EASA小型垂直起降航空器专用条件及符合性方法研究

姜延坤 刘薇薇

摘要：研究了SC-VTOL-01与CS-23各章的主要差异，分析了MOC SC-VTOL的编制思路，总结出EASA小型垂直起降航空器专用条件审定类型与运行场景相匹配的特点以及符合性方法逐渐完善和补充的趋势。

关键词：垂直起降；专用条件；符合性方法

Keywords：VTOL；special condition；means of compliance

0 引言

近年来，传统航空制造业巨头纷纷在民用垂直起降（VTOL）航空器领域发力，波音公司收购极光飞行科学公司研发电动垂直起降航空器，空客公司与西门子公司共同組建团队开发CityAirbus电动垂直起降航空器，贝尔直升机公司设计出Nexus倾转旋翼垂直起降航空器。欧盟航空安全局（EASA）评估了150多个不同成熟度阶段的垂直起降项目，发现这些垂直起降项目尽管具备固定翼航空器、旋翼航空器或两者的设计特性，但在大多数情况下，EASA无法根据现有的审定规范将这些新型航空器划分为传统固定翼航空器或旋翼航空器。

为了促进创新和公平竞争，2019年7月EASA发布《小型垂直起降航空器专用条件（SC-VTOL-01）》，该专用条件是在《正常类飞机审定规范（CS-23修正案5）》的基础上开发而成，将《小型旋翼航空器审定规范（CS-27）》的元素和被认为合适的新元素整合在一起，适用于乘客座位配置小于等于9座，审定的最大起飞重量小于等于3175kg（7000lb），具有升力/推力装置用于产生升力和进行操控，且在垂直起飞和垂直降落期间具有两个以上升力/推力装置提供升力的重于空气的小型载人垂直起降航空器。

2020年5月EASA发布第1版《建议的垂直起降航空器专用条件符合性方法（MOC SC-VTOL）》，阐述了EASA对SC-VTOL-01设定的安全性和设计目标的解释以及如何进行符合性验证的可能性的说明，主要考虑对于基本设计选择和垂直起降航空器架构有较高安全影响的主题。

1 SC-VTOL-01与CS-23对比分析

SC-VTOL-01由A章总则、B章飞行、C章结构、D章设计和构造、E章升力/推力系统装置、F章系统和设备、G章飞行机组界面和其他信息组成，CS-23修正案5除了E章名称为动力装置之外，其他章的名称均与SCVTOL-01一致。二者均各有70个条款，条款内容相同的有21条，条款内容不相同的有49条，具体章节的条款异同情况如图1所示。

1.1 A章主要差异

1）VTOL.2000增加了商业航空运输、人口稠密区、可控紧急着陆、标准飞行包线、使用飞行包线、限制飞行包线、垂直起降点的定义。

2）SC-VTOL-01适用于乘客座位设置为小于等于9座且最大审定起飞重量小于等于3175kg（7000lb）的航空器，而CS-23适用于乘客座位设置为19座以内且最大审定起飞重量小于等于8618kg（19000lb）的飞机。

3）SC-VTOL-01将审定类型分为增强类和基本类，可以根据具体运行场景需要按一种或两种审定类型进行审定，在人口稠密区上空运营或进行载人商业航空运输的航空器必须按增强类进行审定，而CS-23仅按最大乘客座位数将飞机划分为4个审定等级。

1.2 B章主要差异

1）VTOL.2110飞行包线取代CS 23.2110失速速度，申请人必须确定飞机在运行中每一飞行构型下的标准、使用和限制飞行包线，确定飞行包线必须考虑最不利的飞行情况。

2）VTOL.2115起飞性能、VTOL.2120爬升要求、VTOL.2135操纵性、VTOL.2150失速特性和失速警告均删除了根据发动机数量描述性能的内容。

3）VTOL.2160振动删除了高速航空器相关的性能内容，因为SCVTOL-01适用于Vno或Vmo≤250节校准空速（KCAS）或Mmo≤0.6的航空器。

4）增加了复合翼构型的内容，如VTOL.2135操纵性“（d）必须有可能从一种飞行状态平稳过渡到另一种飞行状态，且没有超过限制飞行包线的危险”。

1.3 C章主要差异

1）VTOL.2225部件载荷情况和VTOL.2240结构耐久性均删除了CS-23相应条款增压飞机的内容。

2）VTOL.2240结构耐久性增加“（e）对于增强类，必须对运行安全有重要影响的零件制定服役中的监控措施”。

3）VTOL.2250设计和构造原理增加鸟撞内容“（f）必须设计成在可能的鸟撞后仍有能力进行：（1）对于最大乘客座位设置为7座或以上的基本类，可控紧急着陆；或（2）对于增强类，继续安全飞行和着陆”。

4）VTOL.2270应急情况增加“（4）根据火灾不会妨碍增强类继续安全飞行和着陆，或基本类可控紧急着陆来设计”。

1.4 D章主要差异

1）VTOL.2305起落架系统相较于CS 23.2305提出了新要求“（b）在所有批准的情况下，航空器必须有可靠的使其停止的措施，该措施应具有足够的吸收着陆和起飞动能的能力，并且在停放时保持航空器在原位”。

2）VTOL.2310漂浮相较于CS 23.2310水上飞机和水陆两用飞机的浮力增加“（b）如果要求对应急漂浮进行审定，航空器必须：（1）安装经批准的应急漂浮系统；（2）应急漂浮系统具有的漂浮装置以及装置与航空器的连接能够承受适用的水载荷；并且（3）在申请人选定的水文情况下保持预定的漂浮姿态。（c）如果要求对水上迫降进行审定，航空器必须：（1）安装经批准的应急漂浮系统，且该系统不依赖手动启动；（2）能够承受适用的水载荷；并且（3）在申请人选定的水文情况下，表明能够安全入水并保持预定的漂浮姿态”。

3）VTOL.2315 撤离设施和应急出口增加“如果航空器包含应急漂浮系统，撤离设施必须位于预定漂浮姿态下的水面之上。另外，如果要求对水上迫降进行审定，撤离设施必须在所有稳定的漂浮姿态下可用”。

4）VTOL.2325防火相较于CS 23.2325增加“（a）航空器设计必须尽量减小由以下原因引发火灾的风险：（4）一次可生存的应急着陆”。

1.5 E章主要差异

1）VTOL.2405和VTOL.2410删除了CS 23.2405功率或推力控制系统和CS 23.2410动力装置安装危害性评估的内容。

2）VTOL.2425升力/推力系統工作特性相较于CS 23.2425动力装置工作特性修改（b）条为“如果安全益处超过危险，设计必须允许在制定的工作包线内可以空中停止并再启动升力/推力单元”。

3）VTOL.2430升力/推力系统装置、储能和配电系统增加了对地面人员的考虑“（a）每个系统必须：（6）设计成在任何可能运行情况下能够保存能量，并将任何可生存应急着陆期间对乘员和地面人员的危害降至最低。对于增强类，必须考虑着陆系统因过载导致的失效”。

4）VTOL.2430将CS 23.2430（4）“提供在最大连续功率或推力下至少工作半小时的燃油”修改为“（b）每个储存系统必须（4）提供在标准飞行任务下足够的备用能量”。

1.6 F章主要差异

1）VTOL.2510设备、系统和安装提出了每个灾难性的失效情况是极不可能的，且不能由单点失效引起；对于增强类，必须对失效可能产生危险或灾难性后果的设备和系统建立运行监测。

2）VTOL.2520高强辐射场（HIRF）防护相较于CS 23.2520删除了按仪表飞行规则（IFR）批准的飞机这个前提条件。

3）VTOL.2540删除了CS 23.2540在结冰条件下的飞行条款内容。

4）VTOL.2555飞行记录器安装相较于CS 23.2555增加“飞机必须安装一台或多台飞行记录器：（e）采用可接受的格式记录；（f）或者一些数据可以被传输并远程记录”。

2 MOC SC-VTOL编制思路

第1版《建议的垂直起降航空器专用条件符合性方法（MOC SCVTOL）》介绍了SC-VTOL-01中23个条款的符合性方法（MOC），不仅使EASA能够将资源集中在产生最大安全影响和迫切需要明确的领域，而且有助于工业界从可能会对设计决策产生重要影响的SC-VTOL-01设计目标中获得对EASA的解释和早期了解，而不是等待详尽的专用条件指南制定出来。

2.1 借鉴军用标准与方法

CS-23和CS-27对航空器飞行品质的评估是通过静态或动态稳定性以及对可控性和平均驾驶技术的其他要求的评估实现的。MOC VTOL.2135最低可接受的飞行品质评估确定和评估增强类垂直起降航空器在正常和异常/应急情况下飞行品质的方法为改进的飞行品质评估方法（MHQRM），该方法整个过程源自美国联邦航空管理局AC25-7D附录E，特别采用了基于处于给定飞行状态（FltC）的概率确定最低飞行品质等级（HQR）的原则。最低可接受的飞行品质等级分为满意的（SAT）、足够的（ADQ）和可控的（CON）。评估最低可接受飞行品质等级将借鉴《军用旋翼机的航空设计标准、性能规范和飞行品质要求（ADS-33E）》，并将在第2版《建议的垂直起降航空器专用条件符合性方法》中公布。

2.2现有符合性方法的增强与简化

CS-23仅对审定等级为4级的飞机要求位于驾驶员正前方的风挡及其支承结构必须能承受相当于2lb鸟的撞击而不被击穿，此时飞机速度为最大进近襟翼速度。CS-27没有鸟撞相关的条款。而MOC VTOL.2250（f）鸟撞后的飞机性能不仅要求了类似于CS-29单次鸟撞评估，而且还要求对多次鸟撞进行评估。

1）单次鸟撞评估：必须保证在受到1kg（2.2lb）鸟的撞击后，7～9座基本类航空器可控紧急着陆，增强类航空器继续安全飞行和着陆。乘客正前方的挡风玻璃及面板的支承结构应能够承受最大速度超过50节的鸟撞而不发生穿透，其他结构、系统和设备也应进行评估。在进行危害分析时，应考虑鸟撞的直接影响和诱发影响。

2）多次鸟撞评估：垂直起降航空器通常配备有冗余系统和结构。为确保多次鸟撞后的继续安全飞行和着陆（增强类）或受控紧急着陆（基本类），应在平均海平面4000ft的正常运行的空速范围内，在最关键的构型下进行多次鸟撞影响评估。不需对挡风玻璃进行多次鸟撞评估。

MOC VTOL.2520高强度辐射场（HIRF）保护提出了解决垂直起降航空器高强度辐射场表明符合性的简化方法。这些方法取决于垂直起降航空器的3个类别：基本类0～1名乘客、基本类2～6名乘客、基本类7～9名乘客和增强类。

2.3解释、修改和补充ASTM标准

美国材料与试验协会ASTM F3232/ F3232M-17是小型航空器系统和设备的标准。由于该标准是基于传统（即机械）飞行主控制系统假设下制定的，因此，在一些解释、修改和补充后才能作为VTOL.2300的电传操纵系统可接受的符合性方法。

MOC 2 VTOL.2300电传操纵飞行控制系统对ASTM F3232/F3232M-17标准的可接受性指出ASTM F3232/ F3232M-17标准第3节中的定义只适用于垂直起降航空器存在且没有另外定义的概念，任何参考ASTM F3232/ F3232M-17中关于确定飞行品质的任何标准或方法均可由参考MOCVTOL.2135代替。MOC 2 VTOL.2300还给出了电传操纵飞行控制系统对ASTM F3232/F3232M-17标准的可接受性以及对ASTM F3232/F3232M-17标准第4.7节的修改和补充内容。

2.4 专用条件作为可接受的规范

2020年1月，EASA发布《电动/混合推进系统专用条件（E-19）》。由于CS-E修正案5和CS-22的H分部均没有考虑电动和/或混合推进系统，专用条件E-19的目的是提供电动和/或混合推进系统的认证要求。

MOC VTOL. 2400（b）电动/混动升力/推力单元的可接受的规范明确说明EASA关于电动/混动推进系统的专用条件E-19是安装在垂直起降航空器上的电动/混动升力/推力单元应满足的可接受的规范。

专用条件E-19的符合性方法将以矩阵的形式公布。申请人选择其电动/混合推进系统的组成部分。对于每一个组成部分，将会有一个专用条件相关要求建议的符合性方法。符合性方法将基于现有的材料：CS-E、CS-22的H分部、ASTM F3338-18、现有的专用条件等。

2.5 适用于第三方保护的安全性目标

SC-VTOL-01引入与基本类和增强类相匹配的安全性目标，表1为SCVTOL-01与AC 23.1309-1E安全性目标对比。当人口稠密区上空运营或进行载人商业航空运输时，增强类最高的安全水平适用于第三方保护。符合性方法在危险和灾难的故障条件的定义中增加了对丧失能力、严重伤害和死亡人数的考虑。对于基本类，定义类似于AC 23.1309-1E。对于增强类，因为在空中出租车/城市空中交通环境中预期的大量运行和公众安全期望，危险的故障条件的定义不包含死亡人数。

3 结论

1）审定类型与运行场景相匹配

SC-VTOL-01按运行场景将审定类型分为基本类和增强类，不同的审定类型适用不同的条款，也与不同的安全性目标相匹配。对于基本类，与CS-23相比，相应的安全性目标提高了一个级别，这是由于更加依赖于分布式推进、垂直起降和其他CS-23假设可能与失效有关的系统。对于增强类，最高安全水平适用于保护第三方。

2）符合性方法逐渐完善和补充

EASA发布的第1版《建议的垂直起降航空器专用条件符合性方法》大部分引用CS-23和CS-27的符合性方法，部分独特的符合性方法则借鉴军用标准、ASTM标准和其他专用条件。第1版提供了1/3左右条款的符合性方法，未来仍然需要进一步在实践中完善符合性方法，并与工业界和研究机构一起开发新的符合性方法。

3）民用航空制造业和维修业的新机遇

EASA在全世界率先发布小型垂直起降航空器专用条件及符合性方法，从侧面反映出民用垂直起降航空器既是民用航空制造业新的发展方向，又是民用航空维修业新的发展空间。面对难得的历史机遇，提前布局民用垂直起降航空器的制造与维修有助于在未来市场竞争中赢得宝贵的先机。

参考文献

[1] EASA. Special Condition for Small-Category VTOL Aircraft [Z]. 2019.

[2] EASA. CS-23 Amendment 5/ AMC & GM to CS-23 Issue 3 [Z]. 2020.

[3] EASA. Proposed Means of Compliance with the Special Condition VTOL[Z]. 2020.

[4] EASA. Special Condition：Electric/Hybrid Propulsion System [Z]. 2020.

[5] FAA. AC 23.1309-1E System Safety Analysis and Assessment for Part 23 Airplanes [Z]. 2011.

作者簡介

姜延坤，工程师，主要研究方向：民用航空器适航。

刘薇薇，高级工程师，主要研究方向：民用航空器适航。