謝輝松 / XIE Huisong (上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

ETOPS特點(diǎn)與設(shè)計的特殊考慮

謝輝松 / XIE Huisong
(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

ETOPS廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程、跨洋、極地的飛行?；仡櫫薊TOPS規(guī)章的演變和應(yīng)用以及ETOPS的特點(diǎn)，并從飛機(jī)設(shè)計的角度提出了ETOPS型號設(shè)計需關(guān)注的若干要點(diǎn)。通過多視角的回顧，更加直觀地體現(xiàn)了ETOPS設(shè)計的內(nèi)涵，可為ETOPS型號設(shè)計提供參考。

延程運(yùn)行；ETOPS；飛機(jī)設(shè)計；改航

0 引言

隨著航空公司執(zhí)飛延程運(yùn)行(Extended Operations,簡稱ETOPS)航線的增多，以及國產(chǎn)大型客機(jī)研制的深入，越來越多的人對ETOPS這項(xiàng)技術(shù)有更多的研究。一些作者對ETOPS的應(yīng)用和展望進(jìn)行了闡述[1-3]，還有一些作者從型號設(shè)計與取證的角度，論述ETOPS的設(shè)計和適航驗(yàn)證技術(shù)[4-7]。此外，CAAC、FAA、EASA等適航機(jī)構(gòu)均對ETOPS的型號設(shè)計提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。

毋庸置疑，ETOPS技術(shù)，尤其是ETOPS設(shè)計和型號驗(yàn)證方面在我國還處于探索階段，國內(nèi)尚未有一款民用飛機(jī)獲得ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)。

本文將從ETOPS規(guī)章的演變和應(yīng)用出發(fā)，通過對ETOPS設(shè)計特殊考慮的揭示，逐步剖析ETOPS技術(shù)的特征和設(shè)計要點(diǎn)。希望本文的論述能夠?yàn)閺V大從事ETOPS型號設(shè)計和取證相關(guān)的技術(shù)人員起到拋磚引玉的作用，讓他們對ETOPS的型號設(shè)計有更新、更全面的認(rèn)識。

1 ETOPS的應(yīng)用和要求

1.1 ETOPS定義和發(fā)展

ETOPS指的是飛機(jī)航路上的某點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下靜止大氣中以一臺發(fā)動機(jī)不工作的巡航速度飛行至合適機(jī)場的飛行時間超出規(guī)定值。該時間規(guī)定值，對于雙發(fā)飛機(jī)為60min，兩發(fā)以上的多發(fā)載客飛機(jī)為180min。上述關(guān)于雙發(fā)飛機(jī)的時間規(guī)定就是后來被稱為“60分鐘規(guī)則”的FAR121.161條款。60min的最大改航時間要求是與20世紀(jì)50年代的活塞式發(fā)動機(jī)可靠性相對應(yīng)的。而隨著渦扇噴氣發(fā)動機(jī)的誕生，通過使用不斷證明了其可靠性高的優(yōu)勢，同時也隨著飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計可靠性的提高，航空工業(yè)對于雙發(fā)飛機(jī)偏離“60分鐘規(guī)則”的呼聲越來越大，適航當(dāng)局也逐步認(rèn)識并同意了這種偏離。圖1反映了FAA在不同時期ETOPS規(guī)章政策的演變以及ETOPS用于商業(yè)飛行的若干歷史性時刻。其中，圖中方框內(nèi)數(shù)字為ETOPS運(yùn)行批準(zhǔn)等級，圓圈內(nèi)數(shù)字為對應(yīng)運(yùn)行等級所需的最低ETOPS型號設(shè)計批準(zhǔn)等級。比如，對于進(jìn)行ETOPS90、ETOPS120、ETOPS138分鐘的運(yùn)營，該飛機(jī)應(yīng)至少具備120分鐘的ETOPS能力。

ETOPS的定義至少揭示了ETOPS飛行的以下兩個特點(diǎn)：

1)最大改航時間/距離相對非ETOPS飛行增大了；

2)ETOPS飛行包括正常飛行和改航，只要航路上存在ETOPS定義中的某點(diǎn)，而不論該飛行是否發(fā)生改航，還是有無發(fā)生飛機(jī)系統(tǒng)失效。

有資料顯示，1984年全球每個月的ETOPS飛行只有10次，ETOPS運(yùn)營人只有4家；2014年全球每個月的ETOPS飛行已達(dá)到58 000次，ETOPS運(yùn)營人已達(dá)到276家。

1.2 ETOPS應(yīng)用及要求

ETOPS主要用于越洋飛行以及飛越沙漠等偏僻陸地地區(qū)，這些區(qū)域的共同特點(diǎn)是可供飛行改航備降的機(jī)場較少。

ETOPS運(yùn)行極大地增強(qiáng)了航空公司航線設(shè)置的靈活性，縮短了航程，節(jié)省了燃油，同時也為乘客節(jié)省了飛行時間，降低了旅行成本。

為獲得ETOPS運(yùn)行資格，ETOPS運(yùn)營人(如航空公司)也需要按照規(guī)章要求[11-12]付出相應(yīng)的“代價”。對于雙發(fā)飛機(jī)，主要包括以下幾方面：

1)更嚴(yán)格的ETOPS維修要求；

2)更嚴(yán)格的ETOPS維修訓(xùn)練要求；

3)特殊的ETOPS飛行操作要求；

4)特殊的飛行操作訓(xùn)練要求。

考慮到ETOPS運(yùn)行改航備降機(jī)場較遠(yuǎn)/稀少、部分運(yùn)行區(qū)域氣象環(huán)境較惡劣、燃油耗盡危險性增大等可能危及ETOPS飛行安全的問題，適航規(guī)章從備降機(jī)場選擇、簽派/放行、通信要求、備用油要求、防火及旅客救援等多方面進(jìn)行了規(guī)定。表1給出了可能影響ETOPS設(shè)計的ETOPS運(yùn)行規(guī)章要求。

表1 ETOPS設(shè)計階段應(yīng)考慮的運(yùn)行規(guī)章要求

2 ETOPS設(shè)計的特殊考慮

2.1 ETOPS的設(shè)計理念

自ETOPS定義實(shí)施以來，ETOPS設(shè)計理念一直沒有改變，那就是：防止改航，保護(hù)改航安全。一方面通過設(shè)計可靠的飛機(jī)發(fā)動機(jī)及系統(tǒng)，防止ETOPS改航的發(fā)生；如果發(fā)生改航，應(yīng)通過設(shè)計使ETOPS改航和著陸所需的最低飛機(jī)系統(tǒng)/功能可用，以保護(hù)改航安全。

ETOPS設(shè)計應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1)識別改航事件。通過安全性評估，識別出那些導(dǎo)致ETOPS改航的失效。改航事件往往是時間緊迫事件，也就是說出現(xiàn)這種失效后，如果繼續(xù)飛行將是不安全的、不適航的。

2)確定導(dǎo)致改航失效的設(shè)計可靠性。一般地，除發(fā)動機(jī)失效外，導(dǎo)致ETOPS改航失效的設(shè)計可靠性目標(biāo)應(yīng)盡可能高，即盡可能降低導(dǎo)致ETOPS改航的失效概率。

3)足夠低的發(fā)動機(jī)空中停車率。發(fā)動機(jī)空中停車率考核的是飛機(jī)-發(fā)動機(jī)組合的世界機(jī)隊(duì)空中停車率，它應(yīng)與擬申請批準(zhǔn)的ETOPS等級相對應(yīng)。

4)識別改航所需的最低飛機(jī)系統(tǒng)功能。一般應(yīng)通過操作和使用判斷的方法，確定ETOPS改航所需的最低飛機(jī)系統(tǒng)功能。除考慮適用ETOPS規(guī)章外，飛行員的評估也是非常關(guān)鍵和重要的。

2.2 ETOPS場景的設(shè)計考慮

ETOPS場景反映了飛機(jī)預(yù)期的ETOPS使用，包括正常和非正常兩種情形。圖2為ETOPS場景示例，它包括了ETOPS飛行中可能遭遇結(jié)冰的飛行階段、正常ETOPS飛行剖面以及不同失效導(dǎo)致ETOPS改航的飛行剖面。

ETOPS設(shè)計時應(yīng)結(jié)合ETOPS場景進(jìn)行分析。考慮ETOPS場景以反映ETOPS設(shè)計對基本25條款適航符合性的影響。ETOPS設(shè)計應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1)安全性評估應(yīng)結(jié)合ETOPS場景，選擇合理可能的失效或失效組合以確定在ETOPS場景下的功能危害等級。

2)單發(fā)能力及系統(tǒng)冗余度。考慮單發(fā)失效以及隨后可能的失效組合下，飛機(jī)仍具有繼續(xù)安全飛行和著陸的能力；單發(fā)失效下無需額外的機(jī)組工作量。

3)防冰能力?？紤]飛機(jī)在單發(fā)失效和/或座艙釋壓高度下，在直至最大改航時間期間可能遭遇的結(jié)冰條件，飛機(jī)仍具有足夠的防冰能力安全進(jìn)行ETOPS改航。

4)燃油設(shè)計。應(yīng)設(shè)計可靠的燃油系統(tǒng)，保證燃油系統(tǒng)能向工作的發(fā)動機(jī)提供規(guī)定壓力和流量的燃油；考慮合理可能的失效，確保有足夠的燃油量可用；低油量告警設(shè)計也是ETOPS設(shè)計的特殊考慮，該告警應(yīng)能解決由于系統(tǒng)失效或人為差錯而導(dǎo)致服役中燃油耗盡的事件。

2.3 時間相關(guān)性的ETOPS設(shè)計考慮

ETOPS運(yùn)行與其它運(yùn)行的最顯著區(qū)別是ETOPS運(yùn)行時可能的改航時間/改航距離延長。因此，在ETOPS設(shè)計過程中應(yīng)特別注意改航時間/改航距離延長的特點(diǎn)，由此而帶來的設(shè)計變化。

1)安全性評估時所使用的平均飛行時間延長；

2)由于改航時間/改航距離延長，導(dǎo)航、通信系統(tǒng)是否具有與之對應(yīng)的足夠的能力；

3)確定并驗(yàn)證時間限制系統(tǒng)的時間性能。作為設(shè)計輸入考慮，在分析與ETOPS改航相關(guān)的場景且其評估的系統(tǒng)性能和/或可靠性與時間相關(guān)時，考慮的時間一般應(yīng)不低于申請的最大ETOPS改航時間加15min等待；評估系統(tǒng)時間性能時應(yīng)考慮系統(tǒng)正常工作和系統(tǒng)失效/降級工作兩種情形。

2.4 共因/串聯(lián)失效的ETOPS設(shè)計考慮

ETOPS設(shè)計中應(yīng)特別注意的一點(diǎn)是由于共因、串聯(lián)失效導(dǎo)致的危害。應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1)對于制定的改航最低飛機(jī)系統(tǒng)功能，應(yīng)評估和檢查在預(yù)期的共因或串聯(lián)失效導(dǎo)致的多個功能喪失下，所需改航最低飛機(jī)系統(tǒng)功能仍可用。

2)適航規(guī)章要求指定和確認(rèn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控程序，這也是為了解決額外發(fā)動機(jī)失效或因剩余發(fā)動機(jī)推力增加或負(fù)載增加而失效的可能性。

3)適航規(guī)章還要求飛機(jī)必須裝有三套獨(dú)立的電源系統(tǒng)，對此，飛機(jī)設(shè)計應(yīng)確保不會由于同一失效或故障導(dǎo)致喪失所需三套電源中兩套或更多電源。

3 結(jié)論

本文回顧了ETOPS規(guī)章演變和應(yīng)用以及ETOPS特點(diǎn)，并從飛機(jī)設(shè)計的角度提出了ETOPS型號設(shè)計需關(guān)注的若干要點(diǎn)。通過多視角的回顧，更加直觀地體現(xiàn)了ETOPS設(shè)計的內(nèi)涵。這些設(shè)計考慮對于正處于ETOPS型號設(shè)計探索過程中的廣大設(shè)計師具有一定的指導(dǎo)和啟發(fā)作用。

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The Characteristics and Design of Extended Operations

ETOPS(Extended Operations) is widely used in the flight for long range, over the water and polar region. This paper reviews the progress of ETOPS regulation and the ETOPS applications , and from perspective of airplane design ,several key points to focus on the ETOPS design are also presented. The connotation of ETOPS design is reflected more directly through the review of multiple aspects, and it can be used as a guide for ETOPS design.

extended operations; ETOPS; aircraft design; diversion

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.005

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謝輝松 男 碩士，高工。主要研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計技術(shù)；E-mail： xiehuisong@comac.cc