右)即比幅原理,而苏联则选择了相位差(左边相位领先意味着飞机离左侧发射台近即偏左,反之偏右)即比相原理。

      图:比幅式仪表着陆系统的航向台工作原理

      此外,另一个令朴素的引导系统成为真正实用的精密着陆系统的改进,则是增加了垂直航道(即“下滑道“)”的精确引导。

      垂直引导的方式几乎就是水平引导的翻版:两个信号台分别向下滑道偏上及偏下方向定向发送信号,通过这两个信号的比对来确认飞机相对下滑道的位置。这样飞机的高度就不再需要飞行员通过指点信标与航图进行手动控制了,而是同样可以享受无线电精密引导的“待遇“。

      图:下滑台工作原理示意图

      新的无线电技术令引导更加精准,而航向道与下滑道的组合赋予了飞机一条精密的降落航迹,再加上指点信标提供的精准距离参考,构成了现代的ILS系统的开端。1948年,在国际民航组织(ICAO)的芝加哥大会上,ILS被确立为进近着陆引导的标准设备。[1]

      【2】 第二幕:聚光灯下的舞蹈

      在此后到来的喷气机时代中,ILS成为全球民航通用的着陆设施。值得一提的是,民航领域的ILS后来几乎全部采用了英国的比幅式原理。

      1964年,英国人开始尝试将当时已经成熟的自动驾驶系统与ILS结合起来,进行自动着陆的尝试。实验结果是成功的,ILS系统顺利引导了一架“三叉戟“客机进近并降落在了机场跑道上。一年后,英国欧洲航空开始将这一技术应用于“三叉戟“执飞的客运航班中,至此开始了民航客机的自动着陆时代。[2]

      图:放一张笔者高中时画的英国欧洲航空三叉戟

      但此时的自动着陆并不十分完善。如本文开头所述,ILS系统在越低的高度需要越高的精确度;但此时的ILS并不能在离下滑台较近的位置上保持足够的精度,因此在进近的最后阶段,仍然需要依靠飞机自身维持姿态的能力或飞行员的手动操纵。[3]

      确切地说,此时的ILS自动降落还是I类仪表着陆水平,即最多只能在I级低能见度气象条件下运行,对跑道视程(约等于“有效能见度”)的要求还较高。ILS自动降落的真正实用化,要等到几年后II/III类仪表着陆的实现。

      ICAO对仪表着陆各等级的定义见下表

      不过这倒不完全是ILS系统的不足,还有很大一部分原因是飞机机载无线电的不完善——需要注意的是,自动降落的实现依赖于地面引导(ILS)、飞机性能以及飞行员素质,缺一不可。

      1968年,“三叉戟”通过了II类仪表着陆认证;同年,法制“快帆”客机成为了第一种通过III A类仪表着陆认证的飞机。第二年的一月,配合早已摩拳擦掌的III A类ILS系统,“快帆”在一次商业航班中实现了世界首次III A级气象条件下的自动着陆。[4]

      此后,各种具备III类仪表着陆资质的新型客机百花齐放,已有机型也纷纷通过认证获得III类资质。下图是一张1972年首飞的洛克希德L-1011客机的海报,图中庞然大物穿云破雾而出,向观者展示了其III A 类仪表着陆能力的强大——领先的自动着陆系统已然成为这款高科技客机的重要卖点之一。

      属于ILS与自动着陆的时代,已经到来。并且,持续到现在。

      【3】第三幕:推陈出新的尝试

      不过,在进近引导技术的舞台上,ILS并不是唯一的舞者。

      ILS说到底只是一种技术,而ILS的目标——低能见度下的安全高效着陆,才是民航真正的需求。从ILS自动着陆刚刚实用化的60年代开始,人们就开始尝试开发下一代的设备,以期并实现更多的实用功能与更好的性能。

      1972年,ICAO正式提出对新一代着陆引导系统的要求。在这一要求的指引下,各国开始从不同的技术路线出发,研究ILS的下一代产品。

      在无数个试图取代ILS的技术方案中,以英美研制的微波着陆系统(MLS)最为成熟完善。

      与ILS一样,MLS同样是通过飞机接收、处理地面信号而实现引导进近的。简单而言,它和ILS一样,同样由水平引导垂直引导测距三个部分组成。不同的是,它的引导原理是用微波等速率地来回扫描一个区域,通过计算飞机收到相邻两次扫描信号的时间间隔来确定飞机相对正确进近航线的位置。

      图:微波着陆系统“等时扫描”式工作原理示意图 (本图示水平引导部分,即方位台)

      相较ILS,MLS可以引导更加复杂的进近航路(ILS只能引导直线进近),并且受天气影响更小,很好地符合了ICAO的要求。1975年,MLS被美国联邦航空局(FAA)确立为下一代着陆系统的技术标准,并在1978年得到了ICAO的承认。

      然而MLS最终(至少到今天)并没能取代ILS。这一方面是因为,ILS本身已经是非常成熟的技术,要想在世界范围内将早已通行的ILS系统更改为MLS成本过高;另一方面,卫星系统的蓬勃发展也使得相对传统的MLS失去了独特的优势。

      虽然MLS取代ILS的愿景最终没有如期实现,但ILS这一源自40年代技术的设计的落后与局限,却已日渐成为确凿而严峻的事实。不能引导复杂进近程序、信道数少、对环境要求苛刻……即使如今ILS仍然承担着几乎全部的进近引导重任,它还是已经有些力不从心。

      今天对ILS接班人的研发的着力点,是导航卫星

      随着GPS等导航卫星的精度不断提升,航空导航领域已经出现了从地基导航台转向星基导航系统的趋势。星基导航系统以其灵活性与高覆盖率让飞机摆脱了导航台的限制——用于进近引导时,则可以说是摆脱了ILS几乎一切的固有缺陷。

      利用GPS系统针对航空导航优化的广域增强技术(WAAS),人们研发出了LPV进近模式,其性能已接近I类仪表着陆的标准。

      不过,单纯的星基导航目前还难以达到精密进近的要求。一个有效的解决方案是,将地面导航台与卫星结合起来。

      地基增强系统(GBAS)就是这一技术路线的成果,借助卫星信号和地面台的校准,GBAS能完全实现III类仪表着陆的功能。[5]目前,GBAS相关设备已经被安装在部分机场与多数新型客机上,我们期待着它未来的发展与成功。

      图:GBAS工作流程示意图(图源:FAA)

      【4】番外:在红色的大地上

      1948年,ILS被ICAO确认为进近引导的标准设备。

      1949年,新中国成立。世界民航的里程碑事件和中国历史的转折点,几乎同时发生了。

      然而当时的中国百废待兴,尚没有发达的航空业,ILS并没有立即在中国扎根。直到8年后的1957年,由林立仁工程师领导的团队开始自主研制中国第一款ILS系统,一年后定型并按年份命名为“安全58型”。也许是因为当时中苏关系密切或苏制飞机较多,这套系统采用的是上文提及的苏联比相式原理,而非更流行的比幅式。

      1963年,我们的“巴铁”巴基斯坦准备与我国开通直飞航线,所用机型为美制波音720(707的一种改型)。由于波音飞机安装的是比幅式ILS的接收装置,“安全58型”无法为其提供引导。

      为服务中巴航线,林立仁团队奋战一年,开发出比幅式的“安全58-1型”ILS系统,并成功投入上海-卡拉奇航线的保障中。此后的许多年,我国与更多西方国家开通航线。在没有西方设备的情况下,这套“安全58-1”兢兢业业,为祖国的经济与外交作出了卓越的贡献。[6]

      图:为中国ILS发展做出巨大贡献的工程师——林立仁

      1975年,中国从英国引进STAN37/38型ILS系统,这是一套在当时具有先进水平的、具有III A类运行能力的ILS系统,服务了中外各国的“三叉戟”等新式飞机。此后,中国先后从美国Wilcox、挪威Normarc与意大利Thales引进更新一代的ILS设备,提高了各大机场的起降效率。

      不过,出于安全、经济、飞行员培训等原因,中国内地的ILS系统长期没有开放III类运行。直到去年3月,上海浦东国际机场34L跑道的ILS设备正式按III A类运行标准开放,结束了“全中国(内地)没有一台III类盲降”的历史。[7]

      图:浦东机场III A类运行验证试飞成功 (图源:中国民航网)

      本次试飞的北京大兴国际机场所使用的,是一台ThalesILS420型ILS设备[8],可以实现目前最顶级的III B类仪表着陆——这正是本次试飞的亮点科目之一。本月底,大兴机场将正式开航。按照计划,届时其III B类运行将直接开放,成为全国首个“出生就能III类盲降”的机场。

      当然,在利用ILS技术为民航服务的同时,我国在国际上对下一代仪表着陆产品的研发热潮中也没有落下。在GBAS成为研发焦点的今天,我国已于今年4月顺利完成了国产GBAS地面设备的首次试飞[9];同时,基于“北斗”卫星的GBAS系统也在研发当中。也许不久的将来,我们就能乘坐国产客机,在全套国产GBAS设备的引导下平稳地着陆了。

      【5】结语

      提起“ILS”、“盲降”的名字,人们总是会联想到十分先进甚至科幻的技术;而实际上,它的原理是那么简单,以至于很难想象世界上每天都有那么多飞机,就在这样的设备的指引下精确地完成一次次着陆,甚至是伸手不见五指的浓雾之中的着陆。

      然而原理简单不代表技术廉价——将简单设计的潜力发挥到极致,是实现民航最需要的可靠与高效率的常规操作。从最初的“听音辨位”到如今就在家门口的III B类自动着陆,简单的框架在更迭中不断完善,最终成为了我们现在看到的、顶起民航半边天的样子。

      不过当然,新技术总是令人兴奋的。听惯了“cleared for ILS runway XX approach”的我们也想听点别的有意思的,不是吗?

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