国外M001电动垂直起降载人无人机适航总体要求

邹铭镇

型号背景

M001是阿彻航空有限公司研发的一种可载人的电动垂直起降飞行器，最大总起飞重量（质量）为2948.35kg，并能够搭载一名飞行员和4名乘客。该机具有上单翼和V形尾翼，配置固定式三轮起落架，使用12个由机载电池供电的电动发动机来推进，而不是传统的燃料发动机。主翼前缘安装了6台5叶变距螺旋桨发动机，每侧3台，能够倾斜以提供垂直和前向推力。其他6台电动发动机驱动双叶定距螺旋桨，安装在主翼的后缘，每侧3台，仅提供垂直升力。后置发动机仅在推力升力或半推力升力期间运行；在机翼提供升力向前飞行中，这些发动机关闭，保持顺桨姿态。飞机结构和螺旋桨由复合材料制成。M001旨在用于FAR-91 部和 135 部的运行，在目视飞行规则下可配备一名机载飞行员。

2022 年3月30日，阿彻航空有限公司为 M001 型电动垂直起降飞行器申请了型号合格证。2022年12月20日，美国联邦航空局公布本拟议规则。2023年1月19日，对本拟议规则的公共反馈关闭。

讨论

由于美国联邦航空局尚未在 14 CFR（即FAR）中建立电动垂直起降飞行器适航标准。因此，美国联邦航空局将电动垂直起降飞行器认定为特殊类别飞机。根据 14 CFR 21.17 （b） 条款，“特殊类别” 飞机的适航要求是由14 CFR-23、25、27、29、31、33、35各部中美国联邦航空局认为适用于特定型号设计的或者美国联邦航空局认为其他合适的适航标准组成，提供与现有标准等效的安全水平。该规则公布了根据第 21.17（b）条制定的适用法规和其他适航标准，用于 阿彻航空有限公司型号 M001型电动垂直起降飞行器的型号认证。

对应 14 CFR 21.17 （b）、CAAC的 CCAR-21-R-4中21.17 有同样的要求 “（二）特殊类别航空器指局方指定的尚未颁布适航规章的某些种类航空器，如滑翔机、飞艇、甚轻型飞机和其他非常规航空器。对于特殊类别航空器，包括安装其上的发动机、螺旋桨，其型号设计应当符合《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》（CCAR-23）、《运输类飞机适航标准》（CCAR-25）、《正常类旋翼航空器适航规定》（CCAR-27）、《运输类旋翼航空器适航规定》（CCAR-29）、《载人自由气球适航规定》（CCAR-31）、《航空发动机适航规定》（CCAR-33）、《螺旋桨适航标准》（CCAR-35）中适用的要求或者民航局确认适用于该具体的设计和预期用途且具有等效安全水平的其他适航要求。”

M001 型电动垂直起降飞行器兼具旋翼飞机和固定翼飞机的特点。它的设计目的是在起飞和降落中的直升机，以及在飞行中以比直升机更快速度巡航的飞机。因此，拟议适航标准包含第 23、33 和 35 部分的标准，以及其他针对电动发动机的电动垂直起降飞行器的拟议适航标准。

对于未经修改的现有法规，本拟议的适航标准包括对现有第23、33和35部适航标准的所有修正案，这些修正案包括2022年3月30日型号认证申请日起已经有效的，即23部修正案23-64，33部修正案33-34，35部修正案35-10。

M001拟议的适航标准还包括新的基于性能的标准（Performance Based Criteria）。該标准由第23部修正案23-64组成，并根据需要进行修改以满足电动垂直起降飞行器的过渡飞行模式（Transitional Flight Mode）。美国联邦航空局制定了这些标准，因为没有现有标准涵盖电动垂直起降飞行器的过渡飞行模式。拟议的标准还包含特定于电动垂直起降飞行器的定义，例如，飞行模式、配置、速度和特定术语。此外，还提出了电动发动机和相关螺旋桨适航标准。特定于阿彻航空有限公司M001型号的新要求，使用“AM1.xxxx”编号方案。

无人机适航总体要求

美国联邦航空局发布的拟定规则具体适航要求如下：

整机要求

驾驶舱语音和飞行数据记录器的拟议安装要求与23 部中的正常类飞机适航标准保持不变。拟议的持续适航要求 （ICA，Instruction for Continuous Airworthiness） 给出了申请人安装发动机和螺旋桨的可选项，或者独立安装已经型号认可的发动机或螺旋桨，或者安装和整机一起取证的发动机或螺旋桨。

通用要求

拟议的适航标准包括新的或修改后的定义，以解释阿彻航空有限公司型号M001 的独特能力和飞行阶段，同时也包括条款中某些术语的含义。在发动机功率损失的情况下，飞机和旋翼飞行器固有地分别具有滑翔或自转的能力。尽管飞机可能会受到损坏，但滑翔或自转的能力使飞机能够合理地保护乘员。但是，并非所有的电动垂直起降飞行器都具有这些功能。为了解决这个问题，美国联邦航空局参考了持续安全飞行和着陆（Continued Safe Flight and Landing）的定义，针对阿彻航空有限公司的型号M001，修改了现有23部中 23.2000 条款中的定义。美国联邦航空局建议使用一个新的定义，关于可控紧急着陆（Controlled Emergency Landing），应对阿彻航空有限公司的型号 M001必须满足等同于飞机的滑翔或直升机的自动旋转的性能水平。

此外，由于许多拟议的适航标准都是基于性能的 （Performance Based），如第 23 部分中的规定。美国联邦航空局提议参考采用 23.2010条款。这将要求这些拟议的适航标准以合规方式 （Acceptable Means of Compliance，AMC） 被批准。目前，由于尚未达成电动垂直起降飞行器 航空器适航审定共识标准，因此，将通过问题文件 （Issue Paper） 流程批准AM1 适航审定的AMC 要求。

第23部中基于性能 （Performance Based） 的适航条款，是按照23部第64条修正案要求取代了部分强制性设计要求（prescriptive design requirements）。23部第64条修正案的修正要求来自美国的小飞机振兴法案（Small Airplane Revitalization Act of 2013）。有趣的是该法案的提出者是特朗普政府的国务卿蓬佩奥，批准者是时任美国总统奥巴马。由于是基于性能的适航要求，美国联邦航空局要求以合规形式来满足性能要求。

飞行

尽管第23部采用更容易适应新技术的基于性能的规则 （performance based rules） 要求取代了规定性的设计要求（prescriptive design requirements），这些基于性能的规则是用于传统的飞行器中起飞和着陆可逆的飞控系统。为了适应阿彻航空有限公司的飞行器进行垂直起飞和着陆操作的能力，这些拟议的适航标准也同时采用了27 部和 29 部的描述，并在适当的情况下进行了更改，以允许 AM1 在机翼失速速度 （stall speed of wing） 以下安全运行。美国联邦航空局拟议了适航标准来解决交替升力源的整合问题：推力升力 （Thrust Borne）、半推力升力 （Semi Thrust Borne） 和机翼升力 （Wing Borne）。虽然美国联邦航空局在审定间接飞行控制系统拥有经验，例如电传飞控系统方面，但 AM1 采用了飞行和推力混合控制方案。这需要新的适航标准。

关于推力升力、半推力升力、和机翼升力，请参考 AM1.2000 （b） （3） 条款的解释。

此外，美国联邦航空局提出了新的AM1.2105，其中包含所有23.2105条款，并在新的（f）和（g）段中添加了适航标准。拟议的AM1.2105（f）和（g）将确保飞行员能够在失去动力或推力的情况下执行受控紧急着陆，无论是通过飞机的滑翔或自转能力，还是通过等效方式合理地保护乘员。

动力装置

第23部（修正案23-64）涉及电力推进，但仅适用于使用推进力提供前推力的常规配置飞机。阿彻航空有限公司的新颖设计使用分布式推进系统（distributed propulsion system） 来提供前向推力、升力和控制。虽然其中一些设计特征可以通过23部和27部中的现有适航标准解决，但其他特征需要制定新的适航标准。拟议的适航标准解决了以下独特和新颖的动力装置安装特点：

（1）分布式推进系统中 （Distributed Propulsion System） 的多发动机隔离；

（2）分布式推进的简化控制；

（3）将推进系统集成到飞机飞行控制中；

（4）与垂直起降能力相关的能源系统耐撞性。

AM1.2405 中提议的适航标准结合了23.2405条款和23.2425条款中的发动机和螺旋桨控制功能，并修改了其应用以包含所有动力装置控制功能，包括发动机控制、螺旋桨控制和短舱旋转 。拟议的 AM1.2430 中的能源系统适航标准将包括防撞性要求以满足27.952条款，并将删除特定于液体燃料系统的要求。拟议的 AM1.2440 中的动力装置防火适航标准将取代23.2440条款中针对指定火区的规定描述，使用通用的火区描述来要求与动力装置相关的火灾威胁。电力推进系统引入了来自高压电力和电池系统的火灾威胁。已有的火区假设是基于煤油的火灾威胁，这与电力装置的火灾威胁不一致。这些提议的适航标准旨在允许使用全电动分布式推进系统的电动垂直起降飞行器安全运行于推力、半推力和翼载飞行。

结构

电动垂直起降飞行器飞行和地面载荷通常由三种类型的飞行构型组成：垂直、过渡和前向。拟议的适航标准不仅仅取自23 部（正常类飞机）的前向飞行要求或27 部（正常类旋翼飞机）的垂直飞行要求。电动垂直起降飞行器 还依赖于过渡型飞行构型，其中可能包括前向和垂直飞行载荷的组合。在过渡飞行期间，电动垂直起降飞行器周围的气动流场可能与传统上在向前和垂直飞行期间观察到的有很大不同。在某些飞行构型中，电动垂直起降飞行器可能会经历向前和垂直飞行载荷的组合。在其他构型中，飞机可能会经历一种全新的空气动力流场，这在严格的向前或垂直飞行中没有经历过。傳统的现有适航标准不能充分代表用于电动垂直起降飞行器 结构设计的气动载荷。因此，美国联邦航空局认为，结构设计需要额外的适航标准。美国联邦航空局通过修订23.2200条款和23.2225条款制定了AM1.2200和AM1.2225，以解决电动垂直起降飞行器结构设计包线。美国联邦航空局通过修订23.2240条款删除了4级飞机要求，创建了 AM1.2240，因为AM1不是4级飞机。

此外，美国联邦航空局提出了新的 AM1.2320，其中包含了23.2320条款除了（b） 条款的所有内容。提议的AM1.2320（b）包含针对申请人设计的新鸟击要求。美国联邦航空局认识到在飞机预期运行的环境中，鸟击的威胁比旋翼飞机或23部固定翼飞机更严重。AM1固有的设计特点和预期的操作，可能使飞机更容易受到鸟类的影响。

AM1 将在与旋翼机相似的高度运行，美国联邦航空局预计它将以与旋翼机相同或更高的空速巡航。然而，与旋翼机相比，AM1悬停时间将减少，从而增加高速飞行时间。美国联邦航空局还认识到，AM1将比传统由涡轮轴发动机和旋翼驱动的直升机更安静。因此，鸟类对其存在的警觉会更低。

所有这些因素加起来增加了鸟击的机会。因此，美国联邦航空局对AM1提出了更全面的鸟击要求。正如航空规则制定咨询委员会（ARAC）旋翼机鸟击工作组（RBSWG）报告中所引用的那样，对旋翼飞机鸟击威胁的分析表明，破坏性撞击的鸟类的平均体重为1.125kg。基于该研究与旋翼飞机行业测试一致，美国联邦航空局提出1.0kg的鸟击重量。申请人必须在整机层面进行评估，以确定飞机的哪些部分暴露在潜在的鸟击风险中。

美国联邦航空局还提出了对鸟类威慑装置的要求，以减少鸟击的可能性。鸟类威慑技术的研究、测试和使用已证明可有效减少鸟类袭击。提醒鸟类注意飞机的存在可以让鸟类避免撞击飞机。鸟类威慑系统可能包括帮助鸟类意识到和避开飞机的灯光技术等。

噪声

全电动的 AM1 比同级别的直升机最多可降噪45dB，令机上乘客尊享前所未有的空中宁静，而城市地面的行人几乎感觉不到飞行的存在。

电动发电机

建议安装在AM1上的发动机使用电动而不是空气和燃油燃烧来推动飞机。这些电动发动机的设计、制造和控制不同于使用航空燃料运行的飞机发动机。这些发动机由高压系统、电动机和控制器构成。高压系统从电力存储或发电系统中获取电能。高压系统是电线、功率调节组件和连接器的组合，可将电源耦合到电动机、相关电机和控制器。AM1的发动机是将电能转化为机械能的装置，电流流过电机中的线圈会产生磁场，该磁场与旋转电枢轴上的磁铁相互作用。控制器是由两个主要功能件组成的系统——电机控制器和电力逆变器，以驱动与电动发动机相关联的电机。

通过这些高压和大电流电子元件提供能量的技术引入了使用航空燃料运行的飞机发动机中不存在的潜在危险。例如，高压传输线、电磁场、磁性材料和高速电气开关构成了电动发动机的物理特性。在这些高功率水平下运行还会使电动发动机面临潜在故障，这可能会对安全产生不利影响，而这对于使用航空燃料运行的飞机发动机来说并不常见。

螺旋桨

14CFR的35部包含螺旋桨适航标准，以确保未安装的螺旋桨满足美国联邦航空局认为可接受的最低安全水平。35部的要求适用于安装在根据第23部或25部获得型号认证的常规飞机上的螺旋桨。这些螺旋桨适应此类飞机上常见的结构和桨距驱动方法。

新兴的电动和混合电动飞机，特别是用于在城市和附近空域进行“空中出租车”运营，并能够垂直和短距起降的电动升降机，通常配备用于水平推力和垂直升力螺旋桨。此外，与根据第 23部或第 25 部审定的传统飞机相比，此类飞机的螺旋桨桨距驱动通常是电动执行的，并且更广泛地集成到飞机的推进和飞行控制系统中。

螺旋槳是各种飞机推进系统的组成部分，在电动发动机出现之前，螺旋桨一直受到以化石燃料为动力的往复式和涡轮内燃机的驱动。由于增加的扭矩和可能更高的转数，针对电动发动机提出了不同的考虑。

对于所有常规23 部和 25 部飞机以及AM1，最基本的要求是将螺旋桨故障或飞出碎片损伤乘客和关键飞机结构、部件的风险降低到可接受的水平。螺旋桨的特性必须确保它们对于适航审定是安全的。

这些拟议的适航标准将需要发动机进行功能演示，包括顺桨、负扭矩、负推力和反向推力操作，酌情使用样本螺旋桨。申请人可以将这些演示作为耐久性演示的一部分进行。

适用性

这些适航标准是根据 21.17（b） 条款的规定制定的，适用于阿彻航空有限公司的型号 M001。如果阿彻航空有限公司希望将这些适航标准应用于其他动力升降机模型，则必须提交新的型号合格证申请。