从跨国“寻冰”到国内“破冰”

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2022年2月17日,国产大型客机自然结冰适航审定试飞在陕西阎良取得关键性突破,影响国产大型客机适航审定的“重量级拦路虎”――自然结冰试飞“冰消瓦解”。

自然结冰试飞一直以来都是飞机取证中至关重要的环节,用以验证在结冰气象条件下飞机仍具备安全飞行和运营的能力。飞机结冰,即飞机在结冰气象条件下飞行时,大气中的过冷水滴撞击到飞机表面并累积成冰的一种现象。飞机结冰被认为是诱发飞行失控的三大因素之一。美国联邦航空管理局(FAA)的统计数据显示,每年大约有8起因结冰导致的飞行事故。因此,国际上任何一部适航法规,都不可能忽视结冰对飞行安全带来的影响。国产大型客机要想在国际上拿到适航证,就必须完成自然结冰的试飞科目。

在国产大型客机自然结冰试飞中,任务牵总单位――中国飞行试验研究院(简称“试飞院”)首次在国内大范围开展了基于结冰预测模型算法验证的结冰资源实测飞行;首次在国内完整、有效地完成了中国民用航空规章CCAR25部附录C要求的自然结冰试飞;首次完成了美国联邦航空条例FAR25-121修正案要求的自然结冰试飞验证条款。此前,在全球范围内只有空客350和俄罗斯MC21完成了该项验证。

北美寻“冰”

试飞,是“飞行试验”的简称,指在真实大气条件下,对飞机、发动机及机载设备进行探索研究、验证和鉴定的系统工程。在很大程度上,试飞成功与否,决定着新飞机项目的成败。

中国飞行试验研究院作为“试飞国家队”,为了啃下自然结冰试飞这块硬骨头,多年来一直在锲而不舍地探索。1986年、1997年和2018年,试飞院在新疆先后组织了多次自然结冰试飞。

然而,ARJ21-700飞机的自然结冰试飞可谓命运多舛。2002年立项的ARJ21-700飞机,是21世纪我国立项的第一个民用飞机项目,被看作国产大飞机的影子工程。同时,ARJ21-700飞机也是我国首次与美国双边适航谈判的项目,完全参照美国飞机安全和技术标准进行试飞。

2010年3月起,ARJ21拉开了自然结冰试验的序幕。2011年至2014年,试飞院与中国商飞公司在新疆地区组织实施了ARJ21-700飞机自然结冰试飞,始终未能完全捕捉到理想结冰气象,仅在2012年3月19日取得一次有效数据。2014年3月,ARJ21-700飞机不得不远赴北美五大湖地区进行此项试验。在国外专家团队的指导下,困扰ARJ21适航取证长达4年之久的自然结冰试飞,连去带回仅用了1个多月就顺利结束。

ARJ21-700飞机的首席试飞员赵鹏至今对这次跨国寻“冰”之旅记忆犹新,尤其是指导他们追云逐冰的国外气象专家,能准确判断飞机飞进哪块云里能结冰,“好像是可以呼风唤雨的魔术师。”

“自然结冰试飞,属于航空学与气象学的交叉学科,气象需要寻冰,航空技术需要‘破冰’。”国产大型客机试飞副总师丁军亮说,自然结冰试飞的困难主要体现在两方面,一是科目本身风险很高,二是结冰气象环境难以捕捉。

结冰天气条件主要由结冰云层范围、液态水含量、过冷水滴平均有效直径和空气温度等参数确定。按照中国民用航空规章CCAR25部和美国联邦航空条例FAR25部的规定,商用飞机进行自然结冰试验的气象条件必须满足:连续最大结冰试验时液态水含量在每立方米0-0.8克,水滴直径在15-40微米;间断最大结冰试验时液态水含量在每立方米0-3.0克,水滴直径在15-50微米。尤其后者更属于极其罕见的极端气象条件。

北美五大湖区地理位置特殊,并拥有丰富的水体,有利于结冰气象的产生,被称为“天然的结冰超市”。美国联邦航空条例FAR25部的自然结冰适航条款,就是由美国专家基于北美五大湖区的气象数据而研究制定的。

国内探“冰”

依赖国外资源完成的ARJ21-700飞机自然结冰试飞,让试飞院的试飞工程技术人员感到“憋屈”:中国这么大,难道就真的找不出一块适合大型飞机开展自然结冰试飞的空域?自然结冰试飞只能舍近求远?

“我的任务,就是要预测并准确找到满足自然结冰气象条件的云层。”试飞院气象台台长杨涛面对“国内自然结冰资源分布研究不足”“自然结冰预报方法不成熟”“自然结冰气象保障模式不健全”等一系列由来已久的问题,带领团队开始了运输类飞机自然结冰试飞天气预报技术研究。

2020年11月,中国航空工业航空气象研究中心在试飞院挂牌,进行特殊科目气象条件保障研究是该中心的任务之一。同期,国产大型客机正式进入适航审定试飞阶段。受新冠肺炎疫情和国际形势影响,远赴北美五大湖地区执行自然结冰试飞的可行性已经微乎其微。

试飞院加快历史资料分析进度,对陕西、湖北、新疆等地开展了持续的结冰天气预报分析,并发布结冰专项预报近400期。2020年12月,试飞院被工信部确定为国产大型客机自然结冰试飞任务的牵总单位,在国内开展国产大型客机自然结冰试飞的攻坚战吹响号角。

在试验初期,试飞工程技术人员使用通用飞机开启自然结冰资源飞行实测,利用国王350飞机搭载的PIP降雨粒子图像探头等专业探测设备,在陕西和湖北地区对结冰云层的水平、垂直分布及云中液态水含量、水滴直径分布、环境温度等云微物理参数进行数据采集。

历时近一年的自然结冰资源飞行实测,累计穿云85次,冰云中累计飞行1810公里,初步完成了全年四季阎良本场空域的自然结冰资源摸底,初步形成并校验了较为成熟的结冰预测方法、结冰气象实时监测及保障模式、探测飞行及风险管控方法和一定样本的结冰资源数据库。“通过飞行实测,我们建立了国内短期及中长期预报方法,能够在国内空域成功找到自然结冰试飞作业区和试验‘窗口’。”杨涛说。

标准破“冰”

根据预测的结冰气象,2021年12月8日,试飞院首次组织了国产大型客机自然结冰研发试飞,试验机穿云4次,成功遭遇符合试验要求的结冰气象,圆满完成自然结冰条件下的试飞内容。此架次飞行,是国产大型客机在结冰环境下的首次飞行,它的成功给所有参试人员打了一剂“强心针”。

2022年1月,局方审定试飞阶段正式开始。10份审定试飞大纲、16个试飞科目、70个试验点,涵盖飞行品质、动力装置、机翼防冰、风挡加温、驾驶舱视界、结冰探测、沉积静电、电源等多个专业与系统,国产大型客机自然结冰适航审定试飞注定不凡。

“连研发试飞在内,共飞了6个架次,所有数据表明,我们组织实施的国产大型客机适航审定自然结冰试飞代表了国内最先进水平,不亚于国际最高水平。”试飞院国产大型客机适航审定自然结冰试飞团队课题主管赵利利断言。

1月20日至22日,试飞团队抓住难得的气象“窗口”,连续组织3架次、每架次5小时以上的审定试飞,试验机累计飞行15小时20分钟,穿云18次,执行试验科目的效率达到70%,远远高于国内外同类型飞机的审定试飞效率。

其中,1月20日的一场试飞被参与人员认为是“一场完美试验”。试飞员赵明禹、赵生、马海军和局方试飞员赵志强紧密配合,与指挥员赵鹏、陈明高效合作,克服长时间云中飞行和复杂环境带来的风险,精确控制每个航段的时间,争分夺秒抢占结冰时机,历时5个小时,成功完成防冰系统提前打开、告警时打开、延迟打开、失效构型、左发最大爬升状态风扇冰脱落、待机45分钟飞行品质等6个试验块共计33个试验点的飞行试验内容。

2022年2月17日12时15分,随着国产大型客机试验机在跑道上滑落,其适航审定自然结冰试飞结束。国产大型客机成为继空客350和俄罗斯MC21之后,全球范围内第3款完成了美国联邦航空条例FAR25-121修正案要求的自然结冰试飞验证的飞机。

“不惑于‘没有先例’,不囿于‘现有惯例’。国产大型客机自然结冰试飞在国内取得关键性突破,打破了存在已久的‘国内不具备自然结冰试飞条件’的思想枷锁。研究数据表明,国内多个空域有可能是自然结冰试飞的‘富矿’。”中国飞行试验研究院院长陈怦认为,更为重要的是,我们可以在试飞研究的基础上,制定自己的适航条款,打破国外的标准垄断。

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