大气扰动适航条款修订对符合性评估的影响研究

余艺萌

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

适航条例作为保障民用航空安全所颁布的法令性文件，其内容与要求会随着航空领域先进技术的发展与应用进行适应性的增补和修改。我国现行的《中国民用航空规章》第25部运输类飞机适航标准（CCAR—25）于2011年进行第四次修订并使用至今，在此期间，美国现行的《联邦航空条例》第25部（FAR—25）进行了多次修订，对多个条款内容进行了调整。

适航取证是民用飞机从设计研制到投放市场的重要环节，民用飞机投放到国际市场时，需要满足国外适航要求。因此，密切跟进国外适航条款的修订内容，针对差异条款进行详细解读，选择合适的适航符合性评估方法开展适航性验证工作研究具有重要意义。

本文通过筛选大气扰动飞行载荷相关适航条款，对此类条款在CCAR—25和FAR—25中的不同之处进行汇总与归类，并对其差异原因和对适航符合性评估的影响展开基于算例的详细分析，最后对此类条款的适航符合性验证方法进行总结，研究结果可为民机的适航取证工作提供参考。

1 大气扰动飞行载荷适航条款内容对比

我国的适航条例在制定之初参考了美国联邦航空条例（FAR），故相同编号的条款适航要求内容范围基本一致。通过对现行的CCAR—25和FAR—25条款进行筛选和对比，发现共有5条条款对大气扰动飞行载荷做出了相关规定，分别提出了突风影响下飞机结构强度的要求、飞机具体部件结构受到突风影响时的要求和紊流情况下极限载荷对飞机结构强度和疲劳特性的要求等内容，详细的适航要求归纳见表1。

表1 CCAR—25和FAR—25中的飞行载荷适航条款对比[1-2]

经过条款对比后发现，CCAR—25和FAR—25在条款25.341（突风和紊流载荷）和25.415（地面突风情况）有较大的差异。

2 FAR条款修订原因及对符合性评估的影响分析

为便于分析，本文将条款差异内容按照对适航性评估影响程度的大小分为3类：

（1）取值改变：条例要求不变，具体计算需要用到的参数数值选取的变化或取值范围的变化。

（2）方法改变：分析问题不变，对条例原本规定的分析方法做出调整。

（3）要求改变：条例所规定的适航要求发生变化，既包括对原有要求的修订，也包括新增的适航要求。

2.1 取值改变原因及影响

在FAR—25的最新修订版本中，条款25.341的（a）、（b）部分分别对参考突风速度的取值范围和参考紊流强度的取值进行了调整。

2.1.1 参考突风速度

参考突风速度是计算设计突风速度，进而计算突风载荷响应所需要用到的重要参数，它是海拔高度的函数。在原先对参考突风速度的规定中，要求取值从海平面（17.07 m/s）到15 000 ft（13.14 m/s）线性减小，再线性减小至50 000 ft（7.92 m/s）。FAR新修订的版本将参考突风速度选取的高度上限由原先的50 000 ft放宽至60 000 ft，取值范围变化如图1所示。

图1 参考突风速度取值范围的修改

经过分析相关资料发现，将参考突风速度选取的高度上限放宽的原因在于目前一些运输机的最大审定运行高度达51 000 ft，且已有客机将60 000 ft作为其可运行的最大高度，为了使条款适用于这些最大运行高度大于50 000 ft的飞机和未来研制的也具有更高运行高度的飞机，FAR中参考突风速度的可选高度也进行了相应调整。

2.1.2 参考紊流强度

与参考突风速度类似，在计算真实紊流强度时也需要用到参考紊流强度的取值，CCAR—25中直接规定了不同高度下真实紊流强度Uσ的取值，而在FAR—25的最新版本中，真实紊流强度Uσ的取值则需要通过以下公式进行计算：

其中Fg为飞行剖面缓和系数，Uσref为参考紊流强度，其取值是考虑飞机100%的飞行时间都在这一高度飞行，而飞行剖面缓和系数的取值是根据所预测的飞机在其认证高度范围内任何给定高度飞行的机率。

图2和图3分别给出了CCAR—25和FAR—25中参考紊流强度的取值情况。

图2 CCAR-25中参考紊流强度的取值

图3 FAR—25中参考紊流强度的取值

为了使取值改变产生的影响更加直观，本文选取B747为研究对象[3]，分别计算其在海平面、20 000 ft、40 000 ft的高度下选用2种不同取值方法得到的真实紊流强度，并进行对比，计算结果如图4所示。

图4 FAR—25与CCAR—25中不同高度真实紊流强度取值对比

在40 000 ft高度时，二者结果相近，在海平面和20 000 ft结果相差较大。分析认为，由于飞机通常在巡航高度具有最大的飞行时长，引入Fg使得飞机在不同飞行高度遭遇紊流强度根据概率进行相应减小。与原条例要求相比，真实紊流强度的计算更加贴近现实情况，且在保证飞行安全的前提下放宽了强度设计的要求。

由于条款取值改变未涉及具体设计要求，因此适航性评估方法不会发生本质改变。本部分主要考虑的是用于计算载荷的设计突风速度和真实紊流强度的计算问题，因此使用“MC2计算/分析”方法进行适航评估[4]。

2.2 分析方法改变原因及影响

2.2.1 删除“任务分析法”

在CCAR—25中，25.341（b）条的详细内容在附录G里，附录G的（b）和（c）条分别对“设计包线分析法”和“任务分析法”进行说明，2种方法均用于确定限制载荷。

FAR—25的修订版本直接将附录G中的内容写在了条例的（b）部分，且删除了在连续突风设计准则中原本可选的“任务分析法”，仅保留了“设计包线分析法”。分析认为，飞行任务条目繁多导致使用“任务分析法”计算量大，容易出现基于任务变化的重复计算情况，此方法很少被飞机设计制造公司所采用，“设计包线分析方法”已能够满足适航要求。因此，删除可选“任务分析法”结合了现实情况，对适航评估影响较小。

2.2.2 新增对非线性情况处理方法

CCAR—25中“设计包线分析法”的第（4）条要求在含有增稳系统时，应如实地保守地考虑系统的非线性情况对于处于限制载荷水平的载荷影响，但未对处理方法做出具体的规定。FAR—25在341（b）（5）中提出了对具有显著非线性情况的飞机在其所研究的紊流场的均方根速度取值上的处理方法[5]。

适航条款中所规定的分析方法对符合性评估具有重要指导意义，当条款中规定的分析方法发生变化，应按照新的方法展开分析。

2.3 要求改变原因及影响

2.3.1 FAR—25.341条款新增要求

对于装有翼吊式发动机的飞机，FAR—25.341新增了条款（c），要求发动机安装节、吊挂和机翼支撑结构的设计必须满足多轴离散突风的要求，即要求这些结构可以承受发动机短舱重心处的最大响应载荷。新增内容源于美国国家运输安全委员会的一起事故分析：适航条款仅规定了单一方向的载荷满足极限载荷要求，当横向和垂直方向的突风载荷一起发生时，虽未达到单一方向极限载荷，合成载荷可能已超过了结构的承受极限。

美国联邦航空管理局因此针对翼吊式发动机规定了全天候离散突风准则和多轴离散突风准则，将其加入在适航条例中。

为进一步理解这一条款的本质，本节将基于文献[3]给出的B747—100的相关参数，选取其10个飞行状态进行单向和多轴限制突风载荷计算，结果如图5所示。可以看出，同一高度下的突风过载受飞行速度影响较大，低海拔高空速时突风过载较高，多轴突风过载较单向计算结果小。分析认为，由于现代飞行器使用复合材料比例增大，而复合材料的性能强度方向性明显，虽然合成过载小于单一载荷的作用，但是考虑到其作用方向不再仅限单一垂直或横向，在进行相关部件的结构设计与制造时，还需按照多轴离散突风准则的要求进行载荷计算，以确保极端情况下的结构强度满足飞行安全要求。

图5 B747—100算例飞机垂直和横向突风过载增量

进行本条款的适航性评估时，除了必要的分析计算，还应对条例所要求的具体结构部位（发动机安装节、吊挂和机翼支撑结构）设计合理的地面振动试验，得到飞机对不同突风组合的真实模态响应，评估结构强度是否满足要求。

2.3.2 FAR—25.415条款修订

适航条款25.415的本质为确保飞机在滑行和停放时控制系统和控制面不被可能的地面阵风条件损坏。咨询通告AC 25.415—1[6]对修订原因进行了说明，地面阵风状况动载荷效应造成了飞机的隐藏破坏，最终引发飞行事故。

在进行25.415条款的适航性评估时，应设计合理的地面试验，判断操纵面和操纵系统在水平65节地面突风时的载荷响应情况是否具有足够的结构强度，进而确保飞机停放和滑跑时的安全性。

3 大气扰动飞行载荷适航符合性评估方法

大气扰动飞行载荷条款对飞机承受的限制载荷做出规定，相关条款的适航符合性评估思路相近。本文依据目前适航部门认可的符合性验证方法划分方式[4]，在对大气扰动飞行载荷适航条款的评估方法进行了总结，可为相关条款的适航评估提供参考。

4 结论

（1）CCAR—25和FAR—25中的大气扰动飞行载荷相关适航条款在25.341、25.391和25.415条内容上有所差异，条款差异内容按照对适航性评估影响程度的大小可分为取值改变、方法改变和要求改变3类。

（2）对于适航条款中的取值改变，不需选用新的评估方法，只需将原本的使用值进行替换；分析方法改变时，评估方法应参考分析方法进行修改；具体适航要求改变时，需制定具有针对性的新评估方法，验证飞机相关性能满足对应适航要求。

（3）通过算例分析发现，FAR—25.341新增（c）条中突风准则的合成过载计算结果小于单一方向突风作用下的过载计算结果，考虑到复合材料性能强度的方向性，根据多轴离散突风准则进行载荷计算适用于满足极端情况下的结构强度要求，进而保证飞行安全。