民用飞机驾驶舱保护适航技术研究

马 健，高斌元，解 江

（1.中国民用航空西安航空器适航审定中心，西安 710065；2.中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

驾驶舱作为操控飞机运行的“大脑”，直接关系到飞机和乘客的安全。因此，驾驶舱设计与适航验证一直是中国民用航空局和工业方关注的重点问题之一。李岩等[1]总结了驾驶舱视界的设计要求和方法，指出要从适航性设计与验证入手，解决型号研制中面临的技术难题。董大勇等[2]总结了驾驶舱人为因素的符合性验证思路、方法和技术。袁霄等[3]研究了驾驶舱人机界面设计评估理论，基于适航条款提出了驾驶舱人机界面评估方法。王纪清等[4]梳理了飞机驾驶舱设计准则，给出了驾驶舱总体布置和人机界面的设计思路，旨在为新机型的驾驶舱设计提供支持。民用飞机是恐怖袭击的重点对象，其中驾驶舱安保防护是航空安保需要重点关注的问题之一。目前，国产大飞机C919 和支线涡桨飞机MA700 适航取证进入关键阶段，中国和俄罗斯联合研制的双通道民用飞机CR929 项目已启动，因此，开展驾驶舱保护适航技术研究非常有必要。

1974年美国颁布了《航空运输安全法》，要求开发用于防止或阻止对民航飞机劫机或破坏的系统和设备。2002年以来，美国联邦航空管理局（FAA，Federal Aviation Administration）开始关注航空安保问题并制定相关适航要求[5-6]。张柱国[7]对运输类飞机安保要求的背景和演变历史进行了溯源分析，并结合国产机型合格审定，提出了安保设计和符合性验证中的难题。刘文成[8]研究了运输类飞机驾驶舱门静强度试验验证的适航要求、载荷选取、制造检查等问题，但没有分析暴力入侵、子弹穿透等适航要求。

在分析民用飞机驾驶舱保护适航条款修订背景的基础上，系统研究驾驶舱抵御入侵、抵御穿透和烟雾保护的相关适航要求及建议的符合性验证方法，重点分析了舱门设计、监视系统及烟雾保护设计技术的发展及应用，为驾驶舱保护的设计及适航审定提供支持。

1 适航条款修订背景

1988年12月22 日，泛美航空公司一架B747 飞机在英国小镇洛克比上空爆炸解体，事故原因是位于前货物舱的塑胶炸药被引爆，并最终导致飞机空中解体。1997年3月12日，国际民航组织发布了国际民航公约附件8 第97 号修正案，首次提出了有关民用航空安保的设计要求。

2001年9月11 日，恐怖分子通过侵入驾驶舱劫持了民航客机，造成了美国本土最为严重的恐怖袭击行动。FAA 紧急发布了FAR 25-106 修正案[5]，要求增强驾驶舱舱门的保护。为进一步落实国际民航公约附件8 第97 号修正案中相关安保措施，FAA 于2008年10月28日又发布了FAR 25-127 修正案[6]，对FAR 25.795条（安保事项）进行了修订。修订后有关运输类飞机驾驶舱保护的条款包括：驾驶舱抵御入侵、抵御穿透和烟雾保护等。

2 适航要求及符合性方法

2.1 条款内容

1）驾驶舱抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）条款规定，对于把驾驶舱与乘客区域分开的驾驶舱隔板、舱门及其他任何可接近分界，都必须能够抵御未经许可的暴力入侵，且能够承受300 J 的冲击。FAR 25.795（a）（2）条款规定，对于把驾驶舱与乘客区域分开的驾驶舱隔板、舱门及其他任何可接近分界上的把手（包括门的旋钮和手柄），都必须设计成能够承受1 113 N 的拉伸载荷。

2）驾驶舱抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）条款规定，对于把驾驶舱与乘客区域分开的驾驶舱隔板、舱门及其他任何可接近分界，都必须设计成能够抵御小型武器射击和破碎装置的穿透，达到相当于美国国家司法研究所（NIJ，National Institute of Justice）标准IIIA 级的水平。

3）驾驶舱烟雾保护

FAR 25.795（b）（1）条款规定，最大审定起飞重量超过100 000 lb（1 lb = 0.453 59 kg）或者客座量超过60 座的飞机，都必须有措施防止烟雾、烟气和有毒气体进入驾驶舱，以限制爆炸或燃烧装置的影响。

2.2 条款解析

1）驾驶舱抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）条款的目的是在采取其他措施之前，延缓或阻止未经飞行机组授权的人员强行进入驾驶舱。应合理设计驾驶舱隔板、舱门及其他任何可接近分界上的把手，阻止未经授权人员用很高的载荷将舱门打开或使舱门产生变形并入侵驾驶舱。

2）驾驶舱抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）条款规定，对驾驶舱易受来自客舱弹道威胁的区域应适当保护免受小型武器破坏，目标是确保不会因为轻武器的击发而影响飞机安全飞行和着陆。

对于驾驶舱隔框或任何内部装饰，以及地板和天花板，如果处于危险弹道，就应予以保护。对于不在危险弹道，或者通过反弹才成为危险弹道的结构，不需要抵御弹道穿透。在确定危险弹道时，应假定武器发射或爆炸装置仅来自旅客正常可以接近的位置。

对于驾驶舱和客舱的典型结构，如释压板、窗、格栅、旋钮、门闩、铰链等，如果能表明其失效不会降低抵御穿透的能力，则不要求对其进行试验。否则，均需通过试验验证。

3）驾驶舱烟雾保护

FAR 25.795（b）（1）条款规定，飞机具有限制烟雾进入驾驶舱的能力，即有措施限制飞机其他区域发生爆炸或火灾时所产生的烟雾和有害气体进入驾驶舱，直到机组采取进一步安全措施。

2.3 符合性验证方法

FAA 咨询通告（AC，advisory circular）25.795-1A、25.795-2A 和25.795-3 给出了驾驶舱保护建议的符合性验证方法，如表1所示。

表1 符合性验证方法Tab.1 Means of compliance substantiation

1）驾驶舱抵御入侵和穿透符合性验证

通过符合性验证试验方法（MOC4）验证FAR 25.795（a）（1）、FAR25.795（a）（2）和FAR25.795（a）（3）的符合性，该试验方法适用于所有试验要求的驾驶舱分界，也适用于各种设计形式的驾驶舱门。

1976年5 月，美国国家法律执行和刑事司法研究所颁布了针对舱门部件和组件物理安全的标准（NILECJ-STD-0306.00）。该标准是美国国家标准署法律执行标准实验室在NIJ 的资助下制定的。AC 25.795-1A 中的定义、数据采样、设备、程序和所用的试验部件等相关内容都引用了该标准。该标准定义了4 种等级的安保水平。FAA 在FAR 25-106 修正案中，将该标准提高了50%，即驾驶舱舱门应能承担300 J 的冲击，舱门把手应能承担250 lb 的静拉伸载荷。300 J 的冲击能量已经超过了强壮成人用脚踢或用灭火器等撞击所施加的能量。为符合FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）条款关于抵御驾驶舱入侵的适航要求，需要对驾驶舱门进行4 项基本的试验，包括对舱门、门闩和舱门铰链的冲击试验及把手的定常拉伸载荷试验。

AC 25.795-2A 提供了一种通过子弹射击来表明驾驶舱抵御穿透能力的方法。在满足所有试验要求的情况下，冲击速度等于或大于最小可接受速度而没有发生穿透，则认为试验通过；如果因为射击使得门板或格栅打开，丧失了抵御入侵的能力，则认为试验失败。

2）驾驶舱烟雾保护符合性验证

驾驶舱通风系统用于向舱内提供大量的空气以满足通风和温度要求。已有试验表明，如果气流速率足够大，则气流可以在驾驶舱和与其相邻舱室之间形成较小的压差。当舱门关闭时，压差会使驾驶舱的空气通过缝隙或开口流向其他舱室，达到防止烟雾进入驾驶舱的目的。然而，防止烟雾进入驾驶舱的压差很小，以至于无法通过仪器精确测量，因此，需采用符合性验证试验方法（MOC4）来表明符合性。

在试验中，可以用一个薄的塑料片覆盖住驾驶舱门开口，提供一个柔性的分界。当存在符合要求的压差时，塑料片发生明显的变形，说明烟雾不能进入驾驶舱。好的驾驶舱设计能使烟雾进入驾驶舱的路线最少，这些路线包括电子设备冷却系统、舱门和地板空隙、隔框和支持结构之间的间隙。

对于本条款的符合性验证，需要注意以下几点：

（1）驾驶舱门是关闭的，为了满足总的安全考虑，要求飞行机组确保驾驶舱门是关闭的，以阻止烟雾渗透；

（2）在事件发生后，飞机的结构和系统功能正常，即不考虑结构损伤或系统性能降低的影响；

（3）在任何飞行阶段，无论火灾的起因和发生的位置，申请人都需要对驾驶舱提供保护，避免过量的烟雾进入驾驶舱；

（4）应考虑其他系统（如通风系统等）的布局和架构设计，确保驾驶舱不会出现过量的烟雾和有害气体；

（5）烟和有害气体的流动特性和可见烟雾相同。可假设烟雾探测和排烟的同时能有效地排除有害气体；

（6）当存在烟雾和有害气体时，需要新鲜（外界）的空气来满足驾驶舱的换气。

3 驾驶舱保护适航技术发展与应用

“9·11”事件发生后，FAA 对飞机驾驶舱门提出了新的要求，包括改进驾驶舱门设计、舱门门锁设计及装配能与地面控制中心可视联系的监视器等，这些技术的应用对驾驶舱的保护起到重要作用。

3.1 舱门设计

FAA 要求FAR 121 部承运人在2003年4月9日之前完成舱门的改装。为此，空客公司设计了新的驾驶舱门，在设计中选用了铝制蜂窝结构、“S 玻璃纤维”等材料，增加了舱门的重量。整个舱门区域要在驾驶舱释压时用作通风通道，要求舱门应能迅速打开。

2004年Albertelli[9]设计了一种复合材料驾驶舱门，通过使用不同编织方式和不同树脂材料来达到防穿透的目的。这种舱门由3 层不同的复合材料合成：第一层由相对较硬的酚醛树脂和紧密编织的织物构成，用于将尖弹头钝化；第二层由相对较软的环氧树脂和较松的织物构成，通过分层使钝化的弹丸“侧向”移动，而且分层可吸收大量能量；第三层与第一层相同，用于捕获钝化的子弹，防止穿透。

为了进一步增强对驾驶舱的保护，2004年，美国联合航空公司在其500 架客机中安装了机组人员在打开驾驶舱舱门前必须布置的辅助屏障（IPSB，installed physical secondary barriers）。该装置安装在客舱和驾驶舱门之间，易于展开和收起。当驾驶舱门在飞行中打开时，IPSB 处于展开状态，可阻止客舱人员进入驾驶舱；当驾驶舱门关闭并锁定时，IPSB 通常被收起。IPSB有效地解决了舱门转换期间的安全问题，且对飞机设计成本影响很小，已有多家航空公司将其应用于机队中，波音和空客公司已将IPSB 作为下一代飞机型号的选装件[10]。2015年4月14日，FAA 发布了AC 120-110[11]，给出了一种关于飞机辅助屏障和驾驶舱安全程序符合性验证方法。

3.2 监视系统

驾驶舱门视频监视系统通过安装在驾驶舱门区域和登机门区域的摄像头，对舱门区域进行实时监控，机组通过驾驶舱内的显示器观察监视图像，实现对驾驶舱门、登机门区域的监视，某民机驾驶舱门视频监视区域示意图[12]如图1所示。

图1 视频监视区域示意图Fig.1 Schematic diagram of video surveillance area

近年来，越来越多的民航飞机安装了驾驶舱门监视系统，视频监视系统已经得到了广泛应用。中国民用航空局要求在商用飞机上加装驾驶舱监视系统，可视区域应至少包括驾驶舱门和主登机门。在客舱灯光调暗或者关闭时，系统能清晰地对驾驶舱门和主登机门区域进行监视，且监视系统显示器应固定安装于驾驶舱内，要求系统摄像头视角应能切换。

当前的民用飞机驾驶舱门视频监视系统主要是基于美国国家电视标准委员会（NTSC，National Television System Committee）制式的模拟视频系统。随着通信和网络技术快速发展，未来可采用数字视频技术代替模拟视频技术。数字视频技术具备更清晰、更稳定的图像传输能力，而且采用无线网络技术代替现有有线监视系统，其传输速度快、传输容量大，不受硬件连接、布线等条件因素制约，具有更强的灵活性和实用性。

3.3 烟雾保护

飞行员的操控对于飞行安全至关重要。在飞行过程中，如果驾驶舱内出现烟雾，会严重影响飞行员的视野和操作，甚至会对飞行员造成生命威胁。因此，必须要对运输类飞机驾驶舱采取烟雾保护措施。

对于驾驶舱烟雾保护，主要以烟雾探测、防止烟雾进入和烟雾排除为主。目前，飞机上多采用基于光电原理的烟雾探测器探测空气中的烟雾粒子，当烟雾浓度达到告警阈值时，探测器发出告警信号。对于防止烟雾进入和排烟的要求，可采用减小结构间的空隙和保持与相邻舱室的正压差的方式满足适航要求。

4 结语

从适航要求和航空技术发展来看，民用飞机驾驶舱保护设计与适航审定需要关注以下问题。

（1）在舱门的适航审定中，要重点关注舱门材料的选择和结构设计。目前的驾驶舱门多采用铝合金为主的蜂窝夹层结构。随着材料技术的发展，未来可能采用比强度、比模量更高的纤维增强复合材料。复合材料结构在工艺成型过程中，由于诸多因素影响，可能会出现气孔、树脂裂纹、分层和脱黏等制造缺陷，生产质量相对不稳定，在型号合格审定过程中应给予特别关注。

（2）在监视系统的审定中，需重点关注系统的功能、性能和系统架构是否满足适航要求。其次，舱门摄像头的安装布置要确保能监视所有能进入驾驶舱的范围区域。应尽量简化系统架构，充分利用驾驶舱现有的显示终端，尽量少加装其他显示装置。

（3）在烟雾防护设计中，可以采用多参数烟雾探测器，提高烟雾探测能力，也可以优化结构设计，减少烟雾进入驾驶舱的路线。对于烟雾保护的审定，应重点关注烟雾探测器的灵敏度、系统架构等问题。