EASA小型垂直起降航空器專用條件及符合性方法研究

姜延坤 劉薇薇

摘要：研究了SC-VTOL-01與CS-23各章的主要差異，分析了MOC SC-VTOL的編制思路，總結(jié)出EASA小型垂直起降航空器專用條件審定類型與運行場景相匹配的特點以及符合性方法逐漸完善和補充的趨勢。

關(guān)鍵詞：垂直起降；專用條件；符合性方法

Keywords：VTOL；special condition；means of compliance

0 引言

近年來，傳統(tǒng)航空制造業(yè)巨頭紛紛在民用垂直起降（VTOL）航空器領(lǐng)域發(fā)力，波音公司收購極光飛行科學(xué)公司研發(fā)電動垂直起降航空器，空客公司與西門子公司共同組建團(tuán)隊開發(fā)CityAirbus電動垂直起降航空器，貝爾直升機公司設(shè)計出Nexus傾轉(zhuǎn)旋翼垂直起降航空器。歐盟航空安全局（EASA）評估了150多個不同成熟度階段的垂直起降項目，發(fā)現(xiàn)這些垂直起降項目盡管具備固定翼航空器、旋翼航空器或兩者的設(shè)計特性，但在大多數(shù)情況下，EASA無法根據(jù)現(xiàn)有的審定規(guī)范將這些新型航空器劃分為傳統(tǒng)固定翼航空器或旋翼航空器。

為了促進(jìn)創(chuàng)新和公平競爭，2019年7月EASA發(fā)布《小型垂直起降航空器專用條件（SC-VTOL-01）》，該專用條件是在《正常類飛機審定規(guī)范（CS-23修正案5）》的基礎(chǔ)上開發(fā)而成，將《小型旋翼航空器審定規(guī)范（CS-27）》的元素和被認(rèn)為合適的新元素整合在一起，適用于乘客座位配置小于等于9座，審定的最大起飛重量小于等于3175kg（7000lb），具有升力/推力裝置用于產(chǎn)生升力和進(jìn)行操控，且在垂直起飛和垂直降落期間具有兩個以上升力/推力裝置提供升力的重于空氣的小型載人垂直起降航空器。

2020年5月EASA發(fā)布第1版《建議的垂直起降航空器專用條件符合性方法（MOC SC-VTOL）》，闡述了EASA對SC-VTOL-01設(shè)定的安全性和設(shè)計目標(biāo)的解釋以及如何進(jìn)行符合性驗證的可能性的說明，主要考慮對于基本設(shè)計選擇和垂直起降航空器架構(gòu)有較高安全影響的主題。

1 SC-VTOL-01與CS-23對比分析

SC-VTOL-01由A章總則、B章飛行、C章結(jié)構(gòu)、D章設(shè)計和構(gòu)造、E章升力/推力系統(tǒng)裝置、F章系統(tǒng)和設(shè)備、G章飛行機組界面和其他信息組成，CS-23修正案5除了E章名稱為動力裝置之外，其他章的名稱均與SCVTOL-01一致。二者均各有70個條款，條款內(nèi)容相同的有21條，條款內(nèi)容不相同的有49條，具體章節(jié)的條款異同情況如圖1所示。

1.1 A章主要差異

1）VTOL.2000增加了商業(yè)航空運輸、人口稠密區(qū)、可控緊急著陸、標(biāo)準(zhǔn)飛行包線、使用飛行包線、限制飛行包線、垂直起降點的定義。

2）SC-VTOL-01適用于乘客座位設(shè)置為小于等于9座且最大審定起飛重量小于等于3175kg（7000lb）的航空器，而CS-23適用于乘客座位設(shè)置為19座以內(nèi)且最大審定起飛重量小于等于8618kg（19000lb）的飛機。

3）SC-VTOL-01將審定類型分為增強類和基本類，可以根據(jù)具體運行場景需要按一種或兩種審定類型進(jìn)行審定，在人口稠密區(qū)上空運營或進(jìn)行載人商業(yè)航空運輸?shù)暮娇掌鞅仨毎丛鰪婎愡M(jìn)行審定，而CS-23僅按最大乘客座位數(shù)將飛機劃分為4個審定等級。

1.2 B章主要差異

1）VTOL.2110飛行包線取代CS 23.2110失速速度，申請人必須確定飛機在運行中每一飛行構(gòu)型下的標(biāo)準(zhǔn)、使用和限制飛行包線，確定飛行包線必須考慮最不利的飛行情況。

2）VTOL.2115起飛性能、VTOL.2120爬升要求、VTOL.2135操縱性、VTOL.2150失速特性和失速警告均刪除了根據(jù)發(fā)動機數(shù)量描述性能的內(nèi)容。

3）VTOL.2160振動刪除了高速航空器相關(guān)的性能內(nèi)容，因為SCVTOL-01適用于Vno或Vmo≤250節(jié)校準(zhǔn)空速（KCAS）或Mmo≤0.6的航空器。

4）增加了復(fù)合翼構(gòu)型的內(nèi)容，如VTOL.2135操縱性“（d）必須有可能從一種飛行狀態(tài)平穩(wěn)過渡到另一種飛行狀態(tài)，且沒有超過限制飛行包線的危險”。

1.3 C章主要差異

1）VTOL.2225部件載荷情況和VTOL.2240結(jié)構(gòu)耐久性均刪除了CS-23相應(yīng)條款增壓飛機的內(nèi)容。

2）VTOL.2240結(jié)構(gòu)耐久性增加“（e）對于增強類，必須對運行安全有重要影響的零件制定服役中的監(jiān)控措施”。

3）VTOL.2250設(shè)計和構(gòu)造原理增加鳥撞內(nèi)容“（f）必須設(shè)計成在可能的鳥撞后仍有能力進(jìn)行：（1）對于最大乘客座位設(shè)置為7座或以上的基本類，可控緊急著陸；或（2）對于增強類，繼續(xù)安全飛行和著陸”。

4）VTOL.2270應(yīng)急情況增加“（4）根據(jù)火災(zāi)不會妨礙增強類繼續(xù)安全飛行和著陸，或基本類可控緊急著陸來設(shè)計”。

1.4 D章主要差異

1）VTOL.2305起落架系統(tǒng)相較于CS 23.2305提出了新要求“（b）在所有批準(zhǔn)的情況下，航空器必須有可靠的使其停止的措施，該措施應(yīng)具有足夠的吸收著陸和起飛動能的能力，并且在停放時保持航空器在原位”。

2）VTOL.2310漂浮相較于CS 23.2310水上飛機和水陸兩用飛機的浮力增加“（b）如果要求對應(yīng)急漂浮進(jìn)行審定，航空器必須：（1）安裝經(jīng)批準(zhǔn)的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)；（2）應(yīng)急漂浮系統(tǒng)具有的漂浮裝置以及裝置與航空器的連接能夠承受適用的水載荷；并且（3）在申請人選定的水文情況下保持預(yù)定的漂浮姿態(tài)。（c）如果要求對水上迫降進(jìn)行審定，航空器必須：（1）安裝經(jīng)批準(zhǔn)的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)，且該系統(tǒng)不依賴手動啟動；（2）能夠承受適用的水載荷；并且（3）在申請人選定的水文情況下，表明能夠安全入水并保持預(yù)定的漂浮姿態(tài)”。

3）VTOL.2315 撤離設(shè)施和應(yīng)急出口增加“如果航空器包含應(yīng)急漂浮系統(tǒng)，撤離設(shè)施必須位于預(yù)定漂浮姿態(tài)下的水面之上。另外，如果要求對水上迫降進(jìn)行審定，撤離設(shè)施必須在所有穩(wěn)定的漂浮姿態(tài)下可用”。

4）VTOL.2325防火相較于CS 23.2325增加“（a）航空器設(shè)計必須盡量減小由以下原因引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險：（4）一次可生存的應(yīng)急著陸”。

1.5 E章主要差異

1）VTOL.2405和VTOL.2410刪除了CS 23.2405功率或推力控制系統(tǒng)和CS 23.2410動力裝置安裝危害性評估的內(nèi)容。

2）VTOL.2425升力/推力系統(tǒng)工作特性相較于CS 23.2425動力裝置工作特性修改（b）條為“如果安全益處超過危險，設(shè)計必須允許在制定的工作包線內(nèi)可以空中停止并再啟動升力/推力單元”。

3）VTOL.2430升力/推力系統(tǒng)裝置、儲能和配電系統(tǒng)增加了對地面人員的考慮“（a）每個系統(tǒng)必須：（6）設(shè)計成在任何可能運行情況下能夠保存能量，并將任何可生存應(yīng)急著陸期間對乘員和地面人員的危害降至最低。對于增強類，必須考慮著陸系統(tǒng)因過載導(dǎo)致的失效”。

4）VTOL.2430將CS 23.2430（4）“提供在最大連續(xù)功率或推力下至少工作半小時的燃油”修改為“（b）每個儲存系統(tǒng)必須（4）提供在標(biāo)準(zhǔn)飛行任務(wù)下足夠的備用能量”。

1.6 F章主要差異

1）VTOL.2510設(shè)備、系統(tǒng)和安裝提出了每個災(zāi)難性的失效情況是極不可能的，且不能由單點失效引起；對于增強類，必須對失效可能產(chǎn)生危險或災(zāi)難性后果的設(shè)備和系統(tǒng)建立運行監(jiān)測。

2）VTOL.2520高強輻射場（HIRF）防護(hù)相較于CS 23.2520刪除了按儀表飛行規(guī)則（IFR）批準(zhǔn)的飛機這個前提條件。

3）VTOL.2540刪除了CS 23.2540在結(jié)冰條件下的飛行條款內(nèi)容。

4）VTOL.2555飛行記錄器安裝相較于CS 23.2555增加“飛機必須安裝一臺或多臺飛行記錄器：（e）采用可接受的格式記錄；（f）或者一些數(shù)據(jù)可以被傳輸并遠(yuǎn)程記錄”。

2 MOC SC-VTOL編制思路

第1版《建議的垂直起降航空器專用條件符合性方法（MOC SCVTOL）》介紹了SC-VTOL-01中23個條款的符合性方法（MOC），不僅使EASA能夠?qū)①Y源集中在產(chǎn)生最大安全影響和迫切需要明確的領(lǐng)域，而且有助于工業(yè)界從可能會對設(shè)計決策產(chǎn)生重要影響的SC-VTOL-01設(shè)計目標(biāo)中獲得對EASA的解釋和早期了解，而不是等待詳盡的專用條件指南制定出來。

2.1 借鑒軍用標(biāo)準(zhǔn)與方法

CS-23和CS-27對航空器飛行品質(zhì)的評估是通過靜態(tài)或動態(tài)穩(wěn)定性以及對可控性和平均駕駛技術(shù)的其他要求的評估實現(xiàn)的。MOC VTOL.2135最低可接受的飛行品質(zhì)評估確定和評估增強類垂直起降航空器在正常和異常/應(yīng)急情況下飛行品質(zhì)的方法為改進(jìn)的飛行品質(zhì)評估方法（MHQRM），該方法整個過程源自美國聯(lián)邦航空管理局AC25-7D附錄E，特別采用了基于處于給定飛行狀態(tài)（FltC）的概率確定最低飛行品質(zhì)等級（HQR）的原則。最低可接受的飛行品質(zhì)等級分為滿意的（SAT）、足夠的（ADQ）和可控的（CON）。評估最低可接受飛行品質(zhì)等級將借鑒《軍用旋翼機的航空設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、性能規(guī)范和飛行品質(zhì)要求（ADS-33E）》，并將在第2版《建議的垂直起降航空器專用條件符合性方法》中公布。

2.2現(xiàn)有符合性方法的增強與簡化

CS-23僅對審定等級為4級的飛機要求位于駕駛員正前方的風(fēng)擋及其支承結(jié)構(gòu)必須能承受相當(dāng)于2lb鳥的撞擊而不被擊穿，此時飛機速度為最大進(jìn)近襟翼速度。CS-27沒有鳥撞相關(guān)的條款。而MOC VTOL.2250（f）鳥撞后的飛機性能不僅要求了類似于CS-29單次鳥撞評估，而且還要求對多次鳥撞進(jìn)行評估。

1）單次鳥撞評估：必須保證在受到1kg（2.2lb）鳥的撞擊后，7～9座基本類航空器可控緊急著陸，增強類航空器繼續(xù)安全飛行和著陸。乘客正前方的擋風(fēng)玻璃及面板的支承結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受最大速度超過50節(jié)的鳥撞而不發(fā)生穿透，其他結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和設(shè)備也應(yīng)進(jìn)行評估。在進(jìn)行危害分析時，應(yīng)考慮鳥撞的直接影響和誘發(fā)影響。

2）多次鳥撞評估：垂直起降航空器通常配備有冗余系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。為確保多次鳥撞后的繼續(xù)安全飛行和著陸（增強類）或受控緊急著陸（基本類），應(yīng)在平均海平面4000ft的正常運行的空速范圍內(nèi)，在最關(guān)鍵的構(gòu)型下進(jìn)行多次鳥撞影響評估。不需對擋風(fēng)玻璃進(jìn)行多次鳥撞評估。

MOC VTOL.2520高強度輻射場（HIRF）保護(hù)提出了解決垂直起降航空器高強度輻射場表明符合性的簡化方法。這些方法取決于垂直起降航空器的3個類別：基本類0～1名乘客、基本類2～6名乘客、基本類7～9名乘客和增強類。

2.3解釋、修改和補充ASTM標(biāo)準(zhǔn)

美國材料與試驗協(xié)會ASTM F3232/ F3232M-17是小型航空器系統(tǒng)和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。由于該標(biāo)準(zhǔn)是基于傳統(tǒng)（即機械）飛行主控制系統(tǒng)假設(shè)下制定的，因此，在一些解釋、修改和補充后才能作為VTOL.2300的電傳操縱系統(tǒng)可接受的符合性方法。

MOC 2 VTOL.2300電傳操縱飛行控制系統(tǒng)對ASTM F3232/F3232M-17標(biāo)準(zhǔn)的可接受性指出ASTM F3232/ F3232M-17標(biāo)準(zhǔn)第3節(jié)中的定義只適用于垂直起降航空器存在且沒有另外定義的概念，任何參考ASTM F3232/ F3232M-17中關(guān)于確定飛行品質(zhì)的任何標(biāo)準(zhǔn)或方法均可由參考MOCVTOL.2135代替。MOC 2 VTOL.2300還給出了電傳操縱飛行控制系統(tǒng)對ASTM F3232/F3232M-17標(biāo)準(zhǔn)的可接受性以及對ASTM F3232/F3232M-17標(biāo)準(zhǔn)第4.7節(jié)的修改和補充內(nèi)容。

2.4 專用條件作為可接受的規(guī)范

2020年1月，EASA發(fā)布《電動/混合推進(jìn)系統(tǒng)專用條件（E-19）》。由于CS-E修正案5和CS-22的H分部均沒有考慮電動和/或混合推進(jìn)系統(tǒng)，專用條件E-19的目的是提供電動和/或混合推進(jìn)系統(tǒng)的認(rèn)證要求。

MOC VTOL. 2400（b）電動/混動升力/推力單元的可接受的規(guī)范明確說明EASA關(guān)于電動/混動推進(jìn)系統(tǒng)的專用條件E-19是安裝在垂直起降航空器上的電動/混動升力/推力單元應(yīng)滿足的可接受的規(guī)范。

專用條件E-19的符合性方法將以矩陣的形式公布。申請人選擇其電動/混合推進(jìn)系統(tǒng)的組成部分。對于每一個組成部分，將會有一個專用條件相關(guān)要求建議的符合性方法。符合性方法將基于現(xiàn)有的材料：CS-E、CS-22的H分部、ASTM F3338-18、現(xiàn)有的專用條件等。

2.5 適用于第三方保護(hù)的安全性目標(biāo)

SC-VTOL-01引入與基本類和增強類相匹配的安全性目標(biāo)，表1為SCVTOL-01與AC 23.1309-1E安全性目標(biāo)對比。當(dāng)人口稠密區(qū)上空運營或進(jìn)行載人商業(yè)航空運輸時，增強類最高的安全水平適用于第三方保護(hù)。符合性方法在危險和災(zāi)難的故障條件的定義中增加了對喪失能力、嚴(yán)重傷害和死亡人數(shù)的考慮。對于基本類，定義類似于AC 23.1309-1E。對于增強類，因為在空中出租車/城市空中交通環(huán)境中預(yù)期的大量運行和公眾安全期望，危險的故障條件的定義不包含死亡人數(shù)。

3 結(jié)論

1）審定類型與運行場景相匹配

SC-VTOL-01按運行場景將審定類型分為基本類和增強類，不同的審定類型適用不同的條款，也與不同的安全性目標(biāo)相匹配。對于基本類，與CS-23相比，相應(yīng)的安全性目標(biāo)提高了一個級別，這是由于更加依賴于分布式推進(jìn)、垂直起降和其他CS-23假設(shè)可能與失效有關(guān)的系統(tǒng)。對于增強類，最高安全水平適用于保護(hù)第三方。

2）符合性方法逐漸完善和補充

EASA發(fā)布的第1版《建議的垂直起降航空器專用條件符合性方法》大部分引用CS-23和CS-27的符合性方法，部分獨特的符合性方法則借鑒軍用標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)和其他專用條件。第1版提供了1/3左右條款的符合性方法，未來仍然需要進(jìn)一步在實踐中完善符合性方法，并與工業(yè)界和研究機構(gòu)一起開發(fā)新的符合性方法。

3）民用航空制造業(yè)和維修業(yè)的新機遇

EASA在全世界率先發(fā)布小型垂直起降航空器專用條件及符合性方法，從側(cè)面反映出民用垂直起降航空器既是民用航空制造業(yè)新的發(fā)展方向，又是民用航空維修業(yè)新的發(fā)展空間。面對難得的歷史機遇，提前布局民用垂直起降航空器的制造與維修有助于在未來市場競爭中贏得寶貴的先機。

參考文獻(xiàn)

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[4] EASA. Special Condition：Electric/Hybrid Propulsion System [Z]. 2020.

[5] FAA. AC 23.1309-1E System Safety Analysis and Assessment for Part 23 Airplanes [Z]. 2011.

作者簡介

姜延坤，工程師，主要研究方向：民用航空器適航。

劉薇薇，高級工程師，主要研究方向：民用航空器適航。