运输类飞机适航标准CCAR25.671（c）条款要求与分析

王伟达

摘要：CCAR25.671（C）对民用飞机在飞控系统发生故障后的响应提出了强制性的要求。首先介绍了这个条款的内容，然后分析了该条款中的若干基本概念，提出了计算舵面卡阻位置的若干注意事项，最后描述了继续安全飞行和着陆的评定标准。

关键词：CCAR25.671（c）；操纵系统；卡阻位置；安全飞行；着陆

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

Analysis of Airworthiness Requirement and Validations for CCAR25.671（c）

WANG Weida

（Flight Control Department， Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai， 201210，China）

[Abstract]： The response of civilian aircraft after the failures of flight control system shall comply with the mandatory requirements that CCAR25.671（C） stressed. The content of the section is introduced firstly， and then the several basic concepts are analyzed， the some considerations of determining the jammed surface position are proposed， the assessment of continued safe flight and landing is described finally.

[Keywords]： CCAR25.671（c）； Control system；Jammed positions； Safe flight； Landing

中图分类号： V217. 3 文献标识码： A

CCAR25部《运输类飞机适航标准》是运输类飞机研制中必须满足的最低安全标准[1]。飞控系统必须对CCAR25.671（c）等条款表明符合性。CCAR 25.671（c）条款偏重于传统的机械和液压-机械方式的飞控系统，但也同样适用于简单的电控方式和复杂的电传方式的飞控系统。该条款对飞控系统发生的故障进行了基本的分类，并要求在发生上述故障后还应具有继续安全飞行和着陆的能力。

1 CCAR25.671（c）条款内容

CCAR25-R4版本中对条款CCAR25.671（c）的描述如下：

（c） 必须用分析、试验或两者兼用來表明，在正常飞行包线内发生飞行操纵系统和操纵面（包括配平、升力、阻力和感觉系统）的下列任何一种故障或卡阻后，不要特殊的驾驶技巧或体力，飞机仍能继续安全飞行和着陆。可能出现的功能不正常必须对操纵系统的工作只产生微小的影响，而且必须是驾驶员能易于采取对策的：

（1） 除卡阻以外的任何单个故障 （例如机械元件的脱开或损坏、或作动筒、操纵阀套和阀门一类液压组件的结构损坏） ；

（2） 除卡阻以外未表明是概率极小的故障的任意组合 （例如双重电气系统或液压系统的故障，或任何单个损坏与任一可能的液压或电气故障的组合） ；

（3） 在起飞、爬升、巡航、正常转弯、下降和着陆过程中正常使用的操纵位置上的任何卡阻，除非这种卡阻被表明是概率极小的或是能够缓解的。若飞行操纵器件滑移到不利位置和随后发生卡阻不是概率极小，则须考虑这种滑移和卡阻。

2 CCAR25.671（c） 条款的基本概念

2.1 微小的影响

在某型号民用飞机的审定过程中，申请人经过和中国民用航空局主管机械系统的审查代表经过多次讨论，对“微小的影响（minor effects）”定义达成了共识，认为飞机发生故障后，如果能继续安全飞行和着陆，那么这个过程中发生的除人员伤亡之外的任何事件（Event），对飞机产生的影响都可以认为是“微小的”。任何事件包括了机体结构可能的破损等。

2.2 概率极小的

“概率极小的”（extremely improbable）的定义较为清楚。AC/AMJ25.1309中定义发生概率为1E-9的灾难性故障是概率极小的[2]。因此可以认为CCAR25.671（c）所考虑是单个故障，发生概率大于1E-9的多重故障组合和舵面卡阻这三类故障类别。

2.3 故障类别

“单个故障”（any single failure）则必须从飞控系统设备的故障模式及影响清单中进行选取。

“任意组合”（any combination of failures）是若干数量的“单个故障”的合理组合，组合后的故障发生应概率大于1E-9。一般情况下仅考虑2个故障的组合对飞机的影响。

由“单个故障”或“任意组合的故障”导致的功能不正常可能会产生不可接受的系统响应。这些响应同样可能是舵面有限周期的振荡，急偏，系统断开，锁死，错误的指示/告警等。例如对某型号民用飞机而言，双套液压系统故障发生概率的数量级是E-7，间接导致了飞控系统进入了最小操纵面构型。

中国民用航空局还发布了专有条件SC SE007“电子飞行控制系统-指令信号完整性”。该专有文件指出在表明对CCAR25.671（c）的条款符合性，还应考虑寄生电磁信号和计算机诱发信号对电传飞控系统的影响。该专有条件认为由任何一种，或是两种电磁干扰共同作用生成的虚假信号和（或）错误数据可能会导致系统的功能不正常。[3]

“任何卡阻”（any jam）包含了操纵器件的卡阻与舵面的卡阻。操纵器件包括驾驶杆＼盘、脚蹬和配平开关＼旋钮等。舵面包含了飞机的副翼、升降舵、方向舵、水平安定面、扰流板、襟翼和缝翼。

3 正常使用的操纵位置上的任何卡阻

任何能够因为物理原因而导致操纵器件或飞控舵面卡阻在固定位置上的故障或事件，必须按照下面的要求来进行评估：

1） 考虑在任何通常遇到的位置上的卡阻。

2） 除了当考虑启动恢复操纵的时间延迟时，不能完成着陆的着陆前位置， 假设故障可能发生在正常飞行包线内的任何位置。

3） 发生能够导致飞控舵面或操纵器件卡阻在固定位置的故障后，与该单故障组合时能够妨碍继续安全飞行和着陆的任何附加故障状态的联合发生概率必須小于1/1000。

25.671（c）（3）强调的是由于一些物理原因导致舵面或驾驶员操纵器件固定在故障发生时的指令位置的故障模式。卡阻的位置应该是在起飞、爬升、巡航、正常转弯、下降和着陆过程中通常遇到的操纵位置。在某些系统架构下，系统元部件卡阻会导致除固定舵面位置或固定操纵器件之外的故障模式，这些类型的卡阻故障不在25.671（c）（3）中考虑。

本条款适用的飞行阶段分为：起飞、飞行中（爬升，巡航，正常转弯、下降和进场）和着陆。因为飞机需要一定的时间和高度才能从任何重要的卡阻故障中恢复，所以正好在着陆前发生卡阻故障的情况不在本条款考虑的范围内。如果在V1之前发生卡阻，起飞将被中断。

过去，采用机队服役数据选择卡阻的位置。服役经验表明控制舵面卡阻的总故障率大概在1E-6到1E-7每飞行小时。考虑服役数据，合理的“通常遇到的位置”指的是在1000次随机运营架次中，在2.2节中提到的每个飞行阶段，不考虑其它故障时控制舵面的偏转范围（从中立位置到最大偏转位置）。

研究报告ARAC25.671与咨询备忘录“Policy regarding flight control jams for‘normally encountered positions”提供了以下舵面卡阻位置的计算方法：副翼、升降舵、方向舵。提供了水平安定面、减速板、襟缝翼卡阻位置的选择方法，但是上述文件都没有提供操纵器件卡阻位置的计算或选择方法。在舵面卡阻位置的算法中采用了俯仰速率，滚转速率或加速度作为计算卡阻位置的输入，这些输入条件不作为故障影响评估要求。例如，输入的速率条件不代表发生舵面卡阻故障后飞机实际具有的能力。[4][5]

条款要求发生能够导致飞控操纵面或驾驶员操纵器件卡阻在固定位置的故障后，与该单故障组合时能够妨碍继续安全飞行和着陆的任何附加故障状态的联合发生概率必须小于千分之一。这个要求保证了发生单个故障后，最低安全水平仍然存在。同样地，对于为主要系统提供备份功能的系统，千分之一判据为它们建立了最小可靠性要求，即使这些系统的故障率非常低。

4 继续安全飞行和着陆的能力

条款强调了飞机发生故障后，继续安全飞行和着陆的能力。根据研究报告ARAC25.671，可以从瞬态响应、延迟时间、操纵性、操纵力和对结构完整性的影响5个方面评估飞机继续安全飞行和着陆的能力。

4.1 瞬态响应

飞控系统发生故障后，飞机不应当出现不安全的瞬态响应。对故障或导致卡阻的机动动作的评估，其初始条件可以是在“飞机在法向过载为1g的水平飞行”。因此，安全飞行和着陆通常定义为不超过以下任意一个条件：

a） 作用在任意主要结构上载荷足够导致灾难性的结构故障。

b） 灾难性地丧失了对飞机航迹的控制。

c） 超过了VDF/MDF。

d） 灾难性的颤振或振动。

e） 超过了90度的滚转角。

在表明不超过瞬态响应的同时，也应当表明对CCAR25.302条款的符合性。虽然VF通常是与继续安全飞行和着陆相关的一个适当的速度限制，只要满足CCAR 25.302的要求，短时超过VF是可接受的。

VDF/MDF是演示俯冲速度（Demonstrated flight diving speed）。VD/MD是设计俯冲速度（design diving speed），见图1。VDF/MDF大于VD/MD。颤振设计保证飞机在气动弹性包线内的安全。正常情况下，气弹包线是1.15VD/MD，故障状态下，气弹包线不小于VD/MD。因此，只要保证故障后飞机速度不超过VD/MD，就表明了符合性，可通过对试验速度数据的分析得到该结果。

图1 某型号民用飞机的设计包线速度

4.2 延迟时间

假设延时包括了飞行员的识别、响应和断开系统的操纵的操作，那么，延迟时间=识别时间+响应时间+脱开的操纵时间。

识别指从发生故障到飞行员意识到需要采取操纵之间的时间。可以通过飞机的姿态或可信赖的故障告警系统识别出功能不正常。应当确定识别的时间点，但是不能少于1秒。对于飞控系统故障，除CCAR 25.671（c）（3）描述的卡阻类型外，单独地移动驾驶杆或驾驶盘不应当认为是识别行为。

这个咨询通报中的响应时间如表1所示。

可以在地面或飞行试验中测量脱开操纵所需的时间。该时间值应该被应用到所有的分析工作中。然而，在需要飞行员执行脱开操纵的飞行试验或人为仿真中已经包含了这一附加的时间。因此，这些验证不需要考虑其他的额外延迟时间。

4.3 操纵性

如果在发生故障后飞机可以执行以下的机动动作，则通常可以表明飞机具有继续安全飞行和着陆的能力。

a） 进行稳定的30坡度左转弯/右转弯；

b） 飞机稳定在一侧的30坡度飞行，迅速向另一侧建立30坡度；（这个机动中，可以使用方向舵将侧滑减至最小，这个动作可以不检查）

c） 推杆到0.8g， 拉杆到1.3g；

d） 在90度侧风增大至10Kn时，可以拉平。（地面上10米测量值）

4.4 操纵力

任何超过CCAR25.143（c）所规定的短时或长时操纵力必须被评估为可接受的。这个评估应当包括预期飞行員群体的体力能力（包括年龄、身高和性别）和执行预期机动动作的杆力时间周期。

短时操纵力通常被解释为完成构型或配平变化的时间。然而考虑到机组分担工作的能力，CCAR25.143（c）定义的短时操纵力也许可以持续一个较长的时间周期，例如在起飞和返场阶段的卡阻过程中。另外，机组也许可以通过其它方式操纵飞机。在这些场景中，应当验证机组飞行手册（AFM）中的定义分担工作或其它操纵方式的程序。

在故障发生后的改出过程中，瞬时的操纵力可以超出上述标准一定的限度。这必须由飞行员评估超出限度的可接受性。

4.5 对结构完整性的影响

在表明飞机在发生故障后仍然保持了可以安全飞行和着陆的结构完整性的同时，也必须表明对CCAR25.302的符合性。对于卡阻故障，认为其很少发生，在中定义“通常遇到的位置”时已经留有余量，除了CCAR25.302，下面的标准也可以用来表明结构能够支持继续安全飞行和着陆。

极限载荷应该来自于下面的条件，速度最大为卡阻位置或故障状态允许的最大速度：

a） 飞机在航路构型，高升力装置全收起的条件下，从0.25g到1.75g之间平衡机动；在高升力装置全展开的条件下，从0.6g到1.4g之间平衡机动。

b） 飞机设计速度VC时，高升力装置全收起的条件下，垂直和横向离散突风符合CCAR 25.341（a）中40%的限制突风速度。在高升力装置全展开的条件下，采用17fps垂直的和17fps迎面突风。

5 结论

该条款要求飞机操纵系统在发生故障（包括单个故障、双重故障和卡阻）后，应该具有继续飞行和着陆的能力。这是对民用飞机基本的和最低的能力要求。对于该条款的验证思路及其试验科目已经得到了中国民用航空局的认可，相关的符合性文件已经得到批准。

参考文件：

[1] CCAR-25-R4 运输类飞机适航标准[S]. 北京：中国民用航空局， 2011.

[2] AC/AMJ25.1309 System Design and Analysis[S]. Washington： FAA， 2002.

[3] SC SE007电子飞行控制系统-指令信号完整性[S].北京：中国民用航空局， 2014.

[4] FAR/JAR 25.671 FCHWG- ARAC Report [S]. Washington： FAA， 2010.

[5] Policy regarding flight control jams for” normally encountered positions”[S]. Washington： FAA， 1995.