大氣擾動適航條款修訂對符合性評估的影響研究

余藝萌

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

適航條例作為保障民用航空安全所頒布的法令性文件，其內(nèi)容與要求會隨著航空領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行適應(yīng)性的增補(bǔ)和修改。我國現(xiàn)行的《中國民用航空規(guī)章》第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR—25）于2011年進(jìn)行第四次修訂并使用至今，在此期間，美國現(xiàn)行的《聯(lián)邦航空條例》第25部（FAR—25）進(jìn)行了多次修訂，對多個條款內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整。

適航取證是民用飛機(jī)從設(shè)計研制到投放市場的重要環(huán)節(jié)，民用飛機(jī)投放到國際市場時，需要滿足國外適航要求。因此，密切跟進(jìn)國外適航條款的修訂內(nèi)容，針對差異條款進(jìn)行詳細(xì)解讀，選擇合適的適航符合性評估方法開展適航性驗證工作研究具有重要意義。

本文通過篩選大氣擾動飛行載荷相關(guān)適航條款，對此類條款在CCAR—25和FAR—25中的不同之處進(jìn)行匯總與歸類，并對其差異原因和對適航符合性評估的影響展開基于算例的詳細(xì)分析，最后對此類條款的適航符合性驗證方法進(jìn)行總結(jié)，研究結(jié)果可為民機(jī)的適航取證工作提供參考。

1 大氣擾動飛行載荷適航條款內(nèi)容對比

我國的適航條例在制定之初參考了美國聯(lián)邦航空條例（FAR），故相同編號的條款適航要求內(nèi)容范圍基本一致。通過對現(xiàn)行的CCAR—25和FAR—25條款進(jìn)行篩選和對比，發(fā)現(xiàn)共有5條條款對大氣擾動飛行載荷做出了相關(guān)規(guī)定，分別提出了突風(fēng)影響下飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求、飛機(jī)具體部件結(jié)構(gòu)受到突風(fēng)影響時的要求和紊流情況下極限載荷對飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞特性的要求等內(nèi)容，詳細(xì)的適航要求歸納見表1。

表1 CCAR—25和FAR—25中的飛行載荷適航條款對比[1-2]

經(jīng)過條款對比后發(fā)現(xiàn)，CCAR—25和FAR—25在條款25.341（突風(fēng)和紊流載荷）和25.415（地面突風(fēng)情況）有較大的差異。

2 FAR條款修訂原因及對符合性評估的影響分析

為便于分析，本文將條款差異內(nèi)容按照對適航性評估影響程度的大小分為3類：

（1）取值改變：條例要求不變，具體計算需要用到的參數(shù)數(shù)值選取的變化或取值范圍的變化。

（2）方法改變：分析問題不變，對條例原本規(guī)定的分析方法做出調(diào)整。

（3）要求改變：條例所規(guī)定的適航要求發(fā)生變化，既包括對原有要求的修訂，也包括新增的適航要求。

2.1 取值改變原因及影響

在FAR—25的最新修訂版本中，條款25.341的（a）、（b）部分分別對參考突風(fēng)速度的取值范圍和參考紊流強(qiáng)度的取值進(jìn)行了調(diào)整。

2.1.1 參考突風(fēng)速度

參考突風(fēng)速度是計算設(shè)計突風(fēng)速度，進(jìn)而計算突風(fēng)載荷響應(yīng)所需要用到的重要參數(shù)，它是海拔高度的函數(shù)。在原先對參考突風(fēng)速度的規(guī)定中，要求取值從海平面（17.07 m/s）到15 000 ft（13.14 m/s）線性減小，再線性減小至50 000 ft（7.92 m/s）。FAR新修訂的版本將參考突風(fēng)速度選取的高度上限由原先的50 000 ft放寬至60 000 ft，取值范圍變化如圖1所示。

圖1 參考突風(fēng)速度取值范圍的修改

經(jīng)過分析相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，將參考突風(fēng)速度選取的高度上限放寬的原因在于目前一些運(yùn)輸機(jī)的最大審定運(yùn)行高度達(dá)51 000 ft，且已有客機(jī)將60 000 ft作為其可運(yùn)行的最大高度，為了使條款適用于這些最大運(yùn)行高度大于50 000 ft的飛機(jī)和未來研制的也具有更高運(yùn)行高度的飛機(jī)，F(xiàn)AR中參考突風(fēng)速度的可選高度也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

2.1.2 參考紊流強(qiáng)度

與參考突風(fēng)速度類似，在計算真實紊流強(qiáng)度時也需要用到參考紊流強(qiáng)度的取值，CCAR—25中直接規(guī)定了不同高度下真實紊流強(qiáng)度Uσ的取值，而在FAR—25的最新版本中，真實紊流強(qiáng)度Uσ的取值則需要通過以下公式進(jìn)行計算：

其中Fg為飛行剖面緩和系數(shù)，Uσref為參考紊流強(qiáng)度，其取值是考慮飛機(jī)100%的飛行時間都在這一高度飛行，而飛行剖面緩和系數(shù)的取值是根據(jù)所預(yù)測的飛機(jī)在其認(rèn)證高度范圍內(nèi)任何給定高度飛行的機(jī)率。

圖2和圖3分別給出了CCAR—25和FAR—25中參考紊流強(qiáng)度的取值情況。

圖2 CCAR-25中參考紊流強(qiáng)度的取值

圖3 FAR—25中參考紊流強(qiáng)度的取值

為了使取值改變產(chǎn)生的影響更加直觀，本文選取B747為研究對象[3]，分別計算其在海平面、20 000 ft、40 000 ft的高度下選用2種不同取值方法得到的真實紊流強(qiáng)度，并進(jìn)行對比，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 FAR—25與CCAR—25中不同高度真實紊流強(qiáng)度取值對比

在40 000 ft高度時，二者結(jié)果相近，在海平面和20 000 ft結(jié)果相差較大。分析認(rèn)為，由于飛機(jī)通常在巡航高度具有最大的飛行時長，引入Fg使得飛機(jī)在不同飛行高度遭遇紊流強(qiáng)度根據(jù)概率進(jìn)行相應(yīng)減小。與原條例要求相比，真實紊流強(qiáng)度的計算更加貼近現(xiàn)實情況，且在保證飛行安全的前提下放寬了強(qiáng)度設(shè)計的要求。

由于條款取值改變未涉及具體設(shè)計要求，因此適航性評估方法不會發(fā)生本質(zhì)改變。本部分主要考慮的是用于計算載荷的設(shè)計突風(fēng)速度和真實紊流強(qiáng)度的計算問題，因此使用“MC2計算/分析”方法進(jìn)行適航評估[4]。

2.2 分析方法改變原因及影響

2.2.1 刪除“任務(wù)分析法”

在CCAR—25中，25.341（b）條的詳細(xì)內(nèi)容在附錄G里，附錄G的（b）和（c）條分別對“設(shè)計包線分析法”和“任務(wù)分析法”進(jìn)行說明，2種方法均用于確定限制載荷。

FAR—25的修訂版本直接將附錄G中的內(nèi)容寫在了條例的（b）部分，且刪除了在連續(xù)突風(fēng)設(shè)計準(zhǔn)則中原本可選的“任務(wù)分析法”，僅保留了“設(shè)計包線分析法”。分析認(rèn)為，飛行任務(wù)條目繁多導(dǎo)致使用“任務(wù)分析法”計算量大，容易出現(xiàn)基于任務(wù)變化的重復(fù)計算情況，此方法很少被飛機(jī)設(shè)計制造公司所采用，“設(shè)計包線分析方法”已能夠滿足適航要求。因此，刪除可選“任務(wù)分析法”結(jié)合了現(xiàn)實情況，對適航評估影響較小。

2.2.2 新增對非線性情況處理方法

CCAR—25中“設(shè)計包線分析法”的第（4）條要求在含有增穩(wěn)系統(tǒng)時，應(yīng)如實地保守地考慮系統(tǒng)的非線性情況對于處于限制載荷水平的載荷影響，但未對處理方法做出具體的規(guī)定。FAR—25在341（b）（5）中提出了對具有顯著非線性情況的飛機(jī)在其所研究的紊流場的均方根速度取值上的處理方法[5]。

適航條款中所規(guī)定的分析方法對符合性評估具有重要指導(dǎo)意義，當(dāng)條款中規(guī)定的分析方法發(fā)生變化，應(yīng)按照新的方法展開分析。

2.3 要求改變原因及影響

2.3.1 FAR—25.341條款新增要求

對于裝有翼吊式發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，F(xiàn)AR—25.341新增了條款（c），要求發(fā)動機(jī)安裝節(jié)、吊掛和機(jī)翼支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須滿足多軸離散突風(fēng)的要求，即要求這些結(jié)構(gòu)可以承受發(fā)動機(jī)短艙重心處的最大響應(yīng)載荷。新增內(nèi)容源于美國國家運(yùn)輸安全委員會的一起事故分析：適航條款僅規(guī)定了單一方向的載荷滿足極限載荷要求，當(dāng)橫向和垂直方向的突風(fēng)載荷一起發(fā)生時，雖未達(dá)到單一方向極限載荷，合成載荷可能已超過了結(jié)構(gòu)的承受極限。

美國聯(lián)邦航空管理局因此針對翼吊式發(fā)動機(jī)規(guī)定了全天候離散突風(fēng)準(zhǔn)則和多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則，將其加入在適航條例中。

為進(jìn)一步理解這一條款的本質(zhì)，本節(jié)將基于文獻(xiàn)[3]給出的B747—100的相關(guān)參數(shù)，選取其10個飛行狀態(tài)進(jìn)行單向和多軸限制突風(fēng)載荷計算，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，同一高度下的突風(fēng)過載受飛行速度影響較大，低海拔高空速時突風(fēng)過載較高，多軸突風(fēng)過載較單向計算結(jié)果小。分析認(rèn)為，由于現(xiàn)代飛行器使用復(fù)合材料比例增大，而復(fù)合材料的性能強(qiáng)度方向性明顯，雖然合成過載小于單一載荷的作用，但是考慮到其作用方向不再僅限單一垂直或橫向，在進(jìn)行相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造時，還需按照多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則的要求進(jìn)行載荷計算，以確保極端情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足飛行安全要求。

圖5 B747—100算例飛機(jī)垂直和橫向突風(fēng)過載增量

進(jìn)行本條款的適航性評估時，除了必要的分析計算，還應(yīng)對條例所要求的具體結(jié)構(gòu)部位（發(fā)動機(jī)安裝節(jié)、吊掛和機(jī)翼支撐結(jié)構(gòu)）設(shè)計合理的地面振動試驗，得到飛機(jī)對不同突風(fēng)組合的真實模態(tài)響應(yīng)，評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

2.3.2 FAR—25.415條款修訂

適航條款25.415的本質(zhì)為確保飛機(jī)在滑行和停放時控制系統(tǒng)和控制面不被可能的地面陣風(fēng)條件損壞。咨詢通告AC 25.415—1[6]對修訂原因進(jìn)行了說明，地面陣風(fēng)狀況動載荷效應(yīng)造成了飛機(jī)的隱藏破壞，最終引發(fā)飛行事故。

在進(jìn)行25.415條款的適航性評估時，應(yīng)設(shè)計合理的地面試驗，判斷操縱面和操縱系統(tǒng)在水平65節(jié)地面突風(fēng)時的載荷響應(yīng)情況是否具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而確保飛機(jī)停放和滑跑時的安全性。

3 大氣擾動飛行載荷適航符合性評估方法

大氣擾動飛行載荷條款對飛機(jī)承受的限制載荷做出規(guī)定，相關(guān)條款的適航符合性評估思路相近。本文依據(jù)目前適航部門認(rèn)可的符合性驗證方法劃分方式[4]，在對大氣擾動飛行載荷適航條款的評估方法進(jìn)行了總結(jié)，可為相關(guān)條款的適航評估提供參考。

4 結(jié)論

（1）CCAR—25和FAR—25中的大氣擾動飛行載荷相關(guān)適航條款在25.341、25.391和25.415條內(nèi)容上有所差異，條款差異內(nèi)容按照對適航性評估影響程度的大小可分為取值改變、方法改變和要求改變3類。

（2）對于適航條款中的取值改變，不需選用新的評估方法，只需將原本的使用值進(jìn)行替換；分析方法改變時，評估方法應(yīng)參考分析方法進(jìn)行修改；具體適航要求改變時，需制定具有針對性的新評估方法，驗證飛機(jī)相關(guān)性能滿足對應(yīng)適航要求。

（3）通過算例分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AR—25.341新增（c）條中突風(fēng)準(zhǔn)則的合成過載計算結(jié)果小于單一方向突風(fēng)作用下的過載計算結(jié)果，考慮到復(fù)合材料性能強(qiáng)度的方向性，根據(jù)多軸離散突風(fēng)準(zhǔn)則進(jìn)行載荷計算適用于滿足極端情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，進(jìn)而保證飛行安全。