劉文成 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 背景

美國“9.11”事件后同年11月19日，美國國會指示FAA 頒布命令將執(zhí)行四項(xiàng)安保要求作為最終法則，而無須征求公眾意見，并在次年1月15日發(fā)布了《運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙門設(shè)計(jì)的安保事項(xiàng)》的最終法則，公布了FAR 25-106修正案和121-288 修正案，在25部中新增了25.795條。該條款提出了保護(hù)駕駛艙免受未經(jīng)許可人員的暴力入侵、輕型武器火力和爆炸裝置穿透的要求，以期進(jìn)一步提高安全水平。2008年11月，F(xiàn)AA頒布了127號修正案，在原106號修正案的基礎(chǔ)上增加了LRBL、火情抑制等內(nèi)容。CAAC在25部R4版中納入了FAR 25-106修正案25.795條的要求。

但早在1988年“洛克比空難”后，國際民航組織(ICAO) 已經(jīng)啟動了航空安保設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并在1997年3月發(fā)布了國際民航組織公約附件8的第97號修正案，其中就包括了駕駛艙門安保內(nèi)容，但國際民航公約附件8的標(biāo)準(zhǔn)不直接用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，而是通過其成員國的適航標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。FAA在1999年10月已在研究將附件8第97號修正案納入飛機(jī)設(shè)計(jì)的立法建議。但遺憾的是在悲劇發(fā)生前，附件8的標(biāo)準(zhǔn)尚未成為FAA的適航標(biāo)準(zhǔn)。

1 駕駛艙門設(shè)計(jì)及驗(yàn)證概述

飛機(jī)駕駛艙門布置常在駕駛艙與客艙或機(jī)組休息區(qū)之間，其目的是為飛行員安全飛行提供安靜且不受打擾的空間。駕駛艙門主要由門框結(jié)構(gòu)、門體結(jié)構(gòu)、門鎖及密碼系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 駕駛艙門結(jié)構(gòu)示意圖

對于增強(qiáng)型駕駛艙門的適航驗(yàn)證，包括防侵入、防穿透、可靠性、泄壓載荷、進(jìn)入駕駛艙功能、E3等方面，其驗(yàn)證工作涉及面廣，驗(yàn)證工作之間有一定交叉，下文將主要就防侵入及防穿透、泄壓及進(jìn)入駕駛艙要求的驗(yàn)證工作進(jìn)行介紹。

2 駕駛艙門防侵入及防穿透要求及驗(yàn)證

2.1 防侵入及防穿透適航要求

CCAR25.795 保安事項(xiàng)[1](a)駕駛艙的保護(hù)中規(guī)定，如果運(yùn)行規(guī)則需要有駕駛艙門，艙門的安裝必須設(shè)計(jì)成： (1) 抵御未經(jīng)許可人員的暴力入侵，門上關(guān)鍵部位能夠承受300 J (221.3 ft·lb)的沖擊，同時在旋鈕和把手處能夠承受1 113 N(250 lb)的定常拉伸載荷。

(2) 抵御輕型武器的火力和爆炸裝置的穿透，達(dá)到中國民用航空局適航部門的要求。

第(1)項(xiàng)要求駕駛艙門能夠承受300 J的沖擊及手柄處施加的最大250 lb的拉伸載荷。如果能通過某些方式限制手柄上可施加最大載荷值，使其低于250 lb，則更低的拉伸載荷值也可接受。300 J的沖擊能量比 (National Institute of Law Enforcement and Criminal Justice，簡稱NILECJ)標(biāo)準(zhǔn)0306.00中規(guī)定的最高等級的能量還要高50%，而選擇250 lb的拉力是因?yàn)镕AA認(rèn)為該拉力可以產(chǎn)生相當(dāng)于300 J沖擊能量，從而達(dá)到所要求的抗入侵能力。該項(xiàng)要求僅延緩非授權(quán)侵入的時間或企圖，而非阻止非授權(quán)人員采用非常規(guī)方式或花大量時間侵入駕駛艙。

第(2)項(xiàng)要求的目的是為了將客艙側(cè)產(chǎn)生的爆炸碎片或由小型武器射出的子彈穿透駕駛艙門的概率減至最小，從而保護(hù)飛行機(jī)組及飛行關(guān)鍵設(shè)備。本項(xiàng)要求的意圖不是為了使駕駛艙“不可穿透”，而是為了給駕駛艙提供高水平的保護(hù)，該措施足以防止駕駛艙門免受最大威力的手槍彈和手榴彈彈片的破壞。

2.2 防侵入及防穿透試驗(yàn)驗(yàn)證

駕駛艙防侵入設(shè)計(jì)中，需對駕駛艙門完成四種基本沖擊/拉伸載荷試驗(yàn)，且每個試驗(yàn)均需使用新試驗(yàn)件。試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 防侵入試驗(yàn)驗(yàn)證

在使用鋼制撞錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時，為保證沖擊能量不小于300 J，需計(jì)算確定撞錘的擺起高度，并將撞錘固定在叉式升降機(jī)的叉頭上或類似設(shè)備上，從而使每次試驗(yàn)的沖擊高度是一致的。

在試驗(yàn)過程時，撞錘的沖擊能量會通過撞擊點(diǎn)傳遞到艙門的安裝固定結(jié)構(gòu)上，并通過這些結(jié)構(gòu)平衡該載荷，如果艙門安裝夾具剛度過強(qiáng)或過弱均不能反映駕駛艙門實(shí)際承受沖擊載荷的能力，所以試驗(yàn)夾具提供的約束必須模擬駕駛艙門在飛機(jī)上的安裝剛度。與裝機(jī)構(gòu)型相比，試驗(yàn)件的支撐不應(yīng)顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)阻尼和能量吸收水平。

在采用試驗(yàn)的方式驗(yàn)證駕駛艙門防穿透特性時，對于連續(xù)隔板，射彈以0°和30°兩種入射射擊就足夠了，對于非連續(xù)隔板則可能需要采用更大入射角。試驗(yàn)時采用兩種規(guī)定子彈對駕駛艙門觀察孔、艙門與門框的結(jié)合部位、艙門泄壓板之間的結(jié)合部位等處進(jìn)行射擊。此外當(dāng)子彈沖擊駕駛艙門時會產(chǎn)生劇烈震動，在此震動沖擊下可能會有危害飛行安全的小的艙門零件飛出，所以需要在試驗(yàn)件后方6 in處放置牛皮紙，試驗(yàn)后若紙張有破損則需評估其影響。

在駕駛艙門完成防侵入試驗(yàn)后，該艙門無需具有抵御射彈穿透的能力。但在對駕駛艙門進(jìn)行子彈穿透試驗(yàn)時，如果艙門壁板、格柵等打開，導(dǎo)致駕駛艙和客艙之間沒有有效的障礙抵御入侵，則認(rèn)為試驗(yàn)失敗；如果在飛機(jī)泄壓發(fā)生中駕駛艙門或其釋壓板打開，駕駛艙門也無需提供抵御暴力入侵或射彈穿透的能力。

3 駕駛艙門泄壓要求及驗(yàn)證

3.1 泄壓對于駕駛艙門的影響

飛機(jī)在增壓時，由于地板、隔板等分隔板能夠通氣且增壓過程緩慢，各隔艙之間沒有壓差，只由外壁承受靜壓。如果出現(xiàn)艙門脫落、離散源損傷或壁板局部疲勞破壞等，將引起所在隔艙突然泄壓，使相鄰隔艙間產(chǎn)生壓差。這種壓差可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或操縱失效，影響飛行安全。25.365(e)(f)條明確規(guī)定了當(dāng)飛機(jī)增壓艙突然泄壓時的安全要求，對那些將增壓艙分隔開的結(jié)構(gòu)，如隔板、隔框或地板等結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)應(yīng)能承受任一隔艙壓力突降的影響。但僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來承受泄壓載荷并不經(jīng)濟(jì)，有時也是不現(xiàn)實(shí)的，為此設(shè)計(jì)上常采用泄壓板的方式促進(jìn)泄壓發(fā)生后各艙室之間的壓力平衡。

3.2 泄壓板設(shè)計(jì)

作為駕駛艙與客艙的分界，駕駛艙門上泄壓板的面積、作動壓力及開啟時間對于泄壓情況下的飛行安全非常重要。業(yè)界常采用機(jī)械式和電子式兩種泄壓板控制方式，兩種方式均需檢測駕駛艙門兩側(cè)的壓力差，該差值達(dá)到一定值時，開啟泄壓板[2]。

泄壓發(fā)生后，增壓艙中壓差分布與各艙容積及通風(fēng)面積有關(guān)，當(dāng)駕駛艙與客艙之間的壓差達(dá)到某一壓力值時，控制駕駛艙門泄壓板的鎖拴或銷子等類似機(jī)構(gòu)開始動作，經(jīng)過若干毫秒后，泄壓板完全打開。根據(jù)隔艙容積、有效通風(fēng)面積、25.365(e)中規(guī)定的方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定的大孔洞面積，并考慮隔艙中存在泄壓板等泄壓方式的隔艙泄壓情況，最終通過理想氣體狀態(tài)方程和空氣流過孔口的流量公式等，計(jì)算確定某壓力高度下各艙室的壓差載荷。

保證泄壓板在規(guī)定壓差及規(guī)定時間內(nèi)完成泄壓，這對于保證機(jī)身安全具有至關(guān)重要的作用。

3.3 驗(yàn)證思路及考慮

飛機(jī)泄壓要求既包括泄壓面板或類似排氣裝置的最小有效通風(fēng)面積還包括其最大開啟時間。如果將整個駕駛艙門作為大型泄壓板，則申請人應(yīng)額外考慮泄壓板門閂對釋放時間的影響、閂系統(tǒng)在泄壓載荷下釋放的可靠性以及由于艙門質(zhì)量增加、特殊或額外的門鉸鏈等導(dǎo)致泄壓板開啟時間的增加。此外如果駕駛艙門設(shè)計(jì)中具有格柵、百葉窗或類似設(shè)計(jì)特征，則還需要考慮泄壓面積減少的情況。

泄壓機(jī)構(gòu)的失效可能導(dǎo)致駕駛艙結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性故障，如果通過電氣或機(jī)械方式來釋放泄壓機(jī)構(gòu)，申請人應(yīng)根據(jù)AC25.1309-1A中的分析方法進(jìn)行定性和/或定量評估。在進(jìn)行安全性分析(MOC3)時，必須考慮泄壓板無法開啟的情況，這種情況可能是災(zāi)難性的。業(yè)界對泄壓事件發(fā)生的概率沒有統(tǒng)一的說法，但通常認(rèn)為該概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10-4，如果要達(dá)到25.1309(b)(1)中規(guī)定的“發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率是極不可能”，那么泄壓通風(fēng)系統(tǒng)的失效概率不能大于10-5。

泄壓板最大開啟時間及有效通風(fēng)面積對于泄壓載荷及能否達(dá)到泄壓目的至關(guān)重要。泄壓板通常并不在最大壓差時才開啟，因此需通過試驗(yàn)室試驗(yàn)(MOC4)或設(shè)備鑒定(MOC9)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證開啟時間和有效通風(fēng)面積是否與設(shè)計(jì)要求相吻合或更為保守，在此情況下進(jìn)行的泄壓載荷計(jì)算及分析才有意義。申請人應(yīng)通過計(jì)算分析(MOC2)或試驗(yàn)室試驗(yàn)(MOC4)驗(yàn)證駕駛艙門及與周圍結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。

駕駛艙門靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證常通過液壓桿、沙袋等方式進(jìn)行加載，如圖2所示[3]。

圖2 駕駛艙門靜力試驗(yàn)

4 緊急進(jìn)入駕駛艙要求及驗(yàn)證

4.1 條款要求

在CCAR 25-R4第25.772(c)款有以下規(guī)定：必須有緊急措施使飛行乘務(wù)員能夠在飛行機(jī)組失去能力的情況下進(jìn)入駕駛艙；在CCAR121-R4中也明確規(guī)定營運(yùn)人應(yīng)建立應(yīng)急程序使得乘務(wù)員在機(jī)組失能時能夠進(jìn)入駕駛艙。

在某些飛行階段，如果飛行員失能，而乘務(wù)員能夠進(jìn)入駕駛艙提供一定協(xié)助，這對于保證飛行安全無疑是非常必要的。

4.2 設(shè)計(jì)措施及驗(yàn)證

針對25.772(c)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證基于以下假設(shè)：(1)僅在懷疑機(jī)組失能情況下，乘務(wù)員才能使用該緊急進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)入駕駛艙；(2)對于緊急進(jìn)入駕駛艙的請求，機(jī)組的瞬時反應(yīng)是拒絕進(jìn)入。

以某型駕駛艙門為例，該艙門在客艙側(cè)設(shè)計(jì)有數(shù)字小鍵盤，通過輸入緊急進(jìn)入代碼，駕駛艙中會產(chǎn)生警告以通知飛機(jī)機(jī)組有人在客艙一側(cè)啟動了艙門緊急解鎖程序，如果飛行機(jī)組未失能，則會立刻禁止艙門解鎖，并評估客艙側(cè)人員的安全性，如果機(jī)組失能，則在經(jīng)過一定時間延遲后艙門自動解鎖。

無論是禁止艙門解鎖還是艙門自動解鎖，都需要合理的時間延遲供機(jī)組解除艙門警告。如果延遲時間較短，飛行機(jī)組未能及時反應(yīng)駕駛艙門即解鎖，這顯然與設(shè)計(jì)目的相違背，此外飛機(jī)在下降階段或嚴(yán)重失控情況下，即使延遲時間短，乘務(wù)員進(jìn)入駕駛艙的作用也非常有限；如果延遲時間較長，在飛機(jī)平穩(wěn)飛行且機(jī)組失能時，乘務(wù)員不能短時間內(nèi)進(jìn)入駕駛艙也會影響飛行安全。鑒于此，應(yīng)急解鎖的延遲時間應(yīng)在30 s～60 s之間，如果短于30 s或超過60 s，則需提供具體理由，但不會接受短于15 s，長于120 s的時間延遲。延遲完成后，艙門保持解鎖的時間不能少于5 s。當(dāng)飛機(jī)機(jī)組拒絕緊急進(jìn)入請求后，系統(tǒng)小鍵盤處于禁止輸入的時間不能超過30 min[4]。

針對上述設(shè)計(jì)，需通過符合性說明(MOC1)和機(jī)上地面試驗(yàn)(MOC5)的方式表明符合性。在符合性說明(MOC1)驗(yàn)證時，除說明駕駛艙門系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理外，還需說明針對延遲時間的設(shè)定、乘務(wù)員緊急進(jìn)入與日常進(jìn)入駕駛艙的設(shè)計(jì)特征等內(nèi)容；在機(jī)上地面試驗(yàn)(MOC5)驗(yàn)證時，需針對裝機(jī)后的駕駛艙門進(jìn)行機(jī)上試驗(yàn)，試驗(yàn)構(gòu)型(包括軟件構(gòu)型)須與取證構(gòu)型保持一致，試驗(yàn)時就緊急進(jìn)入功能、機(jī)組拒絕進(jìn)入功能、延遲時間等進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語

除上述要求及驗(yàn)證外，飛機(jī)駕駛艙門還需考慮通風(fēng)窗在外側(cè)無法開啟情況下的駕駛艙救援、駕駛艙門卡住情況下機(jī)組進(jìn)入客艙、駕駛艙門阻燃及艙門安裝固定等問題。

工業(yè)實(shí)踐和適航法規(guī)是逐步發(fā)展和完善的過程，在這個過程中可能并不完美。美國聯(lián)邦航空局調(diào)查顯示：2002-2012 年，美國發(fā)生的空難事故中，其中8起由飛行員自殺所致，約占0.3%。如果乘務(wù)員或1名客艙側(cè)的飛行員懷疑駕駛艙內(nèi)機(jī)組有自殺傾向而請求緊急進(jìn)入駕駛艙被拒絕的情況下，客艙側(cè)的人員則無計(jì)可施[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國民用航空局. 中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn): CCAR-25-R4 [S]. 中國: 中國民用航空局， 2011.

[2] 安琳琳，汪洋.民機(jī)駕駛艙門卸壓方式選擇探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2014，29(04):69-70+73.

[3] 劉文成.民用運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙門靜力試驗(yàn)驗(yàn)證研究[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2014(02)：24-25+56.

[4] FAA. Certification of Strengthened Flightdeck Doors on Transport Category Airplanes [S]. USA: FAA, 2002.

[5] 田曄. 透過“德國之翼”墜機(jī)看民用航空安全的“理智與情感”[N].中國航空報(bào)，2015-04-11(004).