王穩(wěn)江，李新

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛機(jī)架構(gòu)集成工程技術(shù)所，上海 201210）

（2.中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心 動(dòng)力裝置室，上海 200335）

0 引言

延程運(yùn)行（Extended Operations，簡(jiǎn)稱ETOPS）是指在飛機(jī)計(jì)劃運(yùn)行的航路上至少存在一點(diǎn)，到任一延程運(yùn)行可選備降機(jī)場(chǎng)的距離超過飛機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)條件下靜止大氣中以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)的巡航速度飛行60 min對(duì)應(yīng)的飛行距離（以兩臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛機(jī)），或超過180 min對(duì)應(yīng)的飛行距離（以多于兩臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的載客飛機(jī)）的運(yùn)行。

ETOPS被廣泛應(yīng)用于民用航空大型客機(jī)的洲際航線，尤其是跨洋飛行。民用飛機(jī)進(jìn)行ETOPS航線運(yùn)行需同時(shí)具備兩個(gè)條件：

（1）飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合獲得適航當(dāng)局的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)；

（2）運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)（航空公司）獲得適航當(dāng)局的ETOPS運(yùn)行批準(zhǔn)。

飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合獲得ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)是先決條件。波音和空客對(duì)于ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)（審定）都非常成熟，其現(xiàn)役的大型客機(jī)基本都具備ETOPS資質(zhì)認(rèn)證。由于國(guó)內(nèi)民用大型客機(jī)研發(fā)起步晚，加上國(guó)外的技術(shù)封鎖，我國(guó)自主研制大型客機(jī)的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)和取證仍是空白。盡管國(guó)內(nèi)的航空公司具備多年的ETOPS航線運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)（南方航空公司早在1997年成為亞洲首家運(yùn)行120 min ETOPS的航空公司），但是，國(guó)內(nèi)對(duì)于民用飛機(jī)ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)和審定的研究卻是近些年在國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)項(xiàng)目的牽引作用下才逐漸發(fā)展的。王穩(wěn)江等對(duì)ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索研究；李昊燃等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證方法；談琳娓等研究了ETOPS試飛驗(yàn)證技術(shù)。然而，上述研究對(duì)于ETOPS重要系統(tǒng)的適航審定，仍然缺乏系統(tǒng)性的理論研究和方法指導(dǎo)。

ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)過程中一項(xiàng)重要工作就 是ETOPS重 要 系 統(tǒng) 適 航 審 定。ETOPS重要系統(tǒng)，對(duì)于民用飛機(jī)制造商而言，是民用飛機(jī)ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)與取證過程中主要的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證對(duì)象；對(duì)于民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商而言，是民用飛機(jī)ETOPS運(yùn)營(yíng)過程中的主要監(jiān)控和維護(hù)對(duì)象。由此可見，ETOPS重要系統(tǒng)的適航審定，貫穿民用飛機(jī)主制造商的研制和運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)過程，無論對(duì)于制造商的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，還是運(yùn)營(yíng)商的ETOPS運(yùn)行都至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于ETOPS重要系統(tǒng)適航審定的理論研究和方法指導(dǎo)鮮有研究。我國(guó)自主研制大型客機(jī)ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)處于起步階段，扎實(shí)做好ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，能夠?yàn)閲?guó)產(chǎn)大型客機(jī)的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)和將來的ETOPS運(yùn)行批準(zhǔn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文主要針對(duì)ETOPS重要系統(tǒng)適航審定開展研究，分析ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)適航條款要求，提出ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法和驗(yàn)證方法，以期為我國(guó)自主研制大型客機(jī)的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)審查人員和設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。

1 ETOPS重要系統(tǒng)概述

1.1 ETOPS發(fā)展現(xiàn)狀

自1984年FAA首 次 提 出ETOPS概 念以來，世界民用航空運(yùn)輸業(yè)得到了飛速發(fā)展，大規(guī)模的ETOPS航線得以開辟（1984年ETOPS航線如圖1所示，2018年ETOPS航線如圖2所示），雙發(fā)飛機(jī)也被大量用于跨洋飛行。波音和空客現(xiàn)役的雙發(fā)飛機(jī)型號(hào)基本都具備180 min及以上的ETOPS能力（如表1所示）。

圖1 ETOPS航線（1984年）［12］Fig.1 ETOPS flights in 1984［12］

圖2 ETOPS航線（2018年）［12］Fig.2 ETOPS flights in 2018［12］

表1 波音和空客雙發(fā)機(jī)型的ETOPS能力Table 1 Boeing and Airbus twin-engine aircraft ETOPS capability

1.2 ETOPS重要系統(tǒng)

在“ETOPS Significant System”（ETOPS重要系統(tǒng)）這個(gè)概念被正式提出之前，F(xiàn)AA在咨詢通告AC120-42A中曾用“critical”“primary”和“essential”搭配“ETOPS Systems”作為術(shù)語(yǔ)，但并未給出明確定義。

“ETOPS Significant System”（ETOPS重要系統(tǒng)，也譯作ETOPS關(guān)鍵系統(tǒng)）這一名詞，最早是由波音提出的，是對(duì)那些受ETOPS維護(hù)要求影響的飛機(jī)系統(tǒng)（包括動(dòng)力裝置系統(tǒng)）的統(tǒng)稱。

ETOPS重要系統(tǒng)是指失效或者故障時(shí)可能對(duì)ETOPS飛行的安全，或者對(duì)在ETOPS改航過程中飛機(jī)的繼續(xù)安全飛行和著陸產(chǎn)生不利影響的飛機(jī)系統(tǒng)，包括推進(jìn)系統(tǒng)。

1.3 ETOPS重要系統(tǒng)分類原則

根據(jù)AC120-42B/AMC20-6 rev.2/AC25.1535-1X（草案），ETOPS重要系統(tǒng)可以分為兩類。對(duì)于ETOPS重要系統(tǒng)分類原則，雖然AC和AMC在表述上略有差異，但本質(zhì)上是一致的。鑒 于AMC20-6 rev.2中 對(duì) 于 組 類2的ETOPS重要系統(tǒng)的描述更為詳細(xì)，在民用飛機(jī)ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)和適航審定過程中建議依據(jù)AMC20-6 rev.2的分類原則開展工作。

ETOPS重要系統(tǒng)按以下原則分為組類1和組類2。

組類1系統(tǒng)包括與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量相關(guān)，并且對(duì)于飛機(jī)安全進(jìn)行ETOPS飛行很重要的任何系統(tǒng)。

（1）失效—安全冗余特性與發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量直接相關(guān)的系統(tǒng)；

（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常功能的影響程度達(dá)到可能導(dǎo)致空中停車或非指令推力喪失的系統(tǒng)；

（3）對(duì)單發(fā)失效ETOPS改航的安全性至關(guān)重要，并且特意為因單發(fā)失效而喪失的系統(tǒng)提供冗余度的系統(tǒng)，包括備用系統(tǒng)；

（4）諸如防冰系統(tǒng)等，在單發(fā)高度延長(zhǎng)運(yùn)行所必需的系統(tǒng)。

組類2系統(tǒng)與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量無關(guān)，但是對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)行ETOPS飛行至關(guān)重要。

（1）某些失效狀態(tài)會(huì)降低飛機(jī)能力或機(jī)組處理ETOPS改航能力的系統(tǒng)；

（2）時(shí)間限制系統(tǒng)；

（3）系統(tǒng)失效會(huì)引起ETOPS改航過程中過多的機(jī)組工作負(fù)荷（比如在一次最大ETOPS改航中，令人疲乏不堪的飛行控制力，或要求持續(xù)燃油平衡以保持合適重心的系統(tǒng)失效）；

（4）為提高遠(yuǎn)程運(yùn)行和ETOPS改航安全性特意安裝的系統(tǒng)。

2 適航條款要求

CCAR-21-R4，CCAR-25-R4，CCAR-33-R2和CCAR-121-R7中 都 有ETOPS相 關(guān)的條款，涉及ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的條款主要內(nèi)容收錄在CCAR-25-R4附錄K中，其中提及ETOPS重要系統(tǒng)的條款有12項(xiàng)，如表2所示。

表2 ETOPS重要系統(tǒng)的條款要求Table 2 Airworthiness requirements of ETOPS significant systems

除表2所 列 的 條 款 外，K25.1.1和K25.1.6條款雖然沒有直接提到ETOPS重要系統(tǒng)，但是參考AC25.1535-1X的 解 讀，K25.1.1條 款 是ETOPS重要系統(tǒng)相應(yīng)要求的來源和通用性條款；而K25.1.6條款所要求的《構(gòu)型、維護(hù)和程序》（Configuration，Maintenance，and Procedures，以下簡(jiǎn)稱CMP）文件中主要構(gòu)型、運(yùn)行和維護(hù)要求、硬件壽命、MMEL等都和ETOPS重要系統(tǒng)密切相關(guān)。

CCAR-25-R4對(duì)ETOPS重要系統(tǒng)的要求中，可以歸結(jié)為以下六個(gè)方面的審查要素。

（1）申請(qǐng)人應(yīng)確定出候選飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合的ETOPS重要系統(tǒng)清單；

（2）型號(hào)設(shè)計(jì)階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證；

（3）試飛/服役階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證；

（4）申請(qǐng)人應(yīng)確定時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的時(shí)間性能；

（5）ETOPS重要系統(tǒng)相關(guān)的構(gòu)型、維護(hù)、程序等信息收錄在CMP文件中；

（6）模擬ETOPS重要系統(tǒng)失效的演示試飛。

3 ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法

適航條款中除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有空中停車率（In-Flight Shut Down）有 明 確 閥 值 要 求 外，對(duì) 其 他ETOPS重要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)并沒有明確的量化要求，因此在ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)過程中，申請(qǐng)人應(yīng)從飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和架構(gòu)出發(fā)，以安全性評(píng)估的定性分析過程為手段，同時(shí)需要考慮具體型號(hào)設(shè)計(jì)的ETOPS運(yùn)行目標(biāo)，如ETOPS最大飛行時(shí)間、最大ETOPS改航時(shí)間等，對(duì)全機(jī)各系統(tǒng)開展失效影響分析（Failure Effect Analysis），再依據(jù) 本文1.3節(jié)中列 出的ETOPS重要系統(tǒng)分類原則，從系統(tǒng)級(jí)到分系統(tǒng)級(jí)逐級(jí)進(jìn)行篩選，將失效影響對(duì)應(yīng)ETOPS重要系統(tǒng)分類原則的系統(tǒng)/分系統(tǒng)都列入ETOPS重要系統(tǒng)清單，然后再依據(jù)ETOPS重要系統(tǒng)分類原則進(jìn)行分類，最終形成ETOPS重要系統(tǒng)清單，并與適航當(dāng)局達(dá)成一致。

4 ETOPS重要系統(tǒng)的驗(yàn)證方法

ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證方法的過程分為兩個(gè)階段：設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段和試飛/服役驗(yàn)證階段。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證，主要是采用安全性評(píng)估的定量分析過程為手段，考慮平均ETOPS任務(wù)時(shí)間（綜合考慮飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合航程范圍內(nèi)會(huì)如何使用，并分析潛在可用的航線結(jié)構(gòu)和城市對(duì)而確定）和最大ETOPS改航時(shí)間，確認(rèn)滿足飛機(jī)在ETOPS航線飛行過程以及ETOPS改航期間的安全飛行和著陸要求。具體來說，對(duì)于飛機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)表明符合CCAR25.1309的 要 求；對(duì) 于 推 進(jìn) 系 統(tǒng)，則 應(yīng) 表 明 符 合CCAR25.901（c）的要求。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，如果出現(xiàn)個(gè)別系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備無法滿足ETOPS設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，那就需要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)更改。此時(shí)的設(shè)計(jì)更改，應(yīng)權(quán)衡考慮采用更為嚴(yán)格的維護(hù)/操作程序，或者增加限制，或者通過更換可靠性更高的系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備這三種方法中之一，如果能夠達(dá)到ETOPS設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，那就產(chǎn)生了ETOPS構(gòu)型項(xiàng)，應(yīng)納入到CMP文件中，驗(yàn)證過程如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證流程示意Fig.3 Verification process of ETOPS significant system in design and verification phase

如果上述三種方法都無法滿足ETOPS設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，那就要考慮更改系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，比如增加系統(tǒng)冗余度等。

試飛/服役驗(yàn)證階段的ETOPS重要系統(tǒng)驗(yàn)證，對(duì)于服役經(jīng)歷方法的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，采用候選飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合的ETOPS重要系統(tǒng)，在試飛/服役過程中可用的在役可靠性數(shù)據(jù)表明飛機(jī)系統(tǒng)的CCAR25.1309（b）條款的符合性，此時(shí)，候選飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合在試飛/服役驗(yàn)證階段的ETOPS重要系統(tǒng)評(píng)估是CMP要求的主要來源；而對(duì)于早期ETOPS方法的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，可以采用“技術(shù)轉(zhuǎn)移分析”（Technical Transfer Analysis）的方法，將早期ETOPS機(jī)型和候選飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合的試飛/服役過程的在役可靠性數(shù)據(jù)應(yīng)用于候選飛機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)組合的ETOPS重要系統(tǒng)評(píng)估中，相應(yīng)地，CMP要求增加了另一個(gè)來源：附錄K25.2.2（h）條指定的問題跟蹤和解決系統(tǒng)下遇到和報(bào)告的問題的糾正措施。

在 附 錄K25.2.1（e）、K25.2.2（g）、K25.3.1（c）和K25.3.2（d）要求的演示試飛中，要對(duì)服役過程中可能發(fā)生的ETOPS重要系統(tǒng)失效和故障的情況進(jìn)行模擬，并證明飛機(jī)的ETOPS改航能力。具體需要在演示試飛中模擬驗(yàn)證哪些ETOPS重要系統(tǒng)失效和故障狀態(tài)，由審查方和申請(qǐng)人共同決定。

5 有時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的審定

有時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)是一類比較特殊的ETOPS重要系統(tǒng)，所謂有時(shí)間限制，是指系統(tǒng)一旦開始工作，其功能/性能只能持續(xù)有限的時(shí)間。最典型的例子就是貨艙抑火系統(tǒng)，由于滅火瓶容量限制，滅火劑一旦開始釋放，其作用時(shí)間顯然是有時(shí)間限制的。

附錄K25.1.3（c）條款要求申請(qǐng)人確定每一個(gè)有時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間能力。附錄K25.1.7（d）要求AFM中列出最受時(shí)間限制的C級(jí)貨艙或行李艙火警抑制系統(tǒng)之外最受時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間能力，還要求AFM列出除C級(jí)貨艙或行李艙火警抑制系統(tǒng)之外最受時(shí)間限制的ETOPS重要系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間能力。由于這兩類ETOPS重要系統(tǒng)的時(shí)間能力在運(yùn)行規(guī)章中確定ETOPS航線最長(zhǎng)改航時(shí)間的方法不同，因而有必要在AFM中指定每一類ETOPS重要系統(tǒng)的時(shí)間能力。

針對(duì)不超過180 min的ETOPS和北太平洋區(qū)域內(nèi)的不超過207 min的ETOPS，在標(biāo)準(zhǔn)條件下靜止大氣以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效巡航速度備降至計(jì)劃的ETOPS指定備降機(jī)場(chǎng)所需的時(shí)間，不能超過該飛機(jī)時(shí)間限制最嚴(yán)格的ETOPS重要系統(tǒng)（包括貨艙抑火系統(tǒng)）所規(guī)定的最長(zhǎng)時(shí)間限制減去15 min。

針對(duì)超過180 min的ETOPS，對(duì)于貨艙抑火系統(tǒng)，在正常的全發(fā)巡航高度，修正了風(fēng)和溫度的影響，以全發(fā)運(yùn)行的巡航速度備降至計(jì)劃的ETOPS指定備降機(jī)場(chǎng)所需的時(shí)間，不能超過該飛機(jī)抑火系統(tǒng)的最大合格審定時(shí)限減去15 min；對(duì)于貨艙抑火系統(tǒng)之外的ETOPS重要系統(tǒng)，在正常的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效巡航高度上，修正了風(fēng)和溫度的影響，以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效巡航速度備降至計(jì)劃的ETOPS指定備降機(jī)場(chǎng)所需的時(shí)間，不能超過該飛機(jī)ETOPS重要系統(tǒng)（不包括貨艙抑火系統(tǒng)）最大時(shí)限減去15 min。

6 結(jié)論

（1）ETOPS重要系統(tǒng)適航審定是ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于制造商的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，以及運(yùn)營(yíng)商的ETOPS運(yùn)行都至關(guān)重要。

（2）本文所提出的ETOPS重要系統(tǒng)的確定方法和驗(yàn)證方法，在國(guó)內(nèi)大型民用客機(jī)項(xiàng)目工程實(shí)踐中得到了實(shí)踐檢驗(yàn)，并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。實(shí)踐證明，本文所提出的方法合理可行，并且能夠?yàn)榇笮兔裼每蜋C(jī)的ETOPS型號(hào)設(shè)計(jì)與審定工作提供指導(dǎo)。