丁媛媛 蔣彥龍 施 紅 高志剛 裴后舉 / DING Yuanyuan JIANG Yanlong SHI Hong GAO Zhigang PEI Houju

(1. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2. 江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江212003)

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China； 2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

國外運輸類飛機最新結(jié)冰適航規(guī)章差異初步研究與分析

丁媛媛1蔣彥龍1施 紅2高志剛2裴后舉1/ DING Yuanyuan JIANG Yanlong SHI Hong GAO Zhigang PEI Houju

(1. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2. 江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江212003)

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China； 2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

總結(jié)了FAR 25部與CS 25部最新結(jié)冰相關(guān)的規(guī)章條例。因為引入過冷大水滴條件和混合相與冰晶結(jié)冰條件，F(xiàn)AA與EASA在其適用性方面產(chǎn)生了差異，導(dǎo)致了兩者條款規(guī)定的不同要求，所以將FAR 25部與CS 25部運輸類飛機結(jié)冰相關(guān)的適航規(guī)章進(jìn)行了比較。根據(jù)兩部結(jié)冰適航規(guī)章，具體闡述和分析規(guī)章中存在的差異性?？偨Y(jié)出CS25部更為嚴(yán)格，限制的范圍也更大。同時也對過冷大水滴結(jié)冰條件規(guī)章作了分析。這對國內(nèi)適航規(guī)章的研究和未來取得FAA和EASA對我國運輸類飛機設(shè)計批準(zhǔn)有著重要的參考作用。

FAR 25；CS 25；結(jié)冰；規(guī)章；過冷大水滴；飛機

0 引言

結(jié)冰對飛機產(chǎn)生的危險和后果十分嚴(yán)重。在飛機飛行過程中如果發(fā)生結(jié)冰，就會造成飛機升力減小、阻力增大，失速攻角變小、失速速度增大，重量增加，穩(wěn)定性和操縱性降低，從而影響飛機的安全飛行。各國民航管理部門和工業(yè)部門為了保證運輸類飛機在結(jié)冰條件下能安全運行，推出了結(jié)冰相關(guān)的適航審定規(guī)章。一個國家生產(chǎn)的飛機如果想要出口給另一個國家，就必須要取得出口國或國際通行的適航證，這就說明，適航取證具有很強的地域性。目前世界上主要認(rèn)可的適航通行證是美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，簡稱FAA)和歐洲航空安全局的認(rèn)證。

上世紀(jì)四五十年代，美國就開始研究飛機防/除冰，推出了民用航空規(guī)章CAR 4b.640，對飛機機體防冰作出要求。1958年美國成立FAA，1964年FAA發(fā)布聯(lián)邦航空條例FAR25.1419替代原有的CAR4b.640條款。之后的很多年，F(xiàn)AA又根據(jù)實際飛行中出現(xiàn)的問題和事故，通過咨詢各界建議和研究總結(jié)，對適航規(guī)章以修正案的形式進(jìn)行補充和修改。我國的運輸類飛機適航審定規(guī)章[1]就是在美國聯(lián)邦航空局推出的FAR25部內(nèi)容的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。上世紀(jì)90年代，西歐共同體成立了聯(lián)合航空局(Joint Aviation Authority ,簡稱JAA)，但是JAA發(fā)布的JAR適航規(guī)章對成員國并不具備法律約束能力，各成員國的航空當(dāng)局都依據(jù)本國的實際情況制定自己的航空法規(guī)。這就導(dǎo)致了各國航空標(biāo)準(zhǔn)的參差不齊，因此不能滿足歐洲航空領(lǐng)域未來的發(fā)展以及歐洲一體化的發(fā)展趨勢。所以2002年，歐盟成立了歐洲航空安全局(European Aviation Safety Agency,簡稱EASA)，其目的就是保證歐洲的航空安全，促進(jìn)歐盟的經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展。EASA代替JAA的所有工作和作用，并且具有更強大的航空法律法規(guī)約束效能。2003年9月，EASA發(fā)布了針對固定翼飛機的CS-25適航審定規(guī)范。此后FAA與EASA不斷推出修正案修改FAR和CS25部，到2016年8月23日為止FAA已推出FAR25部143號修正案，到2016年6月23日為止EASA推出CS25部18版修正案，并且兩部規(guī)章還在不斷地修正。

1 FAR25與CS25的差異

從1980年代開始，歐洲與美國就對適航之間的協(xié)調(diào)性進(jìn)行了多次調(diào)整。為了進(jìn)一步促進(jìn)雙方航空事業(yè)的交流與航空商品的進(jìn)出口，經(jīng)過各方的努力達(dá)成了大型民用飛機適航要求的基本一致，但還是存在著一定的差異。

由于各國適航適用的飛機范圍不同，導(dǎo)致了FAR[2]與CS[3]的25部適航條款在某些方面的差異[4]。例如，美國FAR 25部適用于水上飛機、雪上飛機、往復(fù)式發(fā)動機飛機等，而歐洲CS 25部中不包括水上飛機、雪上飛機、往復(fù)式發(fā)動機飛機、水陸兩用飛機、飛艇或裝有助推火箭發(fā)動機的飛機。尤其在近年引入了過冷大水滴和混合相，冰晶結(jié)冰條件。新提出的過冷大水滴環(huán)境要求適用的是所有新的大型飛機，并不僅限于運輸類大型飛機，而CS25部規(guī)范的對象是除了正常類、實用類、特技類和通勤類(這些類別歸CS-23)以外的所有大型飛機，F(xiàn)AR25部適用的是運輸類型飛機。對于混合相和冰晶環(huán)境對外部探測器影響方面，EASA使用的是CS33部附錄D結(jié)冰包線，適用的是所有飛行設(shè)備的外部探測器，而FAR中制定的環(huán)境包線只限于皮托管和攻角傳感器。以上這些差異性直接決定了相關(guān)條款不同。通過對FAR 25部143號修正案與CS 25部18版修正案的運輸類飛機結(jié)冰相關(guān)適航條例的分析，找出兩者存在的不同點，這對國內(nèi)適航規(guī)章的參考研究有著重要的作用。表1是FAR 25和CS 25最新結(jié)冰相關(guān)條款不同之處的比對情況。

2 條款內(nèi)容分析

根據(jù)上文所述FAR25和CS25的差異性，下面對各個條款的不同進(jìn)行詳細(xì)的說明分析。

2.1 25.21(g)和§25.1420：

FAR25.21(g)(1)規(guī)定了申請人在不尋求或者尋求附錄O結(jié)冰條件的合格認(rèn)證和符合性驗證時，只適用于飛機屬性為起飛總重小于27 000kg或者具備有回力飛行操縱器件。以上要求滿足其中一種即可。此類條款要求在CS25.21(g)未提出，并且在CS25.1420過冷大水滴結(jié)冰條件(a)中也未提出此項要求。

根據(jù)FAR25-140號修正案，在附錄O定義的過冷大水滴結(jié)冰條件下，必須考慮最大起飛重量小于27 000kg或者具備有回力飛行操縱器件的飛機，而無需考慮重量大于或等于27 000kg或者不裝備有回力飛行操縱器件飛機的運行受過冷大水滴結(jié)冰條件限制。FAA制定此項標(biāo)準(zhǔn)是因為采納了一部分IPHWG(防冰保護(hù)協(xié)調(diào)工作組)成員的建議，認(rèn)為尺寸直接關(guān)系到運輸類飛機對冰積聚產(chǎn)生的不利影響的敏感性。飛機的大小決定了它的飛行特性對冰的厚度和粗糙度的敏感性，給定的結(jié)冰高度(或冰粗糙高度)的相對影響會隨著飛機尺寸的增加而減小，而且許多大飛機在過去幾十年飛行服役中在SLD(過冷大水滴)條件下經(jīng)過證明都是安全的。不裝備有回力飛行操縱器件設(shè)計特征在某種程度上是可接受的，因為不裝備有回力飛行操縱器件降低了飛機對過冷大水滴條件的敏感性，過冷大水滴結(jié)冰所產(chǎn)生的鉸鏈力矩或者其他異常的控制力及剪切效果并不有利于這些系統(tǒng)。因此FAA考慮了以上兩種運輸類飛機設(shè)計特點在過冷大水滴結(jié)冰條件下的適用要求。

表1 FAR25和CS25與結(jié)冰相關(guān)條款差異比對情況

而在CS中25.21(g)和25.1420并沒有特別提出具有重量標(biāo)準(zhǔn)和有回力飛行操縱器件的飛機在過冷大水滴下的要求，EASA對這種適用劃分并不支持。EASA采納了大部分IPHWG成員的意見，認(rèn)為上述兩個飛機設(shè)計特點應(yīng)該排除在25.1420符合性之外，過冷大水滴條件的要求應(yīng)對所有大型飛機適用。事實上，過冷大水滴在飛機表面撞擊和凍結(jié)的位置比附錄C定義的水滴撞擊和凍結(jié)位置要靠后很多，這也就會影響所有類型飛機的性能和操縱質(zhì)量。而且因為飛機機翼和控制面的大小以及飛機重量對于不同飛機設(shè)計來說是不一樣的。因此飛機起飛重量不能決定其升力、控制面大小和弦向尺寸。而上面三個因素恰恰是影響給定冰積聚測量儀器靈敏度的重要參數(shù)。對于將沒有回力飛行操縱器件的飛機排除在25.1420的符合性審定之外，EASA認(rèn)為是不可取的。因為在過冷大水滴結(jié)冰條件下鉸鏈力矩和其他異常的控制力并不是唯一需要考慮的因素。一個沒有回力的控制面也許不會因為過冷大水滴積聚而偏轉(zhuǎn)，但控制的氣動效率可能會因為在控制面前部出現(xiàn)過冷大水滴積冰而有所降低。并且，現(xiàn)在歐洲正在進(jìn)行的大飛機項目將會使用不同于之前的防冰系統(tǒng)，即基于電氣動力結(jié)構(gòu)或使用不同方法的發(fā)動機引氣防冰系統(tǒng)(如濕運行代替完全蒸發(fā)式)。而具有上述兩種設(shè)計特點的飛機的使用經(jīng)驗是否適用于未來的設(shè)計也是未知的。另外，EASA在CS25.21(g)款最后第(4)條中規(guī)定了適用于結(jié)冰條件下的飛機要符合CS25.23規(guī)定的載重分布限制、CS25.25規(guī)定的重量限制和CS25.27規(guī)定的重心限制，在結(jié)冰條件下或存在積冰時不會改變。此項條款可以看出EASA對結(jié)冰條件下飛機符合范圍的要求比較嚴(yán)格。

另外在25.21(g)對過冷大水滴結(jié)冰條件的合格認(rèn)證和符合性驗證中，CS提出附錄O第二部分(c)和(d)定義的冰積聚可以使用對比分析作為一種替代方法表明符合性。這是因為雖然一些規(guī)定已經(jīng)被包含在了AMC(Acceptable Means of Compliance)25.1420中，申請人可以使用和信任相似于之前已經(jīng)證明了能夠在過冷大水滴結(jié)冰環(huán)境里安全運行的型號設(shè)計。但是在進(jìn)行對比分析時使用的方法細(xì)節(jié)和可接受的標(biāo)準(zhǔn)并沒有為申請者提出，因此EASA決定制定這一條款來促使申請者發(fā)展對比分析。

2.2 25.1093(b)

發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰嚴(yán)重影響發(fā)動機的正常工作[5]，會造成功率/推力損失、發(fā)動機損壞、熄火。對于渦輪發(fā)動機，兩部規(guī)章都要求發(fā)動機在25部附錄C和附錄O的整個過冷大水滴結(jié)冰條件下安全運行。不同的是FAR要求發(fā)動機還要滿足在FAR33部附錄D定義的結(jié)冰條件下安全運行，CS則要求發(fā)動機滿足本部附錄P結(jié)冰條件。而CS25部附錄P是從FAR33部附錄D上發(fā)展而來，都為混合相和冰晶結(jié)冰包線，內(nèi)容相同。FAR33部(飛機發(fā)動機適航標(biāo)準(zhǔn))附錄D和CS25部附錄P是由ARAC的發(fā)動機協(xié)調(diào)工作組和發(fā)動機安裝協(xié)調(diào)工作組制定。這些工作組成員包括氣象學(xué)家、結(jié)冰研究專家(來自美國聯(lián)邦航空局和聯(lián)邦航空局技術(shù)中心、加拿大氣象服務(wù)部、NASA、加拿大交通部/運輸發(fā)展中心)。對于這類結(jié)冰條件，混合結(jié)冰條件由冰晶和散布的液態(tài)水滴組成，在確定云層的液態(tài)水含量和總含水量時，要特別注意計入這類冰晶的水含量。區(qū)分水滴和冰晶，需要特種儀表，例如總含水量探頭。進(jìn)行這樣的區(qū)分非常耗時，需要進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究，包括把LWC(液態(tài)水含量)和冰凍水的含量區(qū)分出來，以確定總含水量。

另外，在FAR25.1093(b)(3)中再次強調(diào)在附錄O定義的結(jié)冰條件下，包括地面測試在大水滴條件下結(jié)冰，適用的飛機最大起飛總重要少于27 000kg。由于適用范圍的不同，在發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰部分，F(xiàn)AA為了確保飛機在意外遭遇附錄O定義的結(jié)冰條件下能夠安全運行，將FAR25.1093在140修正案參照25.1420作出了修改，即滿足飛機最大起飛重量少于27 000kg。

2.3 25.1323(i)

在FAR25部空速指示系統(tǒng)條款中，對大雨條件、混合相和冰晶條件、附錄C和附錄O定義的結(jié)冰條件下每個系統(tǒng)必須有可加熱的皮托管或有等同方法的去除機制作了規(guī)定，這是為了防止空速指示系統(tǒng)在結(jié)冰條件下失靈。而CS中此項為保留項，但是FAR25.1323中提供的結(jié)冰條件表格EASA在CS 25.1324中已經(jīng)包含。

運輸類飛機的空速指示系統(tǒng)源自兩個不同壓差：機身上皮托管測量的總壓和靜壓孔所測的靜壓。靜壓孔因為其嵌入式安裝以及外形特征使其不易進(jìn)入積冰。而空速管的安裝方式使得其易于收集到積冰。當(dāng)遭遇高強度結(jié)冰環(huán)境，如過冷大水滴條件時，可能會導(dǎo)致空速系統(tǒng)的損壞，因為融化積冰的熱量超出了空速管的設(shè)計要求，而空速管的堵塞可能會導(dǎo)致測量系統(tǒng)報錯。因此FAA要求了結(jié)冰條件下的空速管防除冰。EASA在此條款中沒有給出要求是因為基于已服役飛行數(shù)據(jù)，得出飛機在上述各種天氣條件下已經(jīng)服役很多年并且已經(jīng)具備足夠強大的空速指示器且CS附錄P很好地覆蓋了已存在的環(huán)境的結(jié)論，并且EASA在CS25.1324中已經(jīng)對此方面作出了更加廣泛的要求，所以在此沒有強調(diào)在各類天氣條件下空速指示系統(tǒng)的要求。

2.4 25.1324

FAA提出的混合相和冰晶的適用條件只是限于針對空速管和攻角傳感器。如上文25.1323中所說，EASA根據(jù)服役數(shù)據(jù)，得出現(xiàn)有飛機已經(jīng)在各種天氣條件下服役很多年并且已經(jīng)具備了強大的指示器。所以EASA認(rèn)為現(xiàn)在提出的環(huán)境氣候適用于飛機上各種外部探測器，并不僅限于空速管、皮托靜壓管、靜壓探測器、攻角傳感器、側(cè)滑葉片和溫度探測器。

2.5 25.1325(b)(2)

FAA在此條款中要求靜壓系統(tǒng)的空氣壓力和真實的機艙環(huán)境靜壓之間的關(guān)系在飛機暴露于附錄C和附錄O定義的結(jié)冰條件下不會改變，而CS中定義的是所有結(jié)冰條件并沒有明確指出哪種結(jié)冰條件，也就是說此類結(jié)冰條件除了包含附錄C與附錄O，同時也包含了混合相、冰晶結(jié)冰條件即CS25附錄P。

2.6 25.1326

一些事件表明空速探針加熱電阻失效時飛機低電流探測系統(tǒng)不會查出。在一些條件下，超出規(guī)定的電阻在不能提供空速探測器適合的除冰時可能不會被檢測出來。因此FAA與EASA強調(diào)了這一失效，例如飛機低電流探測系統(tǒng)不能查出空速探測器，在25.1326“空速管加溫指示系統(tǒng)”條款明確了包含非正常工作的加熱系統(tǒng)。這也是因為25.1419(c)條款要求“當(dāng)防冰或除冰系統(tǒng)的功能不正常時，必須有諸如琥珀色戒備燈或等效的戒備信息向飛行機組告警”而作出的聲明。CS在16版修正案中拓展了CS25.1326規(guī)章范圍，包括了所有飛行設(shè)備外部探測器，但并沒有必須僅限于空速管、皮托靜壓管、靜壓探測器、攻角傳感器、側(cè)滑葉片和溫度探測器。而以上的變化FAA在FAR25部修正案中至今并沒有提出改變。這也再次說明EASA對結(jié)冰相關(guān)規(guī)定比FAA要更為嚴(yán)格，限制范圍更大，所以要想取得歐洲航空安全局的適航認(rèn)證需要我國各界的一致努力與共同合作。

3 有關(guān)過冷大水滴結(jié)冰條件的分析

在FAR25部140修正案出現(xiàn)之前，運輸類飛機在結(jié)冰條件下的飛行認(rèn)證工作主要圍繞附錄C的連續(xù)最大或間斷最大結(jié)冰條件展開，但是從近年來飛機結(jié)冰事故調(diào)查結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，很多事故發(fā)生在附錄C所定義的結(jié)冰條件之外。2015年1 月5 日，F(xiàn)AA為了進(jìn)一步提高結(jié)冰條件下運行的安全標(biāo)準(zhǔn),在原有附錄C結(jié)冰包線的基礎(chǔ)上增加附錄O和25.1420等關(guān)于過冷大水滴的結(jié)冰條件。

附錄C的使用沒有因為添加附錄O而改變。附錄O被設(shè)計成類似于附錄C的形式并且以相同的方式使用。附錄O和附錄C之間的主要差異在于，對于附錄O，申請人現(xiàn)在必須：

1)在確定臨界結(jié)冰條件時考慮四個結(jié)冰條件而不是兩個，分別為微凍雨與凍雨，再按照MVD大于或小于40μm進(jìn)行劃分；

2)區(qū)分水滴大小分布情況。

附錄C的設(shè)計是包括99%的結(jié)冰條件。因此，遇到附錄C包線外的結(jié)冰概率的階數(shù)為0.01。申請人可以假設(shè)遇到附錄O結(jié)冰條件的平均概率是1×10-2/h。這個概率不應(yīng)該在不同飛行階段有所減小。

在FAR25部的符合性驗證中，如果原型機已經(jīng)通過自然結(jié)冰條件下的飛行測試，那么與原型機有相似氣動特性的衍生機則沒有必要再進(jìn)行額外的自然結(jié)冰飛行試驗。這也就是說，在附錄O結(jié)冰條件下有成功服役歷史并且飛機性能和操縱特性滿足符合性驗證要求的原型機，其衍生機并不需要尋求附錄O自然結(jié)冰飛行試驗。相反的，如果原型機的服役記錄中包含了一次由于遭遇附錄O條件的事故或事件，則應(yīng)該要完成衍生機在附錄O自然結(jié)冰條件下的飛行試驗。25.1420并沒有明確要求需要進(jìn)行測量的自然結(jié)冰飛行試驗，但是可能需要經(jīng)測量的附錄O自然結(jié)冰條件下的飛行試驗來：

1)確認(rèn)一般物理特性和用于干空氣試驗的模擬冰形位置，尤其是對飛機操縱特性的影響；

2)確定積冰生長在沒有預(yù)測到的位置；

3)確認(rèn)結(jié)冰探測器和視覺線索的性能完好；

4)進(jìn)行與25.21(g)對應(yīng)的性能和操縱特性的符合性驗證；

5)評估積冰的影響(在螺旋槳、天線、整流罩等上的結(jié)冰)并且評估暴露在附錄O結(jié)冰條件后每個飛機系統(tǒng)或組件的臨界運行狀態(tài)。

4 結(jié)論

由于我國民用飛機結(jié)冰適航取證研究起步較晚，通用的運輸類飛機適航規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)主要借鑒吸收美國聯(lián)邦航空局的適航文件。通過本文研究發(fā)現(xiàn)美國聯(lián)邦航空局認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和歐洲航空安全局認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定的差異，我國運輸類飛機要想取得歐洲航空安全局的合格審定就必須要對歐洲大型飛機適航取證做深入完善的研究。本文對FAR25部和CS25部結(jié)冰相關(guān)規(guī)章條例存在的差異作出了比對和研究，為結(jié)冰適航審定提供了技術(shù)支持，但是對圍繞兩部規(guī)章的咨詢通告、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、符合性驗證工作等還需要后續(xù)進(jìn)一步的研究總結(jié)。

[1] 中國民用航空局．CCAR25-R4中國民用航空規(guī)章第25部: 運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空總局，2009.

[2] FAA.FAR Airworthiness Standards:Transport Category Airplanes[S].USA:FAA,2016.

[3] EASA. EASA Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [S].EASA,2016.

[4] 劉友丹. 歐美大型民用飛機適航要求差異淺析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2010,6:39-42.

[5] 曾海軍.航空發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰、冰吸入及結(jié)冰保護(hù)的合格審定[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2006,17(3):14-17.

Study and Analysis of the Latest Foreign Icing Airworthiness Regulation’s Differences on the Transport Category Airplanes

The latest rules and regulations about icing in FAR's part 25 and CS 25 were summarized and described briefly in this paper. Since the introduction of large super cooled water droplets, mixed phase and ice crystal icing conditions, the differences of applicability between FAA and EASA come out, which leads to the different requirements of both provisions. Therefore, FAR 25 and CS 25 transport airplanes airworthiness regulations related to icing are compared. According to the two regulations about icing, the differences that exist in the regulations were specifically described and analyzed. It is concluded that the CS25 is more strict, and has the larger scope of the limit. Meanwhile the regulations of Super cooled Large Drop are analyzed. It has an important effect on domestic aviation regulation study and transport category airplanes design approval by FAA and EASA in the future.

FAR 25; CS 25; icing; regulations; super cooled large drop; airplane

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.009

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金資助。

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