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飞机,为什么越来越敢在雾天起降?

时间:2019-09-15 12:25来源:航空物语 作者:中国航空

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]

(放一张笔者高中时画的英国欧洲航空三叉戟hhh)

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。

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。

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。

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