航務員碎碎念

Marker Beacon 是在飛機進場降落的航線上, 在地面上設置一些電台, 這些電台會向上發射一集中波束, 當飛機飛越這些電台上空, 機上系統接收到這些電波時, 駕駛艙內就會以燈號及聲音的方式, 提醒飛行員注意, 幫助飛行員掌握飛機與機場間的距離.

Maker beacon 的工作頻率固定為 75 MHz, 但隨著電台的不同, 內含的音頻訊號也不相同. 底下就是這五種 Maker beacon 地面台的分類 :

1. Inner : 內含 3000 Hz 的音頻, 發音方式是 "····· ...." (連續的短音, 聽起來像 " 滴 滴 滴 滴 滴  ...."). 一般設置在跑道頭 0.5 nm 之內.
2. Middle : 內含 1300 Hz 的音頻, 發音方式是 "·- ·- ·- ...." (一短音一長音, 聽起來像 " 滴答ㄚ 滴答ㄚ 滴答ㄚ...."). 一般設置在跑道頭 1 nm 之內.
3. Outer :  內含 400 Hz 的音頻, 發音方式是 " - - - - - ...." (連續的長音, 聽起來像 " 答ㄚ 答ㄚ 答ㄚ  ...."). 一般設置在跑道頭 4 nm 之內.
4. Back course : 在 Back course 時, 通常只有一個 Maker beacon 電台 (Inner),內含音頻也是 3000 Hz, 不過發音方式為 " ··    ··   ··..." (成對的短音, 聽起來像 "滴滴  滴滴  滴滴 ...."). 裝在跑道的另一端.
5. Airway : 有時在一般航路上也會裝有 Maker beacon, 可以在飛機通過某定點的時候通知飛行員. 其內含音頻也是 3000 Hz, 發音方式則為該電台的摩斯代碼.

一般機場會視其需要 (經費多寡 ?), 裝設 1 - 4 個電台 (第 5 種為航路上使用), 或甚至都不裝.

測距儀顧名思義, 是一套測量距離的儀器. 不過它可不是用來量測任意物體的距離, 而是必須配合地面電台 (DME 電台)的使用, 用來量測飛機與該電台間的距離, 屬於一種協助飛機導航的裝備.

為什麼說協助呢 ? 因為 DME 電台一般並不單獨存在, 而是與 VOR 或 ILS 電台在一起, 搭配使用. 飛行員只要做好 VOR 或 ILS 的設定工作, 若該電台有搭配 DME, 則飛機與該電台的距離, 就會顯示出來. 換句話說, DME 電台的頻率, 與 VOR/ILS 頻率是有配對的關係, VOR/ILS 頻率是多少, 就決定該 DME 的頻率是多少, 這時機上系統會自動把 DME 調到該工作頻率上, 讓 DME 運作.

不過要注意的是, DME 所量測出來的距離, 是飛機與電台間三度空間的距離, 而不是投影在地面上的二度空間距離.

飛機上的 DME 系統會以所設定的工作頻率, 發射出 "詢問" 電波, 而地面 DME 電台接受到此電波後, 就會發射一個 "回覆" 電波. 機上系統只要一比較兩個電波的時間差, 就可以算出飛機與電台間的距離了.

機上 DME 的發射頻率範圍從 1025 MHz - 1150 MHz, 接收的頻率範圍從 962 MHz - 1215 MHz, 共 252 個頻道可用, 其中 200 個給 VOR/ILS 使用, 52 個給 TACAN 使用.

所謂 ILS 是利用電波在空中建立一條航道 (三度空間中的一條直線), 在降落時, 只要飛機沿著這條航道飛, 就可以到達跑道頭完成落地. 由於電波可以穿過雲雨煙霧, 因此可以幫助飛行員在惡劣天氣狀況下降落飛機,

實際上 ILS 可分成兩套系統 : Localizer (簡稱 LOC) 負責飛機橫向方面的導引, 讓飛機可以對準跑道. 而 Glide Slope (簡稱 G/S) 則負責飛機垂直方向的導引, 讓飛機沿著一定的下滑角度, 在跑道頭著陸.

不過 ILS 的地面裝備所費不貲, 因此通常只裝在常用的跑道方向. 當機場宣佈改變跑道方向, 飛機必須從另一端降落時, 就無法使用到 ILS 的完整功能了. 因為原本 G/S 在跑道頭所設定的著陸點, 現在變成在跑道尾了, 因此無法提供 G/S 的功能. 而 LOC 只是負責讓飛機對準跑道中心線, 因此只要將電波向後發射, 還是可以提供 LOC 的功能, 但是此時訊號作了 180 度的轉變, 原本偏左的訊號, 變成了偏右的訊號. 在這種情況下, 飛行員必須將 ILS 設定為 Back Course (背向降落)模式, LOC 部份才能正常運作.

ILS 其實可以分成 LOC 與 G/S 兩部份來說明 :

• LOC : 工作頻率在  108.10 MHz - 111.95 MHz 之間 (此頻率包含在 VOR 範圍中). LOC 會以跑道中心線為準, 向左右兩邊發射 90 Hz, 與 150 Hz 兩種訊號, 當飛機飛在中心線左邊時, 90 Hz 的訊號會大於 150 Hz, 反之飛在中心線右邊時, 150 Hz 的訊號會比較強. 機上的系統就可以藉此顯示出飛機的左右偏差了.
• G/S : 其工作原理與 LOC 類似, 以 2- 3 度的角度, 朝上下方向發射 90 Hz, 150 Hz 兩種訊號. 當飛機飛行在滑降角之上時, 90 Hz 的訊號會大於 150 Hz, 反之飛在滑降角之下時, 150 Hz 訊號會比較強. G/S 的工作頻率在 329.15 MHz - 335.0 MHz 之間, 不過其頻道已與 LOC 頻道搭配, 飛行員所設定的 ILS 工作頻率都是以 LOC 為準, 一但選定 LOC 頻率, G/S 的工作頻率也跟著確定.

民航機在飛行過程中, 只有在準備降落時才會往地面接近, 其它任何時候都不應該靠近地面才對. 因此在民航機上多裝有這套 GPWS, 在飛機有往地面接近的不正常狀況時, 就會發出警告, 提醒駕駛員注意.

像前幾年, 國軍發生 E-2T 預警機未放起落架, 以機腹著陸的事件. 若機上的 GPWS (不曉得 E-2T 上有沒有裝 GPWS ?)功能正常, 在著陸之前, 飛行員就應該會收到 GPWS 的警告才對, 這也是 GPWS 的功能之一.

GPWS 越發展, 功能也越多. 目前 747-400 上用的 GPWS 除了基本的地面接近警告功能外, 還有風切 (Windshear) 的警告功能, 降落時偏離滑降角 (Glide slope) 的警告功能等.

目前中華民國民航局規定, 所有民航機都必需裝有 GPWS.

GPWS 的核心是一台名為 GPWC (Ground Proximity Warning Computer) 的電腦, 此電腦會收集機上相關的資訊 (例如飛機高度, 雷達高度, 空速, 對地速度, 起落架位置等等), 判斷飛機是否有不正常接近地面的情況. 若有, 就會對飛行員發出警告.

警告的等級分成兩種, 一為 Warning, 另一為 Alert. 其中 Warning 是比較嚴重的情況.

1. GPWS 會針對下列七種狀況發出警告 :飛機進離地不高 (RA < 2450 呎), 而且下降速度太快 ( > 5000 呎/每秒).
剛開始時是 Alert 等級, 發出的警告語音是 "SINK RATE". 若下降速度不減, 接著就會進入 Warning 等級, PFD 上顯示 "PULL UP", 警告語音是 "WHOOP WHOOP PULL UP".

2. 飛機在正常飛行或準備降落過程中, 地形急劇升高.
剛開始時是 Alert 等級, 發出的警告語音是 "TERRAIN TERRAIN". 若飛機沒有爬升, 接著就會進入 Warning 等級, PFD 上顯示 "PULL UP", 警告語音是 "WHOOP WHOOP PULL UP".

VOR 是目前航空界最常用的導航方式. 不但精確度比 ADF 高, 而且飛行員可以事先選定路徑 (Course),  VOR 的顯示儀表不但顯示該路徑, 也同時顯示飛機的飛行誤差, 對飛行員修正飛行路徑很有幫助. 事實上基乎所有的儀器飛行航路, 都是由 VOR 導航台直接或間接定義出來的.

在軍事用途上, 軍機也有類似的導航裝備, 稱為 TACAN (TACtical Air Navigation, 戰術空中導航).  TACAN 還有 DME 的測距功能, 可以說 TACAN = VOR + DME, 不過其使用的頻率屬於 UHF 範圍, 民航機無法使用. VOR 電台有時會與 TACAN 地面台設在一起, 稱為 VORTAC.

VOR 的工作頻率在 108 MHz - 117.95 MHz 之間. (這個頻率也包含 ILS 系統中 Localizer 的工作頻率)

每個 VOR 電台會發射兩種電波, 請參考下圖 :

其中紅色為一向四面八方發射的無方向性電波, 稱為 Reference signal, 在此同時, 藍色的指向性電波由正北方開始, 往東, 南, 西的順序順時針方向掃描. 兩電波的週期同為 1/30 秒.

因此只要計算出接收到兩個電波的時間差, 就可以知道飛機在電台的什麼方位上了. (註 : 以上之說明純為方便解釋 VOR 之原理, 與真正 VOR 運作方式稍有出入)

VOR 另一個重要功能就是飛行員可以事先設定路徑 (Course), 用 "路徑" 這個名詞可能容易引起誤解, 實際上應該是一個角度. 例如設定 Course 為 135, 則表示飛機的飛行路徑要在該導航台 135 度 (東南方)的方向上. 若飛機不在這條路徑上, 則機上的 VOR 顯示儀表就會把誤差的角度顯示出來.

例如下圖中, 飛機若飛在路徑的左邊, 儀表上的粉紅色棒棒, 會出現在飛機的右邊. 飛行員一看, 就可以直覺的知道自己飛偏了.

2008 年 12 月20日, 美國大陸航空 (Continental Airlines) 1404班機 (機型 : 波音 737-500), 由科羅拉多州丹佛機場起飛滾行中, 突然偏出跑道, 墜毀於跑道旁空地, 機上機組員及乘客 115名全數生還. 事後分析原因, 可能突然遭遇強勁的側風, 加上飛行員未能適當操作飛機, 導至偏出跑道墜毀.

劇情摘要:

2008年12月20日, 美國大陸航空 (Continental Airlines) 1404班機 (機型 : 波音 737-500), 由科羅拉多州丹佛機場起飛, 準備飛往休士頓. 由正駕駛負責飛機操作, 副駕駛負責監控及通信. 飛機後推後, 跟隨前方的小飛機 (Beach 1900), 滑行至 34R 跑道外待命. 小飛機起飛後, 接著大陸航空 1404 進入跑道起飛. 但在起飛滾行過程中 (接近起飛速度時), 飛機突然猛烈向左偏 (兩次), 最後偏出跑道, 衝上一旁小丘, 離地後再墜下.

飛機墜毀後, 右側引擎起火燃燒. 所幸墜毀的地方剛好是一斜坡, 機上燃油順坡而下, 沒有造成更嚴重的傷害. 機上110名乘客及5名機組員全數生還.

調查員至現場勘查飛機衝出跑道的胎痕, 發現飛機有明顯左偏的跡象. 因此朝著以下三個方向著手:

1. 方向舵: 在此之前, 波音 737 曾發生了兩起因方向舵鎖死造成的失事案例,  但在檢查過方向舵相關的零件後, 初步排除了這個可能.

2. 鼻輪鎖死 : 在跑道上發現明顯的鼻輪胎痕 (鼻輪沒有煞車, 理論上不應有明顯的摩擦胎痕), 且控制轉向的纜繩斷裂 . 但檢驗後確認纜繩是在事發後才斷裂, 與本次事件無關.

大氣壓力具有隨著地表高度遞減的特性, 因此很早就被用來當作量測飛行高度的工具. 雖然後來發展出利用雷達迴波原理的雷達高度計 (Radar Altimeter, RA), 而且精確度也比較高, 但因為僅能用在距離地面 2500 英呎範圍內, 只用在落地階段的高度指示. 目前飛機上使用的高度計, 還是以氣壓式為準, 所也有時也被稱為 "氣壓高度".

不過大氣瞬息萬變, 颱風來時, 氣壓可能低到 900多毫巴, 而冬天冷高壓來時, 可能高到 1030 毫巴, 兩者量到的高度值可能差到 1000 英呎以上. 所以氣壓高度計在使用前, 都必須進行 "歸零" 的動作, 就是把當時的海平面氣壓值輸入, 作為 0 高度時的基準氣壓. 而這個 "當時的海平面氣壓值" 就稱為 QNH, 中文稱為 "高度表撥定值".

飛行員在起飛前, 或是飛行中進入一個新的航管區域, 都必須從航管人員 (或是收聽電台 - Automatic Terminal Information Service, ATIS) 來取得當地的 QNH, 並調整飛機上的高度計, 才能在飛行中讀取正確的飛行高度.

不過如果飛行員每飛到一地, 都要如此調整高度計, 也太麻煩了. 所以當飛行超過某一高度後, 已經沒有地面障礙物的危險時, 就統一規定都撥到 1013 毫巴 (標準大氣的海平面氣壓值, 稱為 QNE). 雖然這時高度計顯示的可能不是正確的飛行高度, 但因為已經遠離地面, 沒有撞山的危險, 而且同一區域內的所有飛機都 "錯" 得一樣. 飛機也不會因為高度的誤差而撞在一起.

使用這種方式可以大幅減輕飛行員及航管員的工作負擔. 但從使用 QNH 轉換到使用 QNE 時, 中間必須有個緩衝空間, 才能避開因 "使用 QNE 所產生的高度誤差", 所帶來的碰撞危險. 這個緩衝空間稱為 Transition Layer.

同時為了更明顯的區別兩者在使用上的差別, 稱呼上也完全不同. 在 Transition Layer 之下, 仍稱為 Altitude (高度), 單位使用英呎, 而在 Transition Layer 之上, 則稱為 Flight Level (飛航空層), 同時單位為 100 英呎. 例如:

• Altitude 9,000 表示飛行在 9,000 英呎 (此時高度計使用 QNH 作為撥定值)
• FL370 表示飛行在 37,000 英呎 (此時高度計使用 QNE 作為撥定值)

機場跑道長度看似無窮無盡, 但對飛機來說, 跑道長度似乎永遠都嫌不夠. 尤其對飛長程的大型飛機而言, 常有因跑道長度不足, 而必須限制載客或載貨的例子.

在計算飛機起飛所需跑道長度時, 除了考慮飛機自加速至起飛離開地面的情況外, 還必須考量在加速途中, 萬一發生嚴重故障必須立刻煞停的狀況. 而所有故障中, 發動機失效應該是影響層面最廣的一種狀況. 不但飛機加速性能變差, 還會因為推力不平衡而增加操作上的困難. 因此在考量起飛所需跑道長度的時候, 單發動機失效就成了最重要的考量因素.

依照發動機失效的時機, 可以先以兩種極端的情況來說明. 第一種情況是發生在飛機剛開始加速時期, 這時飛機最好立刻煞車停下來, 若執意以剩下的發動機繼續起飛, 則會因為飛機加速性能不足, 而使所需的跑道長度大增, 如圖一.

第二種極端的情況, 則是飛機已經加速到接近可以離開地面的速度, 此時若執意煞停, 則需要很長的跑道長度來煞停. 但若繼續用剩下的發動機起飛, 則反而起飛所需的距離較短, 如圖二.

因此我們可以想見, 介於這兩種極端情況中間, 存在某個速度. 在這速度之下, 不管是繼續起飛還是立刻煞停, 兩者所需的跑道距離都相等, 如圖三. 

這個距離稱為"Balanced Field Length (平衡跑道長度)", 也是飛機在目前重量下, 起飛所需的最短跑道長度. 而這個速度就稱為 V1. 因為要使用這麼短的跑道, 飛行員必須嚴格遵守底下規則:

現代民航機上的蒙皮, 不但具有防止客艙加壓空氣外漏的功能, 還要承受結構上的張力, 因此一點損傷或凹痕都必須謹慎處理. 但若是非受力結構上的外皮, 如燈罩,整流罩, 維修或地勤作業用的蓋板等, 除了在飛行時會增加些阻力外, 並不會對飛機結構或安全產生影響.

當然哪些蓋板,整流罩屬於受力結構, 哪些不屬於受力結構可以受損/遺失, 就需要一本手冊來做白紙黑字的規範, 而這本手冊就叫做 Configuration Diviation Lists (CDL).

當然這本手冊不可能隨隨便便就編出來. 首先飛機製造商在申請新飛機的認證時, 就會向民航主管機關提出 Airplane Flight Manual (AFM), 這本書裡就包含了 CDL. 經過製造商國家的民航主管機關核准後的 AFM (含 CDL), 便可作為各航空公司編寫自家 CDL 的依據. 而航空公司編出來的 CDL 還要向飛機登記註冊的國家的民航主管機關申請, 核准後才能正式使用.

以上的過程與飛機系統有關的 MEL (Minimum Equipment List) 非常相似, 在實務上, 航空公司也多會將 MEL/CDL 合編為一本手冊. 不過與 MEL 不同的是, CDL 中的各項條款, 都沒有修復的期限 (MEL 中的項目都有各自的修復期限).

典型的 CDL 項目如下圖所示, 一般都會包含了機上裝置的數量, 相關的限制條件, 及可能產生油耗/飛行性能損失等.

民航機上的各系統也是機械的一種, 自然也會有故障的時候. 究竟甚麼樣的故障會影響飛機的飛行 ? 我們可以先從一般人熟悉的汽車來說明.

如果一輛汽車的引擎故障了, 自然想都不必想, 車子也別開了. 但若只是椅套破了, 杯架斷了, 我想沒有人會因此就不開這台車了. 但其他情況也許就不這麼單純了, 例如:
雨刷壞了呢? 那可能就要看當天天氣如何, 如果下雨那最好也是不要開了.
若是大燈壞了呢 ? 那晚上就不能開了, 就算白天開, 也要避開有隧道的路段.
若是油表壞了呢? 那最好每次出遠門前都加滿油, 還要盯著里程表, 用行駛的公里數來推算大概的剩油.
就算是平常沒用到的備胎, 如果今天要跑山路到偏遠的地區, 那最好還是確認一下備胎可用.

民航機的情況也是如此, 只不過這些可能的故障, 都一一用白紙黑字載明在手冊上, 讓所有相關的人員 (飛行員,空服員,維修員,簽派員,運務員) 都有一套共同依循的標準, 這本手冊就叫 Minimum Equipment List (MEL).

這麼重要的一本手冊, 當然不可能隨隨便便的編定. 首先飛機製造商在申請新飛機的認證時, 就必須向所在國的民航主管機關提出這麼一本手冊(Master MEL, MMEL), 由主管機關核准後才能取得生產飛機的核可. 之後各航空公司再以 MMEL 為本, 依據所買飛機的構型, 制定各公司該機型的 MEL (制定的標準要比 MMEL 嚴格才行), 並且還要經過飛機登記註冊國的民航主管機關核准, 才能正式生效使用.

所有民航機系統的故障, 都必須在一定的期限內修復. 修復的期限依重要性或影響層面而異, 從 1 天到 120 天不定.

下圖就是一個典型的 MMEL 條款 (MEL 也類似), 其中包括了: