馬立群，楊士斌，石林軒

（中國民航大學適航學院，天津300300）

0 引 言

直升機電傳（Fly-by-wire，簡稱FBW）飛控系統(tǒng)是指利用電氣信號形式，通過電纜實現(xiàn)飛行員對直升機運動軌跡和姿態(tài)操縱的控制系統(tǒng)［1］。相較于傳統(tǒng)機械連接形式，電傳飛控系統(tǒng)具有一系列明顯優(yōu)勢，包括：改善飛行品質(zhì)，提升性能；提高可靠性、維修性及生存性；減輕重量，減小體積，降低費用；消除機械操縱的反?，F(xiàn)象等［2］。目前在民用航空器領(lǐng)域，電傳飛控在飛機上應(yīng)用較多，可以通過設(shè)計實現(xiàn)自動飛行、自動著陸、高升力控制和水平安定面控制等功能［3-4］。

電傳飛控在民用直升機上應(yīng)用較晚。從20世紀70年代中期開始，由于直升機的特殊性：復(fù)雜的氣動特性和強軸間耦合，設(shè)計師開始考慮將電傳飛控系統(tǒng)應(yīng)用在直升機上，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)復(fù)雜控制律設(shè)計，并添加更多的解耦和保護功能［4-5］。當前，典型的電傳飛控直升機有Bell-525和S-92等。Bell-525是世界上第一架電傳操縱民用直升機，它作為全球首款同時采用側(cè)桿和三余度電傳兩種技術(shù)的商用直升機，目前全面設(shè)計階段已完成，適航取證階段正在推進。FBW系統(tǒng)是S-92民用直升機設(shè)計上的最大亮點，S-92先進飛行控制系統(tǒng)使用三個冗余通道，每個通道都帶有自檢功能，并且有兩重輸入/輸出信號通道，通過冗余設(shè)計來保障系統(tǒng)安全性。

從適航設(shè)計與審定角度來看，如果適航條款不能覆蓋到所有的新穎設(shè)計，需要針對具體設(shè)計制定專用條件。專用條件的定義是：當申請人提出展示滿足符合性的適航標準版本和相應(yīng)的修正案，不包含足夠的針對其設(shè)計特點的安全標準規(guī)定時，在原有適航標準的基礎(chǔ)上為其制定的條款。電傳飛控相對傳統(tǒng)機械控制來說，由于控制律形式極大豐富，使得控制功能和模式也更為多樣。從表明安全的角度出發(fā)，CCAR 29部（以下簡稱29部）適航條款未能完全考慮到這些變化帶來的影響，其中包含：（1）當表明對29部C分部和D分部結(jié)構(gòu)要求的符合性時，未考慮到控制形式變化對結(jié)構(gòu)的影響；（2）29.143條款要求飛行員對操縱權(quán)限具有感知能力，而電傳飛控直升機的感知方式與機械式完全不同，條款不能覆蓋特性；（3）目前27部和29部標準并未給出旋翼機先進飛行控制系統(tǒng)對飛行員的提示與告警，因此需要通過專用條件對先進飛行控制的性能提出要求；（4）電傳飛控引入了包線保護系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)自身的安全性需要進行表明，適航條款未涉及到這一系統(tǒng)；（5）電傳飛控系統(tǒng)中存在大量的電子元器件，外界環(huán)境、電子元器件失效、電子線路變化都可能引起非指令信號故障，對安全產(chǎn)生影響，當前27部和29部規(guī)章沒有考慮通過標準電纜使用數(shù)字指令和控制線路的新型電子系統(tǒng)的非預(yù)期改變信號特性，對這一問題，需要在29.671和29.672的基礎(chǔ)上進行補充。綜上，對于直升機的電傳飛控系統(tǒng)適航審定，現(xiàn)有規(guī)章無法全面覆蓋新穎設(shè)計，因此需要專用條件補充現(xiàn)有條款來表明設(shè)計的安全性。

國內(nèi)外對電傳飛控的上述設(shè)計特征進行了一定的設(shè)計考慮和驗證。加拿大NRC的Bell-412電傳飛控直升機在后期改型中，需要加裝飛行載荷單元和聯(lián)合多任務(wù)光電系統(tǒng)，在設(shè)計中充分考慮了電傳飛控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的交聯(lián)，并進行了模擬器和試飛試驗［6］；J.M.Morgan［7］結(jié)合電傳飛控直升機幾種不同的側(cè)桿形式，考慮了力感形式對飛行員操縱的影響，并在Bell-205直升機上進行了飛行員試驗；S-92配備有先進駕駛艙，可以為飛行員提供多級的顯示告警和音頻告警［8］；M.Alexander等［9］為了保證電傳飛控指令信號的正確性，在系統(tǒng)中加入了指令信號確認算法，并通過試飛試驗進行了驗證。

本文結(jié)合直升機的電傳飛控系統(tǒng)適航審定背景，針對民用直升機電傳飛控適航專用條件——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件、操縱權(quán)限感知專用條件、飛行機組告警專用條件、飛行包線保護專用條件、指令信號完整性專用條件，給出條件關(guān)注的技術(shù)內(nèi)容，對條款制定的背景和意義進行分析，結(jié)合設(shè)計特點和條款給出現(xiàn)有的符合性方法和符合性設(shè)計，并提出若干設(shè)計思考。

1 專用條件主要內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件主要考慮的是：增加電傳飛控系統(tǒng)會引入很多新功能，需要判斷這些功能的使用過程和故障狀態(tài)是否會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響和破壞。該專用條件定義的準則僅適用響應(yīng)和性能對結(jié)構(gòu)有直接影響的系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件內(nèi)容主要提出：對于配備了系統(tǒng)可直接影響，或其故障與失效會影響結(jié)構(gòu)性能的旋翼航空器，當表明對29部C分部和D分部要求的符合性時，必須考慮到這些系統(tǒng)及其故障狀態(tài)的影響。

對于配備了飛行控制系統(tǒng)、自動駕駛儀、增穩(wěn)系統(tǒng)、載荷減緩系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng)及其他可直接影響，或故障狀態(tài)可影響結(jié)構(gòu)性能的旋翼航空器，必須使用一定的準則來表明對該專用條件的符合性。若這些專用條件用于其他系統(tǒng)，則有必要依特定系統(tǒng)調(diào)整適用準則。

此外，系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的影響需要分別考慮系統(tǒng)正常工作和發(fā)生故障兩種情況，在正常工作時，限制載荷必須在系統(tǒng)的所有正常運行構(gòu)型下，旋翼航空器必須符合29部中的強度要求和氣動彈性穩(wěn)定性［10］。而當系統(tǒng)出現(xiàn)任何未表明是極不可能出現(xiàn)的系統(tǒng)失效狀態(tài)時，必須表明在失效發(fā)生時的結(jié)構(gòu)安全，和失效狀態(tài)下繼續(xù)飛行的結(jié)構(gòu)安全。此外，還必須具有充分的系統(tǒng)失效的探測和指示。

1.2 操縱權(quán)限感知專用條件

傳統(tǒng)的飛行控制是由飛行員對操縱桿和腳蹬相對于操縱止動器位置的固有感知來判斷是否接近操縱限制。電傳飛控系統(tǒng)的操縱裝置與作動器之間沒有機械連接，駕駛艙操縱與主旋翼或尾槳作動器位置之間不具有直連的相關(guān)性，因此飛控系統(tǒng)不能通過與操縱位置物理止動或限制相關(guān)的駕駛艙操縱位置，為飛行員提供操縱權(quán)限反饋的觸覺提示［11］。

因此審定過程中要通過提出操縱權(quán)限感知專用條件，作為現(xiàn)有29.143要求的補充：系統(tǒng)設(shè)計必須保證，無論主飛行控制以任何方式接近操縱權(quán)限邊界時，飛行員都應(yīng)獲得適當?shù)母兄?/p>

1.3 飛行機組告警專用條件

該專用條件要求飛行機組告警必須具備以下功能：（1）提供飛行機組所需信息；（2）在所有可預(yù)見的操作條件下，包括在提供多個告警的條件下，對于機組而言是可讀的、易察覺的以及清晰的；（3）當報警條件不存在時及時解除。另外，基于飛行機組意識和響應(yīng)的緊迫性，告警必須符合優(yōu)先級排序，即警告—戒備—提示。

警告和戒備必須必要時在每個類別中優(yōu)先考慮；能夠通過聽覺、視覺或觸覺指示的組合，以至少兩種不同的感覺提示來提供及時的注意力，對于該注意力提示，除非要求提示是連續(xù)的，否則應(yīng)使得每個提示的發(fā)生能夠被確認并且能夠被抑制［12］。

告警功能必須通過設(shè)計最大限度地減少錯誤和虛假告警。特別是它的設(shè)計要滿足：防止發(fā)生不適當或不必要的告警；需要提供一種手段，抑制由于告警功能故障觸發(fā)警報而導致的注意力分散，從而妨礙飛行員安全操作直升機。這種方式不能過度容易地提供給飛行員，以免其無意中或習慣性地使用。當告警被抑制時，必須清楚明確地告知飛行機組告警已被抑制［13］。

此外，視覺告警指示必須遵循一定的顏色規(guī)律，且顏色使用不可妨礙飛行機組告警功能。

1.4 飛行包線保護專用條件

為了實現(xiàn)包線保護，當飛行器接近或超過限制時，電子飛行控制系統(tǒng)（Electric Flight Control System，簡稱EFCS）的控制律將發(fā)生顯著改變。相應(yīng)地，當EFCS發(fā)生故障時，飛行包線保護功能也會發(fā)生變化或喪失。目前規(guī)章無法覆蓋這些新穎、獨特的保護功能，因此需要采用相應(yīng)的專用條件［11］。

直升機電傳飛控系統(tǒng)飛行包線保護必須滿足以下要求：每一個飛行包線保護功能的啟動特性必須平滑，并與其飛行階段和機動類型相適應(yīng)，且不會妨礙飛行員改變旋翼航空器飛行航跡、速度或姿態(tài)的操縱。受保護的飛行參數(shù)限制值（有時也考慮相關(guān)警告門限值）必須同結(jié)構(gòu)、機動、臨界條件的裕度、旋翼和漿葉限制等相協(xié)調(diào)［14］。

航空器必須對駕駛員想要進行的機動作出響應(yīng)，直至在參數(shù)限定的合適范圍內(nèi)。當大氣條件或無意的駕駛員動作導致超越批準的飛行包線時，飛行包線保護系統(tǒng)不能產(chǎn)生非正?；蛴泻Φ娘w行特性。當包線限制同時啟動時，不能導致不利的耦合或產(chǎn)生不利的優(yōu)先權(quán)。

如果出現(xiàn)未被表明極不可能的飛行包線保護單獨失效，旋翼航空器必須：（1）能夠繼續(xù)安全飛行和著陸；（2）能夠?qū)嵤┕收霞m正，不需要特殊駕駛技巧和力量；（3）當運行在飛控系統(tǒng)降級模式時，在飛行手冊規(guī)定的可用飛行包線內(nèi)，旋翼航空器仍可操縱和機動；（4）能夠持續(xù)儀表飛行，不需要特殊的駕駛技巧；（5）在整個可用飛行包線內(nèi)，滿足29部B分部規(guī)定的操縱性和機動性要求；（6）如果在批準的飛行包線內(nèi)進一步發(fā)生任何未被表明極不可能的失效或故障，航空器應(yīng)可以安全操縱。

1.5 指令信號完整性專用條件

當前CS25規(guī)章已經(jīng)將“指令信號完整性”專用條件內(nèi)容要求變?yōu)殡娮语w控系統(tǒng)滿足25.671必須要滿足的內(nèi)容。PS-ASW-27，29-09政策聲明中也描述了先進飛控主信號提供航空器的唯一控制，必須具有附加層級的仔細檢查。因此需要考慮指令信號的完整性對安全的影響。

指令信號完整性專用條件主要內(nèi)容考慮：除符合現(xiàn)行671和672的要求外，還需滿足：

（1）無論飛機集成系統(tǒng)環(huán)境出現(xiàn)任何故障，或環(huán)境內(nèi)部或外部的干擾，飛行控制系統(tǒng)都必須能持續(xù)地執(zhí)行其預(yù)期的功能。

（2）任何氣動力回路內(nèi)發(fā)生故障的系統(tǒng)，不應(yīng)產(chǎn)生不安全水平的非指令性動作，并應(yīng)具有在故障影響消除后，自動恢復(fù)執(zhí)行關(guān)鍵功能的能力。

（3）氣動力回路內(nèi)的系統(tǒng)，在暴露于任何故障源之中或暴露后，不應(yīng)受到不利的影響。

（4）由于故障、內(nèi)部或外部干擾導致的單個單元或組件損壞，同時這些損壞需要通告機組，要機組采取措施，則必須經(jīng)審查組識別和批準，以保證機組能夠識別，同時還應(yīng)保證建議的機組動作能產(chǎn)生預(yù)期的效果，使飛機繼續(xù)安全飛行和著陸。

（5）由虛假信號，如內(nèi)部或外部干擾，或是功能故障引發(fā)的，導致系統(tǒng)從正常模式到降級模式的自動轉(zhuǎn)換，必須滿足適當?shù)母怕室蟆?/p>

（6）暴露于內(nèi)部或外部干擾，或是功能故障的虛假信號，不應(yīng)導致大于允許概率的危害；必須評估對操縱品質(zhì)的影響。

（7）必須表明飛行控制系統(tǒng)信號或者不能被無預(yù)期地改變，或者己被改變的信號滿足一定要求。

（8）必須表明控制面閉環(huán)系統(tǒng)的輸出不會導致飛行控制面非指令性的持續(xù)振蕩。對于較小的不穩(wěn)定性影響，通過充分地評審、記錄和認知是可接受的。

2 專用條件背景與解析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)專用條件

電傳飛行控制系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的控制功能影響著旋翼航空器的結(jié)構(gòu)完整性。這些系統(tǒng)在正常狀態(tài)和故障情況下對結(jié)構(gòu)性能會產(chǎn)生影響，其強度水平與發(fā)生概率有關(guān)，而現(xiàn)行規(guī)章沒有考慮到這部分旋翼航空器載荷。因此需要專用條件來考慮這些特性［15］。

該專用條件常用于采用EFCS的運輸類飛機，現(xiàn)階段電傳飛控系統(tǒng)將逐步推廣到新的旋翼航空器上，因此也需要將該專用條件納入現(xiàn)有電傳飛控直升機的審定中。由于飛行控制技術(shù)的不斷提升，現(xiàn)有29部沒有為配備該系統(tǒng)的旋翼航空器達到可接受的安全水平提供依據(jù)（與25部類似），因此這些系統(tǒng)的審定需要制定專用條件［16］。

在過去，傳統(tǒng)的旋翼航空器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)結(jié)合了助力系統(tǒng)、有限權(quán)限的增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)，以及部分依29.672和相應(yīng)AC 29.672而審定通過的自動駕駛儀。這些系統(tǒng)集成到主飛行控制系統(tǒng)中，并具有足夠的控制權(quán)限產(chǎn)生機動，導致直升機接近其結(jié)構(gòu)設(shè)計限制（29部C分部和D分部所規(guī)定的）。因此具有全權(quán)限的電傳飛行控制系統(tǒng)先進技術(shù)需要額外的要求來考慮飛行控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的相互影響。

29部中確定載荷包線的規(guī)章并未完全考慮系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)性能的影響。自動系統(tǒng)可能失效，或者以小于全系統(tǒng)權(quán)限和相關(guān)的內(nèi)置保護功能的降級模式運行。因此，有必要確定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和工作裕度，使得在電傳飛行控制系統(tǒng)故障期間由于故障載荷而導致的結(jié)構(gòu)失效概率不大于采用傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)的旋翼航空器中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的概率。為了實現(xiàn)這一目標并確?？山邮艿陌踩?，有必要定義失效狀態(tài)及與其相關(guān)的發(fā)生概率。

傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)提供兩種狀態(tài)，即全功能正常工作或完全不工作。這兩種狀態(tài)對飛行機組來說是顯而易見的。新的主動飛行控制系統(tǒng)具有故障模式，允許系統(tǒng)在降級模式下運行，而無需全權(quán)限和相關(guān)的內(nèi)置保護功能。由于這些降級模式對飛行機組來說不明顯，故監(jiān)控系統(tǒng)需要提供降級系統(tǒng)狀態(tài)的通告，避免其對結(jié)構(gòu)造成影響。

2.2 操縱權(quán)限感知專用條件

Bell-525型直升機采用了新穎的設(shè)計特征：四軸全權(quán)限數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)，當前14CFR29部規(guī)章不能包含足夠的標準以涵蓋電傳飛控操縱余量感知方面的考慮。旋翼航空器操縱性和機動性適航標準包含在29.143內(nèi)，這些操縱性要求與大多數(shù)電傳飛控系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，而大多數(shù)機動性要求不受電傳飛控系統(tǒng)影響。

除了操縱余量，規(guī)章的一個目的是確保操縱余量在定義的飛行包線內(nèi)是足夠的，以避免失去操縱（這是指旋翼航空器有足夠操縱能力，使飛行員能改出潛在危險飛行情況）［7］。其目的是為飛行員提供接近操縱極限的充足感知。當前29.143是針對機械液壓飛行控制系統(tǒng)的，通過其操縱桿和腳蹬相對于操縱止動器的位置，飛行員能夠感知操縱余量。但現(xiàn)有規(guī)章不足以用于電傳飛控系統(tǒng)的取證，電傳飛控系統(tǒng)中操縱裝置與飛控作動裝置之間沒有機械連接，沒有駕駛艙操縱與主尾槳作動器位置之間的持續(xù)相關(guān)性，因此對于所有飛行情況，飛控系統(tǒng)不可以通過與操縱位置物理止動或限制相關(guān)的操縱位置，為飛行員提供操縱余量反饋的觸覺提示。

因此基于上述情況，所提出的專用條件將給出最低的安全標準要求，以保證在接近主旋翼或尾槳操縱極限時，為Bell-525直升機飛行員提供感知。操縱權(quán)限感知專用條件為Bell-525直升機飛行員提供接近主或尾槳操縱極限感知的最低安全標準。該專用條件提出了兩方面要求：（1）當主飛控接近操縱限制時要通知飛行員；（2）是否要通知以及采用適當?shù)姆绞酵ㄖ?。這樣可以加強飛行員對直升機的控制。

2.3 飛行機組告警專用條件

飛行機組告警主要考慮的是告警功能要素類型（包括視覺、聽覺和觸覺要素）、告警管理、告警與其他系統(tǒng)的接口或集成，以及顏色標準化［13］。目前的規(guī)章對可能的降級模式顯示的處理是不充分的，降級模式下飛行員需要知道主飛行操縱的狀態(tài)。

Bell-525型直升機設(shè)計了新的先進機組告警系統(tǒng)。其獨特性和先進性體現(xiàn)在聽覺和視覺告警、觸覺傳感器以及CAS信息整合的集成。同29.1322規(guī)定的用于警告、戒備和提示告警的離散彩色燈相比，新系統(tǒng)采用了綜合視覺、聽覺、觸覺和告警信息的新技術(shù)，可以更有效地進行機組告警并協(xié)助他們進行決策。

當前29.1322規(guī)定了用于警告、戒備和提示告警各自的彩色燈。但是現(xiàn)有29.1322缺乏足夠的適航標準用于以下不使用各自彩色燈的告警消息和顯示：提供告警信息給機組的非視覺提示，以及同時使用集成的和多個告警的情況。

Bell-525型機組告警系統(tǒng)將具有更有效的集成視覺、聽覺、觸覺和告警信息，這需要特殊適航標準來解決對于關(guān)鍵系統(tǒng)失效或異常的機組告警。這些專用條件將從運輸類飛機先進機組告警系統(tǒng)的適航標準25.1322（修正案25-131）中額外增加要求。

因此，建議的專用條件將會定義一個優(yōu)先級排序方案，擴展顏色的要求，并解決機組告警的性能問題，以反映技術(shù)和功能的變化。

飛行機組告警是為了吸引飛行機組的注意力，通知飛行機組需要注意的非正常系統(tǒng)狀態(tài)或運行事件，以及建議飛行機組可以采取的行動。告警完成其目的的能力依賴于整個告警功能的設(shè)計，包括傳感器和觸發(fā)告警的狀態(tài)、如何處理信息（包括所分配的緊急程度和優(yōu)先等級）、以及為表達緊急程度所選擇的告警呈現(xiàn)要素。不需要引起飛行機組注意的狀態(tài)不應(yīng)生成告警。飛行機組告警系統(tǒng)應(yīng)使用統(tǒng)一的告警狀態(tài)、緊急程度和優(yōu)先等級以及呈現(xiàn)要素等理念。

2.4 飛行包線保護專用條件

飛行包線保護功能包括高迎角保護、法向過載限制、滾轉(zhuǎn)俯仰姿態(tài)限制和高速限制等，EFCS可以具有多種飛行保護功能。這種全時飛行包線保護（限制）功能的飛行控制系統(tǒng)，目的是防止飛行員無意或有意的超出飛行包線參數(shù)范圍。這些限制在正常和降級飛行模式時可以選擇是否被激活和被飛行員操控。目前規(guī)章尚無法覆蓋這些新穎、獨特的保護功能，因此需要采用相應(yīng)的專用條件。29.1329自動飛行控制系統(tǒng)適航標準涵蓋了系統(tǒng)基本操作的設(shè)計要求，但不涉及自動飛行控制系統(tǒng)的動態(tài)飛行包線限制。因此提出專用條件能夠為飛行包線保護制定最低安全要求［11］。

飛行包線保護專用條件從正常飛行、高速限制和旋翼速度等角度提出安全性標準。條件要求旋翼航空器在正常運行下使用包線保護功能避免駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)發(fā)出使飛機超出其結(jié)構(gòu)或空氣動力學運行限制的控制指令。每個包線保護的進入特性必須是平滑的，并與其飛行階段和機動類型相適應(yīng)，不與駕駛員改變航空器飛行航跡、速度和姿態(tài)的能力相沖突。受保護的飛行參數(shù)的限制值和相關(guān)的告警閾值必須與航空器結(jié)構(gòu)限制、航空器所需的安全和可控、機動和臨界狀態(tài)的裕度兼容。

航空器必須對目標動態(tài)操縱做出響應(yīng)，以保證航空器運行在批準的飛行包線內(nèi)，并具有合適的參數(shù)限制范圍。當包線限制同時啟動，不能導致不利的耦合或不利的優(yōu)先權(quán)。

直升機最大空速、槳葉速度、載荷系數(shù)、槳葉揮舞角度均在該條件的考慮范圍之內(nèi)。同時應(yīng)該建立旋翼航空器的俯仰滾轉(zhuǎn)速率、體速包線和周期操縱位置限制，任何限制體速的包線保護技術(shù)都應(yīng)該防止桅桿碰撞，并確保桅桿或其他旋翼航空器部件沒有超出結(jié)構(gòu)限制。

2.5 指令信號完整性專用條件

先進的飛控系統(tǒng)引入數(shù)字指令和電子元件，該新穎設(shè)計特征受到電磁干擾易產(chǎn)生虛假信號和（或）故障數(shù)據(jù)導致系統(tǒng)功能不正常，從而引起飛機不可接受的響應(yīng)，最終導致飛行事故。因此需要采用特殊的設(shè)計措施保證系統(tǒng)的完整水平，使得系統(tǒng)具有與傳統(tǒng)液壓機械式設(shè)計等價的安全水平，由于第27部和第29部的規(guī)章要求僅針對機械飛行控制系統(tǒng)，針對這些特殊設(shè)計措施的要求未在當前使用的規(guī)章中體現(xiàn)，因此制定專用條件作為補充要求。

對于運輸類飛機來說，現(xiàn)行的適航規(guī)章相關(guān)條款（如25.671和25.672）主要是針對傳統(tǒng)液壓機械式飛行控制系統(tǒng)的，這些條款還沒有對指令和控制信號不得因內(nèi)外干擾而改變做出專門的要求。因此，根據(jù)CCAR21.16的要求，需要制定專用條件以保持和現(xiàn)行規(guī)章等效的安全水平。

對于電傳飛控直升機來說，PS文件給出了可能的先進飛控失效狀態(tài)，以下這些都屬于指令信號完整性需要考慮的干擾［7］：（1）包含高于采樣頻率的顯著信號噪聲的傳感器信號，其模數(shù)轉(zhuǎn)換導致的混疊效應(yīng)；（2）虛假報警，比如告警或警告，由太敏感的監(jiān)控觸發(fā)，是由于監(jiān)控門限或失效確認時間太短；（3）典型由高控制增益同非線性組合導致的限制周期，應(yīng)最小化和減少到一個可接受水平；（4）某些影響導致的失效類型；（5）外部源（比如傳感器噪聲、電磁干擾等）或失效的設(shè)備（比如電觸點松動）的信號擾動導致虛假數(shù)據(jù)。

3 符合性方法和驗證技術(shù)

符合性方法的設(shè)計和制定要考慮多方面因素和限制，既要充分表明符合性，也要同時考慮演示說明成本和安全因素（特別對試飛方法來說）［17］。結(jié)合電傳飛控特征和各個專用條件覆蓋的內(nèi)容，各專用條件可接受符合性方法如表1所示。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交聯(lián)符合性驗證技術(shù)

無論是在正常狀態(tài)還是失效狀態(tài)下，先進飛行控制系統(tǒng)的運行都有可能直接或因為故障而間接影響旋翼機的結(jié)構(gòu)性能或氣動彈性的穩(wěn)定性。比如增穩(wěn)或顫振抑制系統(tǒng)中的主動載荷減緩功能。為了確定該專用條件的適用性，需要結(jié)構(gòu)工程師進行評審，并通過分析、仿真或試驗的方法來證明。其中主要考慮部分包含：主動載荷減緩、故障瞬態(tài)、帶故障運行以及駕駛員誘發(fā)振蕩（Pilot Induced Oscillation，簡稱PIO）。

PIO是飛行員在試圖控制飛機時而產(chǎn)生的持續(xù)振蕩或一系列不可控制的飛機振蕩，是需要重點考慮的因素。先進飛行控制系統(tǒng)的獨特之處在于要特別考慮PIO的三個主要分類：（1）Ⅰ類——線性的飛機—飛行員交互；（2）Ⅱ類——準線性的飛機—飛行員交互；（3）Ⅲ類——高度非線性的飛機—飛行員交互。獨特的設(shè)計特征可能加速先進飛控系統(tǒng)Ⅲ類PIO的發(fā)生，比如控制律模式更改、自動包線保護系統(tǒng)和系統(tǒng)重構(gòu)邏輯。先進飛控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該不易受到非線性特性影響，它會導致飛行員進行非直觀控制輸入來達到期望響應(yīng)。在符合性表明過程中，識別能夠突然改變控制響應(yīng)特性的系統(tǒng)非線性，以及評估補償跟蹤任務(wù)過程中的飛行條件，是一種可接受的表明方法。

因此，基于上述分析和考慮的審查要素，該專用條件的符合性要通過載荷分析/計算來驗證。若系統(tǒng)失效可能導致PIO，則需要試飛試驗或模擬器試驗或二者相結(jié)合的方式進行評估。

3.2 操縱權(quán)限感知符合性驗證技術(shù)

根據(jù)實際直升機的應(yīng)用，合適的通告應(yīng)該包括駕駛艙中控制位置顯示、信號燈顯示或者作動器/旋翼位置指示。該顯示和告警也應(yīng)該考慮某些駕駛員的操縱在預(yù)期飛行環(huán)境中也是非常必要的。因此，一個設(shè)計恰當?shù)暮唵胃婢到y(tǒng)，應(yīng)該能夠在預(yù)期或者控制限制的情況下區(qū)分到底是駕駛員的誤操作還是意識指令動作，一個能夠比較直升機運動、槳角變化和駕駛員指令需求的監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效消除虛假告警。

符合性方法主要采用系統(tǒng)設(shè)計描述、試驗室試驗、機上地面試驗和飛行試驗表明，特別注意的是通過飛行試驗科目表明主控制接近操縱權(quán)限時，系統(tǒng)可以向飛行機組提供告警信息。且告警信息（視覺、聽覺、觸感提示）必須有效的同時，要表明警告是需要的，而非騷擾性的；表明警告指示可以指導飛行員按照旋翼航空器飛行手冊指令采取合適的動作；且通過足夠的操縱裕度（在旋翼和反扭矩系統(tǒng)層級）表明有足夠的操縱能力來改出潛在的危險飛行狀態(tài)，可以避免失控。

因此，該專用條件的符合性表明要采用描述的方法，表明當俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)軸分別接近控制權(quán)限限制時，系統(tǒng)將向飛行機組提供EICAS告警信息。并通過鐵鳥試驗、機上地面試驗和飛行試驗進行驗證。

3.3 飛行機組告警符合性驗證技術(shù)

為了提高對運輸類飛機先進的飛行機組告警系統(tǒng)的安全性要求，F(xiàn)AA通過131號修正案更新了第25.1322條，該修訂解決了現(xiàn)代飛機關(guān)鍵系統(tǒng)的機組告警失效或者故障問題。然而，目前CFR 14第27部和第29部的標準并未給出旋翼航空器機組告警系統(tǒng)的響應(yīng)標準，因此通過專用條件對該部分的飛行控制性能提出要求，以替代與29.1322中相關(guān)的要求。該專用條件要求的符合性表明工作是通過系統(tǒng)描述飛控系統(tǒng)告警指示，并通過試驗室試驗、地面試驗和部分試飛試驗進行驗證。

3.4 飛行包線保護符合性驗證技術(shù)

使用飛行包線保護能夠避免駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)發(fā)出使航空器超出其結(jié)構(gòu)或空氣動力學運行限制的控制指令。每個包線保護的進入特性必須是平滑的，并與其飛行階段和機動類型相適應(yīng)，不與駕駛員改變航空器飛行航跡、速度和姿態(tài)的能力相沖突。受保護的飛行參數(shù)的限制值和相關(guān)的告警閾值必須與以下內(nèi)容相兼容：航空器結(jié)構(gòu)限制、航空器所需的安全和可控的機動、臨界狀態(tài)的裕度。

飛行包線保護驗證除了要考慮常規(guī)情況，還要考慮以下條件：高速限制、旋翼速度、載荷系數(shù)限制、體速限制。正常驗證程序應(yīng)該覆蓋以下內(nèi)容：法向載荷系數(shù)保護、俯仰姿態(tài)保護、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)保護、高速保護、啟動特性、不安全特性的裕度、大氣干擾和風切變下的運行、保護功能的優(yōu)先級和相互作用、超過被保護邊界。在審定過程中采用控制律描述文件對飛行包線保護控制律功能和邏輯、電子飛行控制系統(tǒng)（EFCS）失效情況下的控制邏輯與警示、非正常姿態(tài)控制進行說明，并通過試驗室試驗、模擬器試驗和試飛試驗協(xié)同完成各項的符合性驗證說明。

3.5 指令信號完整性驗證技術(shù)

在該專用條件的指令信號完整性驗證符合性表明過程中，需要考慮以下方面：應(yīng)保持所有空氣動力學閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定增益和相位裕度，但不包括環(huán)路控制中的駕駛員；導致控制執(zhí)行機構(gòu)非指令運動的虛假信號和/或故障數(shù)據(jù)必須易于檢測和隔離，或者必須通過其他令人滿意的方式檢測、捕捉到舵面由于非指令信號引起的作動；系統(tǒng)殘留的小振幅的振蕩是可能接受的；為了證明非指令的持續(xù)振蕩、電子或電氣指令信號之間的耦合結(jié)果、與結(jié)構(gòu)部件一起作動的機械作動系統(tǒng)的運動不會超過系統(tǒng)限制的頻率范圍，需要對不穩(wěn)定影響進行徹底的調(diào)查、記錄和理解。

通過飛控系統(tǒng)描述表明系統(tǒng)架構(gòu)及監(jiān)控器設(shè)計，識別可能影響飛控系統(tǒng)的干擾，說明系統(tǒng)設(shè)計可以保證部分干擾不會導致控制指令發(fā)生改變，對于其他可能導致控制指令改變的干擾，將通過安全性評估、試驗室試驗、飛行試驗、工程模擬器試驗和設(shè)備鑒定試驗表明符合性。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

電傳飛控能為直升機帶來功能和性能上的提升，是當前和未來的重要發(fā)展趨勢?，F(xiàn)已有UH-60、S-92、Bell-205等多型號采用這一系統(tǒng)，但這些型號多為軍用飛機或試驗機。民用方面目前只有Bell-525直升機是按照民用飛機全流程來進行適航取證的。因此從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，適航性設(shè)計和符合性表明仍然存在一定困難。對于直升機電傳飛控而言，從適航性設(shè)計與符合性表明的角度來看，本文認為在型號論證和設(shè)計過程中，需要從以下四方面來考慮。

（1）設(shè)計需求需要完整且正確。從適航角度來說，電傳飛控會引入大量的新穎設(shè)計，這些新穎設(shè)計在已取證的直升機型號沒有驗證或驗證不充分，因此在適航性設(shè)計里需要重點考慮。需求作為設(shè)計輸入，決定著整個設(shè)計流程是否正確或是否完整。因此在直升機電傳飛控設(shè)計過程中，要從需求入手，從功能、適航、安全性等多方面考量引入電傳飛控給直升機帶來的變化，提出正確和完整的設(shè)計輸入，確保正向輸入的完整執(zhí)行。

（2）安全性分析的執(zhí)行與貫徹。與軍用飛機“性能優(yōu)先”的特點不同，民用飛機的最大特點就是始終要把安全性放在首位來考慮。因此安全性分析在民用飛機設(shè)計過程中起到重要作用。電傳飛控相對于傳統(tǒng)機械式飛控更為復(fù)雜，特別是架構(gòu)與功能，因此其安全性分析也更為繁瑣。在執(zhí)行安全性分析的過程中，首先通過FHA確定系統(tǒng)的功能及功能故障情況的描述，確定各種情況下故障造成的影響，故障影響等級分類。隨后進行PSSA來評估系統(tǒng)設(shè)計方案，產(chǎn)生安全性要求及目標。一旦系統(tǒng)開發(fā)完成，SSA將從所有安全性評估系統(tǒng)中獲取評估結(jié)果，其中包括故障模式、影響及危害性分析和共模分析，驗證文件及其對安全性標準的定量符合性分析文件。對于電傳飛控系統(tǒng)來說，安全性分析可以從功能到架構(gòu)對系統(tǒng)進行充分評估，是整個研制周期中關(guān)鍵內(nèi)容之一，需要重點關(guān)注。

（3）通過研制過程保障抑制研制差錯。對于電傳飛控系統(tǒng)來說，由于引入大量的復(fù)雜軟硬件，使得系統(tǒng)成為高度綜合的復(fù)雜機載系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)，試驗無法完全覆蓋到每一種工況，因此需要通過有效的研制過程保障來確保飛機系統(tǒng)的安全性。研制過程保障不僅可以表明對1309條款的符合性，在保障的執(zhí)行過程中也可以提升工業(yè)方的管理能力，加強系統(tǒng)工程思維。因此在整個設(shè)計過程中要強化研制過程保障，提升系統(tǒng)安全性。

（4）考慮電傳飛控與其他系統(tǒng)的交聯(lián)。相對于機械飛控來說，電傳飛控的控制律形式多樣，可以極大地豐富直升機的功能和提升性能。但作為直升機的“大腦”，其功能和性能的改變也會影響直升機其他系統(tǒng)的安全性或功能的完整性（Bell-525的試飛墜機就是振動與操縱的耦合導致的）。例如適航中需要考慮的飛行特性、性能、結(jié)構(gòu)、電磁、噪聲、振動、牽引、吊掛系統(tǒng)等，都會受到飛控系統(tǒng)的影響。對于這些交聯(lián)的考慮有些是通過正向設(shè)計、安全性設(shè)計來保證的，有些則是通過工程經(jīng)驗來判斷，因此在電傳飛控的設(shè)計過程中需要對系統(tǒng)交聯(lián)進行重點關(guān)注。

5 結(jié)束語

本文圍繞民用直升機電傳飛控系統(tǒng)適航專用條件展開研究，闡明了對直升機電傳飛控系統(tǒng)附加的安全標準，并提出對直升機電傳飛控的一些思考。電傳飛控系統(tǒng)是未來民用直升機重要發(fā)展方向之一，其適航設(shè)計與安全性保證也需要進一步加強研究。