民用飛機ETOPS重要系統(tǒng)適航審定研究

王穩(wěn)江，李新

（1.上海飛機設(shè)計研究院飛機架構(gòu)集成工程技術(shù)所，上海 201210）

（2.中國民用航空上海航空器適航審定中心 動力裝置室，上海 200335）

0 引言

延程運行（Extended Operations，簡稱ETOPS）是指在飛機計劃運行的航路上至少存在一點，到任一延程運行可選備降機場的距離超過飛機在標(biāo)準(zhǔn)條件下靜止大氣中以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺發(fā)動機不工作時的巡航速度飛行60 min對應(yīng)的飛行距離（以兩臺渦輪發(fā)動機為動力的飛機），或超過180 min對應(yīng)的飛行距離（以多于兩臺渦輪發(fā)動機為動力的載客飛機）的運行。

ETOPS被廣泛應(yīng)用于民用航空大型客機的洲際航線，尤其是跨洋飛行。民用飛機進(jìn)行ETOPS航線運行需同時具備兩個條件：

（1）飛機—發(fā)動機組合獲得適航當(dāng)局的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)；

（2）運營機構(gòu)（航空公司）獲得適航當(dāng)局的ETOPS運行批準(zhǔn)。

飛機—發(fā)動機組合獲得ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)是先決條件。波音和空客對于ETOPS型號設(shè)計（審定）都非常成熟，其現(xiàn)役的大型客機基本都具備ETOPS資質(zhì)認(rèn)證。由于國內(nèi)民用大型客機研發(fā)起步晚，加上國外的技術(shù)封鎖，我國自主研制大型客機的ETOPS型號設(shè)計和取證仍是空白。盡管國內(nèi)的航空公司具備多年的ETOPS航線運行經(jīng)驗（南方航空公司早在1997年成為亞洲首家運行120 min ETOPS的航空公司），但是，國內(nèi)對于民用飛機ETOPS型號設(shè)計和審定的研究卻是近些年在國產(chǎn)大型客機項目的牽引作用下才逐漸發(fā)展的。王穩(wěn)江等對ETOPS型號設(shè)計進(jìn)行探索研究；李昊燃等研究了發(fā)動機的ETOPS型號設(shè)計和符合性驗證方法；談琳娓等研究了ETOPS試飛驗證技術(shù)。然而，上述研究對于ETOPS重要系統(tǒng)的適航審定，仍然缺乏系統(tǒng)性的理論研究和方法指導(dǎo)。

ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)過程中一項重要工作就 是ETOPS重 要 系 統(tǒng) 適 航 審 定。ETOPS重要系統(tǒng)，對于民用飛機制造商而言，是民用飛機ETOPS型號設(shè)計與取證過程中主要的設(shè)計與驗證對象；對于民用飛機運營商而言，是民用飛機ETOPS運營過程中的主要監(jiān)控和維護對象。由此可見，ETOPS重要系統(tǒng)的適航審定，貫穿民用飛機主制造商的研制和運營商的運營過程，無論對于制造商的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)，還是運營商的ETOPS運行都至關(guān)重要。目前，國內(nèi)對于ETOPS重要系統(tǒng)適航審定的理論研究和方法指導(dǎo)鮮有研究。我國自主研制大型客機ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)處于起步階段，扎實做好ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計和驗證工作，能夠為國產(chǎn)大型客機的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)和將來的ETOPS運行批準(zhǔn)打下堅實基礎(chǔ)。

本文主要針對ETOPS重要系統(tǒng)適航審定開展研究，分析ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)適航條款要求，提出ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法和驗證方法，以期為我國自主研制大型客機的ETOPS型號設(shè)計審查人員和設(shè)計人員提供指導(dǎo)。

1 ETOPS重要系統(tǒng)概述

1.1 ETOPS發(fā)展現(xiàn)狀

自1984年FAA首 次 提 出ETOPS概 念以來，世界民用航空運輸業(yè)得到了飛速發(fā)展，大規(guī)模的ETOPS航線得以開辟（1984年ETOPS航線如圖1所示，2018年ETOPS航線如圖2所示），雙發(fā)飛機也被大量用于跨洋飛行。波音和空客現(xiàn)役的雙發(fā)飛機型號基本都具備180 min及以上的ETOPS能力（如表1所示）。

圖1 ETOPS航線（1984年）［12］Fig.1 ETOPS flights in 1984［12］

圖2 ETOPS航線（2018年）［12］Fig.2 ETOPS flights in 2018［12］

表1 波音和空客雙發(fā)機型的ETOPS能力Table 1 Boeing and Airbus twin-engine aircraft ETOPS capability

1.2 ETOPS重要系統(tǒng)

在“ETOPS Significant System”（ETOPS重要系統(tǒng)）這個概念被正式提出之前，F(xiàn)AA在咨詢通告AC120-42A中曾用“critical”“primary”和“essential”搭配“ETOPS Systems”作為術(shù)語，但并未給出明確定義。

“ETOPS Significant System”（ETOPS重要系統(tǒng)，也譯作ETOPS關(guān)鍵系統(tǒng)）這一名詞，最早是由波音提出的，是對那些受ETOPS維護要求影響的飛機系統(tǒng)（包括動力裝置系統(tǒng)）的統(tǒng)稱。

ETOPS重要系統(tǒng)是指失效或者故障時可能對ETOPS飛行的安全，或者對在ETOPS改航過程中飛機的繼續(xù)安全飛行和著陸產(chǎn)生不利影響的飛機系統(tǒng)，包括推進(jìn)系統(tǒng)。

1.3 ETOPS重要系統(tǒng)分類原則

根據(jù)AC120-42B/AMC20-6 rev.2/AC25.1535-1X（草案），ETOPS重要系統(tǒng)可以分為兩類。對于ETOPS重要系統(tǒng)分類原則，雖然AC和AMC在表述上略有差異，但本質(zhì)上是一致的。鑒 于AMC20-6 rev.2中 對 于 組 類2的ETOPS重要系統(tǒng)的描述更為詳細(xì)，在民用飛機ETOPS型號設(shè)計和適航審定過程中建議依據(jù)AMC20-6 rev.2的分類原則開展工作。

ETOPS重要系統(tǒng)按以下原則分為組類1和組類2。

組類1系統(tǒng)包括與飛機發(fā)動機數(shù)量相關(guān)，并且對于飛機安全進(jìn)行ETOPS飛行很重要的任何系統(tǒng)。

（1）失效—安全冗余特性與發(fā)動機數(shù)量直接相關(guān)的系統(tǒng)；

（2）對發(fā)動機正常功能的影響程度達(dá)到可能導(dǎo)致空中停車或非指令推力喪失的系統(tǒng)；

（3）對單發(fā)失效ETOPS改航的安全性至關(guān)重要，并且特意為因單發(fā)失效而喪失的系統(tǒng)提供冗余度的系統(tǒng)，包括備用系統(tǒng)；

（4）諸如防冰系統(tǒng)等，在單發(fā)高度延長運行所必需的系統(tǒng)。

組類2系統(tǒng)與飛機發(fā)動機數(shù)量無關(guān)，但是對飛機安全運行ETOPS飛行至關(guān)重要。

（1）某些失效狀態(tài)會降低飛機能力或機組處理ETOPS改航能力的系統(tǒng)；

（2）時間限制系統(tǒng)；

（3）系統(tǒng)失效會引起ETOPS改航過程中過多的機組工作負(fù)荷（比如在一次最大ETOPS改航中，令人疲乏不堪的飛行控制力，或要求持續(xù)燃油平衡以保持合適重心的系統(tǒng)失效）；

（4）為提高遠(yuǎn)程運行和ETOPS改航安全性特意安裝的系統(tǒng)。

2 適航條款要求

CCAR-21-R4，CCAR-25-R4，CCAR-33-R2和CCAR-121-R7中 都 有ETOPS相 關(guān)的條款，涉及ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)的條款主要內(nèi)容收錄在CCAR-25-R4附錄K中，其中提及ETOPS重要系統(tǒng)的條款有12項，如表2所示。

表2 ETOPS重要系統(tǒng)的條款要求Table 2 Airworthiness requirements of ETOPS significant systems

除表2所 列 的 條 款 外，K25.1.1和K25.1.6條款雖然沒有直接提到ETOPS重要系統(tǒng)，但是參考AC25.1535-1X的 解 讀，K25.1.1條 款 是ETOPS重要系統(tǒng)相應(yīng)要求的來源和通用性條款；而K25.1.6條款所要求的《構(gòu)型、維護和程序》（Configuration，Maintenance，and Procedures，以下簡稱CMP）文件中主要構(gòu)型、運行和維護要求、硬件壽命、MMEL等都和ETOPS重要系統(tǒng)密切相關(guān)。

CCAR-25-R4對ETOPS重要系統(tǒng)的要求中，可以歸結(jié)為以下六個方面的審查要素。

（1）申請人應(yīng)確定出候選飛機—發(fā)動機組合的ETOPS重要系統(tǒng)清單；

（2）型號設(shè)計階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗證；

（3）試飛/服役階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗證；

（4）申請人應(yīng)確定時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的時間性能；

（5）ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)的構(gòu)型、維護、程序等信息收錄在CMP文件中；

（6）模擬ETOPS重要系統(tǒng)失效的演示試飛。

3 ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法

適航條款中除了對發(fā)動機有空中停車率（In-Flight Shut Down）有 明 確 閥 值 要 求 外，對 其 他ETOPS重要系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)并沒有明確的量化要求，因此在ETOPS型號設(shè)計過程中，申請人應(yīng)從飛機型號設(shè)計的具體系統(tǒng)設(shè)計和架構(gòu)出發(fā)，以安全性評估的定性分析過程為手段，同時需要考慮具體型號設(shè)計的ETOPS運行目標(biāo)，如ETOPS最大飛行時間、最大ETOPS改航時間等，對全機各系統(tǒng)開展失效影響分析（Failure Effect Analysis），再依據(jù) 本文1.3節(jié)中列 出的ETOPS重要系統(tǒng)分類原則，從系統(tǒng)級到分系統(tǒng)級逐級進(jìn)行篩選，將失效影響對應(yīng)ETOPS重要系統(tǒng)分類原則的系統(tǒng)/分系統(tǒng)都列入ETOPS重要系統(tǒng)清單，然后再依據(jù)ETOPS重要系統(tǒng)分類原則進(jìn)行分類，最終形成ETOPS重要系統(tǒng)清單，并與適航當(dāng)局達(dá)成一致。

4 ETOPS重要系統(tǒng)的驗證方法

ETOPS重要系統(tǒng)驗證方法的過程分為兩個階段：設(shè)計驗證階段和試飛/服役驗證階段。

設(shè)計驗證階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗證，主要是采用安全性評估的定量分析過程為手段，考慮平均ETOPS任務(wù)時間（綜合考慮飛機—發(fā)動機組合航程范圍內(nèi)會如何使用，并分析潛在可用的航線結(jié)構(gòu)和城市對而確定）和最大ETOPS改航時間，確認(rèn)滿足飛機在ETOPS航線飛行過程以及ETOPS改航期間的安全飛行和著陸要求。具體來說，對于飛機系統(tǒng)，應(yīng)表明符合CCAR25.1309的 要 求；對 于 推 進(jìn) 系 統(tǒng)，則 應(yīng) 表 明 符 合CCAR25.901（c）的要求。在設(shè)計驗證階段，如果出現(xiàn)個別系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備無法滿足ETOPS設(shè)計指標(biāo)要求，那就需要進(jìn)行必要的設(shè)計更改。此時的設(shè)計更改，應(yīng)權(quán)衡考慮采用更為嚴(yán)格的維護/操作程序，或者增加限制，或者通過更換可靠性更高的系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備這三種方法中之一，如果能夠達(dá)到ETOPS設(shè)計指標(biāo)要求，那就產(chǎn)生了ETOPS構(gòu)型項，應(yīng)納入到CMP文件中，驗證過程如圖3所示。

圖3 設(shè)計驗證階段ETOPS重要系統(tǒng)驗證流程示意Fig.3 Verification process of ETOPS significant system in design and verification phase

如果上述三種方法都無法滿足ETOPS設(shè)計指標(biāo)要求，那就要考慮更改系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計，比如增加系統(tǒng)冗余度等。

試飛/服役驗證階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗證，對于服役經(jīng)歷方法的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)，采用候選飛機—發(fā)動機組合的ETOPS重要系統(tǒng)，在試飛/服役過程中可用的在役可靠性數(shù)據(jù)表明飛機系統(tǒng)的CCAR25.1309（b）條款的符合性，此時，候選飛機—發(fā)動機組合在試飛/服役驗證階段的ETOPS重要系統(tǒng)評估是CMP要求的主要來源；而對于早期ETOPS方法的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)，可以采用“技術(shù)轉(zhuǎn)移分析”（Technical Transfer Analysis）的方法，將早期ETOPS機型和候選飛機—發(fā)動機組合的試飛/服役過程的在役可靠性數(shù)據(jù)應(yīng)用于候選飛機—發(fā)動機組合的ETOPS重要系統(tǒng)評估中，相應(yīng)地，CMP要求增加了另一個來源：附錄K25.2.2（h）條指定的問題跟蹤和解決系統(tǒng)下遇到和報告的問題的糾正措施。

在 附 錄K25.2.1（e）、K25.2.2（g）、K25.3.1（c）和K25.3.2（d）要求的演示試飛中，要對服役過程中可能發(fā)生的ETOPS重要系統(tǒng)失效和故障的情況進(jìn)行模擬，并證明飛機的ETOPS改航能力。具體需要在演示試飛中模擬驗證哪些ETOPS重要系統(tǒng)失效和故障狀態(tài)，由審查方和申請人共同決定。

5 有時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的審定

有時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)是一類比較特殊的ETOPS重要系統(tǒng)，所謂有時間限制，是指系統(tǒng)一旦開始工作，其功能/性能只能持續(xù)有限的時間。最典型的例子就是貨艙抑火系統(tǒng)，由于滅火瓶容量限制，滅火劑一旦開始釋放，其作用時間顯然是有時間限制的。

附錄K25.1.3（c）條款要求申請人確定每一個有時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時間能力。附錄K25.1.7（d）要求AFM中列出最受時間限制的C級貨艙或行李艙火警抑制系統(tǒng)之外最受時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時間能力，還要求AFM列出除C級貨艙或行李艙火警抑制系統(tǒng)之外最受時間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時間能力。由于這兩類ETOPS重要系統(tǒng)的時間能力在運行規(guī)章中確定ETOPS航線最長改航時間的方法不同，因而有必要在AFM中指定每一類ETOPS重要系統(tǒng)的時間能力。

針對不超過180 min的ETOPS和北太平洋區(qū)域內(nèi)的不超過207 min的ETOPS，在標(biāo)準(zhǔn)條件下靜止大氣以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺發(fā)動機失效巡航速度備降至計劃的ETOPS指定備降機場所需的時間，不能超過該飛機時間限制最嚴(yán)格的ETOPS重要系統(tǒng)（包括貨艙抑火系統(tǒng)）所規(guī)定的最長時間限制減去15 min。

針對超過180 min的ETOPS，對于貨艙抑火系統(tǒng)，在正常的全發(fā)巡航高度，修正了風(fēng)和溫度的影響，以全發(fā)運行的巡航速度備降至計劃的ETOPS指定備降機場所需的時間，不能超過該飛機抑火系統(tǒng)的最大合格審定時限減去15 min；對于貨艙抑火系統(tǒng)之外的ETOPS重要系統(tǒng)，在正常的一臺發(fā)動機失效巡航高度上，修正了風(fēng)和溫度的影響，以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺發(fā)動機失效巡航速度備降至計劃的ETOPS指定備降機場所需的時間，不能超過該飛機ETOPS重要系統(tǒng)（不包括貨艙抑火系統(tǒng)）最大時限減去15 min。

6 結(jié)論

（1）ETOPS重要系統(tǒng)適航審定是ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)，對于制造商的ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)，以及運營商的ETOPS運行都至關(guān)重要。

（2）本文所提出的ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法和驗證方法，在國內(nèi)大型民用客機項目工程實踐中得到了實踐檢驗，并取得了實質(zhì)性進(jìn)展。實踐證明，本文所提出的方法合理可行，并且能夠為大型民用客機的ETOPS型號設(shè)計與審定工作提供指導(dǎo)。