民用直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng)適航專用條件分析

馬立群，楊士斌，石林軒

（中國民航大學(xué)適航學(xué)院，天津300300）

0 引 言

直升機(jī)電傳（Fly-by-wire，簡(jiǎn)稱FBW）飛控系統(tǒng)是指利用電氣信號(hào)形式，通過電纜實(shí)現(xiàn)飛行員對(duì)直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)操縱的控制系統(tǒng)［1］。相較于傳統(tǒng)機(jī)械連接形式，電傳飛控系統(tǒng)具有一系列明顯優(yōu)勢(shì)，包括：改善飛行品質(zhì)，提升性能；提高可靠性、維修性及生存性；減輕重量，減小體積，降低費(fèi)用；消除機(jī)械操縱的反常現(xiàn)象等［2］。目前在民用航空器領(lǐng)域，電傳飛控在飛機(jī)上應(yīng)用較多，可以通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行、自動(dòng)著陸、高升力控制和水平安定面控制等功能［3-4］。

電傳飛控在民用直升機(jī)上應(yīng)用較晚。從20世紀(jì)70年代中期開始，由于直升機(jī)的特殊性：復(fù)雜的氣動(dòng)特性和強(qiáng)軸間耦合，設(shè)計(jì)師開始考慮將電傳飛控系統(tǒng)應(yīng)用在直升機(jī)上，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制律設(shè)計(jì)，并添加更多的解耦和保護(hù)功能［4-5］。當(dāng)前，典型的電傳飛控直升機(jī)有Bell-525和S-92等。Bell-525是世界上第一架電傳操縱民用直升機(jī)，它作為全球首款同時(shí)采用側(cè)桿和三余度電傳兩種技術(shù)的商用直升機(jī)，目前全面設(shè)計(jì)階段已完成，適航取證階段正在推進(jìn)。FBW系統(tǒng)是S-92民用直升機(jī)設(shè)計(jì)上的最大亮點(diǎn)，S-92先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)使用三個(gè)冗余通道，每個(gè)通道都帶有自檢功能，并且有兩重輸入/輸出信號(hào)通道，通過冗余設(shè)計(jì)來保障系統(tǒng)安全性。

從適航設(shè)計(jì)與審定角度來看，如果適航條款不能覆蓋到所有的新穎設(shè)計(jì)，需要針對(duì)具體設(shè)計(jì)制定專用條件。專用條件的定義是：當(dāng)申請(qǐng)人提出展示滿足符合性的適航標(biāo)準(zhǔn)版本和相應(yīng)的修正案，不包含足夠的針對(duì)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，在原有適航標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上為其制定的條款。電傳飛控相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械控制來說，由于控制律形式極大豐富，使得控制功能和模式也更為多樣。從表明安全的角度出發(fā)，CCAR 29部（以下簡(jiǎn)稱29部）適航條款未能完全考慮到這些變化帶來的影響，其中包含：（1）當(dāng)表明對(duì)29部C分部和D分部結(jié)構(gòu)要求的符合性時(shí)，未考慮到控制形式變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；（2）29.143條款要求飛行員對(duì)操縱權(quán)限具有感知能力，而電傳飛控直升機(jī)的感知方式與機(jī)械式完全不同，條款不能覆蓋特性；（3）目前27部和29部標(biāo)準(zhǔn)并未給出旋翼機(jī)先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛行員的提示與告警，因此需要通過專用條件對(duì)先進(jìn)飛行控制的性能提出要求；（4）電傳飛控引入了包線保護(hù)系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)自身的安全性需要進(jìn)行表明，適航條款未涉及到這一系統(tǒng)；（5）電傳飛控系統(tǒng)中存在大量的電子元器件，外界環(huán)境、電子元器件失效、電子線路變化都可能引起非指令信號(hào)故障，對(duì)安全產(chǎn)生影響，當(dāng)前27部和29部規(guī)章沒有考慮通過標(biāo)準(zhǔn)電纜使用數(shù)字指令和控制線路的新型電子系統(tǒng)的非預(yù)期改變信號(hào)特性，對(duì)這一問題，需要在29.671和29.672的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充。綜上，對(duì)于直升機(jī)的電傳飛控系統(tǒng)適航審定，現(xiàn)有規(guī)章無法全面覆蓋新穎設(shè)計(jì)，因此需要專用條件補(bǔ)充現(xiàn)有條款來表明設(shè)計(jì)的安全性。

國內(nèi)外對(duì)電傳飛控的上述設(shè)計(jì)特征進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)考慮和驗(yàn)證。加拿大NRC的Bell-412電傳飛控直升機(jī)在后期改型中，需要加裝飛行載荷單元和聯(lián)合多任務(wù)光電系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中充分考慮了電傳飛控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的交聯(lián)，并進(jìn)行了模擬器和試飛試驗(yàn)［6］；J.M.Morgan［7］結(jié)合電傳飛控直升機(jī)幾種不同的側(cè)桿形式，考慮了力感形式對(duì)飛行員操縱的影響，并在Bell-205直升機(jī)上進(jìn)行了飛行員試驗(yàn)；S-92配備有先進(jìn)駕駛艙，可以為飛行員提供多級(jí)的顯示告警和音頻告警［8］；M.Alexander等［9］為了保證電傳飛控指令信號(hào)的正確性，在系統(tǒng)中加入了指令信號(hào)確認(rèn)算法，并通過試飛試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文結(jié)合直升機(jī)的電傳飛控系統(tǒng)適航審定背景，針對(duì)民用直升機(jī)電傳飛控適航專用條件——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件、操縱權(quán)限感知專用條件、飛行機(jī)組告警專用條件、飛行包線保護(hù)專用條件、指令信號(hào)完整性專用條件，給出條件關(guān)注的技術(shù)內(nèi)容，對(duì)條款制定的背景和意義進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)計(jì)特點(diǎn)和條款給出現(xiàn)有的符合性方法和符合性設(shè)計(jì)，并提出若干設(shè)計(jì)思考。

1 專用條件主要內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件主要考慮的是：增加電傳飛控系統(tǒng)會(huì)引入很多新功能，需要判斷這些功能的使用過程和故障狀態(tài)是否會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響和破壞。該專用條件定義的準(zhǔn)則僅適用響應(yīng)和性能對(duì)結(jié)構(gòu)有直接影響的系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件內(nèi)容主要提出：對(duì)于配備了系統(tǒng)可直接影響，或其故障與失效會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能的旋翼航空器，當(dāng)表明對(duì)29部C分部和D分部要求的符合性時(shí)，必須考慮到這些系統(tǒng)及其故障狀態(tài)的影響。

對(duì)于配備了飛行控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛儀、增穩(wěn)系統(tǒng)、載荷減緩系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng)及其他可直接影響，或故障狀態(tài)可影響結(jié)構(gòu)性能的旋翼航空器，必須使用一定的準(zhǔn)則來表明對(duì)該專用條件的符合性。若這些專用條件用于其他系統(tǒng)，則有必要依特定系統(tǒng)調(diào)整適用準(zhǔn)則。

此外，系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響需要分別考慮系統(tǒng)正常工作和發(fā)生故障兩種情況，在正常工作時(shí)，限制載荷必須在系統(tǒng)的所有正常運(yùn)行構(gòu)型下，旋翼航空器必須符合29部中的強(qiáng)度要求和氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性［10］。而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)任何未表明是極不可能出現(xiàn)的系統(tǒng)失效狀態(tài)時(shí)，必須表明在失效發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)安全，和失效狀態(tài)下繼續(xù)飛行的結(jié)構(gòu)安全。此外，還必須具有充分的系統(tǒng)失效的探測(cè)和指示。

1.2 操縱權(quán)限感知專用條件

傳統(tǒng)的飛行控制是由飛行員對(duì)操縱桿和腳蹬相對(duì)于操縱止動(dòng)器位置的固有感知來判斷是否接近操縱限制。電傳飛控系統(tǒng)的操縱裝置與作動(dòng)器之間沒有機(jī)械連接，駕駛艙操縱與主旋翼或尾槳作動(dòng)器位置之間不具有直連的相關(guān)性，因此飛控系統(tǒng)不能通過與操縱位置物理止動(dòng)或限制相關(guān)的駕駛艙操縱位置，為飛行員提供操縱權(quán)限反饋的觸覺提示［11］。

因此審定過程中要通過提出操縱權(quán)限感知專用條件，作為現(xiàn)有29.143要求的補(bǔ)充：系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證，無論主飛行控制以任何方式接近操縱權(quán)限邊界時(shí)，飛行員都應(yīng)獲得適當(dāng)?shù)母兄?/p>

1.3 飛行機(jī)組告警專用條件

該專用條件要求飛行機(jī)組告警必須具備以下功能：（1）提供飛行機(jī)組所需信息；（2）在所有可預(yù)見的操作條件下，包括在提供多個(gè)告警的條件下，對(duì)于機(jī)組而言是可讀的、易察覺的以及清晰的；（3）當(dāng)報(bào)警條件不存在時(shí)及時(shí)解除。另外，基于飛行機(jī)組意識(shí)和響應(yīng)的緊迫性，告警必須符合優(yōu)先級(jí)排序，即警告—戒備—提示。

警告和戒備必須必要時(shí)在每個(gè)類別中優(yōu)先考慮；能夠通過聽覺、視覺或觸覺指示的組合，以至少兩種不同的感覺提示來提供及時(shí)的注意力，對(duì)于該注意力提示，除非要求提示是連續(xù)的，否則應(yīng)使得每個(gè)提示的發(fā)生能夠被確認(rèn)并且能夠被抑制［12］。

告警功能必須通過設(shè)計(jì)最大限度地減少錯(cuò)誤和虛假告警。特別是它的設(shè)計(jì)要滿足：防止發(fā)生不適當(dāng)或不必要的告警；需要提供一種手段，抑制由于告警功能故障觸發(fā)警報(bào)而導(dǎo)致的注意力分散，從而妨礙飛行員安全操作直升機(jī)。這種方式不能過度容易地提供給飛行員，以免其無意中或習(xí)慣性地使用。當(dāng)告警被抑制時(shí)，必須清楚明確地告知飛行機(jī)組告警已被抑制［13］。

此外，視覺告警指示必須遵循一定的顏色規(guī)律，且顏色使用不可妨礙飛行機(jī)組告警功能。

1.4 飛行包線保護(hù)專用條件

為了實(shí)現(xiàn)包線保護(hù)，當(dāng)飛行器接近或超過限制時(shí)，電子飛行控制系統(tǒng)（Electric Flight Control System，簡(jiǎn)稱EFCS）的控制律將發(fā)生顯著改變。相應(yīng)地，當(dāng)EFCS發(fā)生故障時(shí)，飛行包線保護(hù)功能也會(huì)發(fā)生變化或喪失。目前規(guī)章無法覆蓋這些新穎、獨(dú)特的保護(hù)功能，因此需要采用相應(yīng)的專用條件［11］。

直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng)飛行包線保護(hù)必須滿足以下要求：每一個(gè)飛行包線保護(hù)功能的啟動(dòng)特性必須平滑，并與其飛行階段和機(jī)動(dòng)類型相適應(yīng)，且不會(huì)妨礙飛行員改變旋翼航空器飛行航跡、速度或姿態(tài)的操縱。受保護(hù)的飛行參數(shù)限制值（有時(shí)也考慮相關(guān)警告門限值）必須同結(jié)構(gòu)、機(jī)動(dòng)、臨界條件的裕度、旋翼和漿葉限制等相協(xié)調(diào)［14］。

航空器必須對(duì)駕駛員想要進(jìn)行的機(jī)動(dòng)作出響應(yīng)，直至在參數(shù)限定的合適范圍內(nèi)。當(dāng)大氣條件或無意的駕駛員動(dòng)作導(dǎo)致超越批準(zhǔn)的飛行包線時(shí)，飛行包線保護(hù)系統(tǒng)不能產(chǎn)生非正?；蛴泻Φ娘w行特性。當(dāng)包線限制同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，不能導(dǎo)致不利的耦合或產(chǎn)生不利的優(yōu)先權(quán)。

如果出現(xiàn)未被表明極不可能的飛行包線保護(hù)單獨(dú)失效，旋翼航空器必須：（1）能夠繼續(xù)安全飛行和著陸；（2）能夠?qū)嵤┕收霞m正，不需要特殊駕駛技巧和力量；（3）當(dāng)運(yùn)行在飛控系統(tǒng)降級(jí)模式時(shí)，在飛行手冊(cè)規(guī)定的可用飛行包線內(nèi)，旋翼航空器仍可操縱和機(jī)動(dòng)；（4）能夠持續(xù)儀表飛行，不需要特殊的駕駛技巧；（5）在整個(gè)可用飛行包線內(nèi)，滿足29部B分部規(guī)定的操縱性和機(jī)動(dòng)性要求；（6）如果在批準(zhǔn)的飛行包線內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生任何未被表明極不可能的失效或故障，航空器應(yīng)可以安全操縱。

1.5 指令信號(hào)完整性專用條件

當(dāng)前CS25規(guī)章已經(jīng)將“指令信號(hào)完整性”專用條件內(nèi)容要求變?yōu)殡娮语w控系統(tǒng)滿足25.671必須要滿足的內(nèi)容。PS-ASW-27，29-09政策聲明中也描述了先進(jìn)飛控主信號(hào)提供航空器的唯一控制，必須具有附加層級(jí)的仔細(xì)檢查。因此需要考慮指令信號(hào)的完整性對(duì)安全的影響。

指令信號(hào)完整性專用條件主要內(nèi)容考慮：除符合現(xiàn)行671和672的要求外，還需滿足：

（1）無論飛機(jī)集成系統(tǒng)環(huán)境出現(xiàn)任何故障，或環(huán)境內(nèi)部或外部的干擾，飛行控制系統(tǒng)都必須能持續(xù)地執(zhí)行其預(yù)期的功能。

（2）任何氣動(dòng)力回路內(nèi)發(fā)生故障的系統(tǒng)，不應(yīng)產(chǎn)生不安全水平的非指令性動(dòng)作，并應(yīng)具有在故障影響消除后，自動(dòng)恢復(fù)執(zhí)行關(guān)鍵功能的能力。

（3）氣動(dòng)力回路內(nèi)的系統(tǒng)，在暴露于任何故障源之中或暴露后，不應(yīng)受到不利的影響。

（4）由于故障、內(nèi)部或外部干擾導(dǎo)致的單個(gè)單元或組件損壞，同時(shí)這些損壞需要通告機(jī)組，要機(jī)組采取措施，則必須經(jīng)審查組識(shí)別和批準(zhǔn)，以保證機(jī)組能夠識(shí)別，同時(shí)還應(yīng)保證建議的機(jī)組動(dòng)作能產(chǎn)生預(yù)期的效果，使飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸。

（5）由虛假信號(hào)，如內(nèi)部或外部干擾，或是功能故障引發(fā)的，導(dǎo)致系統(tǒng)從正常模式到降級(jí)模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，必須滿足適當(dāng)?shù)母怕室蟆?/p>

（6）暴露于內(nèi)部或外部干擾，或是功能故障的虛假信號(hào)，不應(yīng)導(dǎo)致大于允許概率的危害；必須評(píng)估對(duì)操縱品質(zhì)的影響。

（7）必須表明飛行控制系統(tǒng)信號(hào)或者不能被無預(yù)期地改變，或者己被改變的信號(hào)滿足一定要求。

（8）必須表明控制面閉環(huán)系統(tǒng)的輸出不會(huì)導(dǎo)致飛行控制面非指令性的持續(xù)振蕩。對(duì)于較小的不穩(wěn)定性影響，通過充分地評(píng)審、記錄和認(rèn)知是可接受的。

2 專用條件背景與解析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件

電傳飛行控制系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的控制功能影響著旋翼航空器的結(jié)構(gòu)完整性。這些系統(tǒng)在正常狀態(tài)和故障情況下對(duì)結(jié)構(gòu)性能會(huì)產(chǎn)生影響，其強(qiáng)度水平與發(fā)生概率有關(guān)，而現(xiàn)行規(guī)章沒有考慮到這部分旋翼航空器載荷。因此需要專用條件來考慮這些特性［15］。

該專用條件常用于采用EFCS的運(yùn)輸類飛機(jī)，現(xiàn)階段電傳飛控系統(tǒng)將逐步推廣到新的旋翼航空器上，因此也需要將該專用條件納入現(xiàn)有電傳飛控直升機(jī)的審定中。由于飛行控制技術(shù)的不斷提升，現(xiàn)有29部沒有為配備該系統(tǒng)的旋翼航空器達(dá)到可接受的安全水平提供依據(jù)（與25部類似），因此這些系統(tǒng)的審定需要制定專用條件［16］。

在過去，傳統(tǒng)的旋翼航空器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)合了助力系統(tǒng)、有限權(quán)限的增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)，以及部分依29.672和相應(yīng)AC 29.672而審定通過的自動(dòng)駕駛儀。這些系統(tǒng)集成到主飛行控制系統(tǒng)中，并具有足夠的控制權(quán)限產(chǎn)生機(jī)動(dòng)，導(dǎo)致直升機(jī)接近其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制（29部C分部和D分部所規(guī)定的）。因此具有全權(quán)限的電傳飛行控制系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)需要額外的要求來考慮飛行控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的相互影響。

29部中確定載荷包線的規(guī)章并未完全考慮系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。自動(dòng)系統(tǒng)可能失效，或者以小于全系統(tǒng)權(quán)限和相關(guān)的內(nèi)置保護(hù)功能的降級(jí)模式運(yùn)行。因此，有必要確定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和工作裕度，使得在電傳飛行控制系統(tǒng)故障期間由于故障載荷而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效概率不大于采用傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)的旋翼航空器中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的概率。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并確?？山邮艿陌踩剑斜匾x失效狀態(tài)及與其相關(guān)的發(fā)生概率。

傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)提供兩種狀態(tài)，即全功能正常工作或完全不工作。這兩種狀態(tài)對(duì)飛行機(jī)組來說是顯而易見的。新的主動(dòng)飛行控制系統(tǒng)具有故障模式，允許系統(tǒng)在降級(jí)模式下運(yùn)行，而無需全權(quán)限和相關(guān)的內(nèi)置保護(hù)功能。由于這些降級(jí)模式對(duì)飛行機(jī)組來說不明顯，故監(jiān)控系統(tǒng)需要提供降級(jí)系統(tǒng)狀態(tài)的通告，避免其對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響。

2.2 操縱權(quán)限感知專用條件

Bell-525型直升機(jī)采用了新穎的設(shè)計(jì)特征：四軸全權(quán)限數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)。針對(duì)該系統(tǒng)，當(dāng)前14CFR29部規(guī)章不能包含足夠的標(biāo)準(zhǔn)以涵蓋電傳飛控操縱余量感知方面的考慮。旋翼航空器操縱性和機(jī)動(dòng)性適航標(biāo)準(zhǔn)包含在29.143內(nèi)，這些操縱性要求與大多數(shù)電傳飛控系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，而大多數(shù)機(jī)動(dòng)性要求不受電傳飛控系統(tǒng)影響。

除了操縱余量，規(guī)章的一個(gè)目的是確保操縱余量在定義的飛行包線內(nèi)是足夠的，以避免失去操縱（這是指旋翼航空器有足夠操縱能力，使飛行員能改出潛在危險(xiǎn)飛行情況）［7］。其目的是為飛行員提供接近操縱極限的充足感知。當(dāng)前29.143是針對(duì)機(jī)械液壓飛行控制系統(tǒng)的，通過其操縱桿和腳蹬相對(duì)于操縱止動(dòng)器的位置，飛行員能夠感知操縱余量。但現(xiàn)有規(guī)章不足以用于電傳飛控系統(tǒng)的取證，電傳飛控系統(tǒng)中操縱裝置與飛控作動(dòng)裝置之間沒有機(jī)械連接，沒有駕駛艙操縱與主尾槳作動(dòng)器位置之間的持續(xù)相關(guān)性，因此對(duì)于所有飛行情況，飛控系統(tǒng)不可以通過與操縱位置物理止動(dòng)或限制相關(guān)的操縱位置，為飛行員提供操縱余量反饋的觸覺提示。

因此基于上述情況，所提出的專用條件將給出最低的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，以保證在接近主旋翼或尾槳操縱極限時(shí)，為Bell-525直升機(jī)飛行員提供感知。操縱權(quán)限感知專用條件為Bell-525直升機(jī)飛行員提供接近主或尾槳操縱極限感知的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。該專用條件提出了兩方面要求：（1）當(dāng)主飛控接近操縱限制時(shí)要通知飛行員；（2）是否要通知以及采用適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄖ＿@樣可以加強(qiáng)飛行員對(duì)直升機(jī)的控制。

2.3 飛行機(jī)組告警專用條件

飛行機(jī)組告警主要考慮的是告警功能要素類型（包括視覺、聽覺和觸覺要素）、告警管理、告警與其他系統(tǒng)的接口或集成，以及顏色標(biāo)準(zhǔn)化［13］。目前的規(guī)章對(duì)可能的降級(jí)模式顯示的處理是不充分的，降級(jí)模式下飛行員需要知道主飛行操縱的狀態(tài)。

Bell-525型直升機(jī)設(shè)計(jì)了新的先進(jìn)機(jī)組告警系統(tǒng)。其獨(dú)特性和先進(jìn)性體現(xiàn)在聽覺和視覺告警、觸覺傳感器以及CAS信息整合的集成。同29.1322規(guī)定的用于警告、戒備和提示告警的離散彩色燈相比，新系統(tǒng)采用了綜合視覺、聽覺、觸覺和告警信息的新技術(shù)，可以更有效地進(jìn)行機(jī)組告警并協(xié)助他們進(jìn)行決策。

當(dāng)前29.1322規(guī)定了用于警告、戒備和提示告警各自的彩色燈。但是現(xiàn)有29.1322缺乏足夠的適航標(biāo)準(zhǔn)用于以下不使用各自彩色燈的告警消息和顯示：提供告警信息給機(jī)組的非視覺提示，以及同時(shí)使用集成的和多個(gè)告警的情況。

Bell-525型機(jī)組告警系統(tǒng)將具有更有效的集成視覺、聽覺、觸覺和告警信息，這需要特殊適航標(biāo)準(zhǔn)來解決對(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)失效或異常的機(jī)組告警。這些專用條件將從運(yùn)輸類飛機(jī)先進(jìn)機(jī)組告警系統(tǒng)的適航標(biāo)準(zhǔn)25.1322（修正案25-131）中額外增加要求。

因此，建議的專用條件將會(huì)定義一個(gè)優(yōu)先級(jí)排序方案，擴(kuò)展顏色的要求，并解決機(jī)組告警的性能問題，以反映技術(shù)和功能的變化。

飛行機(jī)組告警是為了吸引飛行機(jī)組的注意力，通知飛行機(jī)組需要注意的非正常系統(tǒng)狀態(tài)或運(yùn)行事件，以及建議飛行機(jī)組可以采取的行動(dòng)。告警完成其目的的能力依賴于整個(gè)告警功能的設(shè)計(jì)，包括傳感器和觸發(fā)告警的狀態(tài)、如何處理信息（包括所分配的緊急程度和優(yōu)先等級(jí)）、以及為表達(dá)緊急程度所選擇的告警呈現(xiàn)要素。不需要引起飛行機(jī)組注意的狀態(tài)不應(yīng)生成告警。飛行機(jī)組告警系統(tǒng)應(yīng)使用統(tǒng)一的告警狀態(tài)、緊急程度和優(yōu)先等級(jí)以及呈現(xiàn)要素等理念。

2.4 飛行包線保護(hù)專用條件

飛行包線保護(hù)功能包括高迎角保護(hù)、法向過載限制、滾轉(zhuǎn)俯仰姿態(tài)限制和高速限制等，EFCS可以具有多種飛行保護(hù)功能。這種全時(shí)飛行包線保護(hù)（限制）功能的飛行控制系統(tǒng)，目的是防止飛行員無意或有意的超出飛行包線參數(shù)范圍。這些限制在正常和降級(jí)飛行模式時(shí)可以選擇是否被激活和被飛行員操控。目前規(guī)章尚無法覆蓋這些新穎、獨(dú)特的保護(hù)功能，因此需要采用相應(yīng)的專用條件。29.1329自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了系統(tǒng)基本操作的設(shè)計(jì)要求，但不涉及自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)飛行包線限制。因此提出專用條件能夠?yàn)轱w行包線保護(hù)制定最低安全要求［11］。

飛行包線保護(hù)專用條件從正常飛行、高速限制和旋翼速度等角度提出安全性標(biāo)準(zhǔn)。條件要求旋翼航空器在正常運(yùn)行下使用包線保護(hù)功能避免駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)出使飛機(jī)超出其結(jié)構(gòu)或空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)行限制的控制指令。每個(gè)包線保護(hù)的進(jìn)入特性必須是平滑的，并與其飛行階段和機(jī)動(dòng)類型相適應(yīng)，不與駕駛員改變航空器飛行航跡、速度和姿態(tài)的能力相沖突。受保護(hù)的飛行參數(shù)的限制值和相關(guān)的告警閾值必須與航空器結(jié)構(gòu)限制、航空器所需的安全和可控、機(jī)動(dòng)和臨界狀態(tài)的裕度兼容。

航空器必須對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)操縱做出響應(yīng)，以保證航空器運(yùn)行在批準(zhǔn)的飛行包線內(nèi)，并具有合適的參數(shù)限制范圍。當(dāng)包線限制同時(shí)啟動(dòng)，不能導(dǎo)致不利的耦合或不利的優(yōu)先權(quán)。

直升機(jī)最大空速、槳葉速度、載荷系數(shù)、槳葉揮舞角度均在該條件的考慮范圍之內(nèi)。同時(shí)應(yīng)該建立旋翼航空器的俯仰滾轉(zhuǎn)速率、體速包線和周期操縱位置限制，任何限制體速的包線保護(hù)技術(shù)都應(yīng)該防止桅桿碰撞，并確保桅桿或其他旋翼航空器部件沒有超出結(jié)構(gòu)限制。

2.5 指令信號(hào)完整性專用條件

先進(jìn)的飛控系統(tǒng)引入數(shù)字指令和電子元件，該新穎設(shè)計(jì)特征受到電磁干擾易產(chǎn)生虛假信號(hào)和（或）故障數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)功能不正常，從而引起飛機(jī)不可接受的響應(yīng)，最終導(dǎo)致飛行事故。因此需要采用特殊的設(shè)計(jì)措施保證系統(tǒng)的完整水平，使得系統(tǒng)具有與傳統(tǒng)液壓機(jī)械式設(shè)計(jì)等價(jià)的安全水平，由于第27部和第29部的規(guī)章要求僅針對(duì)機(jī)械飛行控制系統(tǒng)，針對(duì)這些特殊設(shè)計(jì)措施的要求未在當(dāng)前使用的規(guī)章中體現(xiàn)，因此制定專用條件作為補(bǔ)充要求。

對(duì)于運(yùn)輸類飛機(jī)來說，現(xiàn)行的適航規(guī)章相關(guān)條款（如25.671和25.672）主要是針對(duì)傳統(tǒng)液壓機(jī)械式飛行控制系統(tǒng)的，這些條款還沒有對(duì)指令和控制信號(hào)不得因內(nèi)外干擾而改變做出專門的要求。因此，根據(jù)CCAR21.16的要求，需要制定專用條件以保持和現(xiàn)行規(guī)章等效的安全水平。

對(duì)于電傳飛控直升機(jī)來說，PS文件給出了可能的先進(jìn)飛控失效狀態(tài)，以下這些都屬于指令信號(hào)完整性需要考慮的干擾［7］：（1）包含高于采樣頻率的顯著信號(hào)噪聲的傳感器信號(hào)，其模數(shù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的混疊效應(yīng)；（2）虛假報(bào)警，比如告警或警告，由太敏感的監(jiān)控觸發(fā)，是由于監(jiān)控門限或失效確認(rèn)時(shí)間太短；（3）典型由高控制增益同非線性組合導(dǎo)致的限制周期，應(yīng)最小化和減少到一個(gè)可接受水平；（4）某些影響導(dǎo)致的失效類型；（5）外部源（比如傳感器噪聲、電磁干擾等）或失效的設(shè)備（比如電觸點(diǎn)松動(dòng)）的信號(hào)擾動(dòng)導(dǎo)致虛假數(shù)據(jù)。

3 符合性方法和驗(yàn)證技術(shù)

符合性方法的設(shè)計(jì)和制定要考慮多方面因素和限制，既要充分表明符合性，也要同時(shí)考慮演示說明成本和安全因素（特別對(duì)試飛方法來說）［17］。結(jié)合電傳飛控特征和各個(gè)專用條件覆蓋的內(nèi)容，各專用條件可接受符合性方法如表1所示。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)符合性驗(yàn)證技術(shù)

無論是在正常狀態(tài)還是失效狀態(tài)下，先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的運(yùn)行都有可能直接或因?yàn)楣收隙g接影響旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)性能或氣動(dòng)彈性的穩(wěn)定性。比如增穩(wěn)或顫振抑制系統(tǒng)中的主動(dòng)載荷減緩功能。為了確定該專用條件的適用性，需要結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評(píng)審，并通過分析、仿真或試驗(yàn)的方法來證明。其中主要考慮部分包含：主動(dòng)載荷減緩、故障瞬態(tài)、帶故障運(yùn)行以及駕駛員誘發(fā)振蕩（Pilot Induced Oscillation，簡(jiǎn)稱PIO）。

PIO是飛行員在試圖控制飛機(jī)時(shí)而產(chǎn)生的持續(xù)振蕩或一系列不可控制的飛機(jī)振蕩，是需要重點(diǎn)考慮的因素。先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于要特別考慮PIO的三個(gè)主要分類：（1）Ⅰ類——線性的飛機(jī)—飛行員交互；（2）Ⅱ類——準(zhǔn)線性的飛機(jī)—飛行員交互；（3）Ⅲ類——高度非線性的飛機(jī)—飛行員交互。獨(dú)特的設(shè)計(jì)特征可能加速先進(jìn)飛控系統(tǒng)Ⅲ類PIO的發(fā)生，比如控制律模式更改、自動(dòng)包線保護(hù)系統(tǒng)和系統(tǒng)重構(gòu)邏輯。先進(jìn)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該不易受到非線性特性影響，它會(huì)導(dǎo)致飛行員進(jìn)行非直觀控制輸入來達(dá)到期望響應(yīng)。在符合性表明過程中，識(shí)別能夠突然改變控制響應(yīng)特性的系統(tǒng)非線性，以及評(píng)估補(bǔ)償跟蹤任務(wù)過程中的飛行條件，是一種可接受的表明方法。

因此，基于上述分析和考慮的審查要素，該專用條件的符合性要通過載荷分析/計(jì)算來驗(yàn)證。若系統(tǒng)失效可能導(dǎo)致PIO，則需要試飛試驗(yàn)或模擬器試驗(yàn)或二者相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)估。

3.2 操縱權(quán)限感知符合性驗(yàn)證技術(shù)

根據(jù)實(shí)際直升機(jī)的應(yīng)用，合適的通告應(yīng)該包括駕駛艙中控制位置顯示、信號(hào)燈顯示或者作動(dòng)器/旋翼位置指示。該顯示和告警也應(yīng)該考慮某些駕駛員的操縱在預(yù)期飛行環(huán)境中也是非常必要的。因此，一個(gè)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單告警系統(tǒng)，應(yīng)該能夠在預(yù)期或者控制限制的情況下區(qū)分到底是駕駛員的誤操作還是意識(shí)指令動(dòng)作，一個(gè)能夠比較直升機(jī)運(yùn)動(dòng)、槳角變化和駕駛員指令需求的監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效消除虛假告警。

符合性方法主要采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述、試驗(yàn)室試驗(yàn)、機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)表明，特別注意的是通過飛行試驗(yàn)科目表明主控制接近操縱權(quán)限時(shí)，系統(tǒng)可以向飛行機(jī)組提供告警信息。且告警信息（視覺、聽覺、觸感提示）必須有效的同時(shí)，要表明警告是需要的，而非騷擾性的；表明警告指示可以指導(dǎo)飛行員按照旋翼航空器飛行手冊(cè)指令采取合適的動(dòng)作；且通過足夠的操縱裕度（在旋翼和反扭矩系統(tǒng)層級(jí)）表明有足夠的操縱能力來改出潛在的危險(xiǎn)飛行狀態(tài)，可以避免失控。

因此，該專用條件的符合性表明要采用描述的方法，表明當(dāng)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)軸分別接近控制權(quán)限限制時(shí)，系統(tǒng)將向飛行機(jī)組提供EICAS告警信息。并通過鐵鳥試驗(yàn)、機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 飛行機(jī)組告警符合性驗(yàn)證技術(shù)

為了提高對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)先進(jìn)的飛行機(jī)組告警系統(tǒng)的安全性要求，F(xiàn)AA通過131號(hào)修正案更新了第25.1322條，該修訂解決了現(xiàn)代飛機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的機(jī)組告警失效或者故障問題。然而，目前CFR 14第27部和第29部的標(biāo)準(zhǔn)并未給出旋翼航空器機(jī)組告警系統(tǒng)的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因此通過專用條件對(duì)該部分的飛行控制性能提出要求，以替代與29.1322中相關(guān)的要求。該專用條件要求的符合性表明工作是通過系統(tǒng)描述飛控系統(tǒng)告警指示，并通過試驗(yàn)室試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和部分試飛試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 飛行包線保護(hù)符合性驗(yàn)證技術(shù)

使用飛行包線保護(hù)能夠避免駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)出使航空器超出其結(jié)構(gòu)或空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)行限制的控制指令。每個(gè)包線保護(hù)的進(jìn)入特性必須是平滑的，并與其飛行階段和機(jī)動(dòng)類型相適應(yīng)，不與駕駛員改變航空器飛行航跡、速度和姿態(tài)的能力相沖突。受保護(hù)的飛行參數(shù)的限制值和相關(guān)的告警閾值必須與以下內(nèi)容相兼容：航空器結(jié)構(gòu)限制、航空器所需的安全和可控的機(jī)動(dòng)、臨界狀態(tài)的裕度。

飛行包線保護(hù)驗(yàn)證除了要考慮常規(guī)情況，還要考慮以下條件：高速限制、旋翼速度、載荷系數(shù)限制、體速限制。正常驗(yàn)證程序應(yīng)該覆蓋以下內(nèi)容：法向載荷系數(shù)保護(hù)、俯仰姿態(tài)保護(hù)、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)保護(hù)、高速保護(hù)、啟動(dòng)特性、不安全特性的裕度、大氣干擾和風(fēng)切變下的運(yùn)行、保護(hù)功能的優(yōu)先級(jí)和相互作用、超過被保護(hù)邊界。在審定過程中采用控制律描述文件對(duì)飛行包線保護(hù)控制律功能和邏輯、電子飛行控制系統(tǒng)（EFCS）失效情況下的控制邏輯與警示、非正常姿態(tài)控制進(jìn)行說明，并通過試驗(yàn)室試驗(yàn)、模擬器試驗(yàn)和試飛試驗(yàn)協(xié)同完成各項(xiàng)的符合性驗(yàn)證說明。

3.5 指令信號(hào)完整性驗(yàn)證技術(shù)

在該專用條件的指令信號(hào)完整性驗(yàn)證符合性表明過程中，需要考慮以下方面：應(yīng)保持所有空氣動(dòng)力學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定增益和相位裕度，但不包括環(huán)路控制中的駕駛員；導(dǎo)致控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)非指令運(yùn)動(dòng)的虛假信號(hào)和/或故障數(shù)據(jù)必須易于檢測(cè)和隔離，或者必須通過其他令人滿意的方式檢測(cè)、捕捉到舵面由于非指令信號(hào)引起的作動(dòng)；系統(tǒng)殘留的小振幅的振蕩是可能接受的；為了證明非指令的持續(xù)振蕩、電子或電氣指令信號(hào)之間的耦合結(jié)果、與結(jié)構(gòu)部件一起作動(dòng)的機(jī)械作動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)超過系統(tǒng)限制的頻率范圍，需要對(duì)不穩(wěn)定影響進(jìn)行徹底的調(diào)查、記錄和理解。

通過飛控系統(tǒng)描述表明系統(tǒng)架構(gòu)及監(jiān)控器設(shè)計(jì)，識(shí)別可能影響飛控系統(tǒng)的干擾，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保證部分干擾不會(huì)導(dǎo)致控制指令發(fā)生改變，對(duì)于其他可能導(dǎo)致控制指令改變的干擾，將通過安全性評(píng)估、試驗(yàn)室試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、工程模擬器試驗(yàn)和設(shè)備鑒定試驗(yàn)表明符合性。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

電傳飛控能為直升機(jī)帶來功能和性能上的提升，是當(dāng)前和未來的重要發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)已有UH-60、S-92、Bell-205等多型號(hào)采用這一系統(tǒng)，但這些型號(hào)多為軍用飛機(jī)或試驗(yàn)機(jī)。民用方面目前只有Bell-525直升機(jī)是按照民用飛機(jī)全流程來進(jìn)行適航取證的。因此從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，適航性設(shè)計(jì)和符合性表明仍然存在一定困難。對(duì)于直升機(jī)電傳飛控而言，從適航性設(shè)計(jì)與符合性表明的角度來看，本文認(rèn)為在型號(hào)論證和設(shè)計(jì)過程中，需要從以下四方面來考慮。

（1）設(shè)計(jì)需求需要完整且正確。從適航角度來說，電傳飛控會(huì)引入大量的新穎設(shè)計(jì)，這些新穎設(shè)計(jì)在已取證的直升機(jī)型號(hào)沒有驗(yàn)證或驗(yàn)證不充分，因此在適航性設(shè)計(jì)里需要重點(diǎn)考慮。需求作為設(shè)計(jì)輸入，決定著整個(gè)設(shè)計(jì)流程是否正確或是否完整。因此在直升機(jī)電傳飛控設(shè)計(jì)過程中，要從需求入手，從功能、適航、安全性等多方面考量引入電傳飛控給直升機(jī)帶來的變化，提出正確和完整的設(shè)計(jì)輸入，確保正向輸入的完整執(zhí)行。

（2）安全性分析的執(zhí)行與貫徹。與軍用飛機(jī)“性能優(yōu)先”的特點(diǎn)不同，民用飛機(jī)的最大特點(diǎn)就是始終要把安全性放在首位來考慮。因此安全性分析在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中起到重要作用。電傳飛控相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式飛控更為復(fù)雜，特別是架構(gòu)與功能，因此其安全性分析也更為繁瑣。在執(zhí)行安全性分析的過程中，首先通過FHA確定系統(tǒng)的功能及功能故障情況的描述，確定各種情況下故障造成的影響，故障影響等級(jí)分類。隨后進(jìn)行PSSA來評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)生安全性要求及目標(biāo)。一旦系統(tǒng)開發(fā)完成，SSA將從所有安全性評(píng)估系統(tǒng)中獲取評(píng)估結(jié)果，其中包括故障模式、影響及危害性分析和共模分析，驗(yàn)證文件及其對(duì)安全性標(biāo)準(zhǔn)的定量符合性分析文件。對(duì)于電傳飛控系統(tǒng)來說，安全性分析可以從功能到架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充分評(píng)估，是整個(gè)研制周期中關(guān)鍵內(nèi)容之一，需要重點(diǎn)關(guān)注。

（3）通過研制過程保障抑制研制差錯(cuò)。對(duì)于電傳飛控系統(tǒng)來說，由于引入大量的復(fù)雜軟硬件，使得系統(tǒng)成為高度綜合的復(fù)雜機(jī)載系統(tǒng)。對(duì)于這種系統(tǒng)，試驗(yàn)無法完全覆蓋到每一種工況，因此需要通過有效的研制過程保障來確保飛機(jī)系統(tǒng)的安全性。研制過程保障不僅可以表明對(duì)1309條款的符合性，在保障的執(zhí)行過程中也可以提升工業(yè)方的管理能力，加強(qiáng)系統(tǒng)工程思維。因此在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中要強(qiáng)化研制過程保障，提升系統(tǒng)安全性。

（4）考慮電傳飛控與其他系統(tǒng)的交聯(lián)。相對(duì)于機(jī)械飛控來說，電傳飛控的控制律形式多樣，可以極大地豐富直升機(jī)的功能和提升性能。但作為直升機(jī)的“大腦”，其功能和性能的改變也會(huì)影響直升機(jī)其他系統(tǒng)的安全性或功能的完整性（Bell-525的試飛墜機(jī)就是振動(dòng)與操縱的耦合導(dǎo)致的）。例如適航中需要考慮的飛行特性、性能、結(jié)構(gòu)、電磁、噪聲、振動(dòng)、牽引、吊掛系統(tǒng)等，都會(huì)受到飛控系統(tǒng)的影響。對(duì)于這些交聯(lián)的考慮有些是通過正向設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)來保證的，有些則是通過工程經(jīng)驗(yàn)來判斷，因此在電傳飛控的設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)系統(tǒng)交聯(lián)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)束語

本文圍繞民用直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng)適航專用條件展開研究，闡明了對(duì)直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng)附加的安全標(biāo)準(zhǔn)，并提出對(duì)直升機(jī)電傳飛控的一些思考。電傳飛控系統(tǒng)是未來民用直升機(jī)重要發(fā)展方向之一，其適航設(shè)計(jì)與安全性保證也需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。