HQRM方法在適航審定實踐中的應用

張 彤

(中國民用航空總局上海航空器適航審定中心 飛行性能室, 上海 200335)

HQRM方法在適航審定實踐中的應用

張 彤

(中國民用航空總局上海航空器適航審定中心 飛行性能室, 上海 200335)

總結歸納了需要采用操縱品質等級評定方法(HQRM)進行評估的演示失效清單的確定流程,評估了失效對操縱品質影響需要考慮的因素、試驗手段的選取原則、評估流程以及HQRM與危害性等級評定間的關系等,以解決目前適航審定實踐中有關HQRM評估方法在操作層面存在的問題。

HQRM; 系統安全性分析; 評定準則; 典型失效; 危害性等級

0 引言

操縱品質等級評定方法(HQRM)是美國聯邦航空局(FAA)針對運輸類飛機制定的基于駕駛員對操縱品質進行主觀評定的方法,該方法是隨著采用電子飛行控制系統(EFCS)技術飛機的研制而發展起來的。20世紀80年代末,空客公司研制的A320飛機和麥道公司的MD11飛機先后采用了EFCS技術,該技術通過使用控制律對飛機進行增強控制,改善了飛機操縱品質,同時采用操縱品質隨系統失效而逐漸降級的工作方式,這與傳統飛機有顯著不同。運輸類適航規章25部有關操縱性和穩定性的要求主要是針對傳統飛機制定的,并不完全適用于EFCS飛機。因此,FAA基于庫珀-哈珀方法[1]和美軍標[2]中操縱品質的主觀評價方法,制定了HQRM方法,并于1998年3月31日以咨詢通告AC 25-7A附錄7[3]的形式發布,截至目前,經兩次修訂已升版為AC 25-7C附錄5(2012年10月16日發布)。但除非制定專用條件,HQRM方法并不替代25.1301和25.1309條對系統和設備的要求,也不替代25.671和25.672條對操縱系統的要求[4]。

目前,FAA對EFCS飛機采用的審定政策對國內與國外并不相同。對美國國內飛機的審定,FAA并不制定有關HQRM的專用條件,而只是把HQRM作為建議的符合性方法以問題紀要(IP)方式提出,如HQRM方法頒布后FAA審定的737NG,757-300,767-400ER,777衍生型等飛機。對于美國以外飛機的審定通常制定或要求制定專用條件,用以替換FAR 25.672 (C)的要求,如空客A380、達索的FALCON 7X、中國商飛的ARJ21-700飛機等，這主要是因為其他適航當局并不一定采用HQRM的方法。截至目前，歐洲航空安全局(EASA)和FAA就HQRM方法的專用條件和符合性方法未達成一致,雙方還在作進一步的政策協調。

中國民用航空局(CAAC)目前對國內EFCS飛機的審定政策是接受申請人采用FAA咨詢通告AC 25-7A/B/C中的HQRM方法,并同時制定專用條件以替換CCAR 25.672 (C)要求,如在審的ARJ21-700飛機和C919飛機。

盡管AC 25-7A/B/C提供了HQRM方法,但過于簡要,沒有在實際操作層面對適航實踐提供具體指導和要求,諸如:如何確定HQRM評估的失效清單;主要從哪些方面考慮對操縱品質的影響;如何選取適合的試驗方法和手段;飛行試驗或模擬器的評估流程;HQRM等級評估與危害性等級評估的關系等。由于國內對EFCS飛機的適航審定工作剛剛起步,經驗相對缺乏,這些問題成為同時困擾申請人和局方的工作難題。

本文利用在國內外型號審定中積累的經驗,對HQRM方法在適航實踐上的具體操作進行總結、分析和歸納,提出操作建議,為國內運輸類以及其他EFCS飛機適航審定項目提供參考和借鑒。

1 HQRM失效清單的確定流程

1.1 清單的遴選

確定需進行HQRM評估的失效狀態清單是進行HQRM評估的前提條件。該清單主要考慮對操縱品質有影響的飛控系統失效狀態,從系統安全性分析(SSA)的失效狀態清單中進行遴選。在遴選過程中,主要從功能危害性分析(FHA)、失效模式和影響分析(FMEA)、系統接口分析(IA)角度出發,考慮所有的飛控系統(包括高升力系統)失效,這里的飛控系統失效具有廣義性,包括其他系統,如液壓系統、動力裝置失效而引起的飛控系統失效。對于這些失效,HQRM需要考慮失效概率小于每小時10e-9的單點失效和失效概率大于每小時10e-9的組合失效,這些失效對飛機的操縱品質有影響或本身就具有非同尋常的過渡響應。遴選流程見圖1。

圖1 失效清單遴選流程示意圖Fig.1 Flowchart of failure list selection

在遴選清單過程中,對失效清單中有關單個器件失效的確定,主要考慮飛行操縱、飛機監控、過渡響應、系統重構等對操縱品質有顯著影響的失效狀態,這些器件失效主要通過評估失效模式和影響分析(FMEA)得到;對清單中組合失效的確定,主要考慮用來驗證分析假設或用來驗證“最小可接受控制” 非極不可能的組合失效;還要考慮在功能危害性分析(FHA)中因功能失效引起駕駛員工作負荷變化的假設、有關全部喪失非關鍵系統的資源保障分析(RAA)假設,以及其他在服役中發生事故/事件報告的失效。

1.2 失效對操縱品質影響的評定準則

在判定是否需要對失效進行HQRM評估時,首先要確定哪些失效會對操縱品質產生影響。對操縱品質產生影響主要從飛機的響應/能力和駕駛員操縱兩個方面進行評估,評估內容應包括以下方面:(1)對駕駛員完成任務的桿力和桿位移的影響;(2)對飛機的動穩定性和靜穩定性的影響;(3)無駕駛員操縱輸入的狀態過渡響應;(4)在相應飛行包線內對完成任務操縱能力的影響;(5)是否引起振動(抖振、發動機葉片脫落、模態抑制等);(6)是否引起主要飛行數據的全部喪失或錯誤;(7)對飛機繼續安全飛行和著陸能力的影響;(8)失效對系統的影響要求駕駛員采取與以往不同的操縱。

對上述內容的評估是一項跨專業工作,需要相關專業間協調和協作。同時要強調試飛員在此項工作中的重要作用,對模擬器進行提前規劃,讓試飛員盡早介入。如果失效僅影響環境控制系統、導航系統、顯示系統(主飛行數據顯示除外)、飛行性能、ETOPS,那么通?？梢哉J為其對操縱品質沒有影響。

1.3 清單優化

通過對操縱品質和失效概率評估得到的失效清單可以進一步優化,減少試驗成本和時間。把具有相似失效影響的失效歸到一組,通過計算結果、風洞試驗數據、以往的工程經驗等進行分析對比,確定出最臨界的失效或組合失效,從臨界意義上被覆蓋的其他失效則不必進行試驗演示,如機翼沿展向外側擾流板的卡阻通常比內側擾流板卡阻對橫航向的力矩有更不利的影響。在確定這些失效和失效組合后,申請方應與適航當局協商,達成一致意見后,確定出優化后的試驗演示失效清單。

2 驗證手段選擇流程

對于驗證手段的選擇,可以根據失效情況采用供應商試驗室試驗、鐵鳥臺試驗或系統綜合試驗、工程模擬器試驗、飛行試驗等手段,具體流程見圖2。當鑒別出需要使用模擬器試驗或飛行試驗來進行驗證時,適航當局一般可接受的原則是:飛行試驗為第一優先手段。因為飛行試驗代表的是真實的飛行情況,如果飛行試驗風險極高或者實施飛行試驗不現實(通常包括:需要特殊的大氣條件,如風切變、紊流等;實現成本過于高昂;無法在真實飛機上進行故障模擬等),那么可以考慮使用模擬器。對于確定使用模擬器進行操縱品質評估的試驗,在試驗前對模擬器本身必須進行鑒定,確保逼真度能夠滿足試驗要求,并要得到局方認可。

圖2中需要說明的是，同樣的失效狀況可以要求多種試驗。在確定失效清單和驗證手段后,要編制飛行試驗大綱或模擬器試驗大綱,以及相應的飛行試驗任務書(試飛卡),典型工作流程見圖3。

圖2 失效驗證手段選擇流程Fig.2 Selection of failure condition demonstration means

圖3 評估計劃流程Fig.3 Flowchart of evaluation plan

3 試驗演示一般程序和典型失效

飛行試驗和工程模擬器HQRM評估的一般程序:

(1)加載HQRM評估需要的大氣擾動(僅工程模擬器);

(2)按要求狀態配平飛機;

(3)使用以下一種或幾種手段組合進行失效狀態模擬:

①飛機的控制開關;②為飛行試驗改裝的專用模擬裝置;③軟件;④飛行試驗程序;⑤信號控制(工程模擬器)。

(4)評估失效的狀態過渡特性;

(5)如必要,重新配平飛機;

(6)在相應包線內進行HQRM要求的飛行機動;

(7)評估操縱品質,給出HQRM評價等級和飛行員評語。

為了更好地理解演示科目的分配,下面給出某EFCS飛機在真實飛機和模擬器上進行演示的典型失效。

飛行試驗演示的失效:液壓系統失效(包括單個系統、雙系統失效);飛行控制模式失效(包括備份模式、直接模式);選定的器件或系統失效(包括擾流板急偏、兩個無線電高度表失效、升降舵感覺系統失效在低桿力情況、減速板手柄卡阻在打開位置、兩個迎角風標失效、自動襟翼/失速保護系統失效);高升力系統失效(包括前緣襟翼非對稱失效、后緣襟翼非對稱失效、縫翼無法伸出、縫翼/襟翼收上位置著陸);模擬雙發失效RAT釋放;大氣數據不一致。

模擬器試驗演示的失效: 作動器失效(包括未探測的副翼動力控制組件(PCU)急偏、一個副翼作動器卡阻、外側擾流板急偏、升降舵PCU急偏、未探測的喪失一個升降舵的PCU);操縱器件失效(包括副翼感覺和定中系統脫開、兩個駕駛盤脫開、盤力傳感器失效、方向舵感覺和定中系統脫開、有通告的方向舵配平滑移、雙側駕駛桿脫開、升降舵卡在大桿力情況);操縱器件卡阻(包括盤、桿、腳蹬卡阻);高升力系統失效(包括未通告的縫翼伸出、失去縫翼);大氣系統失效(總壓和靜壓)。

4HQRM等級評估與安全性分析

危害性等級的關系

HQRM等級評估來源于咨詢通告AC25-7A/B/C。根據AC25-7C,FAA對HQRM的評估等級進行了定義,主要從駕駛員體力、注意力、操縱、飛機能力和響應等方面的感受進行主觀評估。評估的等級分為“滿意”(SAT)、“足夠的”(ADQ)和“可控”(CON)三類[3,5]。

危害性等級的要求來源于飛機的系統安全性分析。中國民航規章25部第25.1309條對飛機型號設計的系統安全性目標提出要求,其中確定危害性等級以及對應的失效概率要求是安全性分析最為重要的內容。FAA和EASA對危害性等級從失效對飛機和成員的影響兩個方面進行評估,其分類情況也不盡相同,FAA定義的危害性等級分為“次要”、“主要”和“災難性”三個等級;EASA分為“次要”、“主要”、“危險性”和“災難性”4個等級。具體差別在《FAA系統安全手冊》中有詳盡描述[6]。

在審定實踐中,HQRM等級評估與安全性分析危害性等級評估兩者的關系往往被忽視甚至割裂,實際上兩者既有區別又有聯系。區別首先在于兩者的評估側重點不同,后者側重風險結果,也就是側重損失,是基于客觀評估;而前者更側重駕駛員對能否充分、安全完成任務的主觀感受。其次,兩者評估結果并沒有一一對應的關系,如“次要”危害性等級一定對于“滿意”操縱品質等級,也就是失效影響小必然導致操縱品質要求高。同時,兩者又有緊密聯系,失效狀態對應的操縱品質等級滿足規定的要求是保證危害性等級評估中對駕駛員工作負荷和飛機能否繼續飛行和著陸進行評估的前提。另外,特別強調對于兩者的評估可以在同一次試驗演示中完成,而不必分別做試驗進行評估?，F實審定實踐中存在將兩者割裂的情況,分別進行評估,無疑大大增加了研制成本和研制周期。

5 結束語

本文在FAA咨詢通告AC 25-7A/B/C基礎上,給出了HQRM方法在適航審定實踐中操作層面上的建議方法和流程。梳理和總結出了失效清單遴選流程、失效驗證手段選擇流程、評估計劃流程三個關鍵流程。歸納出了失效清單確定過程中需考慮的操縱品質評估內容和清單的優化方法;在驗證手段的選擇方面,提出了應以飛行試驗為首要手段,同時兼顧試驗的成本和風險,合理選擇其他替代手段的工作思路。另外,要關注HQRM等級評估與危害性等級的關系,做好試驗規劃,對兩者的評估可以在同一次試驗演示中完成,而不必分別評估以減少成本和時間風險。 鑒于目前國內有關HQRM方法還在探索和實踐中,希望本文提出的操作層面的建議方法和流程對于目前國內在審和以后研制的民用運輸類飛機能提供參考和借鑒。

[1] Cooper G E,Harper R P.The use of pilot rating in the evaluation of aircraft handling qualities[R].USA:National Aeronautics and Space Administration,1969.

[2] Department of Defense.MIL-HDBK-1797A Handbook flying qualities of piloted aircraft[S].USA:Department of Defense,1997.

[3] Federal Aviation Administration.AC 25-7A Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:Federal Aviation Administration,1998.

[4] 中國民用航空局.CCAR-25-R4 運輸類飛機適航標準[S].北京:中國民用航空局,2011.

[5] Federal Aviation Administration.AC 25-7C Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:Federal Aviation Administration,2012.

[6] Federal Aviation Administration.FAA system safety handbook [Z].UAS:Federal Aviation Administration,2000.

ApplicationofHQRMonairworthinesscertification

ZHANG Tong

(Flight Performance Division, Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)

This paper sums up the workflow to determine demonstration failure conditions list which needs to be evaluated by Handling Quality Rating Method (HQRM), evaluates the effects of the failure on handling qualities, rules for selecting the test means, evaluation procedure, and the relationship between HQRM and Hazard Severity, which aims to solve the HQRM evaluation problems in the current airworthiness certification practice.

handling quality rating method; system safety analysis; evaluation criteria; typical failure; hazard severity

V328.3

A

1002-0853(2013)06-0553-05

2013-03-11;

2013-06-18; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-10-22 14:14

張彤(1970-)，男，浙江仙居人，高級工程師，碩士，研究方向為性能操穩、結冰、噪聲等方面的適航審定。

(編輯：姚妙慧)