王偉達(dá) 王曉熠

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.672(c)條款要求和分析

王偉達(dá) 王曉熠

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

介紹了該條款產(chǎn)生的時(shí)代背景，分析了該條款中的若干基本概念，研究了該條款的適航要求，描述了對(duì)該條款表明符合性的驗(yàn)證方法。

CCAR25.672(c)；自動(dòng)系統(tǒng)；單個(gè)故障；試飛方法

CCAR-25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》是運(yùn)輸類飛機(jī)研制中必須滿足的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。飛控系統(tǒng)必須對(duì)CCAR25.671(c)、CCCAR25.672(c)等條款表明符合性。CCAR 25.671(c)條款偏重于傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓–機(jī)械方式的飛控系統(tǒng)，對(duì)其失效條件進(jìn)行了基本的分類，并要求在發(fā)生條款要求的失效條件后應(yīng)能夠繼續(xù)安全飛行和著陸，或可操縱。而25.672(c)條款偏重于電傳操縱方式的飛控系統(tǒng)，相對(duì)25.671(c)對(duì)飛機(jī)的響應(yīng)和品質(zhì)提出了更高的要求。

1 CCAR 25.672(c)條款的內(nèi)容

CCAR-25 R4版本中對(duì)條款CCAR25.672(c)的描述如下[1]。

如果增穩(wěn)系統(tǒng)或其它自動(dòng)或帶動(dòng)力的操縱系統(tǒng)的功能對(duì)于表明滿足本部的飛行特性要求是必要的，則這些系統(tǒng)必須符合第25.671條和下列規(guī)定：

25.671(c) 必須表明，在增穩(wěn)系統(tǒng)或任何其它自動(dòng)或帶動(dòng)力的操縱系統(tǒng)發(fā)生任何單個(gè)故障后，符合下列規(guī)定：

當(dāng)故障或功能不正常發(fā)生在批準(zhǔn)的使用限制內(nèi)且對(duì)于該故障類型是臨界的任何速度或高度上時(shí)，飛機(jī)仍能安全操縱；

在飛機(jī)飛行手冊(cè)中規(guī)定的實(shí)際使用的飛行包線（例如速度、高度、法向加速度和飛機(jī)形態(tài)）內(nèi)，仍能滿足本部所規(guī)定的操縱性和機(jī)動(dòng)性要求；

飛機(jī)的配平、穩(wěn)定性以及失速特性不會(huì)降低到繼續(xù)安全飛行和著陸所必需的水平以下。

2 CCAR 25.672(c)條款產(chǎn)生的背景

在20世紀(jì)50年代以前，含有自動(dòng)駕駛儀的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于大型飛機(jī)，當(dāng)時(shí)小型飛機(jī)的飛行速度和高度都不大，自身穩(wěn)定性也好，對(duì)自動(dòng)控制的需求并不迫切。但是超音速飛機(jī)問世后，飛行包線擴(kuò)大，飛機(jī)自身穩(wěn)定性變壞，例如飛機(jī)自身的阻尼力矩在高空因空氣稀薄而變小，阻尼比下降，致使飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擺動(dòng)，僅靠駕駛員操縱飛機(jī)較困難。為解決這類問題，在飛機(jī)上安裝了由角速率陀螺、放大器和串聯(lián)舵機(jī)組成的阻尼器，引入飛機(jī)角速度的負(fù)反饋，增強(qiáng)角運(yùn)動(dòng)的阻尼，后又由阻尼器發(fā)展成增穩(wěn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

由于上述系統(tǒng)的出現(xiàn)，導(dǎo)致飛機(jī)的飛控系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化。現(xiàn)在飛機(jī)的飛控系統(tǒng)被劃分為基本操縱鏈路和增強(qiáng)操縱鏈路?；镜牟倏v鏈路包含了駕駛艙操縱器件→作動(dòng)器電子控制裝置→作動(dòng)器→氣動(dòng)控制面。從控制理論上講，這是一個(gè)開環(huán)環(huán)節(jié)。增強(qiáng)操縱鏈路包含了減緩系統(tǒng)（LAS）、增穩(wěn)系統(tǒng)（SAS）、顫振抑制系統(tǒng)（FSS）等功能，這些功能綜合處理了飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角、空速、機(jī)體加速度等傳感器信號(hào)，得出一個(gè)舵面偏轉(zhuǎn)指令。從控制理論上講，這是一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，可能是正反饋環(huán)節(jié)，也可能是負(fù)反饋環(huán)節(jié)。飛機(jī)有了增強(qiáng)操縱鏈路，使得其飛行包線擴(kuò)大了。

早期適航當(dāng)局或是其他機(jī)構(gòu)僅要求這些系統(tǒng)在出現(xiàn)故障或不工作時(shí)保證飛機(jī)具有可接受的操縱品質(zhì)。后期要求日趨嚴(yán)格和明確。在美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布的AC25.672-1中要求裝備了SAS、自動(dòng)系統(tǒng)的飛機(jī)安全性水平始終同未裝備這些系統(tǒng)的飛機(jī)的安全性水平一樣[2]。

3 CCAR 25.672(c)條款的內(nèi)容解析

3.1 基本概念

下面以采用雙發(fā)尾吊布局的某型號(hào)民用飛機(jī)為例，說明增穩(wěn)系統(tǒng)及任何其它自動(dòng)或帶動(dòng)力的操縱系統(tǒng)的基本概念。該民用飛機(jī)的飛控系統(tǒng)模態(tài)為“正常模式”和“直接模式”。偏航阻尼器功能（Yaw Damper）和馬赫數(shù)配平（Mach Trim）駐留在自動(dòng)飛行計(jì)算機(jī)中，未駐留在飛控計(jì)算機(jī)中。

a) 該民用飛機(jī)的增穩(wěn)系統(tǒng)是偏航阻尼器。該功能駐留在自動(dòng)飛行計(jì)算機(jī)中，由兩個(gè)控制通道和一個(gè)監(jiān)控通道構(gòu)成。因此單個(gè)故障不會(huì)造成偏航阻尼器的失效。在整個(gè)飛行過程中隨時(shí)可以打開偏航阻尼器。它將飛機(jī)的角速度信號(hào)通過變換引入到操縱系統(tǒng)中，并由此控制舵面的偏轉(zhuǎn)，使飛機(jī)產(chǎn)生附加的與原來角速度相反的力矩，抵消飛機(jī)的擺動(dòng)。

b) 該民用飛機(jī)的自動(dòng)系統(tǒng)是馬赫數(shù)配平。該功能駐留在自動(dòng)飛行計(jì)算機(jī)中，由一個(gè)控制通道和一個(gè)監(jiān)控通道構(gòu)成。因此單個(gè)故障會(huì)造成馬赫數(shù)配平失效。該功能在飛機(jī)速度達(dá)到某一馬赫數(shù)時(shí)自動(dòng)發(fā)揮效用，將隨飛行速度的增加自動(dòng)調(diào)整水平安定面使其前緣逐漸下偏，不斷增加飛機(jī)的抬頭力矩，避免向下俯沖。自動(dòng)系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀不同，前者是從飛機(jī)一起飛就自動(dòng)投入工作，而后者是只有當(dāng)飛機(jī)在空中完成配平（飛機(jī)力矩和桿力平衡）后才能接入。

c) 該民用飛機(jī)的帶動(dòng)力的操縱系統(tǒng)是指由液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的副翼、升降舵、方向舵和擾流板操縱系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由駕駛艙操縱器件（盤、桿、腳蹬）、作動(dòng)器電子控制裝置、液壓作動(dòng)器組成。操縱器件的指令信號(hào)通過電纜被輸出到作動(dòng)器電子控制裝置。電子控制裝置是一種模擬電子器件，它將指令信號(hào)進(jìn)行整形（Shaping），通過內(nèi)部的前饋網(wǎng)絡(luò)處理為電磁信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)器。這種指令信號(hào)直接通過前饋網(wǎng)絡(luò)到達(dá)作動(dòng)器的控制方式，對(duì)于該類型民用飛機(jī)稱為“直接模式”；如果在前饋網(wǎng)絡(luò)中被注入了空速增益（由飛控計(jì)算機(jī)提供），則稱為“正常模式”。

3.2 CCAR25.672(c)條款

咨詢通告AC25.672-1認(rèn)為當(dāng)SAS起作用時(shí)，應(yīng)滿足25部所有適用的要求；而當(dāng)SAS由于在飛行中失效而不起作用時(shí)，設(shè)計(jì)載荷、穩(wěn)定性與操縱性、以及機(jī)組通報(bào)都和起作用的SAS可靠性有關(guān)。如果要求用不止一個(gè)系統(tǒng)來保證達(dá)到所要求的可靠性，則任一系統(tǒng)喪失正常功能夠應(yīng)在飛行前通告飛行機(jī)組，使其知道系統(tǒng)的狀況。在SAS功能全部喪失時(shí)應(yīng)通知機(jī)組，而且在經(jīng)FAA批準(zhǔn)的飛機(jī)飛行手冊(cè)中應(yīng)含有解決這種喪失全部功能的程序。在這些程序中可以包含飛行限制。

對(duì)于該類型民用飛機(jī)，SAS功能并不位于在操縱器件→作動(dòng)器電子控制裝置→作動(dòng)器這一個(gè)環(huán)節(jié)中。SAS功能輸出的指令信號(hào)作為增益注入到了作動(dòng)器電子控制裝置內(nèi)的前饋網(wǎng)絡(luò)中。

綜上所述，CCAR25.672(c)中描述的單個(gè)故障不是發(fā)生在基本操縱鏈路，而是發(fā)生在增強(qiáng)操縱鏈路。

a）飛機(jī)的基本操縱鏈路未發(fā)生故障，仍然具有基本的操縱能力，即（操縱器件→作動(dòng)器電子控制裝置→作動(dòng)器）這個(gè)鏈路上的未發(fā)生故障；

b）飛機(jī)的氣動(dòng)控制面不應(yīng)發(fā)生故障，即卡阻或漂??；

c）飛機(jī)的增強(qiáng)操縱鏈路發(fā)生故障，即不屬于基本控制鏈路上的電子電氣設(shè)備，例如包含增強(qiáng)功能的電子設(shè)備。

這種“單個(gè)故障”導(dǎo)致了飛機(jī)的某種自身特性的明顯降低，或是使飛機(jī)的這種自身特性有降低的趨勢(shì)。例如：對(duì)該類型民用飛機(jī)而言，由于飛機(jī)喪失偏航阻尼器功能，導(dǎo)致了飛機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定性降低，但是這種故障并沒有破壞氣動(dòng)控制面的完整性，沒有影響飛控系統(tǒng)。

3.2.1 CCAR25.672(c)(1)條款

“批準(zhǔn)的使用限制”（the Approved Operating Limitations）是機(jī)組操作手冊(cè)（FCOM）中的“限制”。該部分內(nèi)容包括了飛機(jī)的使用高度、機(jī)動(dòng)限制載荷系數(shù)、空速和環(huán)境使用包線等內(nèi)容。

“對(duì)于該故障類型是臨界的任何速度或高度”是指飛機(jī)如果在某一速度或高度發(fā)生某一類型的故障，就會(huì)存在危害；如果在這一速度或高度之下，就不存在危害或是危害很小。那么這個(gè)速度或是高度對(duì)故障而言就是“臨界的”。例如對(duì)于該民用飛機(jī)，自動(dòng)配平和馬赫數(shù)配平功能在空速大于0.78Ma時(shí)才發(fā)揮作用。因此如果在大于0.78Ma時(shí)突然喪失自動(dòng)配平和馬赫數(shù)配平功能，就會(huì)存在很大的危害；而在小于0.78Ma時(shí)突然喪失自動(dòng)配平和馬赫數(shù)配平功能，就不會(huì)存在任何危害。因?yàn)轭愃频睦舆€有“飛控系統(tǒng)進(jìn)入直接模式”。

CCAR 25.672(c)(1)款要求驗(yàn)證的是在飛機(jī)發(fā)生單個(gè)故障類型后，從“批準(zhǔn)的使用限制”到“該故障類型的臨界速度或高度”這個(gè)區(qū)域之間的響應(yīng)，即不應(yīng)該有危險(xiǎn)的，可以從大于“故障類型的”臨界速度或是高度上，進(jìn)入小于“故障類型的”臨界速度或是高度是安全的。飛行員能夠在飛行機(jī)組操縱手冊(cè)（FCOM）中查閱到這種“單個(gè)故障”的非正常程序。飛行員按照程序能夠妥善處理“單個(gè)故障”。

這一款中要求的飛行品質(zhì)要求是“可控的”。

3.2.2 CCAR25.672(c)(2)條款

CCAR25.672(c)(2)款考察的是飛機(jī)在“實(shí)際使用的飛行包線”的響應(yīng)。實(shí)際使用的飛行包線僅指非正常程序規(guī)定的包線。例如對(duì)于該類型飛機(jī)，在喪失馬赫數(shù)配平功能后，0.78Ma就是實(shí)際使用的飛行包線。但是基于安全考慮，實(shí)際使用的包線要比0.78Ma稍小。類似的例子還有“飛控系統(tǒng)進(jìn)入直接模式”。

綜上所述，CCAR25.672(c)(2)款驗(yàn)證的是飛機(jī)進(jìn)入了非正常程序規(guī)定的包線下邊緣及其內(nèi)部后，其操縱性和機(jī)動(dòng)性要求等同于在正常飛行包線內(nèi)的要求。關(guān)于飛機(jī)操縱性和機(jī)動(dòng)性要求的條款是CCAR25.143、CCAR25.145、CCAR25.147和CCAR25.149。

這一款中要求的飛行品質(zhì)要求是“滿意的”。

3.2.3 CCAR25.672(c)(3)條款

“必需的水平”就是保證飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸需要的最低標(biāo)準(zhǔn)。CCAR25.672(c)(3)款要求非正常程序中應(yīng)有合理的著陸步驟。關(guān)于飛機(jī)配平特性的條款是CCAR25.161；穩(wěn)定性的條款是CCAR25.171、CCAR25.173、CCAR25.175、CCAR25.177和CCAR25.181；失速特性的條款是CCAR25. 203。

這一款中要求的飛行品質(zhì)要求是“足夠”的。

3.2.4 小結(jié)

綜上所述，可以明確以下結(jié)論：

a) CCAR25.672(c)強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證的是飛機(jī)失去了SAS功能或其他功能后的響應(yīng)，而非是喪失舵面功能或類似故障類型的響應(yīng)。CCAR25.671(c)(3)強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證的是后一類故障的響應(yīng)。

b) 飛機(jī)在喪失SAS功能或其他功能后，為達(dá)到安全目的使用的包線將相對(duì)未喪失該功能時(shí)使用的包線小。

c) 飛機(jī)在喪失SAS功能或自動(dòng)功能時(shí)需要告知機(jī)組。這個(gè)要求和CCAR25.672(a)的要求是一致的。在局方批準(zhǔn)的飛機(jī)飛行手冊(cè)中必須有處置該類型故障的非正常程序，這也是CCAR25.1309(b)(2)和(c)的要求。

從另外一個(gè)角度考慮，CCAR25.672(c)還可以用于檢查部分的功能危害性分析（FHA）項(xiàng)目級(jí)別的合理性。在對(duì)故障進(jìn)行評(píng)定時(shí)，應(yīng)當(dāng)以分級(jí)方式同事件的概率相關(guān)，即可能的事件不得產(chǎn)生大于次要影響（Minor Effects）的后果，而不大可能的事件不得產(chǎn)生大于主要影響（Major Effects）的后果。

在某型號(hào)民用飛機(jī)的審定過程中，申請(qǐng)人已就上述結(jié)論和中國(guó)民用航空局的審查代表達(dá)成了共識(shí)。

3.3 建議的符合性方法

通常采用飛行試驗(yàn)（MOC6）的方法來表明對(duì)條款CCAR25.672(c)的符合性。如果中國(guó)民用航空局審查代表認(rèn)可模擬器試驗(yàn)平臺(tái)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)邊界的逼真度，則也可以考慮使用模擬器試驗(yàn)（MOC8）的方法。

以該型號(hào)民用飛機(jī)為例說明用于驗(yàn)證該條款的飛行試驗(yàn)。因?yàn)樵撔吞?hào)民機(jī)會(huì)發(fā)生某一單個(gè)故障而導(dǎo)致喪失馬赫數(shù)配平功能，所以選用了“喪失馬赫數(shù)配平”功能作為驗(yàn)證科目。該試驗(yàn)科目已經(jīng)完成了，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行員評(píng)述表明飛機(jī)符合25.672(c)條款的要求。相關(guān)的符合性文件已經(jīng)得到了中國(guó)民用航空局的批準(zhǔn)。

試飛方法簡(jiǎn)述如下：

a) 飛機(jī)按照正常程序起飛至高高度，空速至Vmo（或Vmd）后，設(shè)置馬赫數(shù)配平故障；

b) 收油門，減速，在降到安全包線內(nèi)之前，應(yīng)柔和控制飛機(jī)姿態(tài)，避免急速偏轉(zhuǎn)舵面；

c) 進(jìn)入安全包線之后，演示必要的操縱性和機(jī)動(dòng)性、配平特性、失速特性和穩(wěn)定性；

d) 按照現(xiàn)行有效的飛行手冊(cè)要求完成著陸。

4 結(jié)論

CCAR25.672(c)對(duì)增穩(wěn)系統(tǒng)或其它自動(dòng)或帶動(dòng)力的操縱系統(tǒng)的功能在發(fā)生單個(gè)故障后的飛機(jī)響應(yīng)提出了嚴(yán)格的要求。本文研究了條款CCAR25.672(c)的適航要求，并提出了針對(duì)該條款的驗(yàn)證思路，為運(yùn)輸類飛機(jī)的飛控系統(tǒng)符合性驗(yàn)證提供了借鑒。驗(yàn)證思路及其試驗(yàn)科目已經(jīng)得到了中國(guó)民用航空局的認(rèn)可，相關(guān)的符合性文件已經(jīng)得到批準(zhǔn)。

[1] CCAR-25-R4 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] AC25.672-1 Active Flight Controls－General[S]. Washington： FAA, 2001.

（編輯：雨晴）

T–65

C

1003–6660（2015）04–0033–04

10.13237/j.cnki.asq.2015.04.009

[收修訂稿日期] 2015-08-10