民用运输类飞机坠撞动力要求浅析_李琪

参考文献 ：
[1] 中国民用航空规章第 25 部 , 运输类飞机适航标准 [S]. 中国民 用航空局 , 2011. [2]Federal Aviation Regulations Part 25, Airworthiness Standards Transport Category Airplanes [S]. FAA, 2014. [3]Certification Specifications for Large Aeroplanes, CS -25 [S]. EASA, 2014. [4]AC 25-21 Certification of Transport Airplane Structure [S]. FAA, 1999.
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图 2 B720 全机坠撞试验 但是随着国际民用航空工业的蓬勃发展 ， 复合材料在飞机 结 构 中 的 应 用 越来 越 广 泛 ， 甚 至 出 现 了 复 材 机 翼 、 复 材 机 身 等 构型的民用飞机 。 适航规章中基于以往常规构型金属飞机的适 坠性相关条款 ， 对这些具有新颖或与众不同的设计特征的飞机 不再能保证足够的安全性 。 因 此 FAA 等 适 航审 查 方 针 对 这 些 机型提出了适坠性的专用条件 ， 逐渐明确了对运输类飞机结构 的坠撞动力要求 。 2 应急着陆条款要求 目前运输类飞机适航标准中关于飞机结构坠撞的条款主 要 有 25.561 应 急 着 陆 情 况 总 则 以 及 25.562 应 急 着 陆 动 力 要
图1
B707 前机身段坠撞试验
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技术与应用
民用运输类飞机坠撞动力要求浅析
李 琪
201210 ）
（ 上海飞机设计研究院 ， 上海
【 摘 要 】 本文对运输类飞机适航标准中的应急着陆条款要求 、 重要修正以及 FAA 针对 A380 、B787 等飞机的适坠性专用 条件 进行了总结研究 ， 明确了适航对民用运输类飞机结构的坠撞动 力要求 ， 为我国民机适坠性验证提供一定的指导和参考 。 【 关键词 】 运输类飞机 应急着陆 适坠性 坠撞适航
求 ， 强调了包含座椅在内的系统设备的安装设计必须能够满足 可生存和应急撤离的要求 。 2.1 应急着陆条款 （1 ）25.561 条 款 的 目 的 是 为 了 确 保 乘 客 在 飞 机 应 急 着 陆 （ 在 陆地 上 或 在 水 上 ） 之 后 ， 拥 有 避 免 严 重 伤 害 的 合 理 机 会 [4] 。 该条款的基本要求主要有 ： 尽管飞机在陆上或水上应急着陆情况中可能损坏 ， 但飞机 必须按规定进行设计 ， 以在此情况下保护乘员 ； ① 设备 、 客舱中的货物和其它大件物品必须被妥善安 置 ， 如 果 松 脱 也 不 太 可 能 直 接 伤 及 成 员 、引 发 火 灾 爆 炸 、使 应 急 撤 离设备失效 ， 否则这些物件应在规定载荷下保持固定 ； ②在 直 到 规 定 的 各 种 载 荷 作 用 下 ，座 椅 和 物 件(及 其 支 撑 结构 ) 不得变形以至妨碍乘员相继迅速撤离 。 （2 ）25.562 条款的目的是在应急 着 陆条 件 下 为 每 位 乘 员 提 供保护 [4] ， 基本要求主要有 ： ①座 椅 和 约 束 系 统 必 须 设计 成 在 应 急 着 陆 条 件 下 能 保 护 乘员 ； ②每 种 座 椅 型 号 设 计 ，必 须 成 功 地 完 成 动 力 试 验 ，或 根 据 类似型号座椅的动力试验结果经合理分析给予证明 。 试验必须 用拟人试验模型 (ATD) ， 且 ： * 向 下 垂 直 速 率 变 化 (ΔV) 不 得 小 于 35 英 尺 / 秒 ； 飞 机 纵 轴 相对于水平面向下倾斜 30 度且机翼呈水平状态 ； * 向 前 纵 向 速 率 变 化 (ΔV) 不 得 小 于 44 英 尺 / 秒 ， 飞 机 纵 轴 水平且向右或向左偏摆 10 度 。 ③ 腰 椎 载 荷 、 头 部 伤 害 判 据 （HIC ）、 股 骨 载 荷 、 系 带 拉 伸 载 荷必 须 不 能 超 出 规 定 ， 尽 管 结 构 可 能 屈 服 ， 但 座 椅 必 须 始 终 连 接在所有连接点上 ， 且不能阻碍飞机乘员迅速撤离 。 2.2FAR 25-64 号修正案对应急着陆要求的修改 25.562 条 款 对 座 椅 的 动 力 要 求 是 在 1988 年 颁 布 的 FAR 25-64 号修正案中引入的 ， 该修正案同时还对 25.561 条 款 中 的 惯性载荷系数进行了修改 ， 如表 1 所示 。 表 1FAR25-64 修正案对 25.561(b)(3) 载荷系数的更改
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这是 因 为 ，FAA 对 大 量 航 空 事 故 数 据 进 行 的 研 究 表 明 ： 在 可 生 存 事 故 中 ，金 属 飞 机 结 构 能 够 保 留 足 够 的 完 整 性 ，在 整 个 坠撞事件中能够为乘员提供可幸存的空间 ， 表现出了可接受的 可生存安全水平 ，FAA 和 NASA 主导实施的运输类飞机全尺寸 坠撞试验也证实了这一点 。 同时 FAA 还发现 ， 应急着陆时的座 椅变形通常与客舱地板位移以及过大的横向惯性载荷相关 。 基 于以 上 研 究 结 果 ，FAA 认 为 有 必 要 建 立 座 椅 的 动 态 试 验 标 准 ， 从而确保座椅所提供的安全水平与飞机结构所提供的安全水
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科技展望 2015\18 2015\14
平一致 。
源自文库
FAA 提出了座椅动态试验的两种状态 ： （1 ） 垂直和纵向载荷结合的试验状态模拟高速垂直下沉之后
的地面撞击 ，确保座椅可以减缓乘员因垂向载荷导致脊椎受伤 ； （2 ） 纵 向 载 荷 占 支 配 地 位 ， 模 拟 飞 机 与 地 面 障 碍 物 发 生 水 平撞击 ， 从而评价乘员约束系统和座椅结构性能 。 这两种动态 试验标准适用于所有的运输类飞机 ， 与飞机尺寸无关 。 这两条 座椅动态试验标准构成了 25.562 的一部分 。 为了使座椅 、 固定物件所提供的安全水平与新的动态试验 标 准 保 持 一 致 ，FAA 提 高 或 增 加 了 25.561 条 款 中 不 同 方 向 的 惯性载荷系数 。 提高后的静强度要求将确保客舱地板结构 、 座 椅导轨 、 连接 、 固定物件和座椅具有更统一的安全水平 。 提高后 的侧 向 静 强 度 要 求 和 新 增 的 向 后 静 强 度 要 求 限 制 了 应 急 撤 离 通道的堵塞 ， 可以改善应急着陆后的快速撤离状况 。 3 坠撞动力要求 FAA 与航 空 工 业 多 年 来 一 起 合 作 研 究 如 何 提 高 运 输 类 飞 机可生存事故中的乘员安全水平 ， 统计分析了大量的飞机事故 数据 、 实施了大量的模拟真实条件的坠撞试验及仿真分析 ， 对 影响乘员安全水平的参数和因素进行了深入理解和研究 。 这些 持续 不 断 的 努 力 使 规 章 标 准 及 设 计 行 为 得 到 详 细 而 明 确 的 修 正 ， 主要反 映在 FAR25 的 应 急 着 陆 情 况 相 关 条款 中 ， 例 如 在 25.561 条 款 中 针 对 支 持 乘 客 、 设 备 、 货 物 及 客 舱 内 其 它 物 件 （item of mass ） 的 局 部 结 构 ， 规 定 了 涵 盖 应 急 着 陆 或 轻 微 坠 撞 的设计载荷条件， 并不断修改增大载荷系数； 另外还增加了 25.562 条款应急着陆动力要求中的乘客座椅动力条件 ， 反 映 了 乘客和机体结构的坠撞环境 。 这些条款修正是基于以往飞机可 生存事故收集的数据 ， 以及表明结构满足可生存坠撞要求的飞 机试验等研究成果而确定的 ，FAA 基于此类信息不断地对适航 要求进行更新并发布 。 然而 ， 目 前 FAR25 中 没 有 条 款 对 整个 机 体 结 构 在 坠 撞 着 陆时的结构能力提出要求 ， 没有详细而明确的规定飞机级的适 坠 性 动 力 条 件 ，CCAR25 及 CS25 同 样 如 此 ， 飞 机 制 造 商历 史 上 也没有被要求通过分析或试验来验证飞机的坠撞性能 。 这是因 为 FAA 认为 ， 以往常规运输类 飞机 的 大 量 服 役 历 史 经 验表 明 ， 即使没有详细而明确的条款要求 ， 常规设计的机身在坠撞着陆 时 表 现出 了 合 理 的 结 构 能 力 ， 具 有 适 当 的 适 坠 性 水 平 ， 因 此 并 未详细规定能够描述飞机在坠撞着陆时的整机结构能力的设 计载荷条件 。 但 FAA 在对每 一 新 型 飞 机 设 计进 行 审 查 时 ， 会 确 定 是 否 存在对机身坠撞动力性能有重大影响的新颖或与众不同的设 计特征 。 如果现有的适航规章对这些新颖或与众不同的设计特 征没 有 足 够 、 合 适 的 安 全 标 准 ， 适 航 审 查 方 则 会 对 该 飞 机 发 出
1 前言
适坠性是指飞机在发生坠撞或其他意外事件时具有的一 种 保 护 乘 员 生 命 安 全 的 能 力 ， 涉 及 到 CCAR25 [1] 、FAR25[2] 、 CS25[3] 等运输类飞机适航标准中的诸多条款 。 这些条款经过多 年研究制定而成 ， 并随着航空工业科技水平的发展而进行不断 的修正完善 。 FAA 及 NASA 带领国际航空工业实施了大量的试 验和分析 ， 对典型机身部段甚至整机结构的抗坠撞性能进行研 究 ， 如图 1 、 图 2 所示 。 同 时 ，FAA 还 对 大 量 飞 机 的 坠撞 事 故 进 行 统 计 分 析 ， 根据 这 些 研 究 结 果 ， 制 定 并 修 改 完 善 了 应 急 着 陆 的相关条款 。
专用条件 ， 提出审查方认为有必要的额外的要求 。 FAA 就曾先 后对具有双层客舱等复杂结构系统构型的 A380-800 和采用碳 纤维加强复合材料机身构型的 B787-8 分别提出了适坠性专用 条件 ， 要求通过试验或经验证的分析表明飞机能够满足下沉速 度 30 英尺 / 秒 的 抗 坠 撞 要求 ， 能 够 为 飞 机 乘 员 提 供 与以 往 取 证 的类似尺寸的常规运输类飞机相同的安全和可生存水平 ， 不能 由于新颖 、 非常规的设计而降低乘员的生存水平 。 根据 FAA 发 出 的 适 坠 性 专 用 条件 ， 运 输 类 飞 机 坠 撞 动 力 要求具体体现在以下几个主要方面 ： （1 ） 物件的固定 。 必须避免座椅 、 头顶行李箱及其它物件由 于坠撞冲击载荷及机身和地板的变形而发生松脱 ， 从而危及乘 员 （ 包括乘客 、 服务员 、 机组乘员等 ） 安全 。 （2 ） 保持乘员承受的加速度和载荷水平在可接 受 范 围内 。 飞机在可生存坠撞工况下的冲击响应特性 ， 尤其是座椅/地板连 接处的垂直加速度水平及乘员承受的载荷 ，必须与 25.562(b)所规 定的量值一致 ，或与以往取证的常规运输类飞机的水平一致 。 （3 ） 可生存空间的保持 。 飞机起飞和着陆时乘 员 所 在 的所 有 区 域 ，必 须 能 够 在 坠 撞 过 程 中 及 坠 撞 发 生 后 ，提 供 与 以 往 取 证的类似尺寸的常规飞机相同水平的可生存空间 。 这意味着结 构变形不会侵害乘员的正常生存空间 ， 使乘客的可生存性不会 受到重大影响 。 （4 ） 乘员应急出口及通道的保持 。 垂直冲击后 乘 员 撤 离出 口及通道的适用性 ， 必须能够与以往取证常规飞机的出口及通 道在相同工况下的适用性可比较 。 4 结语 虽然 当 前 运 输 类 飞 机 适 航 标 准 中 仅 25.562 条 款 规 定 了 座 椅的应急着陆动力要求 ， 但 是 随 着 国 际 航 空 工 业 的发 展 ，FAA 通过对某些机型发出专用条件的方式 ， 逐渐明确了对运输类飞 机结构的坠撞动力要求 。 这对我国民用运输类飞机适坠性验证 工作提出了更明确而严格的要求 ， 同时也指出了可以接受的符 合性方法 ， 即 “ 试验或经试验验证的分析 ”。