民用飞机的特点是安全、舒适、经济、环保, 其中安全始终是第一位的。适航标准是针对民用航空产品制定的最低安全标准, 是对民用飞机进行适航审定的基本依据。本文针对适用于CCAR25部的民用运输类飞机的适航方法进行了研究, 结合某民用飞机起落架控制系统的安全性设计与适航工作的实际情况, 对适航条款提出的系统设计要求进行了深入分析和研究, 符合性验证方法进行深入研究, 初步建立民用飞机起落架控制系统适航符合性验证程序与方法。
系统设计最重要的设计输入之一为适航要求的设计输入。系统方案设计首先要满足系统功能和安全性要求, 而相关适航条款是安全性设计的最低要求;其次要满足条款, 将条款的要求容纳到系统架构和方案设计中, 才能设计出可适航的飞机。
某型民用飞机起落架控制系统由收放作动与指示子系统, 前轮转弯子系统以及机轮刹车子系统组成。
起落架控制系统包括起落架收放系统、机轮刹车系统及前轮转弯系统。
起落架控制系统的工作原理如下。
起落架正常收放系统为机械—电气—液压式控制系统。由起落架手柄组件、位置传感器、位置作动控制组件PACU、起落架选择阀和前起落架收放作动筒、主起落架收放作动筒、主起上位锁、主起开锁作动筒、前起开锁作动筒等组成。进行起落架正常收放操纵时, 操纵起落架手柄, 手柄位置开关发出收/放指令, 并将该指令传给位置作动控制组件PACU, PACU将该指令信号与其它有关信号进行逻辑运算并根据运算结果控制起落架选择阀, 使起落架保持原来位置或进行收/放作动。
前轮转弯系统为电传操纵, 电子—液压伺服作动, 带位置反馈的闭环随动系统。主要由转弯控制阀、转弯手轮、转弯脚蹬传感器、转弯控制组件SCU和转弯反馈传感器组件组成。转弯系统的压力由起落架放下管路提供, 以保证在起落架收上时转弯系统不工作。
正常刹车通过驾驶员操纵刹车脚蹬实现, 在正、副驾驶员的脚蹬下, 分别安装有刹车脚蹬位移传感器。刹车时, 安装在刹车脚蹬下的脚蹬位移传感器感受驾驶员的刹车力, 输出与脚蹬力成正比的电信号给刹车控制组件BCU, BCU首先接通切断阀, 接通液压油路, 然后控制刹车控制阀输出刹车压力给刹车装置, 同时机轮速度传感器也将机轮的转动信号送给BCU, BCU通过对比运算, 控制输出到刹车控制阀的电流信号大小, 从而控制刹车压力。起落架控制系统的安全性要求:收放子系统功能失效、转弯子系统功能失效、机轮刹车子系统功能失效的要求皆为灾难级。
起落架控制系统收放作动与位置指示控制盒 (PACU1和PACU2) 、转弯控制盒 (SCU) 、刹车控制盒 (BCU) 的电源为满足安全性要求, 供电电源采用了双余度, 当一个供电电源失效时, 另一套电源仍能保证控制盒正常工作。
起落架控制系统为了满足安全性要求, 所需的液压能源系统为1#和2#液压系统, 当任何一套液压能源失效时, 不会影响到起落架控制系统的正常工作。
系统方案设计中对适航要求的响应决定了系统的架构, 以下举例说明。
适航标准CCAR§25.729 (c) 条中要求;必须有应急措施可在下列情况下放下起落架。
(1) 正常收放系统中任何合理可能的实效。
(2) 任何单个液压源、电源或等效能源的失效。
这样就决定了起落架收放子系统、前轮转弯子系统、机轮刹车子系统的基本架构。
在起落架收放控制子系统中, 当正常收放系统发生故障而无法工作的时候, 必须还有一套应急放系统供机组使用, 以使起落架能够放下并上锁。这样就要求起落架收放控制子系统必须设置应急放系统以做备份。
在起落架前轮转弯控制子系统中, 前轮转弯控制子系统将包括主动转弯模式及自由转向模式, 在主动转弯模式发生故障而无法工作的时候, 机组可操纵方向舵“NWS DISENGAGE”开关, 将转弯由主动模式切换到自由转向模式, 机组此时可操纵脚蹬进行差动转弯。
在起落架机轮刹车控制子系统中, 当正常刹车系统发生故障而无法工作的时候, 还有一套应急刹车系统供机组使用, 以使机组通过操纵停机/应急刹车手柄在安全距离中刹停飞机。这样就要求机轮刹车子系统必须设置刹车蓄压器、刹车钢索等应急刹车装置以做备份, 其中刹车蓄压器必须能够提供6次满刹车刹停飞机的能力。
起落架控制系统对飞机安全有一定的影响, 适航标准对起落架控制系统均有所规定, 因此在系统方案设计中必须加以考虑, 下列列举了相关条款进行说明。
适航标准CCAR§25.771 (c) 中规定:如果备有供第二驾驶员使用的设施, 则必须能从任一驾驶座上以同等的安全性操纵飞机。针对此条款, 民用飞机起落架系统在设计过程中应考虑起落架控制手柄、自动刹车选择开关、停机/应急刹车手柄安装位置均应能同时满足左右驾驶的操作要求。
适航标准CCAR§25.777 (a) 中规定:驾驶舱每个操纵器件的位置必须保证操作方便并防止混淆和误动。针对此条款, 民用飞机起落架系统在设计过程中应考虑转弯手轮、起落架控制手柄、自动刹车选择开关、机组转弯解除开关、停机/应急刹车手柄及应急放手柄均应操作方便, 并能防止混淆和误动。现举例说明, 当起落架控制手柄处于“DN”位置时, 手柄能够机械锁定。此外, 在起落架收放手柄面板上还布置有一个红色应急开锁 (DN LOCK REL) 按钮, 用于在特殊情况下使起落架收放手柄从“DN”位置开锁, 操纵起落架收上。
适航标准CCAR§25.777 (b) 中规定:驾驶舱操纵器件的运动方向必须符合§25.779的规定。凡可行处, 其它操纵器件操作动作的直感必须与此种操作对飞机或对被操作部分的效果直感一致。用旋转运动调节大小的操纵器件, 必须从断开位置顺时针转起, 经过逐渐增大的行程达到全开位置。针对此条款, 民用飞机起落架系统应设计成起落架控制手柄向下, 放下起落架, 向上, 收起起落架;刹车脚蹬踩下, 输出刹车压力, 松开刹车脚蹬, 刹车泄压;转弯手轮转动方向与前机轮转动方向一致, 右脚前蹬, 前机轮右转;停机/应急刹车手柄拉起, 输出刹车压力。
适航标准CCAR§25.777 (f) 中规定:起落架操纵器件必须设在油门杆之前, 并且必须使每个驾驶员在就座并系紧安全带和肩带 (如果装有) 后可以操作。民用飞机起落架系统操纵器件的设计按照此条款来设计及安装, 并通过民用飞机起落架控制系统机上地面检查大纲进行检查, 用以确认对条款的符合程度。
适航条款CCAR§25.1309 (g) 中规定:在表明电气系统和设备的设计与安装符合本条 (a) 和 (b) 的规定时, 必须考虑临界的环境条件。CCAR§25.1431电子设备中也规定:在表明无线电和电子设备及其安装符合§25.1309 (a) 和 (b) 的要求时, 必须考虑临界环境条件。FAR§25.1435 (a) 中也有对环境条件的规定:在飞机合格审定的所有环境条件下, 实施其预期功能 (Perform as intended under all environmental conditions for which the airplane is certificated) 。目前, 适航当局对装机设备的合格审定一般是参照RTCA/D0-160<机载设备环境条件及试验程序>进行, 该文件定义了一系列的环境试验条件最低标准和机载设备适用的试验程序。例如:温度和高度试验, 振动试验以及磁影响试验等。
适航当局对机载软件的合格审定按RT-cn/DO-178<机载系统和设备合格审定中的软件考虑>进行, 该文件为机载系统和设备中的软件开发提供指南, 从而确保软件在安全方面以一定的置信度完成其预定功能, 并符合适航的要求。起落架控制系统的部件既有电子元件, 如收放及位置作动与指示控制盒 (PACU) 、转弯控制盒 (SCU) 、机轮刹车控制盒 (BCU) 、正常收放选择阀、刹车控制阀、转弯控制阀等, 又有机械元件, 如应急放选择阀、停机/应急刹车阀、单向阀、转换阀等。因此, 对于起落架控制系统部件的设计, 必须按RTCA/DO-160及RTCA/DO-178和RTCA/DO-254进行。并要按照标准, 根据部件的预定功能、装机位置和环境条件, 确定部件的试验内容和试验等级。
对于起落架控制系统的液压管路, 可参考液压能源系统相关适航条款§25.1435, 在FAR25部第25—104号修正案中增加了:液压系统和其他系统的元 (组) 件或结构件之间必需保持足够间隙, 不得有任何有害影响。在SAE/ARP994、SAE/ARP1897等标准中对起落架控制系统的管路安装有很具体的指导。例如:导管与固定结构的最小间隙为8mm, 与运动部件的最小间隙为19.1mm。液压导管被要求在一定的长度间隔上加以固定, 以避免导管因振动而破裂等。
综上所述, 在研支线飞机ARJ21-700起落架控制系统方案满足适航条款的要求。
本文从系统设计的角度, 介绍了民用飞机起落架控制系统为通过适航验证所需考虑的主要问题。结合民用飞机起落架控制系统, 对上述研发过程中的适航活动进行了具体描述, 以适航标准为依据, 紧密结合民机安全性设计的工程背景, 在深入分析起落架控制系统适航考虑的基础上, 初步总结了民用飞机起落架控制系统适航符合性验证所采用的方法。
摘要：本文从系统设计的角度, 介绍了民用飞机起落架控制系统为通过适航验证所需考虑的主要问题, 结合相应的符合性验证方法对起落架控制系统所涉及到的条款进行安全性分析。
关键词：起落架控制系统,符合性验证方法,安全性分析
[1] CCAR-25-R3部 (运输类飞机适航标准>, 2001年5月14日, 中国民航总局令第100号.
[2] FAR Part 25 Airworthiness Standards.Transport Category Airplanes (Amendment.Dec 13 2000) .
[3] FAR 25部第25—104号修正案修订运输类飞机液压系统适航标准使与欧洲适航标准一致, 2001, 6, 15.
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