电子飞控飞机的飞行品质适航验证

张雅妮, 李岩, 金镭

(中航工业综合技术研究所 适航性与安全性技术研究中心, 北京 100028)

电子飞控飞机的飞行品质适航验证

张雅妮, 李岩, 金镭

(中航工业综合技术研究所 适航性与安全性技术研究中心, 北京 100028)

FAA AC25-7A中的飞行品质评定方法(HQRM)能够对使用电子飞控系统的民用运输机进行飞行品质评估。分析了HQRM评估程序以及相关适航要求,根据某民用飞机飞控系统功能危险分析,针对单侧升降舵卡阻这一典型故障,提出了在该失效状态下的模拟器飞行品质评估试验程序,分别给出了HQRM和相应军用标准评估方法,对军民评估方法的差异性和一致性进行了分析。研究结果对采用电子飞控系统的现代飞机的飞行品质适航验证具有工程参考意义。

飞行品质评定方法; 电子飞控系统; 适航验证; 工程模拟器; 功能危险分析

引言

使用电信号传送操纵指令、以复杂软件和硬件综合形式实现的电子飞行控制系统(Electronic Flight Control System,EFCS)已经广泛应用于大型民用运输类飞机的飞行控制,而适航规章FAR25部则主要适用于使用机械操纵系统的飞机,因此FAA需要确定一个系统的方法用于采用电子飞控系统的飞机的合格审定飞行试验[1],即1986年颁布的AC25-7《运输类飞机型号合格审定飞行试验指南》[2]。该指南于1998年修订为AC25-7A,1999年更新为AC25-7A修订版,其附录7“飞行品质评定方法(HQRM)”能够对使用电子飞控系统的民用运输机进行飞行品质评估。

本文针对典型的飞控系统故障,分别给出HQRM和军用标准评估方法,并进行了差异性和一致性分析。所得结论对国内采用现代电子飞控飞机的飞行品质适航审定具有工程参考意义。

1 民用飞行品质评定方法

1.1 HQRM评估程序

HQRM源于为了修改适航规章和飞行试验指南而开展的对高增稳/放宽静稳定性飞机飞行品质的研究成果[3]。HQRM是一种基于概率方法的飞控系统失效状态下的飞行品质要求,与军用标准不同的是,在该基于概率的分析中还包括了飞行包线和大气条件的影响因素。

HQRM中定义了FAA的3个飞行品质等级,分别是令人满意的(SAT)、足够的(ADQ)和可控的(CON),并给出了这3个等级与Cooper-Harper以及军标飞行品质等级之间的对应关系。

根据以下3个方面的因素,HQRM确定了FAA可接受的最低飞行品质等级:

(1)大气扰动程度。分为轻微的、中等的或严重的;

(2)飞行包线。分为正常飞行包线(NFE)、工作飞行包线(OFE)和极限飞行包线(LFE);

(3)飞控系统失效状态。

为了确定必须进行飞行品质评估的状态和飞行任务,并且确定FAA要求的最低飞行品质等级,HQRM评估程序如下:

(1)根据AC25-7A附录7中图10确定大气条件概率(10Xa)和飞行包线概率(10Xe)。

例如,大气扰动概率如果为1,则Xa=0;对于中等大气紊流条件,其事件概率为10-2每飞行小时,则Xa=-2。在正常飞行包线(NFE)中的概率为1,则Xe=0;在极限飞行包线(LFE)中的概率是10-4每飞行小时,因此Xe=-4。

(2)根据飞控系统功能危险分析(FHA)得到该飞控系统某失效事件的失效概率(10Xc)。

(3)对于Xc+Xe+Xa≤-9,即组合概率是极不可能的情况,不进行飞行品质评估。

(4)对于Xc+Xe+Xa>-9,飞行条件概率为飞控系统失效概率和飞行包线条件的组合。其中,Xc+Xe≥-5,则为可能的飞行条件;-9

(5)对于不同的飞行条件、飞行包线以及大气扰动概率,AC25-7A附录7中图12给出了FAA可接受的最低飞行品质等级要求。

1.2 FAR25部和军标对飞行品质要求差异分析

FAA的FAR25部是民用飞机的适航合格审定规章,而军用标准是军机采办的要求。表1给出了FAR25部与军用标准对飞行品质要求差异[4]。两者对工作飞行包线(OFE)内的飞控系统正常运行状态都要求的是1级飞行品质。对于以下情况,允许飞行品质适当降级:

(1)在工作飞行包线外运行;

(2)大气条件比“轻微”紊流要严酷;

(3)出现系统失效状态。

表1 失效状态下的飞行品质要求对比 (工作飞行包线内无大气扰动)

由表1可知,美军标和适航规章对于不同失效状态发生概率的大小要求允许的飞行品质降级程度不同,相比于美军标,适航规章对于发生概率更小、影响更严重的失效状态的飞行品质要求为1级和2级。因此对于失效状态下的飞行品质要求,民用适航要求要高得多。

2 适航要求分析

FAR25部,A320,B777和A380飞机的电子飞控系统专用条件(Special Condition,SC)以及AC25-7A都对HQRM这一飞行品质评定方法的应用提出了要求,且所有这些要求都是一致的。

2.1 FAR§25.672(c)

对于§25.672(c),其中的增稳系统或任何其它自动或带动力的操纵系统是指整个飞行控制系统[5]。FAR§25.672要求对于§25.671(c)中的失效类型飞控系统必须具有初始应对的能力。§25.672(c)对飞控系统的单个失效后的飞行品质提出了要求。

在§25.672(c)(1)中,“仍能安全操纵”与FAA HQRM中飞行品质第3级“可控的(CON)”是对应的,是对失效后的最低飞行品质要求。§25.672(c)(2)是对飞控系统单个失效后的操纵性和机动性要求。§25.672(c)(3)是对飞控系统单个失效后的配平、稳定性和失速特性的要求。

2.2 AC25-7A

AC25-7A对具有增稳系统(SAS)的飞机提出了与HQRM一致的飞行品质要求。要求飞机装有SAS并必须符合§25.671和§25.672的规定,而且应该演示飞机操纵性满足FAA操纵品质评定系统(HQRS)的规定。提出了对增稳系统在正常使用飞行包线中正常运行状态下的飞行品质要求,对增稳系统在正常使用飞行包线中发生失效时的飞行品质要求,对在发生失效后短暂的过渡期内的飞行品质要求,以及对过渡期之后的飞行品质要求。

2.3 A380飞机专用条件

A380飞机对于电子飞控系统(EFCS)提出了FAR 25.671和FAR 25.672的专用条件——通过HQRM表明飞行特性的符合性,确定了HQRM是一种在合格审定中用来表明飞行特性的符合性方法[6]。HQRM用于以下情况的飞行特性评估:

(1)当飞行包线(任务)和大气扰动概率分别是1时,电子飞控系统(EFCS)/飞机的失效状态不能表明是极不可能的;

(2)所有失效、大气扰动和飞行包线的组合概率不能表明是极不可能的。

在该专用条件中,“不能表明是极不可能的”是指发生概率大于10-9。这与HQRM中要求的对于Xc+Xe+Xa≤-9的情况不进行评估是一致的。

3 模拟器验证试验

飞行品质的合格审定试验通常包括飞行试验和工程模拟器试验,对于较为危险的情况一般使用工程模拟器试验结合飞行试验进行符合性验证。在此提出针对单个升降舵卡阻这一典型失效状态下的模拟器飞行品质评估试验程序、试验数据的分析方法。分别使用FAA的HQRM和军用标准进行评估,对两者的差异性和一致性进行分析。

3.1 工程模拟器组成

工程模拟器主要用于验证控制律和飞行品质,主要由计算机、驾驶舱和数据传输线组成,如图1所示。主仿真计算机用于计算飞机和飞机各系统的数学模型,视景系统计算机用于视景仿真计算,仪表显示计算机计算驾驶舱仪表显示值,接口计算机用于接收和发送仪表显示器、驾驶舱和主仿真计算机之间的数据。驾驶舱主要由视景系统、仪表、飞行操纵器件和驾驶员座椅构成。

图1 工程模拟器主要构架

3.2 试验要求和程序

根据某民用飞机的飞控系统功能危险分析(FHA),在巡航阶段发生单个升降舵卡阻是一种严酷度为第III类的失效事件。剩余的升降舵和水平安定面的俯仰控制功能应该能满足民用适航规章的要求,克服该失效事件对飞机的影响。

稳定性和操纵性是飞行品质的两个最基本的内容,为了对在正常飞行包线(NFE)内失去单个升降舵控制功能的操纵性进行评估,在此分析了模拟器试验要求,提出了模拟器试验程序。

3．2．1试验要求

(1)选择失效状态。选择单个升降舵卡阻进行模拟器试验,该失效状态是§25.671(c)中给出的典型失效状态。在AC25.671草案中给出了FAA建议的符合性试验应考虑的卡阻位置[5],在具体试验中还应该结合具体型号飞机的设计特点来确定舵面卡阻位置。

(2)飞机飞行状态。配置最不利的重量和重心位置,即大重量和前重心。

(3)试验数据采集。需要采集的数据有升降舵偏度、俯仰角速度、法向过载。其中俯仰角速度反映了纵向稳定性,法向过载反映了机动性。

3．2．2试验程序

HQRM给出了主要飞行品质任务类别,从中选择飞行任务用于评估单个升降舵卡阻后的纵向机动能力。

(1)飞行任务

通常,为了评定民用飞机的安全能力,飞行员会进行一些机动飞行,显著地改变飞机航迹、速度和姿态,但是这些机动并不属于飞机正常的商务使用范围,只是在工程适航稳定性和操纵性符合性试验中进行这些机动。可以从这类机动飞行任务中选出一个机动作为飞行任务来评估飞机单个升降舵卡阻后的机动性。

当左侧升降舵卡阻在某个较大偏度,单依靠推/拉驾驶杆进行机动转弯,飞机高度保持不变,在带故障的状态下,飞控系统在俯仰轴仍能产生足够的法向过载范围,具备足够的机动能力。

按照3.2.1中的要求配置飞机重量和重心位置,采集升降舵偏转角δe和法向过载n。

(2)飞行阶段

按照表2设置飞行阶段。

表2 飞机飞行阶段

3.3 FAA HQRM验证

(1)HQRM对该失效状态的飞行品质要求

首先,按照AC25-7A附录7中图10确定大气条件概率(10Xa)和飞行包线概率(10Xe)。在此没有大气扰动,因此Xa=0。飞行任务是在正常飞行包线(NFE)内,因此Xe=0。

根据该飞机的飞控系统功能危险分析(FHA),对于该飞机,巡航阶段发生单侧升降舵卡阻是严酷度为Ⅲ类的失效事件,其发生概率高于10-7每飞行小时,低于10-5每飞行小时,因此-7

因为Xc+Xe+Xa>-9,因此应该对该情况进行评估,且-9

按照表1,得到对于该情况最低可接受的飞行品质等级为“足够的”(ADQ)。

(2)驾驶员使用HQRM进行飞行品质评估

按照FAA的定义,该飞机在该故障下要达到“足够的”,其飞行特性对于持续飞行和着陆时是足够的,满足全部的或包含一部分降级的性能,但要付出较高的驾驶力和注意力。对于所选择的飞行任务,飞机应该仍能具有一定的纵向操纵能力来完成飞行任务。

3.4 军用标准验证

(1)美军标对该失效状态的飞行品质要求

在军用标准中,不考虑大气扰动的情况下,对正常飞行包线(NFE)中发生的任何单个的并非极不可能的失效后,飞机飞行品质的要求是至少达到2级飞行品质[7-8]。

(2)美军标评估准则

结合所选择的任务特点,可以选择军用标准中的以下评估准则进行飞行品质等级评估。

在机动飞行中能够达到的法向过载范围反映了操纵系统俯仰轴的操纵能力。为了评估该失效状态下的俯仰轴的操纵能力,可以在试验中采集机动飞行中的法向过载,选择相应的军用标准准则进行评定。

在MIL-HDBK-1797A中给出了该机动飞行中的俯仰轴操纵效能准则,要求如下:

等级1和等级2:法向过载能达到no(-) 至no(+)。其中,no(+) 和no(-)为给定高度下的法向过载的最大、最小边界值;

等级3:法向过载n=0.5至以下较小者:

①no(+);

② 对于no(+)≤3的飞机,n=2.0;对于no(+)>3 的飞机,n=0.5[no(+)+1]。

该准则适用于正常状态下的飞行,对于失效状态的评估,等级1,2和3的法向过载值可以根据飞机特性和任务特点适当放宽[7]。

3.5 分析总结

根据表1,对于该飞机的单侧升降舵卡阻,HQRM的可接受的最低飞行品质等级应该为“足够的”(ADQ)。在军用标准中对正常飞行包线(NFE)中的任何单个失效后飞机飞行品质的要求是至少达到2级飞行品质。由表1可知,FAA的“足够的”对应的美军标等级是等级2。因此对于该飞机的该失效状态,民用适航HQRM与美军标要求一致。

4 结束语

FAA提出了针对采用现代电子飞控技术的飞机的飞行品质评估方法(HQRM),本文给出了HQRM的使用程序,对该方法相关的适航要求进行了分析。根据飞行任务给出了模拟器某典型失效状态下的飞行试验程序,并分别提出了HQRM和军用评估的分析方法。分析结果表明了民用和军用标准之间的差异性和一致性。

[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

张雅妮(1981-)，女，湖南邵阳人，工程师，博士，研究方向为适航性技术。

V217.3

A

1002-0853(2012)02-0117-04

(编辑：王育林)