唐慧儒　閆旭東　簡(jiǎn)夕忠　李闖

【摘 要】民機(jī)具有ETOPS（ExTended-range OPerationS）運(yùn)行能力，可以提供高水平的安全性，便于雙發(fā)飛機(jī)不受限制與四發(fā)和三發(fā)飛機(jī)一樣續(xù)航。研究表明，對(duì)時(shí)間有依賴性的失效場(chǎng)景嚴(yán)酷度將會(huì)在ETOPS改航情況下增加，因此，ETOPS型飛行對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。本文以某型機(jī)單發(fā)失效并發(fā)完全喪失新鮮空氣ETOPS飛行為研究前提，通過數(shù)值模擬及計(jì)算分析的方法，分析座艙各因素的適航條款符合性，以此論證該失效狀態(tài)影響等級(jí)定為II級(jí)的合理性。

【關(guān)鍵詞】ETOPS；單發(fā)失效；完全喪失新鮮空氣；適航條款；影響等級(jí)

【Abstract】Civil aircraft which has the ETOPS （ExTended - range OPerationS） operation ability， can provide a high level of security. It showed that the failure scenario harsh degree will increase in the condition of ETOPS diverting case and it requests better safety and maintainability of aircraft system. The paper is based on a failure state in which one aircraft has ETOPS flight because of powering by one engine and losing fresh air. By means of numerical simulation and calculation analysis， the compliance of cockpit and cabin airworthiness was analyzed and the failure level rationality could be classed as II.

【Key words】ETOPS； Aircraft failure powered by single engine； Lose fresh air； Compliance of cockpit airworthiness； Influence degree

ETOPS（ExTended-range OPerationS），即延程運(yùn)行，是指飛機(jī)的運(yùn)行航路上有一點(diǎn)到合適機(jī)場(chǎng)的距離超過60分鐘飛行（以雙發(fā)渦輪為動(dòng)力的飛機(jī)）或超過180分鐘飛行（以兩臺(tái)以上渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的客機(jī)）的運(yùn)行[1]。ETOPS的目的是提供高水平的安全性，便于雙發(fā)飛機(jī)不受先前的限制與四發(fā)和三發(fā)飛機(jī)一樣續(xù)航。在ETOPS改航情況下，對(duì)時(shí)間有依賴性的失效場(chǎng)景嚴(yán)酷度將會(huì)增加，因此，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的安全性以及維修性也提出了更高的要求[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，某型飛機(jī)需要具有120分鐘的ETOPS能力，因此，在飛機(jī)級(jí)功能危險(xiǎn)性評(píng)估和設(shè)計(jì)工作中，必須考慮在120分鐘ETOPS改航時(shí)間下，由嚴(yán)酷度增加所造成的各種失效影響。

本文就單發(fā)失效導(dǎo)致ETOPS改航情況下并發(fā)空調(diào)系統(tǒng)完全喪失新鮮空氣這一失效狀態(tài)，通過數(shù)值模擬及一維計(jì)算的分析方法，驗(yàn)證座艙各參數(shù)的適航條款符合性，并對(duì)此失效狀態(tài)影響等級(jí)定為II級(jí)的合理性進(jìn)行確定和論證。

1 計(jì)算輸入

1.1 計(jì)算工況

本文模擬計(jì)算工況為：飛機(jī)單發(fā)失效并且空調(diào)系統(tǒng)失效，飛機(jī)從39800ft應(yīng)急下降到10000ft高度，然后應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)也失效，在完全喪失新鮮空氣的情況下ETOPS飛行兩個(gè)小時(shí)。飛行過程中打開再循環(huán)風(fēng)扇，關(guān)閉前后貨艙通風(fēng)。分冷天和熱天兩種情況。飛行剖面如圖1所示：

飛行過程中座艙壓力變化如圖2所示，由圖可知，飛機(jī)在第312s座艙壓力達(dá)到最低，為66437Pa，但仍大于該型飛機(jī)氧氣面罩自動(dòng)拋落的座艙壓力58363.9Pa，因此在該壓力下不會(huì)導(dǎo)致乘客出現(xiàn)身體不適，也不會(huì)導(dǎo)致氧氣面罩自動(dòng)拋落。在第760s之后艙內(nèi)壓力與外界壓力相當(dāng)。

1.2 熱載荷輸入

溫度符合性計(jì)算過程中，計(jì)算輸入的座艙熱載荷分5部分：電子設(shè)備熱載荷、透過透明表面的太陽熱載荷、座艙結(jié)構(gòu)壁熱載荷、人員熱載荷和供氣熱載荷[3]。

2 符合性說明

將熱載荷數(shù)據(jù)及空調(diào)系統(tǒng)供氣相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入，通過MATLAB搭建座艙溫度模擬平臺(tái)，進(jìn)行座艙溫度隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬，并通過一維計(jì)算確定該工況下座艙溫度、新鮮空氣量及CO2濃度的變化，依據(jù)相關(guān)適航條款[4]的規(guī)定，判斷其符合性。以此確定該失效狀態(tài)影響等級(jí)定為II級(jí)的合理性進(jìn)行確定和論證。

2.1 座艙溫度符合性計(jì)算

根據(jù)適航條款CCAR25.831g[4]中的規(guī)定：任何概率很小的失效情況發(fā)生后，在給定溫度下的持續(xù)時(shí)間不得超出圖3曲線所定出的值。

適航條款FAR/CCAR 25.831（g）是確保在通風(fēng)系統(tǒng)失效的情況下，飛機(jī)座艙溫、濕度環(huán)境不至于影響機(jī)組人員執(zhí)行飛行任務(wù)和對(duì)乘客身體造成傷害。但在通風(fēng)系統(tǒng)失效的情況下，飛機(jī)不能滿足某些情況下的濕度要求，因此，任何型號(hào)的飛機(jī)都不能直接表明對(duì)適航條款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性要求，本文將通過等效安全法則驗(yàn)證：飛機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮到在任何極小概率的通風(fēng)系統(tǒng)失效情況下，滿足：（a）人體核心溫度不能長(zhǎng)期超過38℃；（b）人體核心溫度在最后進(jìn)場(chǎng)和著陸階段不超過38.5℃，時(shí)間不超過20分鐘；（c）任何時(shí)候，人體核心溫度不能超過38.5℃。間接證明飛機(jī)對(duì)適航條款FAR/CCAR 25.831（g）的符合性[5]。

由圖4可知，在冷天情況下駕駛艙和客艙最終溫度分別為14.7℃和16.0℃，在熱天情況下駕駛艙和客艙最終溫度分別為37.5℃和36.2℃，可知冷天和熱天條件下的座艙溫度都不會(huì)導(dǎo)致乘客及機(jī)務(wù)人員的人體核心溫度超過38℃，因此，此工況下不會(huì)影響機(jī)組人員的正常工作，座艙環(huán)境不會(huì)對(duì)乘客構(gòu)成持久的生理傷害。

2.2 新鮮空氣量

根據(jù)適航條款CCAR25.831a[4]中的規(guī)定：通常情況下通風(fēng)系統(tǒng)至少應(yīng)能向每一乘員提供0.25kg/min的新鮮空氣。

由于計(jì)算工況為空調(diào)系統(tǒng)和應(yīng)急通風(fēng)都失效，則無新風(fēng)量，不滿足該條款要求。

2.3 CO2濃度符合性說明

根據(jù)適航條款CCAR25.831b[4]中的規(guī)定：必須表明飛行期間機(jī)組艙或客艙的二氧化碳濃度不得超過0.5%體積含量（海平面當(dāng)量）。

正常情況下，座艙內(nèi)二氧化碳濃度平衡方程如下[6]：

根據(jù)以上公式，對(duì)ETOPS飛行CO2初始值和之后CO2濃度隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。適航條款CCAR121.333b中規(guī)定：當(dāng)在飛行高度3000m（10，000 ft）以上運(yùn)行時(shí)，合格證持有人應(yīng)當(dāng)向在駕駛艙內(nèi)值勤的每一飛行機(jī)組成員提供足以符合本規(guī)則第121.329 條要求的但供氧時(shí)間不少于2h的氧氣。則駕駛員在此工況下滿足所需供氧量，下述只計(jì)算客艙在失效狀態(tài)下的CO2濃度。

通過計(jì)算可知，滿載情況下：

客艙CO2濃度初始海平面當(dāng)量值為1274.5ppm=0.1275%。

當(dāng)飛機(jī)應(yīng)急下降到10000ft后兩小時(shí)內(nèi)CO2濃度變化：

即滿載情況下10.35min時(shí)客艙CO2濃度達(dá)到0.5%體積當(dāng)量，當(dāng)52min時(shí)濃度達(dá)到2%，最終客艙CO2濃度達(dá)到4.62%體積當(dāng)量。

二氧化碳濃度過高會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，當(dāng)二氧化碳的濃度達(dá)到2%時(shí)會(huì)使呼吸速率加快，5%時(shí)呼吸變得短促，達(dá)到10%以上將會(huì)使人窒息、麻醉甚至喪失意識(shí)。因此，座艙空氣中的二氧化碳的極限體積濃度為2%。可知ETOPS飛行情況下不符合。

3 應(yīng)急措施

綜上可知，在該工況下，新鮮空氣量和CO2濃度不符合適航條例要求。為此提出應(yīng)急措施，即打開駕駛艙頂部逃生窗，從逃生窗進(jìn)入的氣流充當(dāng)沖壓空氣的作用，再循環(huán)風(fēng)扇仍打開，以保證艙內(nèi)空氣流通均勻。

根據(jù)圖2座艙壓力變化曲線可知，在第760s后達(dá)到艙內(nèi)外壓力相等，因此可在第760s后開啟逃生窗。考慮20%的總壓損失[7]，最終計(jì)算通過逃生窗進(jìn)入的流量為104.8301kg/min，則與適航條款CCAR25.831a中規(guī)定對(duì)比如表1：

4 結(jié)論

由數(shù)值模擬及一維計(jì)算結(jié)果可知，在某型飛機(jī)單發(fā)失效導(dǎo)致ETOPS飛行并發(fā)空調(diào)系統(tǒng)完全喪失新鮮空氣這一失效狀態(tài)下，座艙溫度符合相關(guān)適航要求，但新鮮空氣量、CO2濃度均不符合，經(jīng)過打開駕駛艙頂部逃生窗的應(yīng)急措施，可保證新鮮空氣量及CO2濃度符合相關(guān)適航要求，即此工況下會(huì)極大降低安全裕度或功能能力，會(huì)增加機(jī)組人員的工作負(fù)荷，部分乘客會(huì)有身體不適，但不會(huì)對(duì)乘客造成永久性的生理傷害，因此，失效狀態(tài)定為II級(jí)是合理的。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]