馬 健，高斌元，解 江

（1.中國民用航空西安航空器適航審定中心，西安 710065；2.中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

駕駛艙作為操控飛機運行的“大腦”，直接關(guān)系到飛機和乘客的安全。因此，駕駛艙設(shè)計與適航驗證一直是中國民用航空局和工業(yè)方關(guān)注的重點問題之一。李巖等[1]總結(jié)了駕駛艙視界的設(shè)計要求和方法，指出要從適航性設(shè)計與驗證入手，解決型號研制中面臨的技術(shù)難題。董大勇等[2]總結(jié)了駕駛艙人為因素的符合性驗證思路、方法和技術(shù)。袁霄等[3]研究了駕駛艙人機界面設(shè)計評估理論，基于適航條款提出了駕駛艙人機界面評估方法。王紀清等[4]梳理了飛機駕駛艙設(shè)計準則，給出了駕駛艙總體布置和人機界面的設(shè)計思路，旨在為新機型的駕駛艙設(shè)計提供支持。民用飛機是恐怖襲擊的重點對象，其中駕駛艙安保防護是航空安保需要重點關(guān)注的問題之一。目前，國產(chǎn)大飛機C919 和支線渦槳飛機MA700 適航取證進入關(guān)鍵階段，中國和俄羅斯聯(lián)合研制的雙通道民用飛機CR929 項目已啟動，因此，開展駕駛艙保護適航技術(shù)研究非常有必要。

1974年美國頒布了《航空運輸安全法》，要求開發(fā)用于防止或阻止對民航飛機劫機或破壞的系統(tǒng)和設(shè)備。2002年以來，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA，F(xiàn)ederal Aviation Administration）開始關(guān)注航空安保問題并制定相關(guān)適航要求[5-6]。張柱國[7]對運輸類飛機安保要求的背景和演變歷史進行了溯源分析，并結(jié)合國產(chǎn)機型合格審定，提出了安保設(shè)計和符合性驗證中的難題。劉文成[8]研究了運輸類飛機駕駛艙門靜強度試驗驗證的適航要求、載荷選取、制造檢查等問題，但沒有分析暴力入侵、子彈穿透等適航要求。

在分析民用飛機駕駛艙保護適航條款修訂背景的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究駕駛艙抵御入侵、抵御穿透和煙霧保護的相關(guān)適航要求及建議的符合性驗證方法，重點分析了艙門設(shè)計、監(jiān)視系統(tǒng)及煙霧保護設(shè)計技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為駕駛艙保護的設(shè)計及適航審定提供支持。

1 適航條款修訂背景

1988年12月22 日，泛美航空公司一架B747 飛機在英國小鎮(zhèn)洛克比上空爆炸解體，事故原因是位于前貨物艙的塑膠炸藥被引爆，并最終導致飛機空中解體。1997年3月12日，國際民航組織發(fā)布了國際民航公約附件8 第97 號修正案，首次提出了有關(guān)民用航空安保的設(shè)計要求。

2001年9月11 日，恐怖分子通過侵入駕駛艙劫持了民航客機，造成了美國本土最為嚴重的恐怖襲擊行動。FAA 緊急發(fā)布了FAR 25-106 修正案[5]，要求增強駕駛艙艙門的保護。為進一步落實國際民航公約附件8 第97 號修正案中相關(guān)安保措施，F(xiàn)AA 于2008年10月28日又發(fā)布了FAR 25-127 修正案[6]，對FAR 25.795條（安保事項）進行了修訂。修訂后有關(guān)運輸類飛機駕駛艙保護的條款包括：駕駛艙抵御入侵、抵御穿透和煙霧保護等。

2 適航要求及符合性方法

2.1 條款內(nèi)容

1）駕駛艙抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界，都必須能夠抵御未經(jīng)許可的暴力入侵，且能夠承受300 J 的沖擊。FAR 25.795（a）（2）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界上的把手（包括門的旋鈕和手柄），都必須設(shè)計成能夠承受1 113 N 的拉伸載荷。

2）駕駛艙抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）條款規(guī)定，對于把駕駛艙與乘客區(qū)域分開的駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界，都必須設(shè)計成能夠抵御小型武器射擊和破碎裝置的穿透，達到相當于美國國家司法研究所（NIJ，National Institute of Justice）標準IIIA 級的水平。

3）駕駛艙煙霧保護

FAR 25.795（b）（1）條款規(guī)定，最大審定起飛重量超過100 000 lb（1 lb = 0.453 59 kg）或者客座量超過60 座的飛機，都必須有措施防止煙霧、煙氣和有毒氣體進入駕駛艙，以限制爆炸或燃燒裝置的影響。

2.2 條款解析

1）駕駛艙抵御入侵

FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）條款的目的是在采取其他措施之前，延緩或阻止未經(jīng)飛行機組授權(quán)的人員強行進入駕駛艙。應(yīng)合理設(shè)計駕駛艙隔板、艙門及其他任何可接近分界上的把手，阻止未經(jīng)授權(quán)人員用很高的載荷將艙門打開或使艙門產(chǎn)生變形并入侵駕駛艙。

2）駕駛艙抵御穿透

FAR 25.795（a）（3）條款規(guī)定，對駕駛艙易受來自客艙彈道威脅的區(qū)域應(yīng)適當保護免受小型武器破壞，目標是確保不會因為輕武器的擊發(fā)而影響飛機安全飛行和著陸。

對于駕駛艙隔框或任何內(nèi)部裝飾，以及地板和天花板，如果處于危險彈道，就應(yīng)予以保護。對于不在危險彈道，或者通過反彈才成為危險彈道的結(jié)構(gòu)，不需要抵御彈道穿透。在確定危險彈道時，應(yīng)假定武器發(fā)射或爆炸裝置僅來自旅客正?？梢越咏奈恢?。

對于駕駛艙和客艙的典型結(jié)構(gòu)，如釋壓板、窗、格柵、旋鈕、門閂、鉸鏈等，如果能表明其失效不會降低抵御穿透的能力，則不要求對其進行試驗。否則，均需通過試驗驗證。

3）駕駛艙煙霧保護

FAR 25.795（b）（1）條款規(guī)定，飛機具有限制煙霧進入駕駛艙的能力，即有措施限制飛機其他區(qū)域發(fā)生爆炸或火災(zāi)時所產(chǎn)生的煙霧和有害氣體進入駕駛艙，直到機組采取進一步安全措施。

2.3 符合性驗證方法

FAA 咨詢通告（AC，advisory circular）25.795-1A、25.795-2A 和25.795-3 給出了駕駛艙保護建議的符合性驗證方法，如表1所示。

表1 符合性驗證方法Tab.1 Means of compliance substantiation

1）駕駛艙抵御入侵和穿透符合性驗證

通過符合性驗證試驗方法（MOC4）驗證FAR 25.795（a）（1）、FAR25.795（a）（2）和FAR25.795（a）（3）的符合性，該試驗方法適用于所有試驗要求的駕駛艙分界，也適用于各種設(shè)計形式的駕駛艙門。

1976年5 月，美國國家法律執(zhí)行和刑事司法研究所頒布了針對艙門部件和組件物理安全的標準（NILECJ-STD-0306.00）。該標準是美國國家標準署法律執(zhí)行標準實驗室在NIJ 的資助下制定的。AC 25.795-1A 中的定義、數(shù)據(jù)采樣、設(shè)備、程序和所用的試驗部件等相關(guān)內(nèi)容都引用了該標準。該標準定義了4 種等級的安保水平。FAA 在FAR 25-106 修正案中，將該標準提高了50%，即駕駛艙艙門應(yīng)能承擔300 J 的沖擊，艙門把手應(yīng)能承擔250 lb 的靜拉伸載荷。300 J 的沖擊能量已經(jīng)超過了強壯成人用腳踢或用滅火器等撞擊所施加的能量。為符合FAR 25.795（a）（1）和FAR 25.795（a）（2）條款關(guān)于抵御駕駛艙入侵的適航要求，需要對駕駛艙門進行4 項基本的試驗，包括對艙門、門閂和艙門鉸鏈的沖擊試驗及把手的定常拉伸載荷試驗。

AC 25.795-2A 提供了一種通過子彈射擊來表明駕駛艙抵御穿透能力的方法。在滿足所有試驗要求的情況下，沖擊速度等于或大于最小可接受速度而沒有發(fā)生穿透，則認為試驗通過；如果因為射擊使得門板或格柵打開，喪失了抵御入侵的能力，則認為試驗失敗。

2）駕駛艙煙霧保護符合性驗證

駕駛艙通風系統(tǒng)用于向艙內(nèi)提供大量的空氣以滿足通風和溫度要求。已有試驗表明，如果氣流速率足夠大，則氣流可以在駕駛艙和與其相鄰艙室之間形成較小的壓差。當艙門關(guān)閉時，壓差會使駕駛艙的空氣通過縫隙或開口流向其他艙室，達到防止煙霧進入駕駛艙的目的。然而，防止煙霧進入駕駛艙的壓差很小，以至于無法通過儀器精確測量，因此，需采用符合性驗證試驗方法（MOC4）來表明符合性。

在試驗中，可以用一個薄的塑料片覆蓋住駕駛艙門開口，提供一個柔性的分界。當存在符合要求的壓差時，塑料片發(fā)生明顯的變形，說明煙霧不能進入駕駛艙。好的駕駛艙設(shè)計能使煙霧進入駕駛艙的路線最少，這些路線包括電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)、艙門和地板空隙、隔框和支持結(jié)構(gòu)之間的間隙。

對于本條款的符合性驗證，需要注意以下幾點：

（1）駕駛艙門是關(guān)閉的，為了滿足總的安全考慮，要求飛行機組確保駕駛艙門是關(guān)閉的，以阻止煙霧滲透；

（2）在事件發(fā)生后，飛機的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能正常，即不考慮結(jié)構(gòu)損傷或系統(tǒng)性能降低的影響；

（3）在任何飛行階段，無論火災(zāi)的起因和發(fā)生的位置，申請人都需要對駕駛艙提供保護，避免過量的煙霧進入駕駛艙；

（4）應(yīng)考慮其他系統(tǒng)（如通風系統(tǒng)等）的布局和架構(gòu)設(shè)計，確保駕駛艙不會出現(xiàn)過量的煙霧和有害氣體；

（5）煙和有害氣體的流動特性和可見煙霧相同?？杉僭O(shè)煙霧探測和排煙的同時能有效地排除有害氣體；

（6）當存在煙霧和有害氣體時，需要新鮮（外界）的空氣來滿足駕駛艙的換氣。

3 駕駛艙保護適航技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

“9·11”事件發(fā)生后，F(xiàn)AA 對飛機駕駛艙門提出了新的要求，包括改進駕駛艙門設(shè)計、艙門門鎖設(shè)計及裝配能與地面控制中心可視聯(lián)系的監(jiān)視器等，這些技術(shù)的應(yīng)用對駕駛艙的保護起到重要作用。

3.1 艙門設(shè)計

FAA 要求FAR 121 部承運人在2003年4月9日之前完成艙門的改裝。為此，空客公司設(shè)計了新的駕駛艙門，在設(shè)計中選用了鋁制蜂窩結(jié)構(gòu)、“S 玻璃纖維”等材料，增加了艙門的重量。整個艙門區(qū)域要在駕駛艙釋壓時用作通風通道，要求艙門應(yīng)能迅速打開。

2004年Albertelli[9]設(shè)計了一種復合材料駕駛艙門，通過使用不同編織方式和不同樹脂材料來達到防穿透的目的。這種艙門由3 層不同的復合材料合成：第一層由相對較硬的酚醛樹脂和緊密編織的織物構(gòu)成，用于將尖彈頭鈍化；第二層由相對較軟的環(huán)氧樹脂和較松的織物構(gòu)成，通過分層使鈍化的彈丸“側(cè)向”移動，而且分層可吸收大量能量；第三層與第一層相同，用于捕獲鈍化的子彈，防止穿透。

為了進一步增強對駕駛艙的保護，2004年，美國聯(lián)合航空公司在其500 架客機中安裝了機組人員在打開駕駛艙艙門前必須布置的輔助屏障（IPSB，installed physical secondary barriers）。該裝置安裝在客艙和駕駛艙門之間，易于展開和收起。當駕駛艙門在飛行中打開時，IPSB 處于展開狀態(tài)，可阻止客艙人員進入駕駛艙；當駕駛艙門關(guān)閉并鎖定時，IPSB 通常被收起。IPSB有效地解決了艙門轉(zhuǎn)換期間的安全問題，且對飛機設(shè)計成本影響很小，已有多家航空公司將其應(yīng)用于機隊中，波音和空客公司已將IPSB 作為下一代飛機型號的選裝件[10]。2015年4月14日，F(xiàn)AA 發(fā)布了AC 120-110[11]，給出了一種關(guān)于飛機輔助屏障和駕駛艙安全程序符合性驗證方法。

3.2 監(jiān)視系統(tǒng)

駕駛艙門視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過安裝在駕駛艙門區(qū)域和登機門區(qū)域的攝像頭，對艙門區(qū)域進行實時監(jiān)控，機組通過駕駛艙內(nèi)的顯示器觀察監(jiān)視圖像，實現(xiàn)對駕駛艙門、登機門區(qū)域的監(jiān)視，某民機駕駛艙門視頻監(jiān)視區(qū)域示意圖[12]如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)視區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of video surveillance area

近年來，越來越多的民航飛機安裝了駕駛艙門監(jiān)視系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。中國民用航空局要求在商用飛機上加裝駕駛艙監(jiān)視系統(tǒng)，可視區(qū)域應(yīng)至少包括駕駛艙門和主登機門。在客艙燈光調(diào)暗或者關(guān)閉時，系統(tǒng)能清晰地對駕駛艙門和主登機門區(qū)域進行監(jiān)視，且監(jiān)視系統(tǒng)顯示器應(yīng)固定安裝于駕駛艙內(nèi)，要求系統(tǒng)攝像頭視角應(yīng)能切換。

當前的民用飛機駕駛艙門視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要是基于美國國家電視標準委員會（NTSC，National Television System Committee）制式的模擬視頻系統(tǒng)。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，未來可采用數(shù)字視頻技術(shù)代替模擬視頻技術(shù)。數(shù)字視頻技術(shù)具備更清晰、更穩(wěn)定的圖像傳輸能力，而且采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替現(xiàn)有有線監(jiān)視系統(tǒng)，其傳輸速度快、傳輸容量大，不受硬件連接、布線等條件因素制約，具有更強的靈活性和實用性。

3.3 煙霧保護

飛行員的操控對于飛行安全至關(guān)重要。在飛行過程中，如果駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)煙霧，會嚴重影響飛行員的視野和操作，甚至會對飛行員造成生命威脅。因此，必須要對運輸類飛機駕駛艙采取煙霧保護措施。

對于駕駛艙煙霧保護，主要以煙霧探測、防止煙霧進入和煙霧排除為主。目前，飛機上多采用基于光電原理的煙霧探測器探測空氣中的煙霧粒子，當煙霧濃度達到告警閾值時，探測器發(fā)出告警信號。對于防止煙霧進入和排煙的要求，可采用減小結(jié)構(gòu)間的空隙和保持與相鄰艙室的正壓差的方式滿足適航要求。

4 結(jié)語

從適航要求和航空技術(shù)發(fā)展來看，民用飛機駕駛艙保護設(shè)計與適航審定需要關(guān)注以下問題。

（1）在艙門的適航審定中，要重點關(guān)注艙門材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前的駕駛艙門多采用鋁合金為主的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，未來可能采用比強度、比模量更高的纖維增強復合材料。復合材料結(jié)構(gòu)在工藝成型過程中，由于諸多因素影響，可能會出現(xiàn)氣孔、樹脂裂紋、分層和脫黏等制造缺陷，生產(chǎn)質(zhì)量相對不穩(wěn)定，在型號合格審定過程中應(yīng)給予特別關(guān)注。

（2）在監(jiān)視系統(tǒng)的審定中，需重點關(guān)注系統(tǒng)的功能、性能和系統(tǒng)架構(gòu)是否滿足適航要求。其次，艙門攝像頭的安裝布置要確保能監(jiān)視所有能進入駕駛艙的范圍區(qū)域。應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)架構(gòu)，充分利用駕駛艙現(xiàn)有的顯示終端，盡量少加裝其他顯示裝置。

（3）在煙霧防護設(shè)計中，可以采用多參數(shù)煙霧探測器，提高煙霧探測能力，也可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少煙霧進入駕駛艙的路線。對于煙霧保護的審定，應(yīng)重點關(guān)注煙霧探測器的靈敏度、系統(tǒng)架構(gòu)等問題。