HQRM方法在适航审定实践中的应用

张 彤

(中国民用航空总局上海航空器适航审定中心 飞行性能室, 上海 200335)

HQRM方法在适航审定实践中的应用

张 彤

(中国民用航空总局上海航空器适航审定中心 飞行性能室, 上海 200335)

总结归纳了需要采用操纵品质等级评定方法(HQRM)进行评估的演示失效清单的确定流程,评估了失效对操纵品质影响需要考虑的因素、试验手段的选取原则、评估流程以及HQRM与危害性等级评定间的关系等,以解决目前适航审定实践中有关HQRM评估方法在操作层面存在的问题。

HQRM; 系统安全性分析; 评定准则; 典型失效; 危害性等级

0 引言

操纵品质等级评定方法(HQRM)是美国联邦航空局(FAA)针对运输类飞机制定的基于驾驶员对操纵品质进行主观评定的方法,该方法是随着采用电子飞行控制系统(EFCS)技术飞机的研制而发展起来的。20世纪80年代末,空客公司研制的A320飞机和麦道公司的MD11飞机先后采用了EFCS技术,该技术通过使用控制律对飞机进行增强控制,改善了飞机操纵品质,同时采用操纵品质随系统失效而逐渐降级的工作方式,这与传统飞机有显著不同。运输类适航规章25部有关操纵性和稳定性的要求主要是针对传统飞机制定的,并不完全适用于EFCS飞机。因此,FAA基于库珀-哈珀方法[1]和美军标[2]中操纵品质的主观评价方法,制定了HQRM方法,并于1998年3月31日以咨询通告AC 25-7A附录7[3]的形式发布,截至目前,经两次修订已升版为AC 25-7C附录5(2012年10月16日发布)。但除非制定专用条件,HQRM方法并不替代25.1301和25.1309条对系统和设备的要求,也不替代25.671和25.672条对操纵系统的要求[4]。

目前,FAA对EFCS飞机采用的审定政策对国内与国外并不相同。对美国国内飞机的审定,FAA并不制定有关HQRM的专用条件,而只是把HQRM作为建议的符合性方法以问题纪要(IP)方式提出,如HQRM方法颁布后FAA审定的737NG,757-300,767-400ER,777衍生型等飞机。对于美国以外飞机的审定通常制定或要求制定专用条件,用以替换FAR 25.672 (C)的要求,如空客A380、达索的FALCON 7X、中国商飞的ARJ21-700飞机等，这主要是因为其他适航当局并不一定采用HQRM的方法。截至目前，欧洲航空安全局(EASA)和FAA就HQRM方法的专用条件和符合性方法未达成一致,双方还在作进一步的政策协调。

中国民用航空局(CAAC)目前对国内EFCS飞机的审定政策是接受申请人采用FAA咨询通告AC 25-7A/B/C中的HQRM方法,并同时制定专用条件以替换CCAR 25.672 (C)要求,如在审的ARJ21-700飞机和C919飞机。

尽管AC 25-7A/B/C提供了HQRM方法,但过于简要,没有在实际操作层面对适航实践提供具体指导和要求,诸如:如何确定HQRM评估的失效清单;主要从哪些方面考虑对操纵品质的影响;如何选取适合的试验方法和手段;飞行试验或模拟器的评估流程;HQRM等级评估与危害性等级评估的关系等。由于国内对EFCS飞机的适航审定工作刚刚起步,经验相对缺乏,这些问题成为同时困扰申请人和局方的工作难题。

本文利用在国内外型号审定中积累的经验,对HQRM方法在适航实践上的具体操作进行总结、分析和归纳,提出操作建议,为国内运输类以及其他EFCS飞机适航审定项目提供参考和借鉴。

1 HQRM失效清单的确定流程

1.1 清单的遴选

确定需进行HQRM评估的失效状态清单是进行HQRM评估的前提条件。该清单主要考虑对操纵品质有影响的飞控系统失效状态,从系统安全性分析(SSA)的失效状态清单中进行遴选。在遴选过程中,主要从功能危害性分析(FHA)、失效模式和影响分析(FMEA)、系统接口分析(IA)角度出发,考虑所有的飞控系统(包括高升力系统)失效,这里的飞控系统失效具有广义性,包括其他系统,如液压系统、动力装置失效而引起的飞控系统失效。对于这些失效,HQRM需要考虑失效概率小于每小时10e-9的单点失效和失效概率大于每小时10e-9的组合失效,这些失效对飞机的操纵品质有影响或本身就具有非同寻常的过渡响应。遴选流程见图1。

图1 失效清单遴选流程示意图Fig.1 Flowchart of failure list selection

在遴选清单过程中,对失效清单中有关单个器件失效的确定,主要考虑飞行操纵、飞机监控、过渡响应、系统重构等对操纵品质有显著影响的失效状态,这些器件失效主要通过评估失效模式和影响分析(FMEA)得到;对清单中组合失效的确定,主要考虑用来验证分析假设或用来验证“最小可接受控制” 非极不可能的组合失效;还要考虑在功能危害性分析(FHA)中因功能失效引起驾驶员工作负荷变化的假设、有关全部丧失非关键系统的资源保障分析(RAA)假设,以及其他在服役中发生事故/事件报告的失效。

1.2 失效对操纵品质影响的评定准则

在判定是否需要对失效进行HQRM评估时,首先要确定哪些失效会对操纵品质产生影响。对操纵品质产生影响主要从飞机的响应/能力和驾驶员操纵两个方面进行评估,评估内容应包括以下方面:(1)对驾驶员完成任务的杆力和杆位移的影响;(2)对飞机的动稳定性和静稳定性的影响;(3)无驾驶员操纵输入的状态过渡响应;(4)在相应飞行包线内对完成任务操纵能力的影响;(5)是否引起振动(抖振、发动机叶片脱落、模态抑制等);(6)是否引起主要飞行数据的全部丧失或错误;(7)对飞机继续安全飞行和着陆能力的影响;(8)失效对系统的影响要求驾驶员采取与以往不同的操纵。

对上述内容的评估是一项跨专业工作,需要相关专业间协调和协作。同时要强调试飞员在此项工作中的重要作用,对模拟器进行提前规划,让试飞员尽早介入。如果失效仅影响环境控制系统、导航系统、显示系统(主飞行数据显示除外)、飞行性能、ETOPS,那么通常可以认为其对操纵品质没有影响。

1.3 清单优化

通过对操纵品质和失效概率评估得到的失效清单可以进一步优化,减少试验成本和时间。把具有相似失效影响的失效归到一组,通过计算结果、风洞试验数据、以往的工程经验等进行分析对比,确定出最临界的失效或组合失效,从临界意义上被覆盖的其他失效则不必进行试验演示,如机翼沿展向外侧扰流板的卡阻通常比内侧扰流板卡阻对横航向的力矩有更不利的影响。在确定这些失效和失效组合后,申请方应与适航当局协商,达成一致意见后,确定出优化后的试验演示失效清单。

2 验证手段选择流程

对于验证手段的选择,可以根据失效情况采用供应商试验室试验、铁鸟台试验或系统综合试验、工程模拟器试验、飞行试验等手段,具体流程见图2。当鉴别出需要使用模拟器试验或飞行试验来进行验证时,适航当局一般可接受的原则是:飞行试验为第一优先手段。因为飞行试验代表的是真实的飞行情况,如果飞行试验风险极高或者实施飞行试验不现实(通常包括:需要特殊的大气条件,如风切变、紊流等;实现成本过于高昂;无法在真实飞机上进行故障模拟等),那么可以考虑使用模拟器。对于确定使用模拟器进行操纵品质评估的试验,在试验前对模拟器本身必须进行鉴定,确保逼真度能够满足试验要求,并要得到局方认可。

图2中需要说明的是，同样的失效状况可以要求多种试验。在确定失效清单和验证手段后,要编制飞行试验大纲或模拟器试验大纲,以及相应的飞行试验任务书(试飞卡),典型工作流程见图3。

图2 失效验证手段选择流程Fig.2 Selection of failure condition demonstration means

图3 评估计划流程Fig.3 Flowchart of evaluation plan

3 试验演示一般程序和典型失效

飞行试验和工程模拟器HQRM评估的一般程序:

(1)加载HQRM评估需要的大气扰动(仅工程模拟器);

(2)按要求状态配平飞机;

(3)使用以下一种或几种手段组合进行失效状态模拟:

①飞机的控制开关;②为飞行试验改装的专用模拟装置;③软件;④飞行试验程序;⑤信号控制(工程模拟器)。

(4)评估失效的状态过渡特性;

(5)如必要,重新配平飞机;

(6)在相应包线内进行HQRM要求的飞行机动;

(7)评估操纵品质,给出HQRM评价等级和飞行员评语。

为了更好地理解演示科目的分配,下面给出某EFCS飞机在真实飞机和模拟器上进行演示的典型失效。

飞行试验演示的失效:液压系统失效(包括单个系统、双系统失效);飞行控制模式失效(包括备份模式、直接模式);选定的器件或系统失效(包括扰流板急偏、两个无线电高度表失效、升降舵感觉系统失效在低杆力情况、减速板手柄卡阻在打开位置、两个迎角风标失效、自动襟翼/失速保护系统失效);高升力系统失效(包括前缘襟翼非对称失效、后缘襟翼非对称失效、缝翼无法伸出、缝翼/襟翼收上位置着陆);模拟双发失效RAT释放;大气数据不一致。

模拟器试验演示的失效: 作动器失效(包括未探测的副翼动力控制组件(PCU)急偏、一个副翼作动器卡阻、外侧扰流板急偏、升降舵PCU急偏、未探测的丧失一个升降舵的PCU);操纵器件失效(包括副翼感觉和定中系统脱开、两个驾驶盘脱开、盘力传感器失效、方向舵感觉和定中系统脱开、有通告的方向舵配平滑移、双侧驾驶杆脱开、升降舵卡在大杆力情况);操纵器件卡阻(包括盘、杆、脚蹬卡阻);高升力系统失效(包括未通告的缝翼伸出、失去缝翼);大气系统失效(总压和静压)。

4HQRM等级评估与安全性分析

危害性等级的关系

HQRM等级评估来源于咨询通告AC25-7A/B/C。根据AC25-7C,FAA对HQRM的评估等级进行了定义,主要从驾驶员体力、注意力、操纵、飞机能力和响应等方面的感受进行主观评估。评估的等级分为“满意”(SAT)、“足够的”(ADQ)和“可控”(CON)三类[3,5]。

危害性等级的要求来源于飞机的系统安全性分析。中国民航规章25部第25.1309条对飞机型号设计的系统安全性目标提出要求,其中确定危害性等级以及对应的失效概率要求是安全性分析最为重要的内容。FAA和EASA对危害性等级从失效对飞机和成员的影响两个方面进行评估,其分类情况也不尽相同,FAA定义的危害性等级分为“次要”、“主要”和“灾难性”三个等级;EASA分为“次要”、“主要”、“危险性”和“灾难性”4个等级。具体差别在《FAA系统安全手册》中有详尽描述[6]。

在审定实践中,HQRM等级评估与安全性分析危害性等级评估两者的关系往往被忽视甚至割裂,实际上两者既有区别又有联系。区别首先在于两者的评估侧重点不同,后者侧重风险结果,也就是侧重损失,是基于客观评估;而前者更侧重驾驶员对能否充分、安全完成任务的主观感受。其次,两者评估结果并没有一一对应的关系,如“次要”危害性等级一定对于“满意”操纵品质等级,也就是失效影响小必然导致操纵品质要求高。同时,两者又有紧密联系,失效状态对应的操纵品质等级满足规定的要求是保证危害性等级评估中对驾驶员工作负荷和飞机能否继续飞行和着陆进行评估的前提。另外,特别强调对于两者的评估可以在同一次试验演示中完成,而不必分别做试验进行评估。现实审定实践中存在将两者割裂的情况,分别进行评估,无疑大大增加了研制成本和研制周期。

5 结束语

本文在FAA咨询通告AC 25-7A/B/C基础上,给出了HQRM方法在适航审定实践中操作层面上的建议方法和流程。梳理和总结出了失效清单遴选流程、失效验证手段选择流程、评估计划流程三个关键流程。归纳出了失效清单确定过程中需考虑的操纵品质评估内容和清单的优化方法;在验证手段的选择方面,提出了应以飞行试验为首要手段,同时兼顾试验的成本和风险,合理选择其他替代手段的工作思路。另外,要关注HQRM等级评估与危害性等级的关系,做好试验规划,对两者的评估可以在同一次试验演示中完成,而不必分别评估以减少成本和时间风险。 鉴于目前国内有关HQRM方法还在探索和实践中,希望本文提出的操作层面的建议方法和流程对于目前国内在审和以后研制的民用运输类飞机能提供参考和借鉴。

[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] 中国民用航空局.CCAR-25-R4 运输类飞机适航标准[S].北京:中国民用航空局,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">网络出版时间

时间:2013-10-22 14:14

张彤(1970-)，男，浙江仙居人，高级工程师，硕士，研究方向为性能操稳、结冰、噪声等方面的适航审定。

(编辑：姚妙慧)