大型民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航符合性要求研究

王 鵬 朱德軒 / WANG Peng ZHU Dexuan

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2. 上海交通大學(xué)，上海 200240)

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大型民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航符合性要求研究

王 鵬1,2朱德軒1/ WANG Peng1,2ZHU Dexuan1

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2. 上海交通大學(xué)，上海 200240)

為了確保飛機(jī)在起飛后就出現(xiàn)飛機(jī)故障或緊急事件的情況下，能具有快速返場著陸能力，并盡可能降低應(yīng)急著陸對飛機(jī)和飛機(jī)維護(hù)的影響，大型民用飛機(jī)通常需要安裝應(yīng)急放油系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速空中放油。通過研究對大型民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航條款的要求，總結(jié)了民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航要求的立法背景，以及適航條款要求的演變歷史和原因，并分析了具體的適航要求及相應(yīng)的符合性驗(yàn)證方法，對民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航驗(yàn)證有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

民用飛機(jī)；應(yīng)急放油；適航要求

0 引言

與支線機(jī)和窄體干線機(jī)不同，大型民用飛機(jī)通常設(shè)置應(yīng)急放油系統(tǒng)，以保證飛機(jī)在空中緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)快速空中放油，迅速降低飛機(jī)所攜帶的燃油重量，來降低飛機(jī)著陸風(fēng)險(xiǎn)。

緊急情況包括飛機(jī)起飛時(shí)就出現(xiàn)系統(tǒng)故障、飛機(jī)遭遇恐怖襲擊或者乘客突發(fā)疾病需要馬上降落就醫(yī)等。歷史上最大規(guī)模的飛機(jī)應(yīng)急放油發(fā)生在2001年“9.11”恐怖襲擊當(dāng)天，在恐怖分子挾持民航飛機(jī)撞擊世貿(mào)大樓和五角大樓之后五分鐘，F(xiàn)AA簽發(fā)指令禁止全美境內(nèi)所有飛機(jī)起飛，并要求已在美國領(lǐng)空飛行的4 000多架飛機(jī)盡快尋找最近機(jī)場降落。與通航飛機(jī)和干/支線飛機(jī)直接降落不同，大量的大型客機(jī)通過應(yīng)急放油降低飛機(jī)重量后才進(jìn)入近進(jìn)完成降落過程。最終在FAA發(fā)出指令后一個(gè)小時(shí)內(nèi)，約3 500架飛機(jī)完成了最終降落。其中，應(yīng)急放油系統(tǒng)在保證飛行安全，降低航后維護(hù)工作量方面起到了舉足輕重的作用。

本文研究了大型民用運(yùn)輸類飛機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)相關(guān)的適航符合性要求和立法演變歷史，并分析形成了初步符合性驗(yàn)證技術(shù)，為今后遠(yuǎn)程寬體客機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)的符合性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作提供了理論支持。

1 應(yīng)急放油系統(tǒng)概述

應(yīng)急放油系統(tǒng)是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過布置于燃油箱內(nèi)的應(yīng)急放油泵將燃油壓力泵入應(yīng)急放油總管，通過隔離閥和機(jī)翼后緣的應(yīng)急放油噴嘴，實(shí)現(xiàn)快速的空中燃油排放。

圖1 空中應(yīng)急放油

通常而言，大型民用運(yùn)輸類飛機(jī)的應(yīng)急放油系統(tǒng)和供輸油系統(tǒng)深度交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。如對于超控供油構(gòu)型，中央翼油箱的超控泵具有高出口壓力大流量的特性，非常適宜在應(yīng)急放油過程中兼做應(yīng)急放油泵。相應(yīng)地，加放油總管通常也兼作應(yīng)急放油總管使用。圖2給出了典型的應(yīng)急放油系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 典型民用飛機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)構(gòu)架

2 應(yīng)急放油系統(tǒng)的適航要求立法過程

14CFR25中的25.1001條款明確了對應(yīng)急放油系統(tǒng)的要求，該條款源自于1953年的CAR4b.437?；陲w機(jī)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的考量，通常情況下，飛機(jī)最大著陸重量要小于飛機(jī)最大起飛重量。而活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃油消耗速率較慢，無法在飛機(jī)起飛就需要返場著陸的緊急情況下，快速地將飛機(jī)重量降低到著陸重量之下，由此提出了空中應(yīng)急放油的要求。

隨后的數(shù)十年間，隨著工業(yè)界技術(shù)水平的不斷提高，F(xiàn)AA對25.1001條款也進(jìn)行了相應(yīng)修訂。

表1 25.1001條款演變歷史

1968年，隨著渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)方和審查方都意識到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率相對活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來說要快得多。且現(xiàn)有的飛機(jī)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)輸類飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)可以保證飛機(jī)在以最大起飛重量著陸時(shí)具有一定的安全性保證。反而是飛機(jī)在快速復(fù)飛后再次進(jìn)場和著陸時(shí)，飛機(jī)過重可能對其爬升性能具有實(shí)質(zhì)性不利的影響。因此，F(xiàn)AA認(rèn)識到與其依據(jù)飛機(jī)的起飛/著陸重量比來粗略判斷是否需要設(shè)置應(yīng)急放油系統(tǒng)，還不如根據(jù)飛機(jī)的爬升性能來確定必要性。25.119和25.121(d)分別是飛機(jī)全發(fā)著陸爬升和單發(fā)進(jìn)場爬升的要求。因此，進(jìn)場和著陸階段的飛機(jī)重量必須降到能夠滿足以上兩個(gè)條款爬升率所對應(yīng)的飛機(jī)重量，才能保證返場飛行安全。最極端的情況是，飛機(jī)快速復(fù)飛后在起飛機(jī)場完成著陸。在這種情況下，一架未安裝應(yīng)急放油系統(tǒng)的飛機(jī)，就必須保證在飛機(jī)重量為最大起飛重量減去復(fù)飛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃油量的情況下，能滿足25.119和25.121(d)相關(guān)的爬升要求。否則必須加裝應(yīng)急放油系統(tǒng)。

1984年FAA對條款進(jìn)行第二次修訂，主要澄清了針對活塞發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)間關(guān)于應(yīng)急放油系統(tǒng)的要求差別，同時(shí)還對文字進(jìn)行了簡化。

2002年FAA對條款進(jìn)行第三次修訂，對應(yīng)急放油演示飛行的飛行速度進(jìn)行了修訂，由1.4VS1修訂為1.3VSR1。

3 25.1001條款要求及分析

3.1 適航條款要求

從條款本身來說，現(xiàn)行的14CFR25、CS25以及CCAR25中，對應(yīng)急放油系統(tǒng)的適航要求是一致的：

25.1001 應(yīng)急放油系統(tǒng)

(a)飛機(jī)必須設(shè)置應(yīng)急放油系統(tǒng)，除非證明該飛機(jī)在下述條件下能滿足25.119和25.121(d)的爬升要求：飛機(jī)重量為最大起飛重量減去15min飛行(包括在出航機(jī)場起飛、復(fù)飛和著陸)所需燃油的實(shí)際重量或計(jì)算重量，而飛機(jī)形態(tài)、速度和功率(推力)滿足本部有關(guān)的起飛、進(jìn)場和著陸爬升性能要求。

(b)如果要求設(shè)置應(yīng)急放油系統(tǒng)，則該系統(tǒng)必須能從本條(a)給定的重量開始，在15 min內(nèi)放出足夠量的燃油，使飛機(jī)能滿足25.119和25.121(d)的爬升要求，假定應(yīng)急放油在本條(c)所述飛行試驗(yàn)的最不利條件(重量條件除外)下進(jìn)行。

(c)必須從最大起飛重量開始，在襟翼和起落架收起形態(tài)以及下列飛行條件下演示應(yīng)急放油：

(1)以1.3VSR1 速度無動(dòng)力下滑；

(2)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)停車，其余發(fā)動(dòng)機(jī)為最大連續(xù)功率(推力)，以單發(fā)停車最佳爬升率的速度爬升；

(3)以1.3VSR1 速度平飛，如果本條(c)(1)和(2)規(guī)定條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明平飛可能是臨界情況。

(d)在本條(c)所述飛行試驗(yàn)中，必須表明下列各點(diǎn)：

(1)應(yīng)急放油系統(tǒng)及其使用無著火危險(xiǎn)；

(2)放出的燃油應(yīng)避開飛機(jī)的各個(gè)部分；

(3)燃油和油氣不會進(jìn)入飛機(jī)的任何部位；

(4)應(yīng)急放油對飛行操縱性沒有不利影響。

(e)對于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，必須具有措施，防止將起飛著陸所用油箱內(nèi)的燃油應(yīng)急排放到小于以75%最大連續(xù)功率飛行45min的需用油量，如果裝有與應(yīng)急放油主控制器相對獨(dú)立的輔助控制器，則可將應(yīng)急放油系統(tǒng)設(shè)計(jì)成利用應(yīng)急放油輔助控制器放出余下的燃油。

(f)對于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，必須具有措施，防止將起飛著陸所用油箱內(nèi)的燃油應(yīng)急放到小于從海平面爬升到3 000m(10 000ft )，然后再以最大航程速度巡航45min的需用油量。但是，如果裝有與應(yīng)急放油主控制器相獨(dú)立的輔助控制器，則可將應(yīng)急放油系統(tǒng)設(shè)計(jì)成利用應(yīng)急放油輔助控制器放出余下的燃油。

(g)應(yīng)急放油閥的設(shè)計(jì)，必須允許飛行人員在應(yīng)急放油過程中的任何時(shí)刻都能關(guān)閉放油閥。

(h)除非表明改變機(jī)翼或其周圍氣流的任何手段(包括襟翼、縫翼和前緣襟翼)的使用，對應(yīng)急放油無不利影響，否則必須在應(yīng)急放油控制器近旁設(shè)置標(biāo)牌，警告飛行機(jī)組人員：在使用改變氣流手段的同時(shí)，不得應(yīng)急放油。

(i)應(yīng)急放油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須使系統(tǒng)中任何有合理可能的單個(gè)故障，不會由于不對稱放油或不能放油而造成危險(xiǎn)。

3.2 適航要求分析

25.1001條款從系統(tǒng)必要性、系統(tǒng)性能、飛行驗(yàn)證、系統(tǒng)操作和安全性等多個(gè)角度對應(yīng)急放油系統(tǒng)的符合性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程進(jìn)行了明確。

表2 25.1001條款要求分析

(a)條規(guī)定了需要安裝應(yīng)急放油系統(tǒng)的條件：如果飛機(jī)在15min飛行(包括最大重量起飛和立即返航著陸)后現(xiàn)存的重量條件下能滿足25.119及25.121(d)的爬升要求，就不需要應(yīng)急放油系統(tǒng)。飛行時(shí)間定義為15min是因?yàn)榈湫偷囊淮慰焖購?fù)飛過程需要15min。

(b)條規(guī)定了如果因不能滿足(a)條要求，需要設(shè)置應(yīng)急放油系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)急放油系統(tǒng)最低流量率的條件。實(shí)際飛行中，總共的飛行過程是30min，其中15min是典型的起飛、復(fù)飛以及進(jìn)場飛行所消耗的時(shí)間，另15min是實(shí)際用于應(yīng)急放油至25.1001(a)條規(guī)定重量的時(shí)間。通常而言，25.1001(a)條規(guī)定重量仍大于飛機(jī)的最大著陸重量，飛機(jī)應(yīng)具有繼續(xù)放油的能力，以供飛行員根據(jù)緊急事件的實(shí)際情況評估是否還需繼續(xù)放油，以降低著陸過程對飛機(jī)的影響，并降低檢修維護(hù)的工作量，此時(shí)繼續(xù)放油時(shí)間則不受限制。

(c)條規(guī)定了驗(yàn)證飛行的飛行條件。

(d)條規(guī)定了驗(yàn)證飛行中應(yīng)驗(yàn)證應(yīng)急放油過程不能使飛機(jī)有著火危險(xiǎn)或?qū)︼w機(jī)操縱有不利影響。

(e)(f)條分別規(guī)定了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的應(yīng)急放油系統(tǒng)最小余油要求。即即使出現(xiàn)誤操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也應(yīng)能保證避免將燃油箱內(nèi)燃油全部放出。

(g)條要求應(yīng)急放油閥的設(shè)計(jì)必須允許飛行人員在應(yīng)急放油過程中的任何時(shí)刻都能關(guān)閉放油閥。

(h)條要求如機(jī)翼作動(dòng)面對應(yīng)急放油有不利影響，必須在應(yīng)急放油控制器近旁設(shè)置標(biāo)牌，警告飛行機(jī)組人員。實(shí)際在大型民用運(yùn)輸類飛機(jī)上，應(yīng)急放油嘴的布置可避免各種機(jī)翼作動(dòng)面對放油過程的不利影響。

(i)“合理可能的單個(gè)故障”參考25.1309條款的要求，指發(fā)生概率大于10E-5的單點(diǎn)故障，尤其考慮供電失效的影響。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)急放油系統(tǒng)需要采用余度、失效安全設(shè)計(jì)特征，使系統(tǒng)在出現(xiàn)單故障時(shí)還能實(shí)施應(yīng)急放油(有可能放油速率降低)。

3.3 其它考慮

除了25.1001條款所要求的爬升性能要求之外，實(shí)際在確定是否需要應(yīng)急放油系統(tǒng)時(shí)，為確保安全返場著陸，還必須考慮返場著陸的性能要求：

1)飛機(jī)重量是否超出最大著陸重量，以及這種超重著陸對飛機(jī)的危害和對維護(hù)工作的影響；

2)超出合格審定批準(zhǔn)的最大剎車能量限制；

3)超出輪胎速度限制；

4)可操縱性(即液壓或飛行操縱系統(tǒng)失效)；

5)襟翼標(biāo)牌速度的余量，或紊流情況下襟翼卸載操作速度的余量；

6)著陸距離(包括濕跑道、防滯功能喪失、擾流板失效等)。

4 應(yīng)急放油系統(tǒng)適航驗(yàn)證要求分析

驗(yàn)證方法主要有以下幾個(gè)方面：

1)設(shè)計(jì)說明

通過應(yīng)急放油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作原理和安裝圖，表明系統(tǒng)能滿足相關(guān)功能要求。

2)計(jì)算分析

通過計(jì)算分析，表明應(yīng)急放油系統(tǒng)應(yīng)能滿足相關(guān)的應(yīng)急放油速率要求，還需考慮各種失效情況對飛機(jī)放油性能和重心的影響。

3)安全性分析

通過安全性分析，驗(yàn)證應(yīng)急放油系統(tǒng)對(i)款要求的符合性，即系統(tǒng)中任何合理可能的單一故障，不會由于不對稱放油或不能放油而造成危險(xiǎn)。

4)地面試驗(yàn)

開展必要的臺架試驗(yàn)或機(jī)上地面試驗(yàn)，驗(yàn)證應(yīng)急放油系統(tǒng)的功能和性能。

5)飛行試驗(yàn)

通過飛行試驗(yàn)，演示在合理預(yù)期的飛行條件下，應(yīng)急放油系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出規(guī)定量的燃油，放出的燃油沒有進(jìn)入飛機(jī)其它部位，無著火或?qū)︼w行操縱品質(zhì)有不利影響的危險(xiǎn)情況發(fā)生。飛行試驗(yàn)中，還應(yīng)演示在應(yīng)急放油過程中中斷放油，實(shí)施人工關(guān)閉放油閥的操作的有效性。此外，還應(yīng)通過試飛驗(yàn)證，在操縱襟/縫翼放下情況下，應(yīng)急放油操作不會受到不利影響。

特別的，放油應(yīng)在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行，放油高度盡可能不低于3 000m，以保證燃油落地前經(jīng)過霧化、揮發(fā)。放油要避開強(qiáng)靜電區(qū)域，需要保持飛行間距避免穿越放油油帶。在放油實(shí)施前，必須向該空域的空管報(bào)告，以便及時(shí)調(diào)度該空域內(nèi)其他航空器避讓開放油區(qū)域。

5 總結(jié)

本文回顧了應(yīng)急放油系統(tǒng)適航條款立法過程，條款要求修訂內(nèi)容和原因。研究總結(jié)了大型民機(jī)應(yīng)急放油系統(tǒng)適航條款的要求，并通過分析條款具體要求內(nèi)容和含義，給出了初步適航符合性驗(yàn)證方法建議，可為后續(xù)大型民用飛機(jī)型號應(yīng)急放油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證提供幫助和借鑒。

[1] 中國民用飛機(jī)航空局.CCAR-25中國民用航空規(guī)章第25部：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] Amdt. 25-18， 33 FR 12226，Aug. 30，1968.

[3] Amdt. 25-57，49 FR 6848， Feb. 23，1984.

[4] Amdt. 25-108， 67 FR 70827，Nov. 26，2002.

Research on Airworthiness Requirement of Jettison System for Large Commercial Aircraft

(1. Shanghai Aircraft Design Institute, Shanghai 201210, China;2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In case of aircraft fault or emergency right after take-off, in order to ensure quick return landing and reduce the impact of emergency landing on aircraft and its maintenance, jettison system is necessary on large civil aircraft for quick in-flight fuel jettison. This paper studies the airworthiness requirements of jettison system, summarized the legislative background, along with airworthiness requirements evolution and causes, and recommends compliance method. The method can be used as reference for civil aircraft jettison system design and airworthiness verification.

commercial aircraft; jettison system; airworthiness requirement

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.006

V221+.91

A