王偉達(dá)

摘要：CCAR25.671（C）對(duì)民用飛機(jī)在飛控系統(tǒng)發(fā)生故障后的響應(yīng)提出了強(qiáng)制性的要求。首先介紹了這個(gè)條款的內(nèi)容，然后分析了該條款中的若干基本概念，提出了計(jì)算舵面卡阻位置的若干注意事項(xiàng)，最后描述了繼續(xù)安全飛行和著陸的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：CCAR25.671（c）；操縱系統(tǒng)；卡阻位置；安全飛行；著陸

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

Analysis of Airworthiness Requirement and Validations for CCAR25.671（c）

WANG Weida

（Flight Control Department， Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai， 201210，China）

[Abstract]： The response of civilian aircraft after the failures of flight control system shall comply with the mandatory requirements that CCAR25.671（C） stressed. The content of the section is introduced firstly， and then the several basic concepts are analyzed， the some considerations of determining the jammed surface position are proposed， the assessment of continued safe flight and landing is described finally.

[Keywords]： CCAR25.671（c）； Control system；Jammed positions； Safe flight； Landing

中圖分類號(hào)： V217. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

CCAR25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)[1]。飛控系統(tǒng)必須對(duì)CCAR25.671（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)，但也同樣適用于簡(jiǎn)單的電控方式和復(fù)雜的電傳方式的飛控系統(tǒng)。該條款對(duì)飛控系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行了基本的分類，并要求在發(fā)生上述故障后還應(yīng)具有繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

1 CCAR25.671（c）條款內(nèi)容

CCAR25-R4版本中對(duì)條款CCAR25.671（c）的描述如下：

（c） 必須用分析、試驗(yàn)或兩者兼用來(lái)表明，在正常飛行包線內(nèi)發(fā)生飛行操縱系統(tǒng)和操縱面（包括配平、升力、阻力和感覺(jué)系統(tǒng)）的下列任何一種故障或卡阻后，不要特殊的駕駛技巧或體力，飛機(jī)仍能繼續(xù)安全飛行和著陸?？赡艹霈F(xiàn)的功能不正常必須對(duì)操縱系統(tǒng)的工作只產(chǎn)生微小的影響，而且必須是駕駛員能易于采取對(duì)策的：

（1） 除卡阻以外的任何單個(gè)故障 （例如機(jī)械元件的脫開或損壞、或作動(dòng)筒、操縱閥套和閥門一類液壓組件的結(jié)構(gòu)損壞） ；

（2） 除卡阻以外未表明是概率極小的故障的任意組合 （例如雙重電氣系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)的故障，或任何單個(gè)損壞與任一可能的液壓或電氣故障的組合） ；

（3） 在起飛、爬升、巡航、正常轉(zhuǎn)彎、下降和著陸過(guò)程中正常使用的操縱位置上的任何卡阻，除非這種卡阻被表明是概率極小的或是能夠緩解的。若飛行操縱器件滑移到不利位置和隨后發(fā)生卡阻不是概率極小，則須考慮這種滑移和卡阻。

2 CCAR25.671（c） 條款的基本概念

2.1 微小的影響

在某型號(hào)民用飛機(jī)的審定過(guò)程中，申請(qǐng)人經(jīng)過(guò)和中國(guó)民用航空局主管機(jī)械系統(tǒng)的審查代表經(jīng)過(guò)多次討論，對(duì)“微小的影響（minor effects）”定義達(dá)成了共識(shí)，認(rèn)為飛機(jī)發(fā)生故障后，如果能繼續(xù)安全飛行和著陸，那么這個(gè)過(guò)程中發(fā)生的除人員傷亡之外的任何事件（Event），對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的影響都可以認(rèn)為是“微小的”。任何事件包括了機(jī)體結(jié)構(gòu)可能的破損等。

2.2 概率極小的

“概率極小的”（extremely improbable）的定義較為清楚。AC/AMJ25.1309中定義發(fā)生概率為1E-9的災(zāi)難性故障是概率極小的[2]。因此可以認(rèn)為CCAR25.671（c）所考慮是單個(gè)故障，發(fā)生概率大于1E-9的多重故障組合和舵面卡阻這三類故障類別。

2.3 故障類別

“單個(gè)故障”（any single failure）則必須從飛控系統(tǒng)設(shè)備的故障模式及影響清單中進(jìn)行選取。

“任意組合”（any combination of failures）是若干數(shù)量的“單個(gè)故障”的合理組合，組合后的故障發(fā)生應(yīng)概率大于1E-9。一般情況下僅考慮2個(gè)故障的組合對(duì)飛機(jī)的影響。

由“單個(gè)故障”或“任意組合的故障”導(dǎo)致的功能不正?？赡軙?huì)產(chǎn)生不可接受的系統(tǒng)響應(yīng)。這些響應(yīng)同樣可能是舵面有限周期的振蕩，急偏，系統(tǒng)斷開，鎖死，錯(cuò)誤的指示/告警等。例如對(duì)某型號(hào)民用飛機(jī)而言，雙套液壓系統(tǒng)故障發(fā)生概率的數(shù)量級(jí)是E-7，間接導(dǎo)致了飛控系統(tǒng)進(jìn)入了最小操縱面構(gòu)型。

中國(guó)民用航空局還發(fā)布了專有條件SC SE007“電子飛行控制系統(tǒng)-指令信號(hào)完整性”。該專有文件指出在表明對(duì)CCAR25.671（c）的條款符合性，還應(yīng)考慮寄生電磁信號(hào)和計(jì)算機(jī)誘發(fā)信號(hào)對(duì)電傳飛控系統(tǒng)的影響。該專有條件認(rèn)為由任何一種，或是兩種電磁干擾共同作用生成的虛假信號(hào)和（或）錯(cuò)誤數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功能不正常。[3]

“任何卡阻”（any jam）包含了操縱器件的卡阻與舵面的卡阻。操縱器件包括駕駛桿＼盤、腳蹬和配平開關(guān)＼旋鈕等。舵面包含了飛機(jī)的副翼、升降舵、方向舵、水平安定面、擾流板、襟翼和縫翼。

3 正常使用的操縱位置上的任何卡阻

任何能夠因?yàn)槲锢碓蚨鴮?dǎo)致操縱器件或飛控舵面卡阻在固定位置上的故障或事件，必須按照下面的要求來(lái)進(jìn)行評(píng)估：

1） 考慮在任何通常遇到的位置上的卡阻。

2） 除了當(dāng)考慮啟動(dòng)恢復(fù)操縱的時(shí)間延遲時(shí)，不能完成著陸的著陸前位置， 假設(shè)故障可能發(fā)生在正常飛行包線內(nèi)的任何位置。

3） 發(fā)生能夠?qū)е嘛w控舵面或操縱器件卡阻在固定位置的故障后，與該單故障組合時(shí)能夠妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸的任何附加故障狀態(tài)的聯(lián)合發(fā)生概率必須小于1/1000。

25.671（c）（3）強(qiáng)調(diào)的是由于一些物理原因?qū)е露婷婊蝰{駛員操縱器件固定在故障發(fā)生時(shí)的指令位置的故障模式。卡阻的位置應(yīng)該是在起飛、爬升、巡航、正常轉(zhuǎn)彎、下降和著陸過(guò)程中通常遇到的操縱位置。在某些系統(tǒng)架構(gòu)下，系統(tǒng)元部件卡阻會(huì)導(dǎo)致除固定舵面位置或固定操縱器件之外的故障模式，這些類型的卡阻故障不在25.671（c）（3）中考慮。

本條款適用的飛行階段分為：起飛、飛行中（爬升，巡航，正常轉(zhuǎn)彎、下降和進(jìn)場(chǎng)）和著陸。因?yàn)轱w機(jī)需要一定的時(shí)間和高度才能從任何重要的卡阻故障中恢復(fù)，所以正好在著陸前發(fā)生卡阻故障的情況不在本條款考慮的范圍內(nèi)。如果在V1之前發(fā)生卡阻，起飛將被中斷。

過(guò)去，采用機(jī)隊(duì)服役數(shù)據(jù)選擇卡阻的位置。服役經(jīng)驗(yàn)表明控制舵面卡阻的總故障率大概在1E-6到1E-7每飛行小時(shí)。考慮服役數(shù)據(jù)，合理的“通常遇到的位置”指的是在1000次隨機(jī)運(yùn)營(yíng)架次中，在2.2節(jié)中提到的每個(gè)飛行階段，不考慮其它故障時(shí)控制舵面的偏轉(zhuǎn)范圍（從中立位置到最大偏轉(zhuǎn)位置）。

研究報(bào)告ARAC25.671與咨詢備忘錄“Policy regarding flight control jams for‘normally encountered positions”提供了以下舵面卡阻位置的計(jì)算方法：副翼、升降舵、方向舵。提供了水平安定面、減速板、襟縫翼卡阻位置的選擇方法，但是上述文件都沒(méi)有提供操縱器件卡阻位置的計(jì)算或選擇方法。在舵面卡阻位置的算法中采用了俯仰速率，滾轉(zhuǎn)速率或加速度作為計(jì)算卡阻位置的輸入，這些輸入條件不作為故障影響評(píng)估要求。例如，輸入的速率條件不代表發(fā)生舵面卡阻故障后飛機(jī)實(shí)際具有的能力。[4][5]

條款要求發(fā)生能夠?qū)е嘛w控操縱面或駕駛員操縱器件卡阻在固定位置的故障后，與該單故障組合時(shí)能夠妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸的任何附加故障狀態(tài)的聯(lián)合發(fā)生概率必須小于千分之一。這個(gè)要求保證了發(fā)生單個(gè)故障后，最低安全水平仍然存在。同樣地，對(duì)于為主要系統(tǒng)提供備份功能的系統(tǒng)，千分之一判據(jù)為它們建立了最小可靠性要求，即使這些系統(tǒng)的故障率非常低。

4 繼續(xù)安全飛行和著陸的能力

條款強(qiáng)調(diào)了飛機(jī)發(fā)生故障后，繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。根據(jù)研究報(bào)告ARAC25.671，可以從瞬態(tài)響應(yīng)、延遲時(shí)間、操縱性、操縱力和對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響5個(gè)方面評(píng)估飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

4.1 瞬態(tài)響應(yīng)

飛控系統(tǒng)發(fā)生故障后，飛機(jī)不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)不安全的瞬態(tài)響應(yīng)。對(duì)故障或?qū)е驴ㄗ璧臋C(jī)動(dòng)動(dòng)作的評(píng)估，其初始條件可以是在“飛機(jī)在法向過(guò)載為1g的水平飛行”。因此，安全飛行和著陸通常定義為不超過(guò)以下任意一個(gè)條件：

a） 作用在任意主要結(jié)構(gòu)上載荷足夠?qū)е聻?zāi)難性的結(jié)構(gòu)故障。

b） 災(zāi)難性地喪失了對(duì)飛機(jī)航跡的控制。

c） 超過(guò)了VDF/MDF。

d） 災(zāi)難性的顫振或振動(dòng)。

e） 超過(guò)了90度的滾轉(zhuǎn)角。

在表明不超過(guò)瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)表明對(duì)CCAR25.302條款的符合性。雖然VF通常是與繼續(xù)安全飛行和著陸相關(guān)的一個(gè)適當(dāng)?shù)乃俣认拗?，只要滿足CCAR 25.302的要求，短時(shí)超過(guò)VF是可接受的。

VDF/MDF是演示俯沖速度（Demonstrated flight diving speed）。VD/MD是設(shè)計(jì)俯沖速度（design diving speed），見圖1。VDF/MDF大于VD/MD。顫振設(shè)計(jì)保證飛機(jī)在氣動(dòng)彈性包線內(nèi)的安全。正常情況下，氣彈包線是1.15VD/MD，故障狀態(tài)下，氣彈包線不小于VD/MD。因此，只要保證故障后飛機(jī)速度不超過(guò)VD/MD，就表明了符合性，可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)速度數(shù)據(jù)的分析得到該結(jié)果。

圖1 某型號(hào)民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)包線速度

4.2 延遲時(shí)間

假設(shè)延時(shí)包括了飛行員的識(shí)別、響應(yīng)和斷開系統(tǒng)的操縱的操作，那么，延遲時(shí)間=識(shí)別時(shí)間+響應(yīng)時(shí)間+脫開的操縱時(shí)間。

識(shí)別指從發(fā)生故障到飛行員意識(shí)到需要采取操縱之間的時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)飛機(jī)的姿態(tài)或可信賴的故障告警系統(tǒng)識(shí)別出功能不正常。應(yīng)當(dāng)確定識(shí)別的時(shí)間點(diǎn)，但是不能少于1秒。對(duì)于飛控系統(tǒng)故障，除CCAR 25.671（c）（3）描述的卡阻類型外，單獨(dú)地移動(dòng)駕駛桿或駕駛盤不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是識(shí)別行為。

這個(gè)咨詢通報(bào)中的響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

可以在地面或飛行試驗(yàn)中測(cè)量脫開操縱所需的時(shí)間。該時(shí)間值應(yīng)該被應(yīng)用到所有的分析工作中。然而，在需要飛行員執(zhí)行脫開操縱的飛行試驗(yàn)或人為仿真中已經(jīng)包含了這一附加的時(shí)間。因此，這些驗(yàn)證不需要考慮其他的額外延遲時(shí)間。

4.3 操縱性

如果在發(fā)生故障后飛機(jī)可以執(zhí)行以下的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，則通?？梢员砻黠w機(jī)具有繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。

a） 進(jìn)行穩(wěn)定的30坡度左轉(zhuǎn)彎/右轉(zhuǎn)彎；

b） 飛機(jī)穩(wěn)定在一側(cè)的30坡度飛行，迅速向另一側(cè)建立30坡度；（這個(gè)機(jī)動(dòng)中，可以使用方向舵將側(cè)滑減至最小，這個(gè)動(dòng)作可以不檢查）

c） 推桿到0.8g， 拉桿到1.3g；

d） 在90度側(cè)風(fēng)增大至10Kn時(shí)，可以拉平。（地面上10米測(cè)量值）

4.4 操縱力

任何超過(guò)CCAR25.143（c）所規(guī)定的短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)操縱力必須被評(píng)估為可接受的。這個(gè)評(píng)估應(yīng)當(dāng)包括預(yù)期飛行員群體的體力能力（包括年齡、身高和性別）和執(zhí)行預(yù)期機(jī)動(dòng)動(dòng)作的桿力時(shí)間周期。

短時(shí)操縱力通常被解釋為完成構(gòu)型或配平變化的時(shí)間。然而考慮到機(jī)組分擔(dān)工作的能力，CCAR25.143（c）定義的短時(shí)操縱力也許可以持續(xù)一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期，例如在起飛和返場(chǎng)階段的卡阻過(guò)程中。另外，機(jī)組也許可以通過(guò)其它方式操縱飛機(jī)。在這些場(chǎng)景中，應(yīng)當(dāng)驗(yàn)證機(jī)組飛行手冊(cè)（AFM）中的定義分擔(dān)工作或其它操縱方式的程序。

在故障發(fā)生后的改出過(guò)程中，瞬時(shí)的操縱力可以超出上述標(biāo)準(zhǔn)一定的限度。這必須由飛行員評(píng)估超出限度的可接受性。

4.5 對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響

在表明飛機(jī)在發(fā)生故障后仍然保持了可以安全飛行和著陸的結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，也必須表明對(duì)CCAR25.302的符合性。對(duì)于卡阻故障，認(rèn)為其很少發(fā)生，在中定義“通常遇到的位置”時(shí)已經(jīng)留有余量，除了CCAR25.302，下面的標(biāo)準(zhǔn)也可以用來(lái)表明結(jié)構(gòu)能夠支持繼續(xù)安全飛行和著陸。

極限載荷應(yīng)該來(lái)自于下面的條件，速度最大為卡阻位置或故障狀態(tài)允許的最大速度：

a） 飛機(jī)在航路構(gòu)型，高升力裝置全收起的條件下，從0.25g到1.75g之間平衡機(jī)動(dòng)；在高升力裝置全展開的條件下，從0.6g到1.4g之間平衡機(jī)動(dòng)。

b） 飛機(jī)設(shè)計(jì)速度VC時(shí)，高升力裝置全收起的條件下，垂直和橫向離散突風(fēng)符合CCAR 25.341（a）中40%的限制突風(fēng)速度。在高升力裝置全展開的條件下，采用17fps垂直的和17fps迎面突風(fēng)。

5 結(jié)論

該條款要求飛機(jī)操縱系統(tǒng)在發(fā)生故障（包括單個(gè)故障、雙重故障和卡阻）后，應(yīng)該具有繼續(xù)飛行和著陸的能力。這是對(duì)民用飛機(jī)基本的和最低的能力要求。對(duì)于該條款的驗(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)。

參考文件：

[1] CCAR-25-R4 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)民用航空局， 2011.

[2] AC/AMJ25.1309 System Design and Analysis[S]. Washington： FAA， 2002.

[3] SC SE007電子飛行控制系統(tǒng)-指令信號(hào)完整性[S].北京：中國(guó)民用航空局， 2014.

[4] FAR/JAR 25.671 FCHWG- ARAC Report [S]. Washington： FAA， 2010.

[5] Policy regarding flight control jams for” normally encountered positions”[S]. Washington： FAA， 1995.