余藝萌

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

適航條例作為保障民用航空安全所頒布的法令性文件，其內(nèi)容與要求會(huì)隨著航空領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行適應(yīng)性的增補(bǔ)和修改。我國(guó)現(xiàn)行的《中國(guó)民用航空規(guī)章》第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR—25）于2011年進(jìn)行第四次修訂并使用至今，在此期間，美國(guó)現(xiàn)行的《聯(lián)邦航空條例》第25部（FAR—25）進(jìn)行了多次修訂，對(duì)多個(gè)條款內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整。

適航取證是民用飛機(jī)從設(shè)計(jì)研制到投放市場(chǎng)的重要環(huán)節(jié)，民用飛機(jī)投放到國(guó)際市場(chǎng)時(shí)，需要滿足國(guó)外適航要求。因此，密切跟進(jìn)國(guó)外適航條款的修訂內(nèi)容，針對(duì)差異條款進(jìn)行詳細(xì)解讀，選擇合適的適航符合性評(píng)估方法開展適航性驗(yàn)證工作研究具有重要意義。

本文通過篩選大氣擾動(dòng)飛行載荷相關(guān)適航條款，對(duì)此類條款在CCAR—25和FAR—25中的不同之處進(jìn)行匯總與歸類，并對(duì)其差異原因和對(duì)適航符合性評(píng)估的影響展開基于算例的詳細(xì)分析，最后對(duì)此類條款的適航符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行總結(jié)，研究結(jié)果可為民機(jī)的適航取證工作提供參考。

1 大氣擾動(dòng)飛行載荷適航條款內(nèi)容對(duì)比

我國(guó)的適航條例在制定之初參考了美國(guó)聯(lián)邦航空條例（FAR），故相同編號(hào)的條款適航要求內(nèi)容范圍基本一致。通過對(duì)現(xiàn)行的CCAR—25和FAR—25條款進(jìn)行篩選和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)共有5條條款對(duì)大氣擾動(dòng)飛行載荷做出了相關(guān)規(guī)定，分別提出了突風(fēng)影響下飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求、飛機(jī)具體部件結(jié)構(gòu)受到突風(fēng)影響時(shí)的要求和紊流情況下極限載荷對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞特性的要求等內(nèi)容，詳細(xì)的適航要求歸納見表1。

表1 CCAR—25和FAR—25中的飛行載荷適航條款對(duì)比[1-2]

經(jīng)過條款對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，CCAR—25和FAR—25在條款25.341（突風(fēng)和紊流載荷）和25.415（地面突風(fēng)情況）有較大的差異。

2 FAR條款修訂原因及對(duì)符合性評(píng)估的影響分析

為便于分析，本文將條款差異內(nèi)容按照對(duì)適航性評(píng)估影響程度的大小分為3類：

（1）取值改變：條例要求不變，具體計(jì)算需要用到的參數(shù)數(shù)值選取的變化或取值范圍的變化。

（2）方法改變：分析問題不變，對(duì)條例原本規(guī)定的分析方法做出調(diào)整。

（3）要求改變：條例所規(guī)定的適航要求發(fā)生變化，既包括對(duì)原有要求的修訂，也包括新增的適航要求。

2.1 取值改變?cè)蚣坝绊?/h3>

在FAR—25的最新修訂版本中，條款25.341的（a）、（b）部分分別對(duì)參考突風(fēng)速度的取值范圍和參考紊流強(qiáng)度的取值進(jìn)行了調(diào)整。

2.1.1 參考突風(fēng)速度

參考突風(fēng)速度是計(jì)算設(shè)計(jì)突風(fēng)速度，進(jìn)而計(jì)算突風(fēng)載荷響應(yīng)所需要用到的重要參數(shù)，它是海拔高度的函數(shù)。在原先對(duì)參考突風(fēng)速度的規(guī)定中，要求取值從海平面（17.07 m/s）到15 000 ft（13.14 m/s）線性減小，再線性減小至50 000 ft（7.92 m/s）。FAR新修訂的版本將參考突風(fēng)速度選取的高度上限由原先的50 000 ft放寬至60 000 ft，取值范圍變化如圖1所示。

圖1 參考突風(fēng)速度取值范圍的修改

經(jīng)過分析相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，將參考突風(fēng)速度選取的高度上限放寬的原因在于目前一些運(yùn)輸機(jī)的最大審定運(yùn)行高度達(dá)51 000 ft，且已有客機(jī)將60 000 ft作為其可運(yùn)行的最大高度，為了使條款適用于這些最大運(yùn)行高度大于50 000 ft的飛機(jī)和未來(lái)研制的也具有更高運(yùn)行高度的飛機(jī)，F(xiàn)AR中參考突風(fēng)速度的可選高度也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

2.1.2 參考紊流強(qiáng)度

與參考突風(fēng)速度類似，在計(jì)算真實(shí)紊流強(qiáng)度時(shí)也需要用到參考紊流強(qiáng)度的取值，CCAR—25中直接規(guī)定了不同高度下真實(shí)紊流強(qiáng)度Uσ的取值，而在FAR—25的最新版本中，真實(shí)紊流強(qiáng)度Uσ的取值則需要通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中Fg為飛行剖面緩和系數(shù)，Uσref為參考紊流強(qiáng)度，其取值是考慮飛機(jī)100%的飛行時(shí)間都在這一高度飛行，而飛行剖面緩和系數(shù)的取值是根據(jù)所預(yù)測(cè)的飛機(jī)在其認(rèn)證高度范圍內(nèi)任何給定高度飛行的機(jī)率。

圖2和圖3分別給出了CCAR—25和FAR—25中參考紊流強(qiáng)度的取值情況。

圖2 CCAR-25中參考紊流強(qiáng)度的取值

圖3 FAR—25中參考紊流強(qiáng)度的取值

為了使取值改變產(chǎn)生的影響更加直觀，本文選取B747為研究對(duì)象[3]，分別計(jì)算其在海平面、20 000 ft、40 000 ft的高度下選用2種不同取值方法得到的真實(shí)紊流強(qiáng)度，并進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 FAR—25與CCAR—25中不同高度真實(shí)紊流強(qiáng)度取值對(duì)比

在40 000 ft高度時(shí)，二者結(jié)果相近，在海平面和20 000 ft結(jié)果相差較大。分析認(rèn)為，由于飛機(jī)通常在巡航高度具有最大的飛行時(shí)長(zhǎng)，引入Fg使得飛機(jī)在不同飛行高度遭遇紊流強(qiáng)度根據(jù)概率進(jìn)行相應(yīng)減小。與原條例要求相比，真實(shí)紊流強(qiáng)度的計(jì)算更加貼近現(xiàn)實(shí)情況，且在保證飛行安全的前提下放寬了強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

由于條款取值改變未涉及具體設(shè)計(jì)要求，因此適航性評(píng)估方法不會(huì)發(fā)生本質(zhì)改變。本部分主要考慮的是用于計(jì)算載荷的設(shè)計(jì)突風(fēng)速度和真實(shí)紊流強(qiáng)度的計(jì)算問題，因此使用“MC2計(jì)算/分析”方法進(jìn)行適航評(píng)估[4]。

2.2 分析方法改變?cè)蚣坝绊?/h3>

2.2.1 刪除“任務(wù)分析法”

在CCAR—25中，25.341（b）條的詳細(xì)內(nèi)容在附錄G里，附錄G的（b）和（c）條分別對(duì)“設(shè)計(jì)包線分析法”和“任務(wù)分析法”進(jìn)行說明，2種方法均用于確定限制載荷。

FAR—25的修訂版本直接將附錄G中的內(nèi)容寫在了條例的（b）部分，且刪除了在連續(xù)突風(fēng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中原本可選的“任務(wù)分析法”，僅保留了“設(shè)計(jì)包線分析法”。分析認(rèn)為，飛行任務(wù)條目繁多導(dǎo)致使用“任務(wù)分析法”計(jì)算量大，容易出現(xiàn)基于任務(wù)變化的重復(fù)計(jì)算情況，此方法很少被飛機(jī)設(shè)計(jì)制造公司所采用，“設(shè)計(jì)包線分析方法”已能夠滿足適航要求。因此，刪除可選“任務(wù)分析法”結(jié)合了現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)適航評(píng)估影響較小。

2.2.2 新增對(duì)非線性情況處理方法

CCAR—25中“設(shè)計(jì)包線分析法”的第（4）條要求在含有增穩(wěn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)如實(shí)地保守地考慮系統(tǒng)的非線性情況對(duì)于處于限制載荷水平的載荷影響，但未對(duì)處理方法做出具體的規(guī)定。FAR—25在341（b）（5）中提出了對(duì)具有顯著非線性情況的飛機(jī)在其所研究的紊流場(chǎng)的均方根速度取值上的處理方法[5]。

適航條款中所規(guī)定的分析方法對(duì)符合性評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義，當(dāng)條款中規(guī)定的分析方法發(fā)生變化，應(yīng)按照新的方法展開分析。

2.3 要求改變?cè)蚣坝绊?/h3>

2.3.1 FAR—25.341條款新增要求

對(duì)于裝有翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，F(xiàn)AR—25.341新增了條款（c），要求發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)、吊掛和機(jī)翼支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足多軸離散突風(fēng)的要求，即要求這些結(jié)構(gòu)可以承受發(fā)動(dòng)機(jī)短艙重心處的最大響應(yīng)載荷。新增內(nèi)容源于美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)的一起事故分析：適航條款僅規(guī)定了單一方向的載荷滿足極限載荷要求，當(dāng)橫向和垂直方向的突風(fēng)載荷一起發(fā)生時(shí)，雖未達(dá)到單一方向極限載荷，合成載荷可能已超過了結(jié)構(gòu)的承受極限。

美國(guó)聯(lián)邦航空管理局因此針對(duì)翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定了全天候離散突風(fēng)準(zhǔn)則和多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則，將其加入在適航條例中。

為進(jìn)一步理解這一條款的本質(zhì)，本節(jié)將基于文獻(xiàn)[3]給出的B747—100的相關(guān)參數(shù)，選取其10個(gè)飛行狀態(tài)進(jìn)行單向和多軸限制突風(fēng)載荷計(jì)算，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，同一高度下的突風(fēng)過載受飛行速度影響較大，低海拔高空速時(shí)突風(fēng)過載較高，多軸突風(fēng)過載較單向計(jì)算結(jié)果小。分析認(rèn)為，由于現(xiàn)代飛行器使用復(fù)合材料比例增大，而復(fù)合材料的性能強(qiáng)度方向性明顯，雖然合成過載小于單一載荷的作用，但是考慮到其作用方向不再僅限單一垂直或橫向，在進(jìn)行相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造時(shí)，還需按照多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則的要求進(jìn)行載荷計(jì)算，以確保極端情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足飛行安全要求。

圖5 B747—100算例飛機(jī)垂直和橫向突風(fēng)過載增量

進(jìn)行本條款的適航性評(píng)估時(shí)，除了必要的分析計(jì)算，還應(yīng)對(duì)條例所要求的具體結(jié)構(gòu)部位（發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)、吊掛和機(jī)翼支撐結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)合理的地面振動(dòng)試驗(yàn)，得到飛機(jī)對(duì)不同突風(fēng)組合的真實(shí)模態(tài)響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

2.3.2 FAR—25.415條款修訂

適航條款25.415的本質(zhì)為確保飛機(jī)在滑行和停放時(shí)控制系統(tǒng)和控制面不被可能的地面陣風(fēng)條件損壞。咨詢通告AC 25.415—1[6]對(duì)修訂原因進(jìn)行了說明，地面陣風(fēng)狀況動(dòng)載荷效應(yīng)造成了飛機(jī)的隱藏破壞，最終引發(fā)飛行事故。

在進(jìn)行25.415條款的適航性評(píng)估時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的地面試驗(yàn)，判斷操縱面和操縱系統(tǒng)在水平65節(jié)地面突風(fēng)時(shí)的載荷響應(yīng)情況是否具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而確保飛機(jī)停放和滑跑時(shí)的安全性。

3 大氣擾動(dòng)飛行載荷適航符合性評(píng)估方法

大氣擾動(dòng)飛行載荷條款對(duì)飛機(jī)承受的限制載荷做出規(guī)定，相關(guān)條款的適航符合性評(píng)估思路相近。本文依據(jù)目前適航部門認(rèn)可的符合性驗(yàn)證方法劃分方式[4]，在對(duì)大氣擾動(dòng)飛行載荷適航條款的評(píng)估方法進(jìn)行了總結(jié)，可為相關(guān)條款的適航評(píng)估提供參考。

4 結(jié)論

（1）CCAR—25和FAR—25中的大氣擾動(dòng)飛行載荷相關(guān)適航條款在25.341、25.391和25.415條內(nèi)容上有所差異，條款差異內(nèi)容按照對(duì)適航性評(píng)估影響程度的大小可分為取值改變、方法改變和要求改變3類。

（2）對(duì)于適航條款中的取值改變，不需選用新的評(píng)估方法，只需將原本的使用值進(jìn)行替換；分析方法改變時(shí)，評(píng)估方法應(yīng)參考分析方法進(jìn)行修改；具體適航要求改變時(shí)，需制定具有針對(duì)性的新評(píng)估方法，驗(yàn)證飛機(jī)相關(guān)性能滿足對(duì)應(yīng)適航要求。

（3）通過算例分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AR—25.341新增（c）條中突風(fēng)準(zhǔn)則的合成過載計(jì)算結(jié)果小于單一方向突風(fēng)作用下的過載計(jì)算結(jié)果，考慮到復(fù)合材料性能強(qiáng)度的方向性，根據(jù)多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則進(jìn)行載荷計(jì)算適用于滿足極端情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，進(jìn)而保證飛行安全。