特別策劃
作者：瑾釃
人類進入航空時代已經超過了100年，一百多年來，航空對人類生活的影響涉及方方麵麵。如今，中國民航的年客運吞吐量已經超過了4億人次，幾乎是總人口的1/3，可以說航空和每個人的生活息息相關。由於應用領域的不同，民用航空與軍用航空在專業上、技術上存在很大的差別，從學科和專業研究的角度看軍、民用航空的差別也很大，如果說軍民用航空飛行有什麼最相近的地方，大概就是起飛著陸階段了。從某種意義上講，起飛著陸是飛行的基礎，而從飛行技術及相關保障技術看，起飛著陸又是所有飛行中最複雜的，關於這一點非專業人員一般並不了解。
人們對於航空的認識除了高技術大概就是高風險了，每當空難發生，不幸的消息總會在許多人心中產生刺激，恐懼之餘又感到茫然——強大的現代航空科技竟然還不能杜絕空難？畢竟，對於非專業的人而言，航空顯得太複雜太玄奧。大多數人也許不了解這樣一個現實：民用航空是目前所有交通工具中僅次於火車的第二大安全工具，隨著航空技術的發展，現代民用飛機的可靠性已經達到了相當高的水平，平台技術、發動機技術、航空電子技術以及飛行相關保障技術的發展，使現代飛機克服了各種自然條件的限製，實現了精確導航、精密近進、舒適安全、準點到達的飛行。不可否認，由於飛行的高空高速特點，一旦發生故障和事故損失往往是比較慘重，這也是航空在人們心目中留下的難以抹去的一種陰影。但對於航空本身存在的這種安全風險，與其充滿恐懼避之不及，還不如正確普及一些航空知識，因為基本的航空安全知識對於我們每個人的安全出行都是相當必要的。
簡單外衣下的複雜過程
首先讓我們看看我國1990年以來發生的民航事故。從1990年的廈門劫機空難，到2010年的伊春空難，我國共發生重大民用航空事故14起，其中起飛著陸階段發生的事故就多達9起，占總事故的64％。這並不是某一段時間的偶發現象，從世界民用航空多年的事故統計看，起飛著陸階段的事故所占比例大致在60％～75％之間。起降階段事故高發是多種因素造成的，最主要的是兩個方麵，一是起飛著陸階段受各種條件限製較多，二是起飛著陸的操縱技術複雜、危機處置難度大。從外部條件看起飛著陸是在一段相對狹窄而且長度有限的跑道上進行，安全餘度很小且需要精確操縱。從限製條件看影響起飛著陸的主要因素是氣象，其中包括能見度和風的影響。能見度的影響主要在著陸階段，無論精密近進係統多麼先進，接近跑道時的操作主要還是以飛行目視為主，能見度太低是無法著陸的。作為航空器是利用空氣動力飛行，因此氣流對飛行的影響致關重要，著陸階段側風對飛行影響最大，可能導致飛機方向偏差甚至偏出跑道，而順風可能導致飛機著陸滑跑距離延長衝出跑道。正是由於這些限製因素，對起飛著陸階段的操作精度提出了很高的要求。以高度為例，在航線飛行中高度誤差在100米都是可以接受的，而在著陸階段高度誤差超過2米，就有可能造成重大著陸故障。在接近著陸的最關鍵時刻，飛行員操縱飛機的下降速率需要控製在0.1米/秒的範圍以內，如此之高的操縱精度要求，隻有經過大量飛行訓練才能熟練掌握。
除去技術和外部因素的影響，飛機本身在起飛著陸階段所經受的考驗也是最嚴峻的。為了盡可能縮短起飛滑跑距離，飛機發動機要處於較高的工作狀態，實際上起飛過程中發動機通常是在最大功率下工作，有些戰鬥機甚至為起飛設置了特殊的發動機狀態，在這種狀態下發動機的轉速溫度都是處於最高，對於係統的考驗也最嚴峻，在這樣的狀態下發動機偶爾出現突發故障也就不意外了。
從以上分析可以看出，起飛著陸階段對於外部條件、飛行員技術以及飛機狀態都提出了很高的要求。為了實現安全起降，無論是飛機的設計人員、飛行員還是各類飛行保障人員，都付出了艱苦的努力，其中更多專業性的技術問題對於大多數人而言顯得過於深奧，但通過一般的工程分析的方法，我們還是能夠揭開起飛著陸過程的麵紗，對這一問題有更多的了解。
起飛著陸中的飛機工程學
起飛是人類實現飛行夢想的第一個障礙。航空百年過後的今天，飛機設計師在起降技術的設計上依然精益求精。從工程學角度看，要獲得較好的起飛著陸性能，首先要求飛機具有較好的加速和減速能力。加速性的動力來自發動機，獲得較高加速性的途徑一是增加發動機推力，二是增加發動機數量。戰鬥機為了獲得短距起降的能力，對發動機提出了苛刻的要求，而民航飛機在設計上則需要在載客數量與發動機數量之間權衡。上世紀50年代，美國就在波音707飛機上采用4發布局，這種布局的最大好處在於發動機的冗餘度較高，在單台發動機故障時具有較高的安全性。但四發布局也帶來了結構和係統設計的複雜性。隨著發動機技術的發展，雙發布局漸漸為大家所選擇和接受。上世紀六七十年代，還曾流行過三發布局方案，像英國的“三叉戟”、俄羅斯的圖-154、美國的“三星”（L-1011）和DC-10係列客機。但好景不長，上世紀八九十年代，三發飛機發生了一係列重大飛行事故，盡管其中許多事故與三發布局本身關係不大，但事故的陰影還是給這種創新設計帶來了影響，這種流行一時的布局形式也逐漸淡出了曆史舞台。
飛機的減速性能對於著陸至關重要。減速裝置除了刹車係統外，還有一些特殊機構和係統，現代軍用戰鬥機一般都配備減速傘，而民用飛機通常采用反推裝置。反推技術在大型噴氣飛機中的應用非常普遍，但對於軍用運輸機而言，它的反推係統與民用飛機還有一定的區別。因為要在野戰機場降落，為了防止發動機吸入沙土，軍用運輸機發動機反推裝置通常是向上排氣。為了提高飛機的起降性能，另一項工程技術手段就是增升裝置。增升裝置的目的是為了增加一定迎角下的升力係數，升力係數的增加得到的好處是起飛著陸速度的降低。
除了飛機的起飛著陸性能，對飛機起飛著陸階段的操作性和飛行品質也提出了很高的要求。為此需要從兩個方麵入手，一是在飛機氣動布局設計上做文章，使飛機具備較好的飛行品質，如縱向安定性，橫向和方向安定性（也叫橫航向安定性）。早期的螺旋槳運輸機的安定性較差，如安-24飛機在進場階段方向修正比較困難，容易出現進場軌跡左右飄擺，飛行員俗稱“耍龍”。而現代噴氣客機機體狹長，縱向安定性較差。為了提高飛機的安定性和操縱性，現代戰鬥機和客機一般都采用電傳操縱，通過優化控製率和增穩係統提高飛機的操控性能。
有些飛機在氣動布局上存在先天不足，由此引起的飛行品質缺陷用控製率優化是不可能完全克服的。2009年11月28日，上海浦東機場發生了一起津巴布韋MD-11客機起飛墜毀事件，事故的原因是起飛過程中飛機操控出現異常，飛機產生俯仰震蕩墜毀。這起蹊蹺的事故絕非偶然，查閱MD-10和MD-11近幾年的事故案例，我們發現該類三發布局的飛機發生了多起起飛著陸階段俯仰震蕩引發的嚴重事故。MD係列飛機容易發生俯仰震蕩是由其氣動布局造成的，三發布局使後置發動機的重量遠離重心，導致縱向安定性下降，無怪乎許多飛行員抱怨MD係列飛機縱向難以控製，而且側風修正能力也較弱。
為了改善飛機的操控品質，提高飛機的舒適性和安全性，現代飛機的飛控係統設計可謂絞盡腦汁，自動駕駛係統就是一個典型的例子。然而正是由於實現了係統控製，作為操控體係中的人有時會在與係統的交互中產生迷惑。因為有些工作係統已經幫你做了，而飛行員有時卻不知情，當飛行員斷開自動駕駛改為手動操縱時，飛機的操控響應會出乎飛行員的預料，會出現短時間不知所措的情況。這種迷惑一旦無法克服就可能導致嚴重問題。作為世界上投入運營最多的客機——波音737，自動控製係統的設計中就存在缺陷，某些情況下飛控係統會產生指令殘留，飛行員斷開自動駕駛儀後飛機動態發生急劇變化，由此造成了多起重大飛行事故。2004年6月10日，中國國際航空公司的波音737型B-2650號飛機執行北京-香港的CA109/110航班。飛機在香港降落後機組報告，在1800英尺（約600米）高度斷開自動駕駛儀時，飛機突然大坡度右傾，難以操縱，經機組的頑強努力，飛機最終安全著陸。飛行後的全麵檢查沒有發現任何係統故障，後經分析發現完全是由於自動駕駛係統設計缺陷，因為波音737類似的故障已經發生了多起。1991年3月3日，美國聯合航空公司的波音737型飛機N999UA航班，1994年9月8日，美國美利堅航空公司的波音737型飛機N513AU航班都因類似問題發生嚴重空難。1992年11月24日，國內波音737型飛機B-2523，在執行廣州至桂林的航班飛行發生撞山事故，在當時難以判斷事故直接原因，直到類似事故發生多起，民航部門重新判讀飛機黑匣子，才最終認定事故是因飛控係統缺陷造成的。
在飛機設計製造過程中，工程人員不僅要解決類似氣動布局、飛控係統、發動機等對飛機性能品質、舒適性、安全性影響較大的各種問題，飛機設計中的某些細節也是不可忽視的。許多設計缺陷是事故發生後才發現的，因此民航安全部門在每一次事故調查報告中，都有一個章節是關於飛機設計缺陷的改進意見。2009年1月15日，一架美國航空公司空客A320-214飛機（注冊編號N106US）執行1549航班，在突然遭到一群飛鳥撞擊，兩個發動機推力幾乎完全喪失，隨後在距離紐約拉瓜迪亞機場8.5英裏（13.7千米）的哈德遜河上迫降。這是一次成功的迫降，而挽救眾多旅客生命的機長薩倫伯格成為了人們心目中的英雄。然而就是在這樣一起成功的迫降案例中，事故調查人員還是發現了飛機設計細節上的問題，在尾部先觸水的緊急迫降中，機尾破損是再正常不過的事情了，但事故中尾部地板結構件變形外突，造成了個別旅客的身體傷害。事故調查人員由此發現了後部地板設計中的缺陷，在報告的需要飛機公司改進的項目中，更改地板結構的建議赫然在目。