民用飛機(jī)駕駛艙保護(hù)適航技術(shù)研究

馬 健，高斌元，解 江

（1.中國民用航空西安航空器適航審定中心，西安 710065；2.中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

駕駛艙作為操控飛機(jī)運(yùn)行的“大腦”，直接關(guān)系到飛機(jī)和乘客的安全。因此，駕駛艙設(shè)計(jì)與適航驗(yàn)證一直是中國民用航空局和工業(yè)方關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。李巖等[1]總結(jié)了駕駛艙視界的設(shè)計(jì)要求和方法，指出要從適航性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證入手，解決型號研制中面臨的技術(shù)難題。董大勇等[2]總結(jié)了駕駛艙人為因素的符合性驗(yàn)證思路、方法和技術(shù)。袁霄等[3]研究了駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)評估理論，基于適航條款提出了駕駛艙人機(jī)界面評估方法。王紀(jì)清等[4]梳理了飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，給出了駕駛艙總體布置和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)思路，旨在為新機(jī)型的駕駛艙設(shè)計(jì)提供支持。民用飛機(jī)是恐怖襲擊的重點(diǎn)對象，其中駕駛艙安保防護(hù)是航空安保需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。目前，國產(chǎn)大飛機(jī)C919 和支線渦槳飛機(jī)MA700 適航取證進(jìn)入關(guān)鍵階段，中國和俄羅斯聯(lián)合研制的雙通道民用飛機(jī)CR929 項(xiàng)目已啟動(dòng)，因此，開展駕駛艙保護(hù)適航技術(shù)研究非常有必要。

1974年美國頒布了《航空運(yùn)輸安全法》，要求開發(fā)用于防止或阻止對民航飛機(jī)劫機(jī)或破壞的系統(tǒng)和設(shè)備。2002年以來，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA，F(xiàn)ederal Aviation Administration）開始關(guān)注航空安保問題并制定相關(guān)適航要求[5-6]。張柱國[7]對運(yùn)輸類飛機(jī)安保要求的背景和演變歷史進(jìn)行了溯源分析，并結(jié)合國產(chǎn)機(jī)型合格審定，提出了安保設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證中的難題。劉文成[8]研究了運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙門靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證的適航要求、載荷選取、制造檢查等問題，但沒有分析暴力入侵、子彈穿透等適航要求。

在分析民用飛機(jī)駕駛艙保護(hù)適航條款修訂背景的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究駕駛艙抵御入侵、抵御穿透和煙霧保護(hù)的相關(guān)適航要求及建議的符合性驗(yàn)證方法，重點(diǎn)分析了艙門設(shè)計(jì)、監(jiān)視系統(tǒng)及煙霧保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為駕駛艙保護(hù)的設(shè)計(jì)及適航審定提供支持。

1 適航條款修訂背景

1988年12月22 日，泛美航空公司一架B747 飛機(jī)在英國小鎮(zhèn)洛克比上空爆炸解體，事故原因是位于前貨物艙的塑膠炸藥被引爆，并最終導(dǎo)致飛機(jī)空中解體。1997年3月12日，國際民航組織發(fā)布了國際民航公約附件8 第97 號修正案，首次提出了有關(guān)民用航空安保的設(shè)計(jì)要求。

2001年9月11 日，恐怖分子通過侵入駕駛艙劫持了民航客機(jī)，造成了美國本土最為嚴(yán)重的恐怖襲擊行動(dòng)。FAA 緊急發(fā)布了FAR 25-106 修正案[5]，要求增強(qiáng)駕駛艙艙門的保護(hù)。為進(jìn)一步落實(shí)國際民航公約附件8 第97 號修正案中相關(guān)安保措施，F(xiàn)AA 于2008年10月28日又發(fā)布了FAR 25-127 修正案[6]，對FAR 25.795條（安保事項(xiàng)）進(jìn)行了修訂。修訂后有關(guān)運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙保護(hù)的條款包括：駕駛艙抵御入侵、抵御穿透和煙霧保護(hù)等。

2 適航要求及符合性方法

2.1 條款內(nèi)容

1）駕駛艙抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界，都必須能夠抵御未經(jīng)許可的暴力入侵，且能夠承受300 J 的沖擊。FAR 25.795（a）（2）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界上的把手（包括門的旋鈕和手柄），都必須設(shè)計(jì)成能夠承受1 113 N 的拉伸載荷。

2）駕駛艙抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界，都必須設(shè)計(jì)成能夠抵御小型武器射擊和破碎裝置的穿透，達(dá)到相當(dāng)于美國國家司法研究所（NIJ，National Institute of Justice）標(biāo)準(zhǔn)IIIA 級的水平。

3）駕駛艙煙霧保護(hù)

FAR 25.795（b）（1）條款規(guī)定，最大審定起飛重量超過100 000 lb（1 lb = 0.453 59 kg）或者客座量超過60 座的飛機(jī)，都必須有措施防止煙霧、煙氣和有毒氣體進(jìn)入駕駛艙，以限制爆炸或燃燒裝置的影響。

2.2 條款解析

1）駕駛艙抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）條款的目的是在采取其他措施之前，延緩或阻止未經(jīng)飛行機(jī)組授權(quán)的人員強(qiáng)行進(jìn)入駕駛艙。應(yīng)合理設(shè)計(jì)駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界上的把手，阻止未經(jīng)授權(quán)人員用很高的載荷將艙門打開或使艙門產(chǎn)生變形并入侵駕駛艙。

2）駕駛艙抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）條款規(guī)定，對駕駛艙易受來自客艙彈道威脅的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)保護(hù)免受小型武器破壞，目標(biāo)是確保不會(huì)因?yàn)檩p武器的擊發(fā)而影響飛機(jī)安全飛行和著陸。

對于駕駛艙隔框或任何內(nèi)部裝飾，以及地板和天花板，如果處于危險(xiǎn)彈道，就應(yīng)予以保護(hù)。對于不在危險(xiǎn)彈道，或者通過反彈才成為危險(xiǎn)彈道的結(jié)構(gòu)，不需要抵御彈道穿透。在確定危險(xiǎn)彈道時(shí)，應(yīng)假定武器發(fā)射或爆炸裝置僅來自旅客正?？梢越咏奈恢谩?/p>

對于駕駛艙和客艙的典型結(jié)構(gòu)，如釋壓板、窗、格柵、旋鈕、門閂、鉸鏈等，如果能表明其失效不會(huì)降低抵御穿透的能力，則不要求對其進(jìn)行試驗(yàn)。否則，均需通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

3）駕駛艙煙霧保護(hù)

FAR 25.795（b）（1）條款規(guī)定，飛機(jī)具有限制煙霧進(jìn)入駕駛艙的能力，即有措施限制飛機(jī)其他區(qū)域發(fā)生爆炸或火災(zāi)時(shí)所產(chǎn)生的煙霧和有害氣體進(jìn)入駕駛艙，直到機(jī)組采取進(jìn)一步安全措施。

2.3 符合性驗(yàn)證方法

FAA 咨詢通告（AC，advisory circular）25.795-1A、25.795-2A 和25.795-3 給出了駕駛艙保護(hù)建議的符合性驗(yàn)證方法，如表1所示。

表1 符合性驗(yàn)證方法Tab.1 Means of compliance substantiation

1）駕駛艙抵御入侵和穿透符合性驗(yàn)證

通過符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法（MOC4）驗(yàn)證FAR 25.795（a）（1）、FAR25.795（a）（2）和FAR25.795（a）（3）的符合性，該試驗(yàn)方法適用于所有試驗(yàn)要求的駕駛艙分界，也適用于各種設(shè)計(jì)形式的駕駛艙門。

1976年5 月，美國國家法律執(zhí)行和刑事司法研究所頒布了針對艙門部件和組件物理安全的標(biāo)準(zhǔn)（NILECJ-STD-0306.00）。該標(biāo)準(zhǔn)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)署法律執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在NIJ 的資助下制定的。AC 25.795-1A 中的定義、數(shù)據(jù)采樣、設(shè)備、程序和所用的試驗(yàn)部件等相關(guān)內(nèi)容都引用了該標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了4 種等級的安保水平。FAA 在FAR 25-106 修正案中，將該標(biāo)準(zhǔn)提高了50%，即駕駛艙艙門應(yīng)能承擔(dān)300 J 的沖擊，艙門把手應(yīng)能承擔(dān)250 lb 的靜拉伸載荷。300 J 的沖擊能量已經(jīng)超過了強(qiáng)壯成人用腳踢或用滅火器等撞擊所施加的能量。為符合FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）條款關(guān)于抵御駕駛艙入侵的適航要求，需要對駕駛艙門進(jìn)行4 項(xiàng)基本的試驗(yàn)，包括對艙門、門閂和艙門鉸鏈的沖擊試驗(yàn)及把手的定常拉伸載荷試驗(yàn)。

AC 25.795-2A 提供了一種通過子彈射擊來表明駕駛艙抵御穿透能力的方法。在滿足所有試驗(yàn)要求的情況下，沖擊速度等于或大于最小可接受速度而沒有發(fā)生穿透，則認(rèn)為試驗(yàn)通過；如果因?yàn)樯鋼羰沟瞄T板或格柵打開，喪失了抵御入侵的能力，則認(rèn)為試驗(yàn)失敗。

2）駕駛艙煙霧保護(hù)符合性驗(yàn)證

駕駛艙通風(fēng)系統(tǒng)用于向艙內(nèi)提供大量的空氣以滿足通風(fēng)和溫度要求。已有試驗(yàn)表明，如果氣流速率足夠大，則氣流可以在駕駛艙和與其相鄰艙室之間形成較小的壓差。當(dāng)艙門關(guān)閉時(shí)，壓差會(huì)使駕駛艙的空氣通過縫隙或開口流向其他艙室，達(dá)到防止煙霧進(jìn)入駕駛艙的目的。然而，防止煙霧進(jìn)入駕駛艙的壓差很小，以至于無法通過儀器精確測量，因此，需采用符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法（MOC4）來表明符合性。

在試驗(yàn)中，可以用一個(gè)薄的塑料片覆蓋住駕駛艙門開口，提供一個(gè)柔性的分界。當(dāng)存在符合要求的壓差時(shí)，塑料片發(fā)生明顯的變形，說明煙霧不能進(jìn)入駕駛艙。好的駕駛艙設(shè)計(jì)能使煙霧進(jìn)入駕駛艙的路線最少，這些路線包括電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)、艙門和地板空隙、隔框和支持結(jié)構(gòu)之間的間隙。

對于本條款的符合性驗(yàn)證，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）駕駛艙門是關(guān)閉的，為了滿足總的安全考慮，要求飛行機(jī)組確保駕駛艙門是關(guān)閉的，以阻止煙霧滲透；

（2）在事件發(fā)生后，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能正常，即不考慮結(jié)構(gòu)損傷或系統(tǒng)性能降低的影響；

（3）在任何飛行階段，無論火災(zāi)的起因和發(fā)生的位置，申請人都需要對駕駛艙提供保護(hù)，避免過量的煙霧進(jìn)入駕駛艙；

（4）應(yīng)考慮其他系統(tǒng)（如通風(fēng)系統(tǒng)等）的布局和架構(gòu)設(shè)計(jì)，確保駕駛艙不會(huì)出現(xiàn)過量的煙霧和有害氣體；

（5）煙和有害氣體的流動(dòng)特性和可見煙霧相同?？杉僭O(shè)煙霧探測和排煙的同時(shí)能有效地排除有害氣體；

（6）當(dāng)存在煙霧和有害氣體時(shí)，需要新鮮（外界）的空氣來滿足駕駛艙的換氣。

3 駕駛艙保護(hù)適航技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

“9·11”事件發(fā)生后，F(xiàn)AA 對飛機(jī)駕駛艙門提出了新的要求，包括改進(jìn)駕駛艙門設(shè)計(jì)、艙門門鎖設(shè)計(jì)及裝配能與地面控制中心可視聯(lián)系的監(jiān)視器等，這些技術(shù)的應(yīng)用對駕駛艙的保護(hù)起到重要作用。

3.1 艙門設(shè)計(jì)

FAA 要求FAR 121 部承運(yùn)人在2003年4月9日之前完成艙門的改裝。為此，空客公司設(shè)計(jì)了新的駕駛艙門，在設(shè)計(jì)中選用了鋁制蜂窩結(jié)構(gòu)、“S 玻璃纖維”等材料，增加了艙門的重量。整個(gè)艙門區(qū)域要在駕駛艙釋壓時(shí)用作通風(fēng)通道，要求艙門應(yīng)能迅速打開。

2004年Albertelli[9]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料駕駛艙門，通過使用不同編織方式和不同樹脂材料來達(dá)到防穿透的目的。這種艙門由3 層不同的復(fù)合材料合成：第一層由相對較硬的酚醛樹脂和緊密編織的織物構(gòu)成，用于將尖彈頭鈍化；第二層由相對較軟的環(huán)氧樹脂和較松的織物構(gòu)成，通過分層使鈍化的彈丸“側(cè)向”移動(dòng)，而且分層可吸收大量能量；第三層與第一層相同，用于捕獲鈍化的子彈，防止穿透。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)對駕駛艙的保護(hù)，2004年，美國聯(lián)合航空公司在其500 架客機(jī)中安裝了機(jī)組人員在打開駕駛艙艙門前必須布置的輔助屏障（IPSB，installed physical secondary barriers）。該裝置安裝在客艙和駕駛艙門之間，易于展開和收起。當(dāng)駕駛艙門在飛行中打開時(shí)，IPSB 處于展開狀態(tài)，可阻止客艙人員進(jìn)入駕駛艙；當(dāng)駕駛艙門關(guān)閉并鎖定時(shí)，IPSB 通常被收起。IPSB有效地解決了艙門轉(zhuǎn)換期間的安全問題，且對飛機(jī)設(shè)計(jì)成本影響很小，已有多家航空公司將其應(yīng)用于機(jī)隊(duì)中，波音和空客公司已將IPSB 作為下一代飛機(jī)型號的選裝件[10]。2015年4月14日，F(xiàn)AA 發(fā)布了AC 120-110[11]，給出了一種關(guān)于飛機(jī)輔助屏障和駕駛艙安全程序符合性驗(yàn)證方法。

3.2 監(jiān)視系統(tǒng)

駕駛艙門視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過安裝在駕駛艙門區(qū)域和登機(jī)門區(qū)域的攝像頭，對艙門區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，機(jī)組通過駕駛艙內(nèi)的顯示器觀察監(jiān)視圖像，實(shí)現(xiàn)對駕駛艙門、登機(jī)門區(qū)域的監(jiān)視，某民機(jī)駕駛艙門視頻監(jiān)視區(qū)域示意圖[12]如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)視區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of video surveillance area

近年來，越來越多的民航飛機(jī)安裝了駕駛艙門監(jiān)視系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。中國民用航空局要求在商用飛機(jī)上加裝駕駛艙監(jiān)視系統(tǒng)，可視區(qū)域應(yīng)至少包括駕駛艙門和主登機(jī)門。在客艙燈光調(diào)暗或者關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)能清晰地對駕駛艙門和主登機(jī)門區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視，且監(jiān)視系統(tǒng)顯示器應(yīng)固定安裝于駕駛艙內(nèi)，要求系統(tǒng)攝像頭視角應(yīng)能切換。

當(dāng)前的民用飛機(jī)駕駛艙門視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要是基于美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（NTSC，National Television System Committee）制式的模擬視頻系統(tǒng)。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，未來可采用數(shù)字視頻技術(shù)代替模擬視頻技術(shù)。數(shù)字視頻技術(shù)具備更清晰、更穩(wěn)定的圖像傳輸能力，而且采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替現(xiàn)有有線監(jiān)視系統(tǒng)，其傳輸速度快、傳輸容量大，不受硬件連接、布線等條件因素制約，具有更強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性。

3.3 煙霧保護(hù)

飛行員的操控對于飛行安全至關(guān)重要。在飛行過程中，如果駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)煙霧，會(huì)嚴(yán)重影響飛行員的視野和操作，甚至?xí)︼w行員造成生命威脅。因此，必須要對運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙采取煙霧保護(hù)措施。

對于駕駛艙煙霧保護(hù)，主要以煙霧探測、防止煙霧進(jìn)入和煙霧排除為主。目前，飛機(jī)上多采用基于光電原理的煙霧探測器探測空氣中的煙霧粒子，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到告警閾值時(shí)，探測器發(fā)出告警信號。對于防止煙霧進(jìn)入和排煙的要求，可采用減小結(jié)構(gòu)間的空隙和保持與相鄰艙室的正壓差的方式滿足適航要求。

4 結(jié)語

從適航要求和航空技術(shù)發(fā)展來看，民用飛機(jī)駕駛艙保護(hù)設(shè)計(jì)與適航審定需要關(guān)注以下問題。

（1）在艙門的適航審定中，要重點(diǎn)關(guān)注艙門材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前的駕駛艙門多采用鋁合金為主的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，未來可能采用比強(qiáng)度、比模量更高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在工藝成型過程中，由于諸多因素影響，可能會(huì)出現(xiàn)氣孔、樹脂裂紋、分層和脫黏等制造缺陷，生產(chǎn)質(zhì)量相對不穩(wěn)定，在型號合格審定過程中應(yīng)給予特別關(guān)注。

（2）在監(jiān)視系統(tǒng)的審定中，需重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的功能、性能和系統(tǒng)架構(gòu)是否滿足適航要求。其次，艙門攝像頭的安裝布置要確保能監(jiān)視所有能進(jìn)入駕駛艙的范圍區(qū)域。應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)架構(gòu)，充分利用駕駛艙現(xiàn)有的顯示終端，盡量少加裝其他顯示裝置。

（3）在煙霧防護(hù)設(shè)計(jì)中，可以采用多參數(shù)煙霧探測器，提高煙霧探測能力，也可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少煙霧進(jìn)入駕駛艙的路線。對于煙霧保護(hù)的審定，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注煙霧探測器的靈敏度、系統(tǒng)架構(gòu)等問題。