ETOPS特点与设计的特殊考虑

谢辉松 / XIE Huisong (上海飞机设计研究院，上海201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

ETOPS特点与设计的特殊考虑

谢辉松 / XIE Huisong
(上海飞机设计研究院，上海201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

ETOPS广泛应用于远程、跨洋、极地的飞行。回顾了ETOPS规章的演变和应用以及ETOPS的特点，并从飞机设计的角度提出了ETOPS型号设计需关注的若干要点。通过多视角的回顾，更加直观地体现了ETOPS设计的内涵，可为ETOPS型号设计提供参考。

延程运行；ETOPS；飞机设计；改航

0 引言

随着航空公司执飞延程运行(Extended Operations,简称ETOPS)航线的增多，以及国产大型客机研制的深入，越来越多的人对ETOPS这项技术有更多的研究。一些作者对ETOPS的应用和展望进行了阐述[1-3]，还有一些作者从型号设计与取证的角度，论述ETOPS的设计和适航验证技术[4-7]。此外，CAAC、FAA、EASA等适航机构均对ETOPS的型号设计提出了相应的标准[8-10]。

毋庸置疑，ETOPS技术，尤其是ETOPS设计和型号验证方面在我国还处于探索阶段，国内尚未有一款民用飞机获得ETOPS型号设计批准。

本文将从ETOPS规章的演变和应用出发，通过对ETOPS设计特殊考虑的揭示，逐步剖析ETOPS技术的特征和设计要点。希望本文的论述能够为广大从事ETOPS型号设计和取证相关的技术人员起到抛砖引玉的作用，让他们对ETOPS的型号设计有更新、更全面的认识。

1 ETOPS的应用和要求

1.1 ETOPS定义和发展

ETOPS指的是飞机航路上的某点，在标准大气条件下静止大气中以一台发动机不工作的巡航速度飞行至合适机场的飞行时间超出规定值。该时间规定值，对于双发飞机为60min，两发以上的多发载客飞机为180min。上述关于双发飞机的时间规定就是后来被称为“60分钟规则”的FAR121.161条款。60min的最大改航时间要求是与20世纪50年代的活塞式发动机可靠性相对应的。而随着涡扇喷气发动机的诞生，通过使用不断证明了其可靠性高的优势，同时也随着飞机系统设计可靠性的提高，航空工业对于双发飞机偏离“60分钟规则”的呼声越来越大，适航当局也逐步认识并同意了这种偏离。图1反映了FAA在不同时期ETOPS规章政策的演变以及ETOPS用于商业飞行的若干历史性时刻。其中，图中方框内数字为ETOPS运行批准等级，圆圈内数字为对应运行等级所需的最低ETOPS型号设计批准等级。比如，对于进行ETOPS90、ETOPS120、ETOPS138分钟的运营，该飞机应至少具备120分钟的ETOPS能力。

ETOPS的定义至少揭示了ETOPS飞行的以下两个特点：

1)最大改航时间/距离相对非ETOPS飞行增大了；

2)ETOPS飞行包括正常飞行和改航，只要航路上存在ETOPS定义中的某点，而不论该飞行是否发生改航，还是有无发生飞机系统失效。

有资料显示，1984年全球每个月的ETOPS飞行只有10次，ETOPS运营人只有4家；2014年全球每个月的ETOPS飞行已达到58 000次，ETOPS运营人已达到276家。

1.2 ETOPS应用及要求

ETOPS主要用于越洋飞行以及飞越沙漠等偏僻陆地地区，这些区域的共同特点是可供飞行改航备降的机场较少。

ETOPS运行极大地增强了航空公司航线设置的灵活性，缩短了航程，节省了燃油，同时也为乘客节省了飞行时间，降低了旅行成本。

为获得ETOPS运行资格，ETOPS运营人(如航空公司)也需要按照规章要求[11-12]付出相应的“代价”。对于双发飞机，主要包括以下几方面：

1)更严格的ETOPS维修要求；

2)更严格的ETOPS维修训练要求；

3)特殊的ETOPS飞行操作要求；

4)特殊的飞行操作训练要求。

考虑到ETOPS运行改航备降机场较远/稀少、部分运行区域气象环境较恶劣、燃油耗尽危险性增大等可能危及ETOPS飞行安全的问题，适航规章从备降机场选择、签派/放行、通信要求、备用油要求、防火及旅客救援等多方面进行了规定。表1给出了可能影响ETOPS设计的ETOPS运行规章要求。

表1 ETOPS设计阶段应考虑的运行规章要求

2 ETOPS设计的特殊考虑

2.1 ETOPS的设计理念

自ETOPS定义实施以来，ETOPS设计理念一直没有改变，那就是：防止改航，保护改航安全。一方面通过设计可靠的飞机发动机及系统，防止ETOPS改航的发生；如果发生改航，应通过设计使ETOPS改航和着陆所需的最低飞机系统/功能可用，以保护改航安全。

ETOPS设计应关注以下几点：

1)识别改航事件。通过安全性评估，识别出那些导致ETOPS改航的失效。改航事件往往是时间紧迫事件，也就是说出现这种失效后，如果继续飞行将是不安全的、不适航的。

2)确定导致改航失效的设计可靠性。一般地，除发动机失效外，导致ETOPS改航失效的设计可靠性目标应尽可能高，即尽可能降低导致ETOPS改航的失效概率。

3)足够低的发动机空中停车率。发动机空中停车率考核的是飞机-发动机组合的世界机队空中停车率，它应与拟申请批准的ETOPS等级相对应。

4)识别改航所需的最低飞机系统功能。一般应通过操作和使用判断的方法，确定ETOPS改航所需的最低飞机系统功能。除考虑适用ETOPS规章外，飞行员的评估也是非常关键和重要的。

2.2 ETOPS场景的设计考虑

ETOPS场景反映了飞机预期的ETOPS使用，包括正常和非正常两种情形。图2为ETOPS场景示例，它包括了ETOPS飞行中可能遭遇结冰的飞行阶段、正常ETOPS飞行剖面以及不同失效导致ETOPS改航的飞行剖面。

ETOPS设计时应结合ETOPS场景进行分析。考虑ETOPS场景以反映ETOPS设计对基本25条款适航符合性的影响。ETOPS设计应关注以下几点：

1)安全性评估应结合ETOPS场景，选择合理可能的失效或失效组合以确定在ETOPS场景下的功能危害等级。

2)单发能力及系统冗余度。考虑单发失效以及随后可能的失效组合下，飞机仍具有继续安全飞行和着陆的能力；单发失效下无需额外的机组工作量。

3)防冰能力。考虑飞机在单发失效和/或座舱释压高度下，在直至最大改航时间期间可能遭遇的结冰条件，飞机仍具有足够的防冰能力安全进行ETOPS改航。

4)燃油设计。应设计可靠的燃油系统，保证燃油系统能向工作的发动机提供规定压力和流量的燃油；考虑合理可能的失效，确保有足够的燃油量可用；低油量告警设计也是ETOPS设计的特殊考虑，该告警应能解决由于系统失效或人为差错而导致服役中燃油耗尽的事件。

2.3 时间相关性的ETOPS设计考虑

ETOPS运行与其它运行的最显著区别是ETOPS运行时可能的改航时间/改航距离延长。因此，在ETOPS设计过程中应特别注意改航时间/改航距离延长的特点，由此而带来的设计变化。

1)安全性评估时所使用的平均飞行时间延长；

2)由于改航时间/改航距离延长，导航、通信系统是否具有与之对应的足够的能力；

3)确定并验证时间限制系统的时间性能。作为设计输入考虑，在分析与ETOPS改航相关的场景且其评估的系统性能和/或可靠性与时间相关时，考虑的时间一般应不低于申请的最大ETOPS改航时间加15min等待；评估系统时间性能时应考虑系统正常工作和系统失效/降级工作两种情形。

2.4 共因/串联失效的ETOPS设计考虑

ETOPS设计中应特别注意的一点是由于共因、串联失效导致的危害。应关注以下几点：

1)对于制定的改航最低飞机系统功能，应评估和检查在预期的共因或串联失效导致的多个功能丧失下，所需改航最低飞机系统功能仍可用。

2)适航规章要求指定和确认发动机状态监控程序，这也是为了解决额外发动机失效或因剩余发动机推力增加或负载增加而失效的可能性。

3)适航规章还要求飞机必须装有三套独立的电源系统，对此，飞机设计应确保不会由于同一失效或故障导致丧失所需三套电源中两套或更多电源。

3 结论

本文回顾了ETOPS规章演变和应用以及ETOPS特点，并从飞机设计的角度提出了ETOPS型号设计需关注的若干要点。通过多视角的回顾，更加直观地体现了ETOPS设计的内涵。这些设计考虑对于正处于ETOPS型号设计探索过程中的广大设计师具有一定的指导和启发作用。

[1] 高宇，李楠.延程运行的发展与应用[J].中国民用航空，2011，132(12)：24-27.

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[5] 王稳江，谢辉松，李晨.民用飞机延程运行型号设计浅析[J].航空工程进展，2015(3)：377-381.

[6] Fabio Saunier, Luiz Augusto Rodrigues Nerosky, Felip Eudes Pontes Frenandez, Jose Carlos Silva Menezes Senna. Commercial Aircraft Certification for ETOPS Operations[Z]. 2007-01-2521.2007.

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[12] 14CFR Part121. Operating Requirements: Domestic, Flag, and Supplemental Operations [S].USA: FAA,2007.

The Characteristics and Design of Extended Operations

ETOPS(Extended Operations) is widely used in the flight for long range, over the water and polar region. This paper reviews the progress of ETOPS regulation and the ETOPS applications , and from perspective of airplane design ,several key points to focus on the ETOPS design are also presented. The connotation of ETOPS design is reflected more directly through the review of multiple aspects, and it can be used as a guide for ETOPS design.

extended operations; ETOPS; aircraft design; diversion

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.005

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谢辉松 男 硕士，高工。主要研究方向：飞机总体设计技术；E-mail： xiehuisong@comac.cc