民用运输类飞机最小飞行机组的适航符合性验证研究

黄二利 王 飞

（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）

0 前言

在世界民用航空的发展过程中，为确保民用航空活动的安全，保障公众的合法权益，在民用飞机的设计研制过程中，政府代表公众制定了一系列的适航规章，对民用飞机的制造人进行监督。民用飞机的制造人必须向局方表明飞机满足相应的适航标准，才能允许进入市场。适用于我国正在研制的某大型客机的适航标准是CCAR-25，同时为进入世界市场，它还要满足国际上主要的适航标准，如美国联邦航空局（FAA）制定的《运输类飞机适航标准》（FAR-25），欧洲航空安全局制定的《大型运输类飞机审定规范》（CS-25）。对于25.1523，即最小飞行机组条款要求，美国、欧洲、中国的运输类飞机适航标准完全一样，但这并不意味着最小飞行机组的适航符合性验证比较容易。相反，最小飞行机组的确定是一个多学科综合、复杂的适航验证问题，国外民用航空强国在这方面已经进行了大量的研究，国内在这方面还处于起步阶段，对于中国民机来说是适航取证的难点之一，需要投入科研力量进行专门研究。

1 最小飞行机组的由来

1964年1月1日以前，美国民用航空条例 （CAR）第40.263、41.263、42.263条规定，为保证安全运行，凡最大审定起飞重量超过8万磅，或最大审定起飞重量超过3万磅且装配4台发动机的民用飞机必须配备一名随机机械师。当时的民用运输类飞机除了正副驾驶员，可能还有随机机械师、领航员、通讯员，共计可能多达5名。随着民用运输类飞机驾驶舱的设计朝着紧凑、自动化方向发展，驾驶员的工作量也逐步降低，人们开始意识到仅依据飞机的最大起飞重量和发动机台数来确定是否需要一名随机机械师是不科学的。1965年5月28日，在美国工业界和联邦航空局的共同努力下，FAR-25第3号修正案正式生效，它在FAR-25中增加条款25.1523和附录D，分别介绍最小飞行机组要求和具体确定标准，为1964年1月1日以后申请型号合格证的运输类飞机建立了确定最小飞行机组的审定标准[1]。1981年初，美国总统华盛顿要求成立特别工作组，以研究由两人飞行机组来驾驶新一代民用运输类飞机是否安全。特别工作组的研究结果表明：由两人飞行机组驾驶新一代民用运输类飞机是安全的[2]。

上世纪80年代初，中国民用航空局在借鉴航空发达国家的《运输类飞机适航标准》，特别是在FAR-25的基础上制订了CCAR-25。1985年12月31日，CCAR-25正式发布，目前有效适用的版本于2011年11月7日发布,规章中条款第25.1523条和附录D的标准与FAR-25保持一致。

2 最小飞行机组的适航要求

《运输类飞机适航标准》第25.1523条款规定，在适航验证过程中必须考虑以下三个方面来确保安全运行：（1）每名机组成员的工作量；（2）有关机组成员对必需的操纵器件的可达性和操作简易性；（3）按第25.1525条所核准的运行类型。运输类飞机适航标准附录D规定了确定最小飞行机组的准则，具体为下列6个基本工作职能和10个工作量因素以及核准的运行类型[3-5]：

6 个基本工作职能是∶（1）飞行航迹控制；（2）防撞；（3）导航；（4）通讯；（5）飞机发动机和系统的操作和监控；（6）指挥决策。

10个工作量因素是：（1）有关操纵器件的可达性和简便程度；（2）仪表和故障警告装置的可达性和醒目程度；（3）操作程序的数量、紧迫性和复杂性；（4）各种运行状态下消耗精力和体力的大小和持续时间；（5）在航路飞行中需对各系统进行监控的程度；（6）需要机组成员离开座位才能完成的动作；（7）飞机系统的自动化程度；（8）通讯和导航的工作量；（9）由于任意应急情况可导致其它应急情况而增加工作量的可能性；（10）当适用的营运规则要求至少由两名驾驶员组成最小飞行机组时，一名机组成员因故不能工作。

确定核准的运行类型时，要求考虑该飞机运行所依据的营运规则，即在目视飞行规则下运行还是在仪表飞行规则下运行,是否要在结冰气象条件下运行，是否跨水域运行等，不同的运行类型在试验场景的设计中有不同的考虑。

3 验证最小飞行机组适航符合性考虑的因素

通常，飞机在初步设计阶段就会确定所需飞行机组的数量，运输类飞机最小飞行机组适航符合性验证的目的是进一步确认：设计的最小飞行机组在已定的设备配置条件和预期真实的运行环境条件下能够始终安全地驾驶飞机，且每名飞行机组的工作量符合适航标准。

若在验证过程中发现任何不满足标准的地方，应通过系统的重新设计或操作程序的调整来重新分配工作量以满足适航标准的要求。尽管25.1523条款阐明了适航验证需考虑的因素，附录D列出了详细的评定标准，但是实际评定飞行机组工作量的方法远不是那么容易操作的。

民用运输类飞机最小飞行机组的适航符合性验证程序的复杂性可能由于型号的不同而不同，这主要取决于该机是一架全新研制的飞机，还是已取得型号合格证飞机的改进型，是要减少已取型号合格证飞机原定的飞行机组人数，还是申请会显著增加飞行机组人员工作量的设计更改或补充型号合格证。

为确保最小飞行机组的适航符合性验证顺利进行，飞机型号合格证申请人应在飞机研制阶段就与运输类飞机型号合格审定方就机组定员和他们的工作量进行交流。交流应集中在识别出那些可能对飞行机组工作量有影响的设计特征，并在以后通过分析、演示和试验来证实这些设计特征不会对任何一名飞行机组造成过重的工作量。每名飞行机组的职责和任务必须合适，能保证头脑清醒地持续飞行[6]。

4 验证最小飞行机组适航符合性的方法

验证适航规章25.1523条款的符合性方法包括分析和试验，试验可分为模拟器试验和真实飞行试验。飞行试验可用来证实分析和模拟器试验的结果。针对具体的驾驶舱设计，飞机型号合格证申请人应在设计工作早期就进行分析，分析方法的选择要基于该方法对审定飞机驾驶舱构型预测的有效性、可靠性和适用性，同时要特别考虑更改和是否装有新设备，以及可用对比参考机型的适用性。

4.1 分析法

分析法最适用于设计的初期，具有成本低、耗时少等优点，可在设计初期就发现不合理的设计，从而优化操作程序，缺点是需要大量的使用统计数据。按照是否有可对比的参考机型，分析法可分为单独分析法和与参考机型的对比分析法。

4.1.1 单独分析法

单独分析法适用于无参考机型的新颖独特设计，最常用的一种分析方法是时间线分析法（Time Line Analysis）[6],它把工作量评估表示为完成各项任务的实际需用时间相比可用时间的百分比。本方法适用于在操作上有明显时间限制的一组飞行阶段，还非常适合于评估明显的与飞行员任务相关的驾驶舱改变，如操纵器件的移动、数据的输入。使用本方法通常要仔细选出一些在操作要求上具有代表性 （包括正常、非正常和应急程序）的飞行场景和时间段。当使用时间线分析法分析任务时，任务必须在重要的操作限制时间内执行才能得到有价值的数据。要使本方法有应用价值，还必须精确确定可用时间。根据该分析方法得出的时间虽然不能直接当作是绝对标准，但可供后续进行的模拟器或飞行试验识别增加的工作量，并可与使用中飞机的飞行机组工作量进行比较。凡驾驶舱的更改影响到应急或非正常程序的制订或执行时，还应进行专项评估。

4.1.2 与参考机型的对比分析法

在确定一项新设计是否符合适航标准时，除了要使用单独分析法分析外，还通常要采用将新设计与已在运行服务中得到证实的成熟设计进行对比的方法。选择参考机型时要考虑新设计与参考机型在飞机的类型和构型、预期使用用途、驾驶舱布局、驾驶舱系统的功能、机组操作程序等方面的相似性。通过对新设计在专门设计的飞行场景下进行分析，并将结果与已知参考机型进行比较，就可得到可靠的结果来证实新设计满足适航要求。如果新设计仅是对参考驾驶舱的一种改进，并未增加影响机组工作量的重要系统，则可直接进行比较。若运行经验表明，装有与新设计类似系统的参考驾驶舱或飞机存在某些缺陷，则要在新设计中加以改进，不能让问题遗留下来，甚至在新设计中使问题变得更大。在初步分析中发现的潜在问题要进行重点评估和分析，直到问题得到解决。

如果新设计与参考飞机相比，在自动化程序和驾驶员职责等方面有重大变化，那么与参考飞机的分析比较的价值就不是很大了。如果没有可靠的有关完成正常和应急程序所需时间的数据，则应通过飞行模拟器试验和（或）飞行试验来验证其对运输类飞机适航标准 25.1523条款的符合性。

4.2 试验

只有经过有经验的、培训合格的且还在从事飞行的飞行员试飞后，才能最后确定运输类飞机的最小飞行机组。担任评估的驾驶员不能仅限于飞机型号合格证申请人的飞行员和飞机型号合格审查方的飞行员，还要包括正在航空公司驾驶相似飞机执行例行飞行的航线飞行员，他们可基于实际运行经验做出更加权威的判断。试验要在能代表预期运行类型的试验场景下进行，按照模拟器试验与飞行试验的不同特点，需确定模拟器试验场景和飞行试验场景，还要记录和分析试验数据。

4.2.1 试验场景的设计

试验场景的设计要覆盖运输类飞机适航标准25.1523条款三个方面的考虑因素和附录D的6个基本职能和10个工作量因素以及核准的运行类型。通常在制定运输类飞机最小飞行机组的适航符合性验证计划时要考虑以下因素[6]：

1）航路，验证计划中选择的航路应在导航手段、机场条件、仪表设备和空中交通管制等方面具有综合代表性。

2）气象，验证计划中选择的航路应能提供飞机预计运行条件下可能遇到的不利气象条件，例如仪表飞行气象条件、夜间飞行、扰流和结冰等。

3）机组工作计划，应向试飞机组制定代表研制飞机运行类型的日常工作计划。该计划包括工作日持续时间，预计出发和到达的最多次数，夜间起飞次数，允许驾驶员出勤的最多次数和最少的休息间隔时间。

4）最低设备清单，应在验证计划中纳入具有最低设备清单的典型派遣构型。这种派遣构型与模拟的故障相组合可构成设计试验场景的基础。

5）空中交通密度，飞机应在仪表飞行气象条件和目视飞行气象条件下，在典型的空中交通高密度区的航线上飞行。同时也应包括精密和非精密进近、等待着陆、中断着陆和转向备降机场。

6）机组人员失去工作能力，当被审定飞机设计的最小飞行机组为两人时，验证计划必须考虑在飞行的任何阶段，当一名驾驶员完全失去工作能力后，另外一名驾驶员仍能安全地驾驶飞机并能在预定或非预定的备降机场安全地降落。

7）系统失效，应在验证计划中考虑系统从正常模式转为失效模式时所造成的影响。不仅要考虑主、次系统的失效，并且应包括具有代表性的组合失效情况。

8）应急和非正常情况，验证计划中应列有典型的应急和非正常情况，以研究它们对机组工作量的影响。在验证计划制定需考虑的系统失效前，必须先对它们进行模拟和分析研究，以掌握在应急和非正常情况下操作飞机的工作量分布，确保选择合适的失效模式。

4.2.2 模拟器试验场景和飞行试验场景的确定

考虑上述因素确定试验场景后，就要进一步确定哪些试验场景由模拟器来试验，哪些场景由真实飞机试验。模拟器试验相比飞行试验具有成本相对低、风险小的优点，但却无法完全模拟真实运行环境下的飞行状态，尤其是飞行员在模拟器飞行时要比在真实飞行试验中心理感觉轻松得多，但一些高风险、气象条件不易捕获的试验场景又不可能在真实的飞机上实施，而只能采用模拟器试验。归纳起来，确定采用模拟器试验还是真实飞机飞行试验通常要考虑以下因素：（1）试验的风险程度，风险太高无法在真实飞机上试验时应考虑采用模拟器试验，如一台发动机起火；（2）所选择的气象条件难以捕捉到，如风切变、大侧风条件下的试飞；（3）可用模拟器构型与真实飞机构型的相似性程度，只有模拟器可以以足够的精度模拟被审定飞机时，才可用模拟器试验代替真实飞行试验；（4）是全新设计的飞机还是在原有已取得型号合格证飞机基础上的改型，若是在已取得型号合格证飞机上的改型，则可考虑以较多的模拟器试验来代替飞行试验。

4.2.3 试验数据的记录和分析

运输类飞机最小飞行机组的适航符合性验证归根到底是要证明在预期真实的运行环境中，每名机组的实际工作量都不超过机组的人为表现。由于影响机组工作量的因素非常复杂，工作量本身也难以量化，而且参与评估的人员来自不同的背景，所以目前结合试验（包括模拟器试验和飞行试验）的评估方法不仅有飞行员主观评定法，还有生理测量、性能评判法等三类。主要的飞行员主观评定法有Cooper-Harper Scale，Bedford Scale，SWAT (Subjective Workload Assessment Technique)，NASA-TLX(Task Load Index)[7]。这些主观评估法通过参与评估的飞行员试验后填写相应表格和问卷来比较被审定飞机与对比参考机型在相同或相似运行场景下操作飞机的难易程度来确定被审定飞机的工作量是否可被接受。生理测量法通过测量飞行员在整个飞行过程中的心跳、眨眼频率、呼吸频率等生理现象来判定机组的工作量。性能评判法通过测量操作参数的方法来判定机组工作量相比参考机型的增减。试验的过程中，驾驶舱内通常还要设置摄像录音设备，并安排飞行工程师、人为因素专家作为观察员来记录飞行机组的操作过程，机组错误（包括错误发生的次数、从错误中恢复的时间、由错误引发的不正常操作等），飞行机组之间及与客舱和地面人员的通信等。最后，综合所有采集的数据来确定被审定飞机的最小飞行机组是否满足适航标准的要求。

5 总结与展望

本文研究了验证最小飞行机组所需考虑的因素和适航符合性验证方法，其研究结果对我国民用运输类飞机最小飞行机组的适航符合性验证具有一定的指导作用，同时可作为CCAR-23部正常类、实用类、特技类、通勤类小飞机验证最小飞行机组适航要求的参考资料。随着科技的发展，验证民用运输类飞机最小机组的适航符合性验证方法将向着更加客观、更加自动化、更加高效、更加精确的方向发展，一些高科技的设备将被用于确定民用飞机的最小飞行组，如脑电波测量仪、肌电图测量仪。由于篇幅所限，本文中的很多地方都没有展开论述，希望在后续的研究中能做更加深入的探索。

［1］FAR Part 25 Amendment No∶25-3.Minimum Flight Crewmember Requirements for Transport Category Airplanes[R].Federal Aviation Administration,1965.

［2］McLucas,John L.;Drinkwater,Fred J.,III;Leaf,Howard W.Report of the President’s Task Force on Aircraft Crew Complement[R].President’s Task Force on Aircraft Crew Complement Washington DC,1981.

［3］CCAR-25-R4中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局,2011.

［4］FAR Part 25.Airworthiness Standards∶Transport Category Airplanes[S].Washington∶Federal Aviation Administration,2011.

［5］CS-25 Amendment 11.Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [S].Koeln,Germany∶European Aviation Safety Agency,2011.

［6］FAA AC No∶25.1523-1.Minimum flight crew[S].Washington∶Federal Aviation Administration,1993.

［7］Susana Rubio,*Eva Díaz,Jesús Martín and José M.Puente,Evaluation of Subjective Mental Workload∶A Comparison of SWAT,NASA-TLX,and Workload Profile Methods[J].Applied Psychology∶An International Review,2004,53(1)∶61-86.