淺析民用飛機ETOPS批準

張 龍 張 昭

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

淺析民用飛機ETOPS批準

張 龍 張 昭

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

介紹了飛機延程運行（ETOPS）的發(fā)展歷程，對比分析了ICAO、FAA和EASA對于ETOPS的不同要求，概述了FAA對ETOPS型號設(shè)計批準的合格審定要求，最后研究了波音787飛機ETOPS的型號設(shè)計要求，為國產(chǎn)飛機的ETOPS設(shè)計和審定提供參考。

民用飛機；ETOPS；型號設(shè)計；適航

延程運行在不同的國家或組織機構(gòu)的定義略有不同，美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）對ETOPS的定義為Extended Operations。歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）對ETOPS的定義只針對雙發(fā)飛機，即Extended Twin Operations。ICAO對延程運行采用了不同的叫法—EDTO（Extended Diversion Time Operations），包括雙發(fā)，三發(fā)和四發(fā)飛機。

ETOPS最早的概念是由國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出，專門為了保證雙發(fā)飛機安全飛行而提出的一項特別的要求。當雙發(fā)飛機的一臺發(fā)動機或主要系統(tǒng)發(fā)生故障時，要求飛機能在剩余一臺發(fā)動機工作的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)飛抵最近的備降機場。這就是通常所說的ETOPS要求。比如，“180 min ETOPS”就是指飛機單發(fā)失效的情況下飛往備降機場所需時間不能超過180 min。

ETOPS規(guī)則主要應(yīng)用在跨洋飛行，因為此時可選擇的備降機場較少，如果沒有ETOPS能力，意味著飛機需要選擇盡量靠海岸線的航路飛行，以確保安全。ETOPS能力越強，意味著航空公司可以利用雙發(fā)飛機開辟更多的直飛航線。

1 ETOPS概述

1.1 ETOPS的發(fā)展歷程

ETOPS最早的規(guī)則建立于1936年，當時為了飛行安全，F(xiàn)AA制定了飛行航線上任意一點都必須在距一個合格機場100 mile以內(nèi)的區(qū)域，即為現(xiàn)行運行規(guī)章FAR 121.161條“飛機限制：航線類型”要求的雛形。1953年，以當時活塞發(fā)動機的可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，F(xiàn)AA規(guī)定，不允許雙發(fā)或三發(fā)飛機在距備降機場單發(fā)飛行時間超過60 min的航線上飛行，ICAO隨后采取了類似的規(guī)定。

隨著發(fā)動機的可靠性逐步提高，渦噴發(fā)動機逐漸取代了活塞發(fā)動機用于客機。1964年，F(xiàn)AA取消了對三發(fā)飛機的60 min限制，這也就讓三發(fā)飛機進行跨大西洋飛行成為可能。此后，“60 min限制”就只針對雙發(fā)飛機。1977年，F(xiàn)AA頒發(fā)了對FAR 121.161條的首次偏離，允許在加勒比海地區(qū)的75 min ETOPS運行。1983年，ICAO和FAA認為良好設(shè)計的雙發(fā)飛機進行洲際飛行、跨洋飛行是很安全的，并提出了部分指導方針，這也就形成了最初的ETOPS概念。隨著過去30年飛機發(fā)動機可靠性的不斷增強，航空業(yè)要求FAA認識到技術(shù)的發(fā)展并允許FAR 121雙發(fā)飛機飛得比FAR 121.161條規(guī)定得更遠，F(xiàn)AA于1985年頒布了咨詢通告AC 120-42《雙發(fā)飛機延程運行》，詳細說明了120 min ETOPS改航批準程序，為FAR 121雙發(fā)飛機超越規(guī)章限制的運行提供指南。

1988年，120 min ETOPS運行的經(jīng)驗促使AC 120-42修訂為AC 120-42A“雙發(fā)飛機延程運行”，將最大改航時間延長至不超過180 min，AC120-42A中包含了75 min、120 min及180 min ETOPS改航時間的設(shè)計和運行批準指南。該咨詢通告要求積累25萬發(fā)動機小時的服役經(jīng)歷。

隨著波音777型飛機的出現(xiàn)，F(xiàn)AA引入了一種新方法，使申請人可以不具備25萬發(fā)動機小時的服

役經(jīng)歷就能夠獲得ETOPS型號設(shè)計批準。這種方法被稱為“早期ETOPS”批準流程。

隨著ETOPS的逐步發(fā)展，在20世紀90年代末期，F(xiàn)AA認為不能再繼續(xù)通過運行法規(guī)的特殊批準來管理ETOPS。2000年6月，F(xiàn)AA要求航空立法咨詢委員會（Aviation Rulemaking Advisory Committee, ARAC）將現(xiàn)行的政策和措施法律化，同時要求ARAC制定ETOPS改航時間大于180 min至任何適當范圍的運行要求。

2003年11月14日，F(xiàn)AA將ARAC ETOPS工作組報告作為建議立法通告（Notice of Proposed Rulemaking，NPRM）發(fā)布。2007年1月16日，F(xiàn)AA正式頒布了FAR 25第120號修正案“多發(fā)飛機延程運行”，即新的延程運行規(guī)章，有關(guān)的規(guī)則被重新定義為延程運行，涵蓋所有具有兩臺或以上渦輪發(fā)動機的飛機。隨后，F(xiàn)AA于2008年再次修訂AC120-42A為AC120-42B “延程運行”。

1.2 ICAO、FAA和EASA關(guān)于ETOPS要求的主要區(qū)別

表1對比分析給出了ICAO、FAA和EASA關(guān)于ETOPS要求的異同點。

2 航空發(fā)動機的可靠性發(fā)展

1985年制定ETOPS規(guī)則最初的目的是：雙發(fā)飛機運行安全的整體水平能夠與三發(fā)或四發(fā)飛機一致。當雙發(fā)飛機具備ETOPS能力時，效率優(yōu)勢將會增強，更高的燃油效率，更少的燃油排放，更多的點對點城市群運行，更高的可靠性以及更低的維修成本。

表1 ICAO、FAA和EASA對于ETOPS要求的異同分析

圖1（1953年ICAO報告）給出了活塞發(fā)動機在1 000 rpm的條件下的失效概率，可以看出隨著發(fā)動機馬力的增強，發(fā)動機的失效概率也在隨之增加。

圖1 活塞發(fā)動機的失效概率

多于40年的渦輪發(fā)動機運行經(jīng)驗表明，不同于活塞發(fā)動機，渦輪發(fā)動機的失效概率不受推力或尺寸的影響。圖2分別以JT8D、V2500、RB211、CF6-80、PW4000和Trent700為例，表明了在不同推力條件下每1 000發(fā)動機小時的發(fā)動機失效概率。

圖2 渦輪發(fā)動機的失效概率

發(fā)動機的可靠性水平直接決定了飛機ETOPS的能力，發(fā)動機可靠性水平的提升為飛機的ETOPS提供了基礎(chǔ)。

3 FAA對ETOPS飛機的批準要求

一架飛機要能夠執(zhí)行ETOPS航班至少要具備2個條件，首先是制造商必須對飛機/發(fā)動機組合進行型號設(shè)計評估，并且獲得適航當局的批準，以證明該架飛機已經(jīng)具備ETOPS能力，能夠可靠和安全飛行；然后是運營該飛機的航空公司獲得適航當局的運營批準，以確保該航空公司有足夠的保障能

力、ETOPS運營經(jīng)驗，經(jīng)過這些程序之后，才會批準其執(zhí)行ETOPS航班運營。

3.1 型號設(shè)計批準的適航規(guī)章要求

ETOPS型號設(shè)計與飛機多個系統(tǒng)相關(guān)，涉及多部規(guī)章，如FAR 21“民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定”、FAR 25、FAR 33“航空發(fā)動機適航規(guī)定”、FAR 121等，其中民航運輸類飛機的ETOPS型號設(shè)計主要考慮FAR 25部的相關(guān)要求。隨著FAR 25第120號修正案的頒布，ETOPS型號設(shè)計批準的要求已經(jīng)全部納入FAR 25部規(guī)章，具體條款為25.3“ETOPS型號設(shè)計批準的專用條款”，25.1535“ETOPS批準”和附錄K“延程運行”。任何飛機制造商如果其型號設(shè)計預期進行ETOPS運行都必須滿足FAR 25部中的相關(guān)要求。

根據(jù)FAR 25附錄K25.2條的要求，雙發(fā)飛機的型號設(shè)計批準方法主要有以下3種：服役經(jīng)歷的方法、早期的ETOPS方法、以及服役經(jīng)歷和早期ETOPS方法相結(jié)合。

服役經(jīng)歷法是基于對候選飛機發(fā)動機組合的設(shè)計和服役經(jīng)歷的評估，要求飛機—發(fā)動機組合的世界機隊累積至少25萬發(fā)動機小時的服役經(jīng)歷，來確定飛機系統(tǒng)具有延程運行的能力和可靠性。此外，必須通過對空中停車率的測量證明推進系統(tǒng)的可靠性水平是可接受的。

早期ETOPS方法定義了比正常在FAR 25部下頒發(fā)新型號合格證更嚴格的分析和試驗。

3.2 型號設(shè)計批準的設(shè)計要求

ETOPS型號設(shè)計批準要求的目的包括2方面，一是防止任何能夠?qū)е略陬A定的飛行中發(fā)生ETOPS改航的故障和失效；二是在改航過程中保護飛機和機上人員的安全。

3.2.1 AC 25.1535-1X的設(shè)計要求

為了滿足這2個目的，F(xiàn)AA對飛機和發(fā)動機提出了以下幾個方面設(shè)計要求：

1）設(shè)計上需要可靠地提供ETOPS安全飛行所必需的功能。

2）消除在現(xiàn)有或已有型號設(shè)計中發(fā)生過的飛機改航的原因。

3）地面和飛行試驗。飛機飛行試驗必須演示飛機有能力進行申請人選擇的最大改航時間的ETOPS飛行。要求的飛行試驗中有部分是演示飛機能夠在更壞的運行條件下安全地進行ETOPS改航。發(fā)動機地面試驗演示發(fā)動機和飛機短艙硬件在3 000循環(huán)的模擬過程中（試驗中發(fā)動機不平衡需要達到能夠出現(xiàn)任何振動導致的故障模式的程度）能夠可靠地工作。

4）報告和糾正設(shè)計問題。在飛機研發(fā)和合格審定試驗中發(fā)生的可能影響ETOPS安全的問題，必須在獲得ETOPS批準之前證明已經(jīng)解決并納入設(shè)計。所有在飛機開始ETOPS運行之后發(fā)生的這類問題，必須立刻報告，從而使適航當局在必要時能夠及時糾正。

5）可靠性演示。飛機和發(fā)動機試驗過程中發(fā)生的失效和故障的類型和頻度，必須與目前已獲ETOPS批準的已取證飛機預期發(fā)生的失效和故障的類型和頻度相一致。

3.2.2 飛機構(gòu)型的設(shè)計要求

具體到飛機的構(gòu)型，設(shè)計要求主要包括如下幾個方面：

1）飛機/發(fā)動機組合體的安全性評估；

2）人為因素的評估；

3）推進系統(tǒng)的可靠性；

4）足夠的防冰能力；

5）電源系統(tǒng)的冗余度；

6）確定時間限制系統(tǒng)的時間性能；

7）燃油系統(tǒng)設(shè)計；

8）低燃油量告警；

9）輔助動力裝置（APU）系統(tǒng)設(shè)計；

10）飛行手冊和構(gòu)型維護程序（CMP）。

3.3 運營批準

為了使航空公司能獲得ETOPS運行許可，航空公司必須在飛行運行和程序、飛機維修和遵守最低設(shè)備清單（Minimum Equipment List，MEL）、簽派放行（飛行計劃）、ETOPS培訓（運行人員和飛行機組）、性能計算（ETOPS改航策略）、所需油量的政策等方面證明其能力。

表2對ETOPS飛機設(shè)計和運營批準要求進行了總結(jié)。

4 波音787的ETOPS型號設(shè)計要求

波音787是波音公司于2009年12月推出的全新機型，是航空史上首架超遠程中型客機。波音787的最大特點是大量采用先進復合材料、超低燃料消耗、較低的污染排放、高效益及舒適的客艙環(huán)境。

波音787在最初投入使用時被獲批了180 min的ETOPS資質(zhì)，隨著波音787運行能力的優(yōu)異表現(xiàn)，

表2 設(shè)計和運營批準的要求

服役飛機的ETOPS批準早期ETOPS批準型號設(shè)計批準至少25萬發(fā)動機小時的服役經(jīng)歷1）相關(guān)經(jīng)驗2）特定試驗3）程序驗證4）……運營批準1）120 min需要1y的服役經(jīng)歷；2）180 min需要1y的120 min服役經(jīng)歷；3）大于240 min需要2y的180 min服役經(jīng)歷1）補償因素2）技術(shù)經(jīng)驗轉(zhuǎn)移3）……注：補償因素包括具有相似技術(shù)的其它飛機或發(fā)動機相關(guān)經(jīng)驗、之前的ETOPS經(jīng)驗、具體的ETOPS培訓、ETOPS模擬等

V221

C

1003-6660（2016）05-0037-04

10.13237/j.cnki.asq.2016.05.010

[收修訂稿日期]2016-07-09