民机ETOPS空调系统失效影响等级验证

唐慧儒　闫旭东　简夕忠　李闯

【摘 要】民机具有ETOPS（ExTended-range OPerationS）运行能力，可以提供高水平的安全性，便于双发飞机不受限制与四发和三发飞机一样续航。研究表明，对时间有依赖性的失效场景严酷度将会在ETOPS改航情况下增加，因此，ETOPS型飞行对飞机系统的安全性提出了更高的要求。本文以某型机单发失效并发完全丧失新鲜空气ETOPS飞行为研究前提，通过数值模拟及计算分析的方法，分析座舱各因素的适航条款符合性，以此论证该失效状态影响等级定为II级的合理性。

【关键词】ETOPS；单发失效；完全丧失新鲜空气；适航条款；影响等级

【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），即延程运行，是指飞机的运行航路上有一点到合适机场的距离超过60分钟飞行（以双发涡轮为动力的飞机）或超过180分钟飞行（以两台以上涡轮发动机为动力的客机）的运行[1]。ETOPS的目的是提供高水平的安全性，便于双发飞机不受先前的限制与四发和三发飞机一样续航。在ETOPS改航情况下，对时间有依赖性的失效场景严酷度将会增加，因此，对飞机系统的安全性以及维修性也提出了更高的要求[2]。根据设计方案，某型飞机需要具有120分钟的ETOPS能力，因此，在飞机级功能危险性评估和设计工作中，必须考虑在120分钟ETOPS改航时间下，由严酷度增加所造成的各种失效影响。

本文就单发失效导致ETOPS改航情况下并发空调系统完全丧失新鲜空气这一失效状态，通过数值模拟及一维计算的分析方法，验证座舱各参数的适航条款符合性，并对此失效状态影响等级定为II级的合理性进行确定和论证。

1 计算输入

1.1 计算工况

本文模拟计算工况为：飞机单发失效并且空调系统失效，飞机从39800ft应急下降到10000ft高度，然后应急通风系统也失效，在完全丧失新鲜空气的情况下ETOPS飞行两个小时。飞行过程中打开再循环风扇，关闭前后货舱通风。分冷天和热天两种情况。飞行剖面如图1所示：

飞行过程中座舱压力变化如图2所示，由图可知，飞机在第312s座舱压力达到最低，为66437Pa，但仍大于该型飞机氧气面罩自动抛落的座舱压力58363.9Pa，因此在该压力下不会导致乘客出现身体不适，也不会导致氧气面罩自动抛落。在第760s之后舱内压力与外界压力相当。

1.2 热载荷输入

温度符合性计算过程中，计算输入的座舱热载荷分5部分：电子设备热载荷、透过透明表面的太阳热载荷、座舱结构壁热载荷、人员热载荷和供气热载荷[3]。

2 符合性说明

将热载荷数据及空调系统供气相关数据作为输入，通过MATLAB搭建座舱温度模拟平台，进行座舱温度随时间变化的数值模拟，并通过一维计算确定该工况下座舱温度、新鲜空气量及CO2浓度的变化，依据相关适航条款[4]的规定，判断其符合性。以此确定该失效状态影响等级定为II级的合理性进行确定和论证。

2.1 座舱温度符合性计算

根据适航条款CCAR25.831g[4]中的规定：任何概率很小的失效情况发生后，在给定温度下的持续时间不得超出图3曲线所定出的值。

适航条款FAR/CCAR 25.831（g）是确保在通风系统失效的情况下，飞机座舱温、湿度环境不至于影响机组人员执行飞行任务和对乘客身体造成伤害。但在通风系统失效的情况下，飞机不能满足某些情况下的湿度要求，因此，任何型号的飞机都不能直接表明对适航条款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性要求，本文将通过等效安全法则验证：飞机设计必须考虑到在任何极小概率的通风系统失效情况下，满足：（a）人体核心温度不能长期超过38℃；（b）人体核心温度在最后进场和着陆阶段不超过38.5℃，时间不超过20分钟；（c）任何时候，人体核心温度不能超过38.5℃。间接证明飞机对适航条款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性[5]。

由图4可知，在冷天情况下驾驶舱和客舱最终温度分别为14.7℃和16.0℃，在热天情况下驾驶舱和客舱最终温度分别为37.5℃和36.2℃，可知冷天和热天条件下的座舱温度都不会导致乘客及机务人员的人体核心温度超过38℃，因此，此工况下不会影响机组人员的正常工作，座舱环境不会对乘客构成持久的生理伤害。

2.2 新鲜空气量

根据适航条款CCAR25.831a[4]中的规定：通常情况下通风系统至少应能向每一乘员提供0.25kg/min的新鲜空气。

由于计算工况为空调系统和应急通风都失效，则无新风量，不满足该条款要求。

2.3 CO2浓度符合性说明

根据适航条款CCAR25.831b[4]中的规定：必须表明飞行期间机组舱或客舱的二氧化碳浓度不得超过0.5%体积含量（海平面当量）。

正常情况下，座舱内二氧化碳浓度平衡方程如下[6]：

根据以上公式，对ETOPS飞行CO2初始值和之后CO2浓度随时间变化规律进行计算。适航条款CCAR121.333b中规定：当在飞行高度3000m（10，000 ft）以上运行时，合格证持有人应当向在驾驶舱内值勤的每一飞行机组成员提供足以符合本规则第121.329 条要求的但供氧时间不少于2h的氧气。则驾驶员在此工况下满足所需供氧量，下述只计算客舱在失效状态下的CO2浓度。

通过计算可知，满载情况下：

客舱CO2浓度初始海平面当量值为1274.5ppm=0.1275%。

当飞机应急下降到10000ft后两小时内CO2浓度变化：

即满载情况下10.35min时客舱CO2浓度达到0.5%体积当量，当52min时浓度达到2%，最终客舱CO2浓度达到4.62%体积当量。

二氧化碳浓度过高会对人体产生危害，当二氧化碳的浓度达到2%时会使呼吸速率加快，5%时呼吸变得短促，达到10%以上将会使人窒息、麻醉甚至丧失意识。因此，座舱空气中的二氧化碳的极限体积浓度为2%。可知ETOPS飞行情况下不符合。

3 应急措施

综上可知，在该工况下，新鲜空气量和CO2浓度不符合适航条例要求。为此提出应急措施，即打开驾驶舱顶部逃生窗，从逃生窗进入的气流充当冲压空气的作用，再循环风扇仍打开，以保证舱内空气流通均匀。

根据图2座舱压力变化曲线可知，在第760s后达到舱内外压力相等，因此可在第760s后开启逃生窗。考虑20%的总压损失[7]，最终计算通过逃生窗进入的流量为104.8301kg/min，则与适航条款CCAR25.831a中规定对比如表1：

4 结论

由数值模拟及一维计算结果可知，在某型飞机单发失效导致ETOPS飞行并发空调系统完全丧失新鲜空气这一失效状态下，座舱温度符合相关适航要求，但新鲜空气量、CO2浓度均不符合，经过打开驾驶舱顶部逃生窗的应急措施，可保证新鲜空气量及CO2浓度符合相关适航要求，即此工况下会极大降低安全裕度或功能能力，会增加机组人员的工作负荷，部分乘客会有身体不适，但不会对乘客造成永久性的生理伤害，因此，失效状态定为II级是合理的。

【参考文献】

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

[2]王鹏.ETOPS系统安全性评估方法及应用研究[J].航空维修与工程，2011（05）.

[3]寿荣中，何慧姍.飞行器环境控制[M].北京：高等教育出版社，2001：63-111.

[4]中国民用航空总局.CCAR-25-R4中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准[S].北京民用航空总局，2011.

[5]汪光文，苏和平.适航条款CCAR25.831（g）的符合性分析[J].民用飞机设计与研究，2012（S1）.

[6]杨智，汪光文.民用飞机座舱二氧化碳气体浓度分析研究[J].民用飞机设计与研究，2014（04）.

[7]孔珑.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社，123-124.

[责任编辑：杨玉洁]