正常類飛機CCAR23.2205 符合性驗證方法分析

趙佶男

（中航通飛華南飛機工業有限公司，廣東 珠海 519040）

原民航總局于2004 年制定了《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》CCAR-23-R3，主要規定了小型飛機適航審定的技術性要求，對提高我國小型飛機的安全水平、促進民用航空事業的穩步健康發展發揮了重要作用[1]。隨著航空科學技術的進步、航空工業和航空運輸業的發展，以及人們對航空安全性認識的深化，小型飛機適航要求在不斷發展和更新，該規章中部分內容難以適應行業發展需要。為此，中國民用航空局于2022 年5 月31 日發布了《正常類飛機適航規定》[2]CCAR-23-R4，通過全面修訂以進一步強化民航安全管理，確保民航飛行安全。本文通過對比，識別出了新版規章對“系統和結構的相互影響”的要求，分析了該條款內容，梳理和總結了適航驗證方法，為正常類飛機適航取證工作提供了借鑒。

1 背景

根據《正常類飛機適航規定》規章重組的思路與規則，新的CCAR-23-R4 部規章最終包含A 分部“總則”、B 分部“飛行”、C 分部“結構”、D 分部“設計與構造”、E 分部“動力裝置”、F 分部“設備”和G 分部“飛行機組界面和其他”在內的7 個分部，共計68 個條款[3]。通過與舊版本的規章內容對比，識別出在C 分部“結構”中新增了CCAR23.2205“系統和結構的相互影響”條款。

隨著飛機設計和制造水平的進步，正常類飛機也開始裝備有主飛控系統、高升力系統、自動飛行系統、環控系統、航電系統和燃油系統等各類系統。這些系統是飛機實現傳載、或為機組及乘客提供舒適的環境，或實現飛機的操縱性能等不可或缺的一部分[4-5]。但這些系統可能會不起作用或者在權限有所降低的降級模式下進行工作，這就會產生諸多不利因素，影響結構的安全系數和飛機的使用裕度。如作動器卡阻失效、活動面限制偏度喪失等，都會引起全機載荷的改變，也會引起非常規的載荷分布情況。

對于上述問題，局方提出了“系統和結構的相互影響”適航審查要求，目的是確保獲得系統故障對結構的影響充分的分析驗證，確定系統的故障狀態及相應的故障出現概率以獲得結構安全系數和使用裕度，以保證飛機的結構強度安全性。

2 條款內容

《正常類飛機適航規定》中23.2205 條規定：如果飛機安裝了某個系統，該系統改變結構性能、緩解本章要求的影響或者提供滿足本章要求的符合性方法，在表明對本章要求的符合性時，申請人應當考慮該系統的影響和失效。

3 符合性驗證方法

3.1 總則

對于裝備了飛行控制系統、自動飛行系統、增穩系統、載荷減緩系統、顫振控制系統和燃油管理系統的正常類飛機，申請人必須考慮到這些系統的影響和故障。可以使用圖1 提供的流程對此要求的適用性開展評估，并參考《Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes》[6]中CS25.302條款的符合性驗證方法以表明其符合性。

3.2 故障類型篩選

系統故障載荷分析的基礎是定量的、可靠的功能危險分析（FHA）報告，依據FHA 報告中經確認的故障發生概率，確認哪些系統故障可能對結構有影響（故障概率不小于10-9）、哪些系統故障概率為“極不可能”（小于10-9）即不用考慮其對結構的影響。對結構可能有影響的系統故障，需結合應開展分析的設計輸入和計算分析方法，逐條分析故障是否會對機體結構強度帶來不利影響。例如，故障影響可使用的空速/Ma 數、高度范圍，這些參數將導致飛行包線發生變化；故障影響不同的主飛控面偏度，將導致機動飛行的劇烈程度變化。這些都會不同程度影響局部或全機載荷，在篩選時需要全面考慮故障的每個因素。

參考CS25.1309 條款的符合性驗證方法，依據故障情況影響的嚴重程度對失效狀態等級分類見表1。

表1 系統失效狀態等級與概率關系

飛行手冊中對部分故障發生時刻飛行員可采用的糾正措施、故障發生后持續飛行有限制措施（通常是縮減包線），這些規定的故障應對措施在篩選和后續的計算分析中都應作為設計輸入予以考慮。

篩選時還要定量分析與定性分析相結合。有些故障可以通過定性分析說明其不會造成載荷增大，篩選出來后可以減少后續定量分析的工作量。

3.3 對系統正常運行情況的評估

對于正常運行情況，飛機的所有限制載荷必須在所有系統正常運行的構型下獲得。在考慮限制載荷范圍內，系統的任何特殊表現、相關功能及對飛機結構性能的任何影響時，申請人必須通過實際或保守的方法對任何顯著的非線性進行考慮。

此時，飛機必須滿足靜強度要求，并采用1.5 的安全系數從上述限制載荷中獲得極限載荷。在系統超出限制條件時，申請人必須對其非線性的影響進行研究，以確保此時相比于在限制條件范圍內的情況，系統不會發生異常。如果飛機的設計特征不允許超出上述限制條件，則無需考慮該情況。

同時，申請人還應確保飛機滿足相關氣動彈性穩定性及耐久性要求。

3.4 對系統失效運行情況的評估

對于系統失效情況，申請人應先判斷系統失效概率是否為“極不可能”（失效概率小于10-9）。對于任何未顯示為極不可能的結構性系統故障狀態，則需要開展如下兩個方面的評估。

一是從1g 平飛條件開始，申請人必須建立一個現實的場景，包括飛行員或飛行控制系統的糾正措施，以確定在故障發生時產生的載荷。對于靜態強度來說，故障發生時刻產生的荷載乘以與故障發生概率相關的適當安全系數，即可得到設計中要考慮的最終荷載。安全系數如圖2 所示。如果未計算出故障發生概率Pj，則必須采用1.5 的安全系數。為了評估結構的耐久性，飛機必須能夠承受故障發生時刻極限載荷的三分之二。對于飛機增壓艙，這些載荷必須與正常使用的壓差進行組合進行考慮。對于氣動彈性，必須表明在規定的速度范圍內，不發生氣動彈性不穩定。對于會導致飛機速度超過VC/MC 的失效狀態，必須表明在速度增大的情況下不發生氣動彈性不穩定，滿足相關裕度。導致結構強迫振動（振蕩）的系統失效，不得引起能導致主結構有害變形的載荷。

圖2 故障發生時刻安全系數

部分系統失效情況飛行手冊中有糾正操作程序，如某型飛機如發生方向舵卡阻故障，手冊要求：卡阻后飛行員配平飛機，其后空速不能超過當前速度或XX節空速……對于更多的系統失效情況，手冊中沒有明確的糾正操作程序，糾正動作就需要根據故障發生后飛機的響應做出合理分析。

糾正動作一般盡量使得飛機恢復到1g 平飛狀態，由于各種故障的原因不同，糾正動作也就隨之變化，計算方法也就無法統一，故障發生時刻的分析工作繁雜，需考慮。

二是飛機在失效狀態下繼續飛行，系統處于失效狀態、構型經適當調整并考慮飛行限制。申請人則需要考慮“對稱機動”“飛行包線”“增升裝置”“水平翼面機動載荷”“鰭或翼尖小翼”“突風載荷系數”“水平/側向突風對水平/垂直翼面的影響”“滾轉機動”“非對稱載荷”“偏航情況”和“地面載荷”等各種規章要求下的載荷情況。對于靜強度評估，結構的每一零件必須能夠承受失效狀態下持續飛行中產生的各種載荷并乘以安全系數。此時的安全系數取決于該失效狀態出現的概率，如圖3 所示。對于耐久性評估，飛機需要能夠承受故障發生后持續飛行過程中受到的極限載荷的三分之二，以進行剩余強度驗證。對于增壓客艙，這些載荷必須與正常使用的壓差相結合。如果失效狀態引起的載荷對疲勞或損傷容限有顯著影響，申請人則必須考慮這種影響。此外，申請人還必須表明在如圖4 所示的顫振包線速度范圍內，飛機不會發生氣動彈性不穩定。而且在任何可能的系統失效狀態與要求的任何損傷同時出現時，申請人必須表明在直至上述圖4 所示的V'速度范圍內不發生氣動彈性不穩定。如果未計算失效概率Qj，則必須將V＂作為顫振速度邊界。

圖3 故障發生后繼續飛行的安全系數

圖4 顫振包線速度

3.5 系統失效指示

申請人在面對那些可能導致結構能力降至安全水平以下或明顯降低剩余系統可靠性的非“極不可能”失效狀態時，必須認真考慮并采取相應措施。此外，申請人還應確保在飛行之前向飛行機組詳細介紹這些失效狀態可能帶來的影響，并提供相應的處置方法。這種做法旨在確保飛行安全，保護乘客和機組人員的生命財產安全。對于任何可能對飛行安全構成威脅的失效狀態，申請人必須采取積極主動的措施，以確保飛行機組具備充分的知識和技能來應對可能發生的緊急情況。只有通過充分的準備和應對措施，才能最大程度地降低飛行過程中的風險，確保飛行的順利進行。因此，對于失效狀態的考慮和飛行機組的培訓都是飛行安全管理中不可或缺的一部分。

對于控制系統的特定元件，例如機械和液壓組件，可以規定進行定期檢查，對于電子部件可以進行日檢。這些維護要求或日檢僅限于那些不易被常規探測和指示系統發現的元件，同時在較長的服役歷史表明這些檢查可以提供足夠的安全水平。這種定期檢查和日檢的實施是為了確保控制系統的正常運行和安全性。通過定期檢查機械和液壓組件，可以及時發現潛在的故障或磨損，以便進行修復或更換，從而避免系統故障和意外事故的發生。而對于電子部件的日檢，則可以及時發現可能存在的電路故障或連接問題，以保證系統的穩定性和可靠性。這些維護要求和日檢措施的制定是基于經驗和實踐的，長期的服役歷史證明了其有效性和必要性。通過定期檢查和日檢，控制系統的運行可以得到有效監控和維護，確保其在長期使用過程中保持安全水平。因此，嚴格遵守這些維護要求和日檢措施是非常重要的，以確保控制系統的正常運行和人員的安全。對于飛行中存在的無法表明是極不可能的任何失效，如果該失效顯著的影響飛機結構能力，但可以通過適當的飛行限制將其不利影響降至最低，則必須為飛行機組提供該失效情況的指示。

3.6 帶已知系統失效情況飛機的簽派

若飛機要在已知系統失效的情況下被簽派，而這些系統失效會影響結構性能或影響維持結構性能的剩余系統的可靠性，則必須滿足本文中3.4 和3.5 作為放行條件和后續失效要求。在建立Pj時應考慮預期的運行限制，在建立處于失效狀態的概率Qj時要考慮預期的飛行限制和運行限制。這些限制必須確保飛機處于失效狀態且隨后遭遇限制載荷狀態的概率是極不可能的。如果計算得到的系統失效概率大于10-3每飛行小時，則不允許降低安全裕度。

4 結束語

《正常類飛機適航規定》CCAR-23-R4 經過修訂、重組，這一更改旨在更好地規范正常類飛機的適航要求。在C 分部“結構”中新增了“結構與系統的相互影響”條款，確保結構與系統之間的相互影響能夠得到充分考慮。參考民航局航空器適航審定司發布的《正常類飛機審定》咨詢通告[7]，本文對CCAR23.2205 條款適航符合性思路及方法進行了梳理，可供正常類飛機進行符合性驗證工作。通過對適航符合性的驗證工作，能夠進一步提高飛機的安全性和適航性，從而更好地滿足航空運輸的安全要求。本文的內容對于正常類飛機的適航審定工作具有參考意義，可為相關工作提供一定的啟發。