劉璐萱 王 磊 歐陽(yáng)晶鵬

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院環(huán)控氧氣部，上海 200135；2.中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

目前全球的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)公司主要以空客、波音為主，因此世界上先進(jìn)的民用飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“環(huán)控系統(tǒng)”）的設(shè)計(jì)研發(fā)主要集中在以兩家公司為主的研發(fā)機(jī)構(gòu)。其中A380和B787飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)代表了目前世界上最為高性能的民用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了“更經(jīng)濟(jì)、更安全、更舒適、更環(huán)保、更高效”的設(shè)計(jì)思想。

我國(guó)民機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍處于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型階段，以前人的經(jīng)驗(yàn)和成熟的型號(hào)作為設(shè)計(jì)來(lái)源的輸入，依據(jù)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)。然而這往往受限于制造技術(shù)和總體設(shè)計(jì)本身，與國(guó)外先進(jìn)環(huán)控系統(tǒng)存在很大的差距，尤其是在環(huán)控系統(tǒng)的核心組件和工藝制造技術(shù)方面。我國(guó)民機(jī)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣式環(huán)控系統(tǒng)，在環(huán)控系統(tǒng)產(chǎn)品及性能上缺乏完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，相比國(guó)外技術(shù)有很大的差距。在多電飛機(jī)研究方面，我國(guó)對(duì)電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的研究還處于概念階段，主要通過(guò)借鑒研究國(guó)外典型電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)，目前僅僅有少量概念與原理研究結(jié)果，而在系統(tǒng)方案、技術(shù)可行性及樣機(jī)等方面的研究才剛起步，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)產(chǎn)品的樣機(jī)還停留在低可靠性、低電功率、設(shè)計(jì)工作范圍狹窄等初級(jí)階段，尚未有實(shí)質(zhì)性的可裝機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)，在相關(guān)適航技術(shù)方面的研究也不系統(tǒng)深入。

本文以波音787系列飛機(jī)為例分析電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)工作運(yùn)行原理，分析適用電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的適航要求。

1 B787電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)工作原理

圖1展示了B787飛機(jī)電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行工作的原理圖。電動(dòng)壓氣機(jī)C1將外部新鮮空氣進(jìn)行加壓，同時(shí)伴隨著溫度的升高，隨后經(jīng)初級(jí)換熱器HX1冷卻，冷卻過(guò)后的壓縮空氣在壓氣機(jī)C2中再一次被壓縮。壓縮過(guò)后的空氣通過(guò)次級(jí)換熱器HX2再次進(jìn)行冷卻，冷卻過(guò)后的空氣經(jīng)回?zé)崞鱎H和冷凝器CON的熱側(cè)會(huì)形成冷凝液。然后空氣進(jìn)入水分離器WS，將其中的冷凝液進(jìn)行分離和收集，并將冷凝液噴入次級(jí)換熱器HX2的冷側(cè)，從而達(dá)到傳熱效果。經(jīng)水分離器WS處理后的干燥空氣通過(guò)回?zé)崞鱎H的冷側(cè)和渦輪T1膨脹進(jìn)行降溫降壓。隨后處理后的冷空氣再通過(guò)冷凝器CON的冷側(cè)和渦輪T2膨脹，最終達(dá)到滿足駕駛艙和座艙所需通風(fēng)空氣的要求。

圖1 B787電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)[2]

2 電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)適航要求分析

本文基于CCAR25、FAR25、CS25等國(guó)內(nèi)外民用航空規(guī)章以及相應(yīng)的咨詢通告，以及電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)適用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，分析適用電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的審定基礎(chǔ)。審定基礎(chǔ)是適航當(dāng)局適航審定民用飛機(jī)型號(hào)適航性的技術(shù)依據(jù)，其包括四部分內(nèi)容，即適航要求、豁免、專(zhuān)用條件和等效安全。本文主要以適用電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的適航要求進(jìn)行分析。

電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)雖然取消了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的方式，改為電動(dòng)壓氣機(jī)為系統(tǒng)提供氣源，但是其主要功能仍與傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)一致，其主責(zé)條款仍為CCAR25.831通風(fēng)、CCAR25.832座艙臭氧濃度和CCAR25.841座艙增壓，除了主責(zé)條款外，電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)由于包含了許多子系統(tǒng)，設(shè)備遍布整個(gè)機(jī)身，這些子系統(tǒng)與其他系統(tǒng)均有交聯(lián)，由于系統(tǒng)之間交聯(lián)關(guān)系的存在，環(huán)控系統(tǒng)部分適航條款的內(nèi)容涉及多個(gè)系統(tǒng)，因此在進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證時(shí)需要多個(gè)系統(tǒng)提供證據(jù)文件表明符合性，需要明確符合性驗(yàn)證工作中交聯(lián)部分的劃分原則，為適航符合性驗(yàn)證工作的順利開(kāi)展提供基礎(chǔ)。因此本文將除主責(zé)條款之外的交聯(lián)條款劃分為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)構(gòu)造、系統(tǒng)防火、系統(tǒng)安全性、電子電氣和持續(xù)適航等幾類(lèi)要求。

2.1 主責(zé)條款

以CCAR25.831（a）為例，條款要求設(shè)計(jì)保證在正常運(yùn)行情況和系統(tǒng)任何可能的會(huì)對(duì)駕駛艙和座艙通風(fēng)空氣有不利影響的故障情況都有足夠的新鮮空氣，通常情況下保證為每一位乘員提供0.55磅/分鐘的新鮮空氣。

因此在進(jìn)行符合性驗(yàn)證的時(shí)候，需要考慮在正常情況下，來(lái)自空調(diào)組件的新鮮空氣和再循環(huán)空氣混合后的空氣對(duì)駕駛艙和客艙進(jìn)行通風(fēng)，以及在失效情況下，來(lái)自外界的應(yīng)急沖壓空氣通過(guò)混合腔后，經(jīng)過(guò)低壓管路對(duì)駕駛艙和客艙進(jìn)行通風(fēng)，均能滿足機(jī)組人員和乘客對(duì)新鮮空氣量需求。

因此設(shè)計(jì)人員需要從系統(tǒng)構(gòu)型和方案進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)采用余度設(shè)計(jì)，雙套組件和單套組件都有足夠的能力保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行并能保證系統(tǒng)性能，如果兩套組件都失效，還設(shè)有應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)繼續(xù)工作，來(lái)滿足飛機(jī)的通風(fēng)需求。通過(guò)安全性分析說(shuō)明系統(tǒng)正常工作和失效條件的概率，通過(guò)計(jì)算分析各工況下機(jī)組人員和客艙乘員的新鮮空氣量，表明符合此條款要求?？紤]安裝對(duì)空調(diào)供氣的影響，在預(yù)期的嚴(yán)酷環(huán)境條件下進(jìn)行機(jī)上地面試驗(yàn)驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在正常和失效條件下供入駕駛艙和客艙的新鮮空氣量符合此要求。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要有CCAR25.561應(yīng)急著陸、CCAR25.581閃電防護(hù)等。以CCAR25.581閃電防護(hù)為例，條款對(duì)飛機(jī)閃電防護(hù)的直接效應(yīng)提出了要求。條款要求不僅包括結(jié)構(gòu)件的直接效應(yīng)，還包括閃電可能直接附著到的系統(tǒng)部件。因此電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)需要考慮在內(nèi)。CCAR25.581（a）要求飛機(jī)必須具有防止閃電引起的災(zāi)難性后果的保護(hù)措施。CCAR25.581（b）和CCAR25.581（c）分別對(duì)金屬組件和非金屬組件的設(shè)計(jì)與安裝提出了閃電防護(hù)要求。

因此設(shè)計(jì)人員在考慮符合性驗(yàn)證方法時(shí)，可以采用說(shuō)明性文件來(lái)表明電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝對(duì)閃電防護(hù)的符合性。

2.3 設(shè)計(jì)構(gòu)造

設(shè)計(jì)構(gòu)造主要有CCAR25.603材料、CCAR25.605制造方法和CCAR25.607緊固件等。以CCAR25.603材料為例，條款對(duì)飛機(jī)零件所用材料的適用性和耐久性提出了要求，其中材料包括金屬材料、非金屬材料或復(fù)合材料。但是“零件”不是指所有的飛機(jī)零件，而是指其失效或損壞會(huì)影響飛機(jī)安全的零件，其中包括結(jié)構(gòu)零件以及一些非結(jié)構(gòu)零件，比如密封件、隔熱層等。材料的適用性和耐久性分別指材料的力學(xué)性能、功能以及零件制造過(guò)程對(duì)零件的適用性和材料能夠長(zhǎng)期處在預(yù)期服役環(huán)境中抵抗破壞的耐久性。其中，服役環(huán)境條件包括應(yīng)力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等使材料性能隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰退的環(huán)境因素。

因此在進(jìn)行符合性驗(yàn)證方法時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)文件和圖紙的方式表明系統(tǒng)內(nèi)具體零件所用材料在預(yù)期服役環(huán)境的暴露情況，零件所用材料是經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范符合的，以及零件所用材料成功在飛機(jī)上服役使用過(guò)的經(jīng)驗(yàn)。

2.4 系統(tǒng)防火

系統(tǒng)防火中包括CCAR25.863可燃液體的防護(hù)、CCAR25.899電搭接和防靜電保護(hù)以及CCAR25.981燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)等。以CCAR25.863可燃液體的防護(hù)為例，該條款的目的是要求包含潛在點(diǎn)火源的區(qū)域和可能會(huì)有可燃液體或蒸汽泄漏的系統(tǒng)，必須有措施將點(diǎn)燃的可能性降到最低，或者在點(diǎn)燃發(fā)生時(shí)有措施來(lái)使危險(xiǎn)降低至最小化。如果得出的結(jié)論是可燃液體或蒸汽不能進(jìn)入包含潛在點(diǎn)火源的區(qū)域，或者所涉及的液體是非可燃的，那么本條將不適用該區(qū)域。

因此在進(jìn)行符合性驗(yàn)證方法時(shí)，系統(tǒng)可以采用說(shuō)明性文件和防火專(zhuān)業(yè)提供的特定風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告進(jìn)行安全性評(píng)估表明有措施盡量減少滲漏液體或蒸汽的點(diǎn)燃概率。

2.5 系統(tǒng)安全性

系統(tǒng)安全性主要是CCAR25.1309功能和安裝，其適用于航空器上任何安裝的設(shè)備或系統(tǒng)。

CCAR25.1309（a）要求設(shè)備“在各種可預(yù)期的運(yùn)行條件下能完成預(yù)定功能”。如果設(shè)備或系統(tǒng)在延長(zhǎng)的或在重復(fù)暴露的運(yùn)行和/或環(huán)境條件（即風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間很長(zhǎng)）下發(fā)生失效，則認(rèn)為其滿足CCAR25.1309（a）的要求。相反地，如果這樣的失效發(fā)生在單次暴露于運(yùn)行和/或環(huán)境條件下，通常將它們視為不符合CCAR25.1309（a）的要求。然而，如果這些失效被判定為不會(huì)顯著地引起風(fēng)險(xiǎn)，且在CCAR25.1309（b）要求下可以被接受，則有時(shí)認(rèn)為存在這些失效的型號(hào)設(shè)計(jì)是可以被接受的。因此設(shè)計(jì)人員在考慮該條款的符合性驗(yàn)證方法時(shí)可以采用系統(tǒng)描述將表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠保證在飛機(jī)運(yùn)行和環(huán)境條件下完成預(yù)定功能，并通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)、機(jī)上地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)和模擬器試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，并提供設(shè)備鑒定試驗(yàn)程序和鑒定試驗(yàn)報(bào)告。

CCAR25.130（b）款對(duì)每種失效狀態(tài)的嚴(yán)重性及其發(fā)生概率的關(guān)系提出了一般要求。CCAR25.1309（b）要求：飛機(jī)系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計(jì)，在單獨(dú)考慮以及與其他系統(tǒng)一同考慮的情況下，必須符合下列規(guī)定：

（1）各災(zāi)難性失效狀態(tài)是極不可能的且不能由某個(gè)單個(gè)失效所導(dǎo)致；

（2）各危險(xiǎn)的失效狀態(tài)是極其微小的；

（3）各較大的失效狀態(tài)是不可能的。

因此電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)及相關(guān)的組件需表明任何災(zāi)難性的失效狀態(tài)是極不可能的，并且不會(huì)因某個(gè)單個(gè)失效引起。必要時(shí)通過(guò)分析以及適當(dāng)?shù)牡孛嬖囼?yàn)，飛行試驗(yàn)或模擬器試驗(yàn)來(lái)表明符合條款要求。

CCAR25.1309（c）款對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控、失效警告和機(jī)組人員的恰當(dāng)糾正動(dòng)作的能力提出一般要求。CCAR25.1309（c）要求對(duì)于下述事件，向飛行機(jī)組提供警告信息，向飛行機(jī)組告誡系統(tǒng)的不安全的工作情況。

（1）該事件是指系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生任何潛在災(zāi)難性后果的一部分；

（2）該事件是指與任何潛在繼發(fā)失效事件或者與先前事件結(jié)合會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性失效狀態(tài)、且在飛行機(jī)組發(fā)生差錯(cuò)之前的失效事件。

系統(tǒng)對(duì)該條款的符合性驗(yàn)證方法可以采用系統(tǒng)描述的方法，通過(guò)簡(jiǎn)圖頁(yè)、EICAS信息、PFD信息表明系統(tǒng)能夠?qū)⒉话踩ぷ髑闆r提供給機(jī)組。對(duì)經(jīng)過(guò)安全性評(píng)估需要立即采取糾正行動(dòng)的故障，提供警告級(jí)別的EICAS信息。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將由于機(jī)組人員錯(cuò)誤導(dǎo)致的附加危害及可能的機(jī)組失誤最小化。并將通過(guò)安全性分析、模擬器試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)評(píng)估特殊故障情況產(chǎn)生的影響及相關(guān)評(píng)級(jí)是否恰當(dāng)。

CCAR25.1309（d）款要求用分析的方法，必要時(shí)采用適當(dāng)?shù)牡孛?、飛行或模擬器試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證在每個(gè)失效狀態(tài)的概率和嚴(yán)重性之間存在合理而可接受的反比關(guān)系。但是，對(duì)假設(shè)是災(zāi)難性的失效狀態(tài)并不需要用試驗(yàn)來(lái)證實(shí)。25.1309（d）款的目的是對(duì)可預(yù)見(jiàn)的失效或其他事件能夠有程序地和充分地對(duì)該失效狀態(tài)的安全性影響進(jìn)行評(píng)估。該條款的符合性驗(yàn)證方法可按照條款要求進(jìn)行。

CCAR25.1309（e）要求除上述要求之外，需特別考慮電氣系統(tǒng)的臨界環(huán)境條件。該條款需要根據(jù)電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的實(shí)際適用情況，針對(duì)性地采用設(shè)計(jì)符合性說(shuō)明、分析/計(jì)算、安全性評(píng)估、試驗(yàn)室試驗(yàn)、地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、機(jī)上檢查、合格鑒定等符合性方法或其組合來(lái)表明符合性。

2.6 電子電氣

電子電氣包括CCAR25.1317高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）防護(hù)、CCAR25.1431電子設(shè)備等。以CCAR25.1317高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）防護(hù)條款為例，條款要求“系統(tǒng)或功能不會(huì)受到不利的影響”的具體指標(biāo)需要根據(jù)不同的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案來(lái)確定。在飛機(jī)設(shè)計(jì)的初期階段HIRF防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)采用各種防護(hù)設(shè)計(jì)，確保當(dāng)飛機(jī)遭遇HIRF環(huán)境時(shí)電子電氣系統(tǒng)（尤其是關(guān)鍵和重要系統(tǒng)）和與之相連的導(dǎo)線不會(huì)受到HIRF的不利影響。在飛機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，其目標(biāo)是降低所安裝的電子電氣設(shè)備附近的內(nèi)部環(huán)境等級(jí)；而在系統(tǒng)級(jí)時(shí)HIRF防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是增強(qiáng)系統(tǒng)及其安裝的魯棒性。飛機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的防護(hù)措施包括耦合/頻段、電磁環(huán)境進(jìn)入點(diǎn)、接地、搭接、屏蔽、導(dǎo)線屏蔽、濾波、光纜；系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的防護(hù)措施包括系統(tǒng)架構(gòu)方面的考慮、硬件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)措施、模擬裝置、數(shù)字裝置、軟件設(shè)計(jì)等。

因此設(shè)計(jì)人員可以采用設(shè)計(jì)說(shuō)明和設(shè)備合格鑒定等驗(yàn)證方法表明系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）防護(hù)的有效性。其中設(shè)計(jì)說(shuō)明包括系統(tǒng)原理（方案）說(shuō)明、設(shè)計(jì)圖紙、HIRF防護(hù)的設(shè)計(jì)頂層要求等。其中設(shè)備鑒定可參考CCAR25部附錄L中A、B和C級(jí)系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)試驗(yàn)。

2.7 持續(xù)適航

持續(xù)適航主要是CCAR25.1529持續(xù)適航文件、CCAR25.1581總則等。以CCAR25.1529持續(xù)適航文件為例，CCAR25.1529條對(duì)申請(qǐng)人編制持續(xù)適航文件提出了兩點(diǎn)要求，其一是申請(qǐng)人編制持續(xù)適航文件必須按照CCAR25部附錄H的要求進(jìn)行，并且通過(guò)適航當(dāng)局批準(zhǔn)或認(rèn)可。其二是要求申請(qǐng)人完成持續(xù)適航文件并通過(guò)適航當(dāng)局認(rèn)可的時(shí)間必須在飛機(jī)交付或者頒發(fā)適航證之前。但是如果申請(qǐng)人在頒發(fā)型號(hào)合格證之前能保證在經(jīng)局方認(rèn)可的時(shí)間計(jì)劃內(nèi)完成所有的文件，則持續(xù)適航文件可以是不完備的。

美國(guó)FAA頒發(fā)的適航指令《持續(xù)適航文件職責(zé)、要求和內(nèi)容》（Order8110.54A）和中國(guó)民航局頒發(fā)的咨詢通告《航空器的持續(xù)適航文件》（AC91-11）分別對(duì)該條款的符合性進(jìn)行了說(shuō)明，系統(tǒng)的符合性聲明可參照以上文件進(jìn)行編寫(xiě)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)使系統(tǒng)之間的交聯(lián)更加復(fù)雜，這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)適航符合性驗(yàn)證的難度本。因此本文將適用電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的適航要求進(jìn)行分類(lèi)，主要分為主責(zé)條款、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)構(gòu)造、系統(tǒng)防火、系統(tǒng)安全性、電子電氣和持續(xù)適航等幾類(lèi)，并針對(duì)每種分類(lèi)的適航要求進(jìn)行舉例分析，給出電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)符合性驗(yàn)證方法思路的建議，為電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供參考。