運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.671（c）條款要求與分析

摘要：CCAR25.671（C）對民用飛機(jī)在飛控系統(tǒng)發(fā)生故障后的響應(yīng)提出了強(qiáng)制性的要求。首先介紹了這個條款的內(nèi)容，然后分析了該條款中的若干基本概念，提出了計算舵面卡阻位置的若干注意事項，最后描述了繼續(xù)安全飛行和著陸的評定標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：CCAR25.671（c）；操縱系統(tǒng)；卡阻位置；安全飛行；著陸

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

Analysis of Airworthiness Requirement and Validations for CCAR25.671（c）

WANG Weida

（Flight Control Department， Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai， 201210，China）

[Abstract]： The response of civilian aircraft after the failures of flight control system shall comply with the mandatory requirements that CCAR25.671（C） stressed. The content of the section is introduced firstly， and then the several basic concepts are analyzed， the some considerations of determining the jammed surface position are proposed， the assessment of continued safe flight and landing is described finally.

[Keywords]： CCAR25.671（c）； Control system；Jammed positions； Safe flight； Landing

中圖分類號： V217. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

CCAR25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》是運(yùn)輸類飛機(jī)研制中必須滿足的最低安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。飛控系統(tǒng)必須對CCAR25.671（c）等條款表明符合性。CCAR 25.671（c）條款偏重于傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓-機(jī)械方式的飛控系統(tǒng)，但也同樣適用于簡單的電控方式和復(fù)雜的電傳方式的飛控系統(tǒng)。該條款對飛控系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行了基本的分類，并要求在發(fā)生上述故障后還應(yīng)具有繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

1 CCAR25.671（c）條款內(nèi)容

CCAR25-R4版本中對條款CCAR25.671（c）的描述如下：

（c） 必須用分析、試驗或兩者兼用來表明，在正常飛行包線內(nèi)發(fā)生飛行操縱系統(tǒng)和操縱面（包括配平、升力、阻力和感覺系統(tǒng)）的下列任何一種故障或卡阻后，不要特殊的駕駛技巧或體力，飛機(jī)仍能繼續(xù)安全飛行和著陸?？赡艹霈F(xiàn)的功能不正常必須對操縱系統(tǒng)的工作只產(chǎn)生微小的影響，而且必須是駕駛員能易于采取對策的：

（1） 除卡阻以外的任何單個故障 （例如機(jī)械元件的脫開或損壞、或作動筒、操縱閥套和閥門一類液壓組件的結(jié)構(gòu)損壞） ；

（2） 除卡阻以外未表明是概率極小的故障的任意組合 （例如雙重電氣系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)的故障，或任何單個損壞與任一可能的液壓或電氣故障的組合） ；

（3） 在起飛、爬升、巡航、正常轉(zhuǎn)彎、下降和著陸過程中正常使用的操縱位置上的任何卡阻，除非這種卡阻被表明是概率極小的或是能夠緩解的。若飛行操縱器件滑移到不利位置和隨后發(fā)生卡阻不是概率極小，則須考慮這種滑移和卡阻。

2 CCAR25.671（c） 條款的基本概念

2.1 微小的影響

在某型號民用飛機(jī)的審定過程中，申請人經(jīng)過和中國民用航空局主管機(jī)械系統(tǒng)的審查代表經(jīng)過多次討論，對“微小的影響（minor effects）”定義達(dá)成了共識，認(rèn)為飛機(jī)發(fā)生故障后，如果能繼續(xù)安全飛行和著陸，那么這個過程中發(fā)生的除人員傷亡之外的任何事件（Event），對飛機(jī)產(chǎn)生的影響都可以認(rèn)為是“微小的”。任何事件包括了機(jī)體結(jié)構(gòu)可能的破損等。

2.2 概率極小的

“概率極小的”（extremely improbable）的定義較為清楚。AC/AMJ25.1309中定義發(fā)生概率為1E-9的災(zāi)難性故障是概率極小的[2]。因此可以認(rèn)為CCAR25.671（c）所考慮是單個故障，發(fā)生概率大于1E-9的多重故障組合和舵面卡阻這三類故障類別。

2.3 故障類別

“單個故障”（any single failure）則必須從飛控系統(tǒng)設(shè)備的故障模式及影響清單中進(jìn)行選取。

“任意組合”（any combination of failures）是若干數(shù)量的“單個故障”的合理組合，組合后的故障發(fā)生應(yīng)概率大于1E-9。一般情況下僅考慮2個故障的組合對飛機(jī)的影響。

由“單個故障”或“任意組合的故障”導(dǎo)致的功能不正?？赡軙a(chǎn)生不可接受的系統(tǒng)響應(yīng)。這些響應(yīng)同樣可能是舵面有限周期的振蕩，急偏，系統(tǒng)斷開，鎖死，錯誤的指示/告警等。例如對某型號民用飛機(jī)而言，雙套液壓系統(tǒng)故障發(fā)生概率的數(shù)量級是E-7，間接導(dǎo)致了飛控系統(tǒng)進(jìn)入了最小操縱面構(gòu)型。

中國民用航空局還發(fā)布了專有條件SC SE007“電子飛行控制系統(tǒng)-指令信號完整性”。該專有文件指出在表明對CCAR25.671（c）的條款符合性，還應(yīng)考慮寄生電磁信號和計算機(jī)誘發(fā)信號對電傳飛控系統(tǒng)的影響。該專有條件認(rèn)為由任何一種，或是兩種電磁干擾共同作用生成的虛假信號和（或）錯誤數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能不正常。[3]

“任何卡阻”（any jam）包含了操縱器件的卡阻與舵面的卡阻。操縱器件包括駕駛桿＼盤、腳蹬和配平開關(guān)＼旋鈕等。舵面包含了飛機(jī)的副翼、升降舵、方向舵、水平安定面、擾流板、襟翼和縫翼。

3 正常使用的操縱位置上的任何卡阻

任何能夠因為物理原因而導(dǎo)致操縱器件或飛控舵面卡阻在固定位置上的故障或事件，必須按照下面的要求來進(jìn)行評估：

1） 考慮在任何通常遇到的位置上的卡阻。

2） 除了當(dāng)考慮啟動恢復(fù)操縱的時間延遲時，不能完成著陸的著陸前位置， 假設(shè)故障可能發(fā)生在正常飛行包線內(nèi)的任何位置。

3） 發(fā)生能夠?qū)е嘛w控舵面或操縱器件卡阻在固定位置的故障后，與該單故障組合時能夠妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸的任何附加故障狀態(tài)的聯(lián)合發(fā)生概率必須小于1/1000。

25.671（c）（3）強(qiáng)調(diào)的是由于一些物理原因?qū)е露婷婊蝰{駛員操縱器件固定在故障發(fā)生時的指令位置的故障模式?？ㄗ璧奈恢脩?yīng)該是在起飛、爬升、巡航、正常轉(zhuǎn)彎、下降和著陸過程中通常遇到的操縱位置。在某些系統(tǒng)架構(gòu)下，系統(tǒng)元部件卡阻會導(dǎo)致除固定舵面位置或固定操縱器件之外的故障模式，這些類型的卡阻故障不在25.671（c）（3）中考慮。

本條款適用的飛行階段分為：起飛、飛行中（爬升，巡航，正常轉(zhuǎn)彎、下降和進(jìn)場）和著陸。因為飛機(jī)需要一定的時間和高度才能從任何重要的卡阻故障中恢復(fù)，所以正好在著陸前發(fā)生卡阻故障的情況不在本條款考慮的范圍內(nèi)。如果在V1之前發(fā)生卡阻，起飛將被中斷。

過去，采用機(jī)隊服役數(shù)據(jù)選擇卡阻的位置。服役經(jīng)驗表明控制舵面卡阻的總故障率大概在1E-6到1E-7每飛行小時?？紤]服役數(shù)據(jù)，合理的“通常遇到的位置”指的是在1000次隨機(jī)運(yùn)營架次中，在2.2節(jié)中提到的每個飛行階段，不考慮其它故障時控制舵面的偏轉(zhuǎn)范圍（從中立位置到最大偏轉(zhuǎn)位置）。

研究報告ARAC25.671與咨詢備忘錄“Policy regarding flight control jams for‘normally encountered positions’”提供了以下舵面卡阻位置的計算方法：副翼、升降舵、方向舵。提供了水平安定面、減速板、襟縫翼卡阻位置的選擇方法，但是上述文件都沒有提供操縱器件卡阻位置的計算或選擇方法。在舵面卡阻位置的算法中采用了俯仰速率，滾轉(zhuǎn)速率或加速度作為計算卡阻位置的輸入，這些輸入條件不作為故障影響評估要求。例如，輸入的速率條件不代表發(fā)生舵面卡阻故障后飛機(jī)實際具有的能力。[4][5]

條款要求發(fā)生能夠?qū)е嘛w控操縱面或駕駛員操縱器件卡阻在固定位置的故障后，與該單故障組合時能夠妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸的任何附加故障狀態(tài)的聯(lián)合發(fā)生概率必須小于千分之一。這個要求保證了發(fā)生單個故障后，最低安全水平仍然存在。同樣地，對于為主要系統(tǒng)提供備份功能的系統(tǒng)，千分之一判據(jù)為它們建立了最小可靠性要求，即使這些系統(tǒng)的故障率非常低。

4 繼續(xù)安全飛行和著陸的能力

條款強(qiáng)調(diào)了飛機(jī)發(fā)生故障后，繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。根據(jù)研究報告ARAC25.671，可以從瞬態(tài)響應(yīng)、延遲時間、操縱性、操縱力和對結(jié)構(gòu)完整性的影響5個方面評估飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

4.1 瞬態(tài)響應(yīng)

飛控系統(tǒng)發(fā)生故障后，飛機(jī)不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)不安全的瞬態(tài)響應(yīng)。對故障或?qū)е驴ㄗ璧臋C(jī)動動作的評估，其初始條件可以是在“飛機(jī)在法向過載為1g的水平飛行”。因此，安全飛行和著陸通常定義為不超過以下任意一個條件：

a） 作用在任意主要結(jié)構(gòu)上載荷足夠?qū)е聻?zāi)難性的結(jié)構(gòu)故障。

b） 災(zāi)難性地喪失了對飛機(jī)航跡的控制。

c） 超過了VDF/MDF。

d） 災(zāi)難性的顫振或振動。

e） 超過了90度的滾轉(zhuǎn)角。

在表明不超過瞬態(tài)響應(yīng)的同時，也應(yīng)當(dāng)表明對CCAR25.302條款的符合性。雖然VF通常是與繼續(xù)安全飛行和著陸相關(guān)的一個適當(dāng)?shù)乃俣认拗?，只要滿足CCAR 25.302的要求，短時超過VF是可接受的。

VDF/MDF是演示俯沖速度（Demonstrated flight diving speed）。VD/MD是設(shè)計俯沖速度（design diving speed），見圖1。VDF/MDF大于VD/MD。顫振設(shè)計保證飛機(jī)在氣動彈性包線內(nèi)的安全。正常情況下，氣彈包線是1.15VD/MD，故障狀態(tài)下，氣彈包線不小于VD/MD。因此，只要保證故障后飛機(jī)速度不超過VD/MD，就表明了符合性，可通過對試驗速度數(shù)據(jù)的分析得到該結(jié)果。

圖1 某型號民用飛機(jī)的設(shè)計包線速度

4.2 延遲時間

假設(shè)延時包括了飛行員的識別、響應(yīng)和斷開系統(tǒng)的操縱的操作，那么，延遲時間=識別時間+響應(yīng)時間+脫開的操縱時間。

識別指從發(fā)生故障到飛行員意識到需要采取操縱之間的時間?？梢酝ㄟ^飛機(jī)的姿態(tài)或可信賴的故障告警系統(tǒng)識別出功能不正常。應(yīng)當(dāng)確定識別的時間點，但是不能少于1秒。對于飛控系統(tǒng)故障，除CCAR 25.671（c）（3）描述的卡阻類型外，單獨(dú)地移動駕駛桿或駕駛盤不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是識別行為。

這個咨詢通報中的響應(yīng)時間如表1所示。

可以在地面或飛行試驗中測量脫開操縱所需的時間。該時間值應(yīng)該被應(yīng)用到所有的分析工作中。然而，在需要飛行員執(zhí)行脫開操縱的飛行試驗或人為仿真中已經(jīng)包含了這一附加的時間。因此，這些驗證不需要考慮其他的額外延遲時間。

4.3 操縱性

如果在發(fā)生故障后飛機(jī)可以執(zhí)行以下的機(jī)動動作，則通常可以表明飛機(jī)具有繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

a） 進(jìn)行穩(wěn)定的30坡度左轉(zhuǎn)彎/右轉(zhuǎn)彎；

b） 飛機(jī)穩(wěn)定在一側(cè)的30坡度飛行，迅速向另一側(cè)建立30坡度；（這個機(jī)動中，可以使用方向舵將側(cè)滑減至最小，這個動作可以不檢查）

c） 推桿到0.8g， 拉桿到1.3g；

d） 在90度側(cè)風(fēng)增大至10Kn時，可以拉平。（地面上10米測量值）

4.4 操縱力

任何超過CCAR25.143（c）所規(guī)定的短時或長時操縱力必須被評估為可接受的。這個評估應(yīng)當(dāng)包括預(yù)期飛行員群體的體力能力（包括年齡、身高和性別）和執(zhí)行預(yù)期機(jī)動動作的桿力時間周期。

短時操縱力通常被解釋為完成構(gòu)型或配平變化的時間。然而考慮到機(jī)組分擔(dān)工作的能力，CCAR25.143（c）定義的短時操縱力也許可以持續(xù)一個較長的時間周期，例如在起飛和返場階段的卡阻過程中。另外，機(jī)組也許可以通過其它方式操縱飛機(jī)。在這些場景中，應(yīng)當(dāng)驗證機(jī)組飛行手冊（AFM）中的定義分擔(dān)工作或其它操縱方式的程序。

在故障發(fā)生后的改出過程中，瞬時的操縱力可以超出上述標(biāo)準(zhǔn)一定的限度。這必須由飛行員評估超出限度的可接受性。

4.5 對結(jié)構(gòu)完整性的影響

在表明飛機(jī)在發(fā)生故障后仍然保持了可以安全飛行和著陸的結(jié)構(gòu)完整性的同時，也必須表明對CCAR25.302的符合性。對于卡阻故障，認(rèn)為其很少發(fā)生，在中定義“通常遇到的位置”時已經(jīng)留有余量，除了CCAR25.302，下面的標(biāo)準(zhǔn)也可以用來表明結(jié)構(gòu)能夠支持繼續(xù)安全飛行和著陸。

極限載荷應(yīng)該來自于下面的條件，速度最大為卡阻位置或故障狀態(tài)允許的最大速度：

a） 飛機(jī)在航路構(gòu)型，高升力裝置全收起的條件下，從0.25g到1.75g之間平衡機(jī)動；在高升力裝置全展開的條件下，從0.6g到1.4g之間平衡機(jī)動。

b） 飛機(jī)設(shè)計速度VC時，高升力裝置全收起的條件下，垂直和橫向離散突風(fēng)符合CCAR 25.341（a）中40%的限制突風(fēng)速度。在高升力裝置全展開的條件下，采用17fps垂直的和17fps迎面突風(fēng)。

5 結(jié)論

該條款要求飛機(jī)操縱系統(tǒng)在發(fā)生故障（包括單個故障、雙重故障和卡阻）后，應(yīng)該具有繼續(xù)飛行和著陸的能力。這是對民用飛機(jī)基本的和最低的能力要求。對于該條款的驗證思路及其試驗科目已經(jīng)得到了中國民用航空局的認(rèn)可，相關(guān)的符合性文件已經(jīng)得到批準(zhǔn)。

參考文件：

[1] CCAR-25-R4 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國民用航空局， 2011.

[2] AC/AMJ25.1309 System Design and Analysis[S]. Washington： FAA， 2002.

[3] SC SE007電子飛行控制系統(tǒng)-指令信號完整性[S].北京：中國民用航空局， 2014.

[4] FAR/JAR 25.671 FCHWG- ARAC Report [S]. Washington： FAA， 2010.

[5] Policy regarding flight control jams for” normally encountered positions”[S]. Washington： FAA， 1995.