電子飛控飛機的飛行品質適航驗證

張雅妮, 李巖, 金鐳

(中航工業綜合技術研究所 適航性與安全性技術研究中心, 北京 100028)

電子飛控飛機的飛行品質適航驗證

張雅妮, 李巖, 金鐳

(中航工業綜合技術研究所 適航性與安全性技術研究中心, 北京 100028)

FAA AC25-7A中的飛行品質評定方法(HQRM)能夠對使用電子飛控系統的民用運輸機進行飛行品質評估。分析了HQRM評估程序以及相關適航要求,根據某民用飛機飛控系統功能危險分析,針對單側升降舵卡阻這一典型故障,提出了在該失效狀態下的模擬器飛行品質評估試驗程序,分別給出了HQRM和相應軍用標準評估方法,對軍民評估方法的差異性和一致性進行了分析。研究結果對采用電子飛控系統的現代飛機的飛行品質適航驗證具有工程參考意義。

飛行品質評定方法; 電子飛控系統; 適航驗證; 工程模擬器; 功能危險分析

引言

使用電信號傳送操縱指令、以復雜軟件和硬件綜合形式實現的電子飛行控制系統(Electronic Flight Control System,EFCS)已經廣泛應用于大型民用運輸類飛機的飛行控制,而適航規章FAR25部則主要適用于使用機械操縱系統的飛機,因此FAA需要確定一個系統的方法用于采用電子飛控系統的飛機的合格審定飛行試驗[1],即1986年頒布的AC25-7《運輸類飛機型號合格審定飛行試驗指南》[2]。該指南于1998年修訂為AC25-7A,1999年更新為AC25-7A修訂版,其附錄7“飛行品質評定方法(HQRM)”能夠對使用電子飛控系統的民用運輸機進行飛行品質評估。

本文針對典型的飛控系統故障,分別給出HQRM和軍用標準評估方法,并進行了差異性和一致性分析。所得結論對國內采用現代電子飛控飛機的飛行品質適航審定具有工程參考意義。

1 民用飛行品質評定方法

1.1 HQRM評估程序

HQRM源于為了修改適航規章和飛行試驗指南而開展的對高增穩/放寬靜穩定性飛機飛行品質的研究成果[3]。HQRM是一種基于概率方法的飛控系統失效狀態下的飛行品質要求,與軍用標準不同的是,在該基于概率的分析中還包括了飛行包線和大氣條件的影響因素。

HQRM中定義了FAA的3個飛行品質等級,分別是令人滿意的(SAT)、足夠的(ADQ)和可控的(CON),并給出了這3個等級與Cooper-Harper以及軍標飛行品質等級之間的對應關系。

根據以下3個方面的因素,HQRM確定了FAA可接受的最低飛行品質等級:

(1)大氣擾動程度。分為輕微的、中等的或嚴重的;

(2)飛行包線。分為正常飛行包線(NFE)、工作飛行包線(OFE)和極限飛行包線(LFE);

(3)飛控系統失效狀態。

為了確定必須進行飛行品質評估的狀態和飛行任務,并且確定FAA要求的最低飛行品質等級,HQRM評估程序如下:

(1)根據AC25-7A附錄7中圖10確定大氣條件概率(10Xa)和飛行包線概率(10Xe)。

例如,大氣擾動概率如果為1,則Xa=0;對于中等大氣紊流條件,其事件概率為10-2每飛行小時,則Xa=-2。在正常飛行包線(NFE)中的概率為1,則Xe=0;在極限飛行包線(LFE)中的概率是10-4每飛行小時,因此Xe=-4。

(2)根據飛控系統功能危險分析(FHA)得到該飛控系統某失效事件的失效概率(10Xc)。

(3)對于Xc+Xe+Xa≤-9,即組合概率是極不可能的情況,不進行飛行品質評估。

(4)對于Xc+Xe+Xa>-9,飛行條件概率為飛控系統失效概率和飛行包線條件的組合。其中,Xc+Xe≥-5,則為可能的飛行條件;-9

(5)對于不同的飛行條件、飛行包線以及大氣擾動概率,AC25-7A附錄7中圖12給出了FAA可接受的最低飛行品質等級要求。

1.2 FAR25部和軍標對飛行品質要求差異分析

FAA的FAR25部是民用飛機的適航合格審定規章,而軍用標準是軍機采辦的要求。表1給出了FAR25部與軍用標準對飛行品質要求差異[4]。兩者對工作飛行包線(OFE)內的飛控系統正常運行狀態都要求的是1級飛行品質。對于以下情況,允許飛行品質適當降級:

(1)在工作飛行包線外運行;

(2)大氣條件比“輕微”紊流要嚴酷;

(3)出現系統失效狀態。

表1 失效狀態下的飛行品質要求對比 (工作飛行包線內無大氣擾動)

由表1可知,美軍標和適航規章對于不同失效狀態發生概率的大小要求允許的飛行品質降級程度不同,相比于美軍標,適航規章對于發生概率更小、影響更嚴重的失效狀態的飛行品質要求為1級和2級。因此對于失效狀態下的飛行品質要求,民用適航要求要高得多。

2 適航要求分析

FAR25部,A320,B777和A380飛機的電子飛控系統專用條件(Special Condition,SC)以及AC25-7A都對HQRM這一飛行品質評定方法的應用提出了要求,且所有這些要求都是一致的。

2.1 FAR§25.672(c)

對于§25.672(c),其中的增穩系統或任何其它自動或帶動力的操縱系統是指整個飛行控制系統[5]。FAR§25.672要求對于§25.671(c)中的失效類型飛控系統必須具有初始應對的能力。§25.672(c)對飛控系統的單個失效后的飛行品質提出了要求。

在§25.672(c)(1)中,“仍能安全操縱”與FAA HQRM中飛行品質第3級“可控的(CON)”是對應的,是對失效后的最低飛行品質要求。§25.672(c)(2)是對飛控系統單個失效后的操縱性和機動性要求。§25.672(c)(3)是對飛控系統單個失效后的配平、穩定性和失速特性的要求。

2.2 AC25-7A

AC25-7A對具有增穩系統(SAS)的飛機提出了與HQRM一致的飛行品質要求。要求飛機裝有SAS并必須符合§25.671和§25.672的規定,而且應該演示飛機操縱性滿足FAA操縱品質評定系統(HQRS)的規定。提出了對增穩系統在正常使用飛行包線中正常運行狀態下的飛行品質要求,對增穩系統在正常使用飛行包線中發生失效時的飛行品質要求,對在發生失效后短暫的過渡期內的飛行品質要求,以及對過渡期之后的飛行品質要求。

2.3 A380飛機專用條件

A380飛機對于電子飛控系統(EFCS)提出了FAR 25.671和FAR 25.672的專用條件——通過HQRM表明飛行特性的符合性,確定了HQRM是一種在合格審定中用來表明飛行特性的符合性方法[6]。HQRM用于以下情況的飛行特性評估:

(1)當飛行包線(任務)和大氣擾動概率分別是1時,電子飛控系統(EFCS)/飛機的失效狀態不能表明是極不可能的;

(2)所有失效、大氣擾動和飛行包線的組合概率不能表明是極不可能的。

在該專用條件中,“不能表明是極不可能的”是指發生概率大于10-9。這與HQRM中要求的對于Xc+Xe+Xa≤-9的情況不進行評估是一致的。

3 模擬器驗證試驗

飛行品質的合格審定試驗通常包括飛行試驗和工程模擬器試驗,對于較為危險的情況一般使用工程模擬器試驗結合飛行試驗進行符合性驗證。在此提出針對單個升降舵卡阻這一典型失效狀態下的模擬器飛行品質評估試驗程序、試驗數據的分析方法。分別使用FAA的HQRM和軍用標準進行評估,對兩者的差異性和一致性進行分析。

3.1 工程模擬器組成

工程模擬器主要用于驗證控制律和飛行品質,主要由計算機、駕駛艙和數據傳輸線組成,如圖1所示。主仿真計算機用于計算飛機和飛機各系統的數學模型,視景系統計算機用于視景仿真計算,儀表顯示計算機計算駕駛艙儀表顯示值,接口計算機用于接收和發送儀表顯示器、駕駛艙和主仿真計算機之間的數據。駕駛艙主要由視景系統、儀表、飛行操縱器件和駕駛員座椅構成。

圖1 工程模擬器主要構架

3.2 試驗要求和程序

根據某民用飛機的飛控系統功能危險分析(FHA),在巡航階段發生單個升降舵卡阻是一種嚴酷度為第III類的失效事件。剩余的升降舵和水平安定面的俯仰控制功能應該能滿足民用適航規章的要求,克服該失效事件對飛機的影響。

穩定性和操縱性是飛行品質的兩個最基本的內容,為了對在正常飛行包線(NFE)內失去單個升降舵控制功能的操縱性進行評估,在此分析了模擬器試驗要求,提出了模擬器試驗程序。

3．2．1試驗要求

(1)選擇失效狀態。選擇單個升降舵卡阻進行模擬器試驗,該失效狀態是§25.671(c)中給出的典型失效狀態。在AC25.671草案中給出了FAA建議的符合性試驗應考慮的卡阻位置[5],在具體試驗中還應該結合具體型號飛機的設計特點來確定舵面卡阻位置。

(2)飛機飛行狀態。配置最不利的重量和重心位置,即大重量和前重心。

(3)試驗數據采集。需要采集的數據有升降舵偏度、俯仰角速度、法向過載。其中俯仰角速度反映了縱向穩定性,法向過載反映了機動性。

3．2．2試驗程序

HQRM給出了主要飛行品質任務類別,從中選擇飛行任務用于評估單個升降舵卡阻后的縱向機動能力。

(1)飛行任務

通常,為了評定民用飛機的安全能力,飛行員會進行一些機動飛行,顯著地改變飛機航跡、速度和姿態,但是這些機動并不屬于飛機正常的商務使用范圍,只是在工程適航穩定性和操縱性符合性試驗中進行這些機動。可以從這類機動飛行任務中選出一個機動作為飛行任務來評估飛機單個升降舵卡阻后的機動性。

當左側升降舵卡阻在某個較大偏度,單依靠推/拉駕駛桿進行機動轉彎,飛機高度保持不變,在帶故障的狀態下,飛控系統在俯仰軸仍能產生足夠的法向過載范圍,具備足夠的機動能力。

按照3.2.1中的要求配置飛機重量和重心位置,采集升降舵偏轉角δe和法向過載n。

(2)飛行階段

按照表2設置飛行階段。

表2 飛機飛行階段

3.3 FAA HQRM驗證

(1)HQRM對該失效狀態的飛行品質要求

首先,按照AC25-7A附錄7中圖10確定大氣條件概率(10Xa)和飛行包線概率(10Xe)。在此沒有大氣擾動,因此Xa=0。飛行任務是在正常飛行包線(NFE)內,因此Xe=0。

根據該飛機的飛控系統功能危險分析(FHA),對于該飛機,巡航階段發生單側升降舵卡阻是嚴酷度為Ⅲ類的失效事件,其發生概率高于10-7每飛行小時,低于10-5每飛行小時,因此-7

因為Xc+Xe+Xa>-9,因此應該對該情況進行評估,且-9

按照表1,得到對于該情況最低可接受的飛行品質等級為“足夠的”(ADQ)。

(2)駕駛員使用HQRM進行飛行品質評估

按照FAA的定義,該飛機在該故障下要達到“足夠的”,其飛行特性對于持續飛行和著陸時是足夠的,滿足全部的或包含一部分降級的性能,但要付出較高的駕駛力和注意力。對于所選擇的飛行任務,飛機應該仍能具有一定的縱向操縱能力來完成飛行任務。

3.4 軍用標準驗證

(1)美軍標對該失效狀態的飛行品質要求

在軍用標準中,不考慮大氣擾動的情況下,對正常飛行包線(NFE)中發生的任何單個的并非極不可能的失效后,飛機飛行品質的要求是至少達到2級飛行品質[7-8]。

(2)美軍標評估準則

結合所選擇的任務特點,可以選擇軍用標準中的以下評估準則進行飛行品質等級評估。

在機動飛行中能夠達到的法向過載范圍反映了操縱系統俯仰軸的操縱能力。為了評估該失效狀態下的俯仰軸的操縱能力,可以在試驗中采集機動飛行中的法向過載,選擇相應的軍用標準準則進行評定。

在MIL-HDBK-1797A中給出了該機動飛行中的俯仰軸操縱效能準則,要求如下:

等級1和等級2:法向過載能達到no(-) 至no(+)。其中,no(+) 和no(-)為給定高度下的法向過載的最大、最小邊界值;

等級3:法向過載n=0.5至以下較小者:

①no(+);

② 對于no(+)≤3的飛機,n=2.0;對于no(+)>3 的飛機,n=0.5[no(+)+1]。

該準則適用于正常狀態下的飛行,對于失效狀態的評估,等級1,2和3的法向過載值可以根據飛機特性和任務特點適當放寬[7]。

3.5 分析總結

根據表1,對于該飛機的單側升降舵卡阻,HQRM的可接受的最低飛行品質等級應該為“足夠的”(ADQ)。在軍用標準中對正常飛行包線(NFE)中的任何單個失效后飛機飛行品質的要求是至少達到2級飛行品質。由表1可知,FAA的“足夠的”對應的美軍標等級是等級2。因此對于該飛機的該失效狀態,民用適航HQRM與美軍標要求一致。

4 結束語

FAA提出了針對采用現代電子飛控技術的飛機的飛行品質評估方法(HQRM),本文給出了HQRM的使用程序,對該方法相關的適航要求進行了分析。根據飛行任務給出了模擬器某典型失效狀態下的飛行試驗程序,并分別提出了HQRM和軍用評估的分析方法。分析結果表明了民用和軍用標準之間的差異性和一致性。

[1] McElroy C E. FAA handling qualities assessment—methodology in transition[R]. Thirty-Second Symposium Proceedings of the Society of Experimental Test Pilots, Beverly Hills, CA, 1988.

[2] FAA.AC25-7A Flight test guide for certification of transport category airplanes[S]. FAA, 1998.

[3] Roger H Hoh. Flying qualities of relaxed static stability aircraft[R]. USA, Department of Transportation, 1982.

[4] Randall E. Cooper-Harper experience report for spacecraft handling qualities applications[R]. US National Aeronautics and Space Administration, 2009.

[5] FAA. Flight controls harmonization working group—aviation rulemaking advisory committee report[R]. FAA Rulemaking Advisory Committee, 2002.

[6] FAA. A380 special condition[R]. FAA, 2005.

[7] Department of Defense. MIL-HDBK-1797A Handbook flying qualities of piloted aircraft[S]. USA, Department of Defense, 1997.

[8] Department of Defence. MIL-F-8785C Flying qualities of piloted airplanes[S]. USA, Department of Defence,

1980.

Handlingqualitiesairworthinessverificationforelectronicflightcontrolaircraft

ZHANG Ya-ni, LI yan, JIN lei

(Airworthiness and Safety Technology Research Department, China Aviation Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

Handling quality rating method(HQRM) in FAA AC25-7A provide a means by which one may evaluate flight characteristics for fly-by-wire flight control transport aircraft. This paper explains the HQRM procedure, and analyses airworthiness requirements which are related to HQRM. According to flight control system functional hazard assessment of a commercial airplane, simulator experiment procedure for a elevator jam is proposed, and experiment analysis methods using the FAA method and military standard are offered. The consistency and differences between civil and military standards are analyzed. This study can supply references for flying qualities and airworthiness verification of a modern airplane with electrical flight control system.

handling quality rating method; electrical flight control system; airworthiness verification; engineering simulator; functional hazard assessment

2011-06-23;

2011-11-14

張雅妮(1981-)，女，湖南邵陽人，工程師，博士，研究方向為適航性技術。

V217.3

A

1002-0853(2012)02-0117-04

(編輯：王育林)