● 摘要
高原机场是位于海拔高度8000英尺以上的机场。高原机场在世界范围内部分地区有集中分布，其中中国的高原机场因为其数量多运营量大条件复杂等原因，使运行安全成为中国独有的突出问题，中国高原机场及高原航线的运行存在着由于自然条件导致的多种困难。为了保障高原机场的安全运行，缓解高原运行的安全压力，建立高原运行的安全边界和应对策略，本文重点针对客机在高原终端区穿越风场的飞行安全问题，开展基于数值仿真的机理性研究。
主要研究内容如下：
通过对相关适航规章的分析，提炼并确定了高原风场飞行的主要关注点，即终端区遭遇突风时的速度恢复特性、低速操纵效能、飞机遭遇紊流时的动态响应等。由此确立了研究工作的出发点，即以紊流和风切变为代表的高原危险风场的危险性机理、安全性评价和运行策略。由于全范围覆盖的实飞数据的不可得性以及单一机型的少量数据在使用上的局限性，本文高原风场飞行安全问题的研究是基于数字仿真平台开展的。平台采取了六自由度的全量运动和动力学方程，提供典型风场和高原特征风场模型、线性和非线性气动力计算、自驾和人操控制系统等功能。通过对高原风场特征的提炼，完成了高原典型风场的建模；通过对高原自然环境下驾驶员生理心理的变化，完成了对高原驾驶员行为特征的参数化描述。
在高原典型风场和高原特征驾驶员的基础上，以紊流类风场所导致的颠簸和振动，以及切变类风场所诱发的飞行失控为关注点，开展安全性舒适性评价以及失控机理的研究。引入了振动总量的评价指标，振动总量对机体的风场响应做频率记权的、各方向合成的、均方根加速度评价，吸收了原有指标的优点，又克服了其各自缺点。利用新的指标，对不同成分及强烈程度的高原风场进行了评价，并根据分析结果提出了应对策略。
针对失控机理的问题，在飞行失控特征参数提取的基础之上，以飞行参数定量描述的方式引入了飞行失控描述指标，通过对描述指标背后的飞机设计标准和适航性要求的剖析，明确了飞行失控的发生发展机理，然后利用描述指标对高原环境下人机系统的飞行失控危险性进行了仿真模拟，并根据分析结果提出了相应的安全建议。
出于为驾驶员操纵快速情景感知的角度，研究了一种基于多普勒气象雷达的风场危险性评估方法，雷达提供的谱宽数据作为所探测风场速度分散度的度量，能够对风场紊流强度进行估计，由此可以进行风场重建和飞机响应计算，并进一步对风场响应进行评价。研究结果显示新方法能够提供比现有谱宽显示提供更为丰富和直观的风场信息。
基于以上工作内容，本文主要取得了如下创新性成果：
（1）提出了一种高原特征风场工程化模型和高原驾驶员行为特征模型。根据高原近地面风场紊流强烈、突风多发、受地形影响显著等特点，高原特征风场模型结合了现有典型风场的高原化选参和机场实地风场的修正。高原驾驶员模型是通过对高原自然环境中驾驶员行为特性的参数化描述，对传统驾驶员模型进行情景设定和参数修正而实现。进而描述非线性气动力模型以描述风场飞行失速和失控趋势，由此建立完整的数值研究工具。
（2）建立了新的风场飞行安全性和舒适性指标的工程化算法，并研究得到了不同风场对飞行舒适性和安全性的影响规律。引入振动总量VTV指标对风场中乘员乘坐的舒适性和飞机的安全性进行评价，通过对不同海拔、不同风场和机体不同位置的颠簸振动的度量，取得了一些熟知规律，并形成了减缓建议。
（3）揭示了高原自然环境中驾驶员行为变化对风场飞行失控危险的影响规律。飞行失控现象通过诸多关键飞行参数予以表征，引入了飞行失控的五包线指标来量化发生飞行失控的危险程度，对不同情况下人机系统的飞行失控情况进行对比和分析，明确了驾驶员不良操纵特性对于飞行失控危险的恶化作用和影响机理。
（4）建立了基于多普勒气象雷达谱宽数据进行风场评价的算法。利用多普勒气象雷达提供的风场速度谱宽数据对的紊流强度进行估计，在此基础上，可以进行风场建模和飞行仿真，进而用振动总量作为指标，对飞机穿风场飞行的安全性和舒适性进行评价，建立了一种可视化的风场安全性预测方法。