正常類飛機(jī)CCAR23.2205 符合性驗(yàn)證方法分析

趙佶男

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040）

原民航總局于2004 年制定了《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》CCAR-23-R3，主要規(guī)定了小型飛機(jī)適航審定的技術(shù)性要求，對(duì)提高我國(guó)小型飛機(jī)的安全水平、促進(jìn)民用航空事業(yè)的穩(wěn)步健康發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1]。隨著航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、航空工業(yè)和航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，以及人們對(duì)航空安全性認(rèn)識(shí)的深化，小型飛機(jī)適航要求在不斷發(fā)展和更新，該規(guī)章中部分內(nèi)容難以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要。為此，中國(guó)民用航空局于2022 年5 月31 日發(fā)布了《正常類飛機(jī)適航規(guī)定》[2]CCAR-23-R4，通過全面修訂以進(jìn)一步強(qiáng)化民航安全管理，確保民航飛行安全。本文通過對(duì)比，識(shí)別出了新版規(guī)章對(duì)“系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的相互影響”的要求，分析了該條款內(nèi)容，梳理和總結(jié)了適航驗(yàn)證方法，為正常類飛機(jī)適航取證工作提供了借鑒。

1 背景

根據(jù)《正常類飛機(jī)適航規(guī)定》規(guī)章重組的思路與規(guī)則，新的CCAR-23-R4 部規(guī)章最終包含A 分部“總則”、B 分部“飛行”、C 分部“結(jié)構(gòu)”、D 分部“設(shè)計(jì)與構(gòu)造”、E 分部“動(dòng)力裝置”、F 分部“設(shè)備”和G 分部“飛行機(jī)組界面和其他”在內(nèi)的7 個(gè)分部，共計(jì)68 個(gè)條款[3]。通過與舊版本的規(guī)章內(nèi)容對(duì)比，識(shí)別出在C 分部“結(jié)構(gòu)”中新增了CCAR23.2205“系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的相互影響”條款。

隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平的進(jìn)步，正常類飛機(jī)也開始裝備有主飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、自動(dòng)飛行系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等各類系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)傳載、或?yàn)闄C(jī)組及乘客提供舒適的環(huán)境，或?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)的操縱性能等不可或缺的一部分[4-5]。但這些系統(tǒng)可能會(huì)不起作用或者在權(quán)限有所降低的降級(jí)模式下進(jìn)行工作，這就會(huì)產(chǎn)生諸多不利因素，影響結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和飛機(jī)的使用裕度。如作動(dòng)器卡阻失效、活動(dòng)面限制偏度喪失等，都會(huì)引起全機(jī)載荷的改變，也會(huì)引起非常規(guī)的載荷分布情況。

對(duì)于上述問題，局方提出了“系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的相互影響”適航審查要求，目的是確保獲得系統(tǒng)故障對(duì)結(jié)構(gòu)的影響充分的分析驗(yàn)證，確定系統(tǒng)的故障狀態(tài)及相應(yīng)的故障出現(xiàn)概率以獲得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和使用裕度，以保證飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性。

2 條款內(nèi)容

《正常類飛機(jī)適航規(guī)定》中23.2205 條規(guī)定：如果飛機(jī)安裝了某個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變結(jié)構(gòu)性能、緩解本章要求的影響或者提供滿足本章要求的符合性方法，在表明對(duì)本章要求的符合性時(shí)，申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)考慮該系統(tǒng)的影響和失效。

3 符合性驗(yàn)證方法

3.1 總則

對(duì)于裝備了飛行控制系統(tǒng)、自動(dòng)飛行系統(tǒng)、增穩(wěn)系統(tǒng)、載荷減緩系統(tǒng)、顫振控制系統(tǒng)和燃油管理系統(tǒng)的正常類飛機(jī)，申請(qǐng)人必須考慮到這些系統(tǒng)的影響和故障?？梢允褂脠D1 提供的流程對(duì)此要求的適用性開展評(píng)估，并參考《Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes》[6]中CS25.302條款的符合性驗(yàn)證方法以表明其符合性。

3.2 故障類型篩選

系統(tǒng)故障載荷分析的基礎(chǔ)是定量的、可靠的功能危險(xiǎn)分析（FHA）報(bào)告，依據(jù)FHA 報(bào)告中經(jīng)確認(rèn)的故障發(fā)生概率，確認(rèn)哪些系統(tǒng)故障可能對(duì)結(jié)構(gòu)有影響（故障概率不小于10-9）、哪些系統(tǒng)故障概率為“極不可能”（小于10-9）即不用考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)可能有影響的系統(tǒng)故障，需結(jié)合應(yīng)開展分析的設(shè)計(jì)輸入和計(jì)算分析方法，逐條分析故障是否會(huì)對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來不利影響。例如，故障影響可使用的空速/Ma 數(shù)、高度范圍，這些參數(shù)將導(dǎo)致飛行包線發(fā)生變化；故障影響不同的主飛控面偏度，將導(dǎo)致機(jī)動(dòng)飛行的劇烈程度變化。這些都會(huì)不同程度影響局部或全機(jī)載荷，在篩選時(shí)需要全面考慮故障的每個(gè)因素。

參考CS25.1309 條款的符合性驗(yàn)證方法，依據(jù)故障情況影響的嚴(yán)重程度對(duì)失效狀態(tài)等級(jí)分類見表1。

表1 系統(tǒng)失效狀態(tài)等級(jí)與概率關(guān)系

飛行手冊(cè)中對(duì)部分故障發(fā)生時(shí)刻飛行員可采用的糾正措施、故障發(fā)生后持續(xù)飛行有限制措施（通常是縮減包線），這些規(guī)定的故障應(yīng)對(duì)措施在篩選和后續(xù)的計(jì)算分析中都應(yīng)作為設(shè)計(jì)輸入予以考慮。

篩選時(shí)還要定量分析與定性分析相結(jié)合。有些故障可以通過定性分析說明其不會(huì)造成載荷增大，篩選出來后可以減少后續(xù)定量分析的工作量。

3.3 對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況的評(píng)估

對(duì)于正常運(yùn)行情況，飛機(jī)的所有限制載荷必須在所有系統(tǒng)正常運(yùn)行的構(gòu)型下獲得。在考慮限制載荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)的任何特殊表現(xiàn)、相關(guān)功能及對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能的任何影響時(shí)，申請(qǐng)人必須通過實(shí)際或保守的方法對(duì)任何顯著的非線性進(jìn)行考慮。

此時(shí)，飛機(jī)必須滿足靜強(qiáng)度要求，并采用1.5 的安全系數(shù)從上述限制載荷中獲得極限載荷。在系統(tǒng)超出限制條件時(shí)，申請(qǐng)人必須對(duì)其非線性的影響進(jìn)行研究，以確保此時(shí)相比于在限制條件范圍內(nèi)的情況，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生異常。如果飛機(jī)的設(shè)計(jì)特征不允許超出上述限制條件，則無(wú)需考慮該情況。

同時(shí)，申請(qǐng)人還應(yīng)確保飛機(jī)滿足相關(guān)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性及耐久性要求。

3.4 對(duì)系統(tǒng)失效運(yùn)行情況的評(píng)估

對(duì)于系統(tǒng)失效情況，申請(qǐng)人應(yīng)先判斷系統(tǒng)失效概率是否為“極不可能”（失效概率小于10-9）。對(duì)于任何未顯示為極不可能的結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)故障狀態(tài)，則需要開展如下兩個(gè)方面的評(píng)估。

一是從1g 平飛條件開始，申請(qǐng)人必須建立一個(gè)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，包括飛行員或飛行控制系統(tǒng)的糾正措施，以確定在故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的載荷。對(duì)于靜態(tài)強(qiáng)度來說，故障發(fā)生時(shí)刻產(chǎn)生的荷載乘以與故障發(fā)生概率相關(guān)的適當(dāng)安全系數(shù)，即可得到設(shè)計(jì)中要考慮的最終荷載。安全系數(shù)如圖2 所示。如果未計(jì)算出故障發(fā)生概率Pj，則必須采用1.5 的安全系數(shù)。為了評(píng)估結(jié)構(gòu)的耐久性，飛機(jī)必須能夠承受故障發(fā)生時(shí)刻極限載荷的三分之二。對(duì)于飛機(jī)增壓艙，這些載荷必須與正常使用的壓差進(jìn)行組合進(jìn)行考慮。對(duì)于氣動(dòng)彈性，必須表明在規(guī)定的速度范圍內(nèi)，不發(fā)生氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定。對(duì)于會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)速度超過VC/MC 的失效狀態(tài)，必須表明在速度增大的情況下不發(fā)生氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定，滿足相關(guān)裕度。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)（振蕩）的系統(tǒng)失效，不得引起能導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)有害變形的載荷。

圖2 故障發(fā)生時(shí)刻安全系數(shù)

部分系統(tǒng)失效情況飛行手冊(cè)中有糾正操作程序，如某型飛機(jī)如發(fā)生方向舵卡阻故障，手冊(cè)要求：卡阻后飛行員配平飛機(jī)，其后空速不能超過當(dāng)前速度或XX節(jié)空速……對(duì)于更多的系統(tǒng)失效情況，手冊(cè)中沒有明確的糾正操作程序，糾正動(dòng)作就需要根據(jù)故障發(fā)生后飛機(jī)的響應(yīng)做出合理分析。

糾正動(dòng)作一般盡量使得飛機(jī)恢復(fù)到1g 平飛狀態(tài)，由于各種故障的原因不同，糾正動(dòng)作也就隨之變化，計(jì)算方法也就無(wú)法統(tǒng)一，故障發(fā)生時(shí)刻的分析工作繁雜，需考慮。

二是飛機(jī)在失效狀態(tài)下繼續(xù)飛行，系統(tǒng)處于失效狀態(tài)、構(gòu)型經(jīng)適當(dāng)調(diào)整并考慮飛行限制。申請(qǐng)人則需要考慮“對(duì)稱機(jī)動(dòng)”“飛行包線”“增升裝置”“水平翼面機(jī)動(dòng)載荷”“鰭或翼尖小翼”“突風(fēng)載荷系數(shù)”“水平/側(cè)向突風(fēng)對(duì)水平/垂直翼面的影響”“滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)”“非對(duì)稱載荷”“偏航情況”和“地面載荷”等各種規(guī)章要求下的載荷情況。對(duì)于靜強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)構(gòu)的每一零件必須能夠承受失效狀態(tài)下持續(xù)飛行中產(chǎn)生的各種載荷并乘以安全系數(shù)。此時(shí)的安全系數(shù)取決于該失效狀態(tài)出現(xiàn)的概率，如圖3 所示。對(duì)于耐久性評(píng)估，飛機(jī)需要能夠承受故障發(fā)生后持續(xù)飛行過程中受到的極限載荷的三分之二，以進(jìn)行剩余強(qiáng)度驗(yàn)證。對(duì)于增壓客艙，這些載荷必須與正常使用的壓差相結(jié)合。如果失效狀態(tài)引起的載荷對(duì)疲勞或損傷容限有顯著影響，申請(qǐng)人則必須考慮這種影響。此外，申請(qǐng)人還必須表明在如圖4 所示的顫振包線速度范圍內(nèi)，飛機(jī)不會(huì)發(fā)生氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定。而且在任何可能的系統(tǒng)失效狀態(tài)與要求的任何損傷同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，申請(qǐng)人必須表明在直至上述圖4 所示的V'速度范圍內(nèi)不發(fā)生氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定。如果未計(jì)算失效概率Qj，則必須將V＂作為顫振速度邊界。

圖3 故障發(fā)生后繼續(xù)飛行的安全系數(shù)

圖4 顫振包線速度

3.5 系統(tǒng)失效指示

申請(qǐng)人在面對(duì)那些可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)能力降至安全水平以下或明顯降低剩余系統(tǒng)可靠性的非“極不可能”失效狀態(tài)時(shí)，必須認(rèn)真考慮并采取相應(yīng)措施。此外，申請(qǐng)人還應(yīng)確保在飛行之前向飛行機(jī)組詳細(xì)介紹這些失效狀態(tài)可能帶來的影響，并提供相應(yīng)的處置方法。這種做法旨在確保飛行安全，保護(hù)乘客和機(jī)組人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于任何可能對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅的失效狀態(tài)，申請(qǐng)人必須采取積極主動(dòng)的措施，以確保飛行機(jī)組具備充分的知識(shí)和技能來應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的緊急情況。只有通過充分的準(zhǔn)備和應(yīng)對(duì)措施，才能最大程度地降低飛行過程中的風(fēng)險(xiǎn)，確保飛行的順利進(jìn)行。因此，對(duì)于失效狀態(tài)的考慮和飛行機(jī)組的培訓(xùn)都是飛行安全管理中不可或缺的一部分。

對(duì)于控制系統(tǒng)的特定元件，例如機(jī)械和液壓組件，可以規(guī)定進(jìn)行定期檢查，對(duì)于電子部件可以進(jìn)行日檢。這些維護(hù)要求或日檢僅限于那些不易被常規(guī)探測(cè)和指示系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的元件，同時(shí)在較長(zhǎng)的服役歷史表明這些檢查可以提供足夠的安全水平。這種定期檢查和日檢的實(shí)施是為了確?？刂葡到y(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性。通過定期檢查機(jī)械和液壓組件，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障或磨損，以便進(jìn)行修復(fù)或更換，從而避免系統(tǒng)故障和意外事故的發(fā)生。而對(duì)于電子部件的日檢，則可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的電路故障或連接問題，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這些維護(hù)要求和日檢措施的制定是基于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的，長(zhǎng)期的服役歷史證明了其有效性和必要性。通過定期檢查和日檢，控制系統(tǒng)的運(yùn)行可以得到有效監(jiān)控和維護(hù)，確保其在長(zhǎng)期使用過程中保持安全水平。因此，嚴(yán)格遵守這些維護(hù)要求和日檢措施是非常重要的，以確?？刂葡到y(tǒng)的正常運(yùn)行和人員的安全。對(duì)于飛行中存在的無(wú)法表明是極不可能的任何失效，如果該失效顯著的影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)能力，但可以通過適當(dāng)?shù)娘w行限制將其不利影響降至最低，則必須為飛行機(jī)組提供該失效情況的指示。

3.6 帶已知系統(tǒng)失效情況飛機(jī)的簽派

若飛機(jī)要在已知系統(tǒng)失效的情況下被簽派，而這些系統(tǒng)失效會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能或影響維持結(jié)構(gòu)性能的剩余系統(tǒng)的可靠性，則必須滿足本文中3.4 和3.5 作為放行條件和后續(xù)失效要求。在建立Pj時(shí)應(yīng)考慮預(yù)期的運(yùn)行限制，在建立處于失效狀態(tài)的概率Qj時(shí)要考慮預(yù)期的飛行限制和運(yùn)行限制。這些限制必須確保飛機(jī)處于失效狀態(tài)且隨后遭遇限制載荷狀態(tài)的概率是極不可能的。如果計(jì)算得到的系統(tǒng)失效概率大于10-3每飛行小時(shí)，則不允許降低安全裕度。

4 結(jié)束語(yǔ)

《正常類飛機(jī)適航規(guī)定》CCAR-23-R4 經(jīng)過修訂、重組，這一更改旨在更好地規(guī)范正常類飛機(jī)的適航要求。在C 分部“結(jié)構(gòu)”中新增了“結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的相互影響”條款，確保結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)之間的相互影響能夠得到充分考慮。參考民航局航空器適航審定司發(fā)布的《正常類飛機(jī)審定》咨詢通告[7]，本文對(duì)CCAR23.2205 條款適航符合性思路及方法進(jìn)行了梳理，可供正常類飛機(jī)進(jìn)行符合性驗(yàn)證工作。通過對(duì)適航符合性的驗(yàn)證工作，能夠進(jìn)一步提高飛機(jī)的安全性和適航性，從而更好地滿足航空運(yùn)輸?shù)陌踩?。本文的?nèi)容對(duì)于正常類飛機(jī)的適航審定工作具有參考意義，可為相關(guān)工作提供一定的啟發(fā)。