民機ETOPS空調系統失效影響等級驗證

唐慧儒　閆旭東　簡夕忠　李闖

【摘 要】民機具有ETOPS（ExTended-range OPerationS）運行能力，可以提供高水平的安全性，便于雙發飛機不受限制與四發和三發飛機一樣續航。研究表明，對時間有依賴性的失效場景嚴酷度將會在ETOPS改航情況下增加，因此，ETOPS型飛行對飛機系統的安全性提出了更高的要求。本文以某型機單發失效并發完全喪失新鮮空氣ETOPS飛行為研究前提，通過數值模擬及計算分析的方法，分析座艙各因素的適航條款符合性，以此論證該失效狀態影響等級定為II級的合理性。

【關鍵詞】ETOPS；單發失效；完全喪失新鮮空氣；適航條款；影響等級

【Abstract】Civil aircraft which has the ETOPS （ExTended - range OPerationS） operation ability， can provide a high level of security. It showed that the failure scenario harsh degree will increase in the condition of ETOPS diverting case and it requests better safety and maintainability of aircraft system. The paper is based on a failure state in which one aircraft has ETOPS flight because of powering by one engine and losing fresh air. By means of numerical simulation and calculation analysis， the compliance of cockpit and cabin airworthiness was analyzed and the failure level rationality could be classed as II.

【Key words】ETOPS； Aircraft failure powered by single engine； Lose fresh air； Compliance of cockpit airworthiness； Influence degree

ETOPS（ExTended-range OPerationS），即延程運行，是指飛機的運行航路上有一點到合適機場的距離超過60分鐘飛行（以雙發渦輪為動力的飛機）或超過180分鐘飛行（以兩臺以上渦輪發動機為動力的客機）的運行[1]。ETOPS的目的是提供高水平的安全性，便于雙發飛機不受先前的限制與四發和三發飛機一樣續航。在ETOPS改航情況下，對時間有依賴性的失效場景嚴酷度將會增加，因此，對飛機系統的安全性以及維修性也提出了更高的要求[2]。根據設計方案，某型飛機需要具有120分鐘的ETOPS能力，因此，在飛機級功能危險性評估和設計工作中，必須考慮在120分鐘ETOPS改航時間下，由嚴酷度增加所造成的各種失效影響。

本文就單發失效導致ETOPS改航情況下并發空調系統完全喪失新鮮空氣這一失效狀態，通過數值模擬及一維計算的分析方法，驗證座艙各參數的適航條款符合性，并對此失效狀態影響等級定為II級的合理性進行確定和論證。

1 計算輸入

1.1 計算工況

本文模擬計算工況為：飛機單發失效并且空調系統失效，飛機從39800ft應急下降到10000ft高度，然后應急通風系統也失效，在完全喪失新鮮空氣的情況下ETOPS飛行兩個小時。飛行過程中打開再循環風扇，關閉前后貨艙通風。分冷天和熱天兩種情況。飛行剖面如圖1所示：

飛行過程中座艙壓力變化如圖2所示，由圖可知，飛機在第312s座艙壓力達到最低，為66437Pa，但仍大于該型飛機氧氣面罩自動拋落的座艙壓力58363.9Pa，因此在該壓力下不會導致乘客出現身體不適，也不會導致氧氣面罩自動拋落。在第760s之后艙內壓力與外界壓力相當。

1.2 熱載荷輸入

溫度符合性計算過程中，計算輸入的座艙熱載荷分5部分：電子設備熱載荷、透過透明表面的太陽熱載荷、座艙結構壁熱載荷、人員熱載荷和供氣熱載荷[3]。

2 符合性說明

將熱載荷數據及空調系統供氣相關數據作為輸入，通過MATLAB搭建座艙溫度模擬平臺，進行座艙溫度隨時間變化的數值模擬，并通過一維計算確定該工況下座艙溫度、新鮮空氣量及CO2濃度的變化，依據相關適航條款[4]的規定，判斷其符合性。以此確定該失效狀態影響等級定為II級的合理性進行確定和論證。

2.1 座艙溫度符合性計算

根據適航條款CCAR25.831g[4]中的規定：任何概率很小的失效情況發生后，在給定溫度下的持續時間不得超出圖3曲線所定出的值。

適航條款FAR/CCAR 25.831（g）是確保在通風系統失效的情況下，飛機座艙溫、濕度環境不至于影響機組人員執行飛行任務和對乘客身體造成傷害。但在通風系統失效的情況下，飛機不能滿足某些情況下的濕度要求，因此，任何型號的飛機都不能直接表明對適航條款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性要求，本文將通過等效安全法則驗證：飛機設計必須考慮到在任何極小概率的通風系統失效情況下，滿足：（a）人體核心溫度不能長期超過38℃；（b）人體核心溫度在最后進場和著陸階段不超過38.5℃，時間不超過20分鐘；（c）任何時候，人體核心溫度不能超過38.5℃。間接證明飛機對適航條款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性[5]。

由圖4可知，在冷天情況下駕駛艙和客艙最終溫度分別為14.7℃和16.0℃，在熱天情況下駕駛艙和客艙最終溫度分別為37.5℃和36.2℃，可知冷天和熱天條件下的座艙溫度都不會導致乘客及機務人員的人體核心溫度超過38℃，因此，此工況下不會影響機組人員的正常工作，座艙環境不會對乘客構成持久的生理傷害。

2.2 新鮮空氣量

根據適航條款CCAR25.831a[4]中的規定：通常情況下通風系統至少應能向每一乘員提供0.25kg/min的新鮮空氣。

由于計算工況為空調系統和應急通風都失效，則無新風量，不滿足該條款要求。

2.3 CO2濃度符合性說明

根據適航條款CCAR25.831b[4]中的規定：必須表明飛行期間機組艙或客艙的二氧化碳濃度不得超過0.5%體積含量（海平面當量）。

正常情況下，座艙內二氧化碳濃度平衡方程如下[6]：

根據以上公式，對ETOPS飛行CO2初始值和之后CO2濃度隨時間變化規律進行計算。適航條款CCAR121.333b中規定：當在飛行高度3000m（10，000 ft）以上運行時，合格證持有人應當向在駕駛艙內值勤的每一飛行機組成員提供足以符合本規則第121.329 條要求的但供氧時間不少于2h的氧氣。則駕駛員在此工況下滿足所需供氧量，下述只計算客艙在失效狀態下的CO2濃度。

通過計算可知，滿載情況下：

客艙CO2濃度初始海平面當量值為1274.5ppm=0.1275%。

當飛機應急下降到10000ft后兩小時內CO2濃度變化：

即滿載情況下10.35min時客艙CO2濃度達到0.5%體積當量，當52min時濃度達到2%，最終客艙CO2濃度達到4.62%體積當量。

二氧化碳濃度過高會對人體產生危害，當二氧化碳的濃度達到2%時會使呼吸速率加快，5%時呼吸變得短促，達到10%以上將會使人窒息、麻醉甚至喪失意識。因此，座艙空氣中的二氧化碳的極限體積濃度為2%。可知ETOPS飛行情況下不符合。

3 應急措施

綜上可知，在該工況下，新鮮空氣量和CO2濃度不符合適航條例要求。為此提出應急措施，即打開駕駛艙頂部逃生窗，從逃生窗進入的氣流充當沖壓空氣的作用，再循環風扇仍打開，以保證艙內空氣流通均勻。

根據圖2座艙壓力變化曲線可知，在第760s后達到艙內外壓力相等，因此可在第760s后開啟逃生窗。考慮20%的總壓損失[7]，最終計算通過逃生窗進入的流量為104.8301kg/min，則與適航條款CCAR25.831a中規定對比如表1：

4 結論

由數值模擬及一維計算結果可知，在某型飛機單發失效導致ETOPS飛行并發空調系統完全喪失新鮮空氣這一失效狀態下，座艙溫度符合相關適航要求，但新鮮空氣量、CO2濃度均不符合，經過打開駕駛艙頂部逃生窗的應急措施，可保證新鮮空氣量及CO2濃度符合相關適航要求，即此工況下會極大降低安全裕度或功能能力，會增加機組人員的工作負荷，部分乘客會有身體不適，但不會對乘客造成永久性的生理傷害，因此，失效狀態定為II級是合理的。

【參考文獻】

[1]FAA. Advisory Circular No：120-42B Extended Operations（ETOPSand Polar Operations）[S]. America：Federal Aviation Administration， 2008.

[2]王鵬.ETOPS系統安全性評估方法及應用研究[J].航空維修與工程，2011（05）.

[3]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：高等教育出版社，2001：63-111.

[4]中國民用航空總局.CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京民用航空總局，2011.

[5]汪光文，蘇和平.適航條款CCAR25.831（g）的符合性分析[J].民用飛機設計與研究，2012（S1）.

[6]楊智，汪光文.民用飛機座艙二氧化碳氣體濃度分析研究[J].民用飛機設計與研究，2014（04）.

[7]孔瓏.工程流體力學[M].北京：中國電力出版社，123-124.

[責任編輯：楊玉潔]