基於適航的通航飛機左邊界飛行安全研究

摘要

失速/尾旋一直是通航飛機面臨的最嚴重的左邊界飛行安全問題，失速/尾旋事故統計結果表明，即便飛機具備尾旋改出能力，也不能避免失速/尾旋造成的災難性後果。爲了避免飛機出現無意偏離可控飛行的趨勢，通過對“多重防御”理念和基於此理念修訂的失速/尾旋條款及其符合性驗證方法的解析，從提升飛行員的狀態感知、增強飛機抗偏離特性和降低失控危害程度層面，提出通航飛機左邊界飛行的多重防御體系構建方法。本文提出的方法有助於通航飛機更好地符合新規章中失速尾旋適航條款的要求，達到提升左邊界飛行安全的目的。

目錄

01 引言

02 通航飛機失速尾旋事故

03 人工智能技術在發動機孔探圖像中的應用

04 面臨的挑战

05 結束語

 引  言 

2021年航空工業發展研究中心發布了《通用航空市場預測年報》，預計到2025年，我國固定翼通航飛機機隊規模將達到3 483架，到2040年，機隊規模將超過3.2萬架。如何提高通用航空飛機的安全水平，是通航產業所面臨的重要問題。

適航規章是民用航空器的最低安全標准，同時也對航空器的發展方向（安全方面）具有一定的指導意義。通航飛機適航規章CCAR-23-R3中對於失速尾旋，主要是關於失速特性、失速告警以及尾旋改出能力等方面的要求。通航飛機設計中，通常更加關注飛機尾旋改出能力的設計和研究。但具備尾旋改出能力，並不能保證飛機左邊界的飛行安全。

2017年美國聯邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）同時對FAR-23和CS-23進行了修訂，新規章在尾旋特性要求上有很大變化，刪除了對尾旋改出能力的要求，突出“抗”偏離特性。2022年5月6日，中國民用航空局（CAAC）發布了《正常類飛機適航審定規定》CCAR-23-R4，要求飛機不得有無意偏離可控飛行的趨勢。針對尾旋特性的新要求，通航飛機需要表明其符合性。

本文基於失速/尾旋事故統計結果，分析通航飛機失速/尾旋造成災難性後果的主要原因；闡釋保障通航飛機左邊界飛行安全的“多重防御”理念，對基於此理念修訂的FAR-23（CS-23）的尾旋條款及其符合性驗證方法進行解析；提出通過提升飛行員的狀態感知、增強飛機抗偏離特性和降低失控危害程度等層面的通航飛機左邊界飛行的多重防御體系構建方法，以期幫助申請人更好地表明符合性，並提升通航飛機的安全水平。

通航飛機失速尾事故統計分析

左邊界是指飛行包线的左側邊界线，即飛機在任一高度下的最小速度。飛機隨着速度的減小（迎角增大），機翼表面氣流出現分離，會帶來一系列安全性問題，如抖動、機翼搖晃、滾轉反逆、機頭上仰、航向偏離等。此時伴隨着全機穩定性及操縱能力的急劇下降或喪失，飛機運動呈現出對飛行員操控響應的非預期性，飛行員難以或無法正常控制飛機。若不及時制止，飛機極易逐漸發展成尾旋。

失速/尾旋一直是飛機面臨的最嚴重的左邊界飛行安全問題，尾旋也有“飛行禁區”之稱。2019年，浙江中青的一架塞斯納172飛機在低空通場時，因失速而墜毀；2021年，北大荒通航一架BE300飛機增雨作業過程中，因機翼和螺旋槳結冰，飛機失速並進入尾旋而墜毀；九州通航一架運動之星飛機在着陸復飛過程中，因失速墜機；金勝通航一架鑽石40F飛機在進行尾旋訓練時，因改出動作不到位導致墜機。盡管這些飛機具備失速/尾旋改出能力，仍然未能避免失速/尾旋事故的發生。

美國航空器擁有者及駕駛員協會飛行安全機構（AOPA Air Safety Institute）分析了2000-2014年涉及失速/尾旋的2 015起事故，其中近95%（1 901起）發生在通航飛機上，包括945起致命事故中的911起（96%），而且因失速/尾旋導致致命性事故的概率遠高於非失速/尾旋事故。失速/尾旋已成爲通航飛行安全關注的重要因素。

AOPA也對發生事故的飛行員類型進行了統計，如圖1所示，可以看出：擁有私照的飛行員發生失速/尾旋事故的概率最高，商照飛行員發生失速/尾旋事故的概率僅次於私照飛行員。失速/尾旋事故中致命事故的佔比，隨着飛行員的等級提升而提升：飛行學員（單飛）爲22%，運動類飛行員爲36%，私照飛行員爲47%，商照飛行員爲51%，航空運輸飛行員（ATP）爲57%。盡管這些飛機都具有尾旋改出能力，商照飛行員和ATP具備更多的訓練和豐富的經驗，但仍然不能避免致命事故的發生。

圖1  發生事故的飛行員類別

Fig.1  Characteristics of accident pilot

圖2  通用航空飛機發生失速/尾旋事故的飛行階段

Fig.2  Distribution of traffic-pattern stalls/spins on general aviation flights

尾旋分爲尾旋進入階段、穩定尾旋階段和尾旋改出階段。對於輕型通用類飛機來說，尾旋進入階段一般持續4~6s，損失高度約700ft；穩定尾旋階段約3 s旋轉一圈，一圈損失高度約500ft；尾旋改出階段，需要在3 s或1圈內改出尾旋，損失高度約600ft。若飛機意外進入尾旋，考慮飛行員的反應及判斷時間，即使飛行員能夠在尾旋進入階段就立即改出尾旋，改出尾旋的高度損失通常要1200ft。

因此，若在低高度發生尾旋，如起飛/爬升或着陸階段，一旦飛機進入失速、尾旋等失控狀態，即使飛機具備尾旋改出能力並且飛行員具有熟練尾旋改出技能，由於改出高度不夠無法避免災難性事故，也沒有足夠的高度供飛機改出。

左邊界飛行安全的“多重防御”理念

通過對飛機的失速/尾旋事故的分析可以看出，要求通航飛機具備尾旋改出能力，並不能避免災難性事故的發生。因此，如何防止通航飛機出現失速/尾旋，成爲通航飛行安全關注的重點。通常，防止失速偏離的方法分爲三類：加強飛行員訓練、失速警告和提升飛機抗尾旋能力。然而，失速/尾旋事故的分析表明，飛機具有尾旋改出能力，且飛行員具備更多的訓練和豐富的經驗，但仍然不能避免致命事故的發生；失速警告裝置有助於提高通航飛機的安全性，但也需要飛行員採取某種糾正操作；受限於成本，通航飛機通常無法實現完全的抗尾旋能力。

英國曼徹斯特大學J.Reason提出了“瑞士奶酪模型”（如圖3所示），反映了事故不同層面的因素以及針對這些因素的多重防御體系。各防御體系從不同的維度對缺陷或漏洞進行相互補充式的攔截，危險只有同時穿過所有防御體系才能發生。

圖3  瑞士奶酪模型

Fig.3  Swiss cheese model

既然採用單一的方法不能有效防止飛機失速偏離，基於“多重防御”的理念，允許申請人綜合應用多種技術手段和方法，構建通航飛機左邊界飛行的多重防御體系，使其出現失速/尾旋的概率降至最低，以達到“不得有無意偏離可控飛行的趨勢”的目的，提升通航飛機左邊界安全水平。FAR-23部關於失速/尾旋的條款，便是基於這一理念進行的修訂。

尾旋適航條款的解讀

3.1 尾旋適航條款的演變歷程

20世紀80年代，FAA和NASA聯合开展了一項通航飛機抗尾旋研究項目，探索通航飛機實用的抗尾旋方法，並對評估飛機抗尾旋能力的評估方法進行了研究，最終形成了FAR-23部飛機抗尾旋適航標准（23.221（a）（2））。該抗尾旋適航標准，僅作爲可選標准，即申請人可以選擇按23.221（a）（1）的要求驗證飛機滿足尾旋改出要求，也可以選擇按23.221（a）（2）的要求演示抗尾旋特性。

但對正常布局的FAR-23部飛機要完全滿足23.221（a）（2）款抗尾旋特性要求是非常困難的，在抗尾旋條款的提出以來30多年的時間裏，也只有ICON A5能完全滿足該要求（爲水陸兩用輕型運動飛機，不是按FAR-23部取證）。

FAA於2017年對FAR-23部適航標准進行了修訂。該修正案對失速、尾旋的條款進行了重組，在尾旋特性要求上有很大變化，以“不得有無意偏離可控飛行的趨勢”要求替換了原規章中尾旋改出以及抗尾旋演示要求，即取消了正常類飛機的尾旋改出要求，突出以“抗”偏離特性。這一變化，鼓勵申請人創新並綜合應用多種技術手段和方法，來防止飛機出現“意外偏離可控飛行的趨勢”，以達到達促進該通用航空飛機左邊界飛行安全的目的。

3.2 新尾旋適航條款的解析

修訂後的FAR-23部將原規章的23.201、23.203、23.207和23.221條款合並爲23.2150條，23.2150條重點強調可控失速特性、失速告警和沒有意外偏離可控飛行狀態的趨勢三個方面。

（1）所有飛機都必須滿足23.2150（a）的要求，該條款要求具有可控的失速特性以及增強的失速警告。

（2）未按特技飛行審定的單發飛機需滿足23.2150（b）的要求，該條款要求飛機不得有無意偏離可控飛行的趨勢，取消了尾旋改出演示要求。

（3）未按特技飛行審定的1級和2級多發飛機需滿足23.2150（c）的要求，該條款要求飛機在失去臨界推力後，仍然不得有無意偏離可控飛行的趨勢。這是一項新要求，主要影響輕型雙發飛機，以避免此類飛機在單發停車後，因不對稱推力導致的失速/尾旋事故。

（4）所有按特技飛行審定的飛機（允許進行尾旋飛行）需滿足23.2150（d）和23.2150（e）的要求，這兩條條款主要是尾旋特性及改出特性的要求，與原規章的要求基本一致。

修訂後的FAR-23部23.2150條款接受ASTM F3180（飛機低速飛行特性規範）作爲其符合性驗證方法。該標准由ASTM F44委員會針對通航飛機制定，基於“多重防御”的理念，量化各種防御措施的評價，允許飛機有不同程度的抗偏離特性（通過氣動措施和控制限制）、增強的失速告警和其他增強安全的系統或設備，每一項均有單獨的分值，總分值需要到達最低閾值（某些項也有最低閾值要求）。最低閾值取決於飛機類別，不同飛機類別的低速特性得分要求如表1所示，SLSC=SSW+SDC，SE+SSEF，SSEF=SEI+SEEA+SDASE，其中SEI爲附加的指示系統得分，SEEA爲附加的包线預警系統得分，SDASE爲減緩下降系統得分。

表 1  ASTM對於FAR-23部飛機的最低安全要求（F3180-18）

Table 1  Minimum requirements for low-speed flight characteristics of ASTM （F3180-18）

以單發、非特技的2、3、4類飛機爲例，其低速特性最低得分要求如下：

（1） 低速特性綜合總得分SLSC應不小於200分（SLSC=SSW+SDC，SE+SSEF）；失速特性應全部通過23.2150（a）的要求；

（2） 失速告警得分SSW應不少於50分（最高100分）；

（3） 單發飛機抗尾旋特性得分SDC，SE應不少於50分（最高100分）；

（4） 附加的安全設計得分爲SSEF。

左邊界“多重防御”體系構建方法

修訂後的FAR-23部關於尾旋適航條款的變化以及所採用的ASTM F3180的符合性驗證方法，既是通航飛機左邊界飛行的最低安全水平要求，又爲通航飛機如何解決失速/尾旋問題提供了指引，即“多重防御體系”。

通航飛機左邊界飛行的多重防御體系主要從三個層面來構建：一是提升飛行員的狀態感知，包括增強的失速警告、附加指示和包线預警等；二是增強飛機抗偏離特性，包括使用氣動措施和控制限制等；三是降低失控危害程度，如採用緩降系統。

4.1 提升飛行員的狀態感知

（1）失速警告系統

歷史經驗表明，失速警告系統有助於提高通航飛機的安全性。在CCAR-23-R3中，23.207條給出了失速警告的要求，除要求警告“清晰可辨”外，還規定可以通過飛機固有氣動特性或專門的裝置來實現，此外還規定僅提供目視失速警告裝置是不可接受的。

ASTM F3180根據失速警告的有效性，對各種失速警告進行量化的評價，給出具體的分值，如表2所示，並提出失速警告的得分要求。此外，ASTM鼓勵同時使用多種不同感官的警告。

表2  失速警告及其評定分值

Table 2  Stall warning implementation options and point values

（2） 附加指示系統

附加指示系統可提供飛機有關低速控制和性能狀態的附加信息，以提高飛行員對於失速裕度的意識和飛行員的狀態感知。主要的附加指示系統及F3180中的評定分值如表3所示。

表3  附加指示系統及其評定分值

Table 3  Enhanced indication system options and point values

（3） 包线預警系統

包线預警系統是指當飛行員的操縱輸入導致飛機失控安全余度減小時，能爲飛行員提供操縱力反饋的警示系統。比如，當飛行器接近低速失控狀態，系統能沿飛行員輸入的特定控制軸方向提供力反饋以提前預警失控。包线預警系統及F3180中的評定分值如表4所示。

表 4  包线預警系統及其評定分值

Table 4  Enhanced envelope awareness options and point values

4.2 增強飛機抗偏離特性

（1） 抗偏離的氣動設計

對於常規布局的固定翼飛機來說，採用氣動的措施來完全避免飛機失速/尾旋是非常困難的。然而，改善飛機大迎角特性的氣動措施也有很多，如新型翼型、扭轉、渦流發生器、前緣襟翼以及邊條和鴨翼。現代战鬥機綜合使用這些技術，使飛機的失速迎角大幅提高（通常能達30以上）。

對於通航飛機，在通航飛機抗尾旋研究項目中，NASA提出了一種機翼前緣修型方案，如圖4所示，並在四型輕型飛機上進行了試驗，大幅提高了飛機的抗尾旋能力，四型機尾旋試飛進入尾旋的概率如表5所示）。該方案設計簡單，成本較低，適宜低成本的通航飛機採用。

圖4  機翼前緣修型

Fig.4  Wing leading-edge modification

表5  四型機尾旋試飛進入尾旋的概率

Table 5  Frequency of spin entry of four planes

（2） 抗偏離的系統設備

現代民用飛機普遍採用失速保護系統防止飛機失速。目前，主要有兩種主流的失速保護架構：一是控制限制，失速保護系統向飛控俯仰機構發出指令，推動正副駕駛杆向前，使飛機低頭、降低迎角，以達到遠離失速的目的；二是指令限制，當飛機接近失速時，限制使飛機迎角增大的操作，並通過輔助方式實現改出接近失速狀態。

近些年來，失速保護系統也逐漸應用於通航飛機，如推杆器的應用，局方通過等效安全的方式予以認可。ASTM F3180明確了通航飛機推杆器的符合驗證方法。

4.3 降低失控危害程度

緩降系統是指當飛機進入不可控的飛行狀態後，使用該系統可以調整飛機姿態並使飛機獲得合適的下降速度，保證飛機墜撞過程載荷不超過設計限制（整機降落傘如圖5所示）。這是針對飛機在低高度失控後改出高度不夠的安全問題，採取的降低撞地損失的補充安全措施。

圖5  飛機整機降落傘

Fig.5  Aircraft equipped with airframe parachutes

4.4 “多重防御”體系的構建

爲滿足CCAR-23-R4中“飛機不得有無意偏離可控飛行的趨勢”的適航要求，通航飛機需要綜合採用多種技術，構建三個層面的多重防御體系：使用一種或多種不同感官的警告，並綜合採用附加指示系統或包线預警系統，以提升飛行員的狀態感知；採用氣動或控制限制的失速保護系統，增強飛機抗偏離特性；若飛機仍有可能進入失控狀態（尾旋或其他深失速狀態），且改出失控狀態損失高度較大時，採取整機降落傘或其他緩降系統，保證飛機墜撞過程載荷不超過設計限制，降低失控危害程度。

結  論

（1） 通航飛機左邊界飛行的多重防御體系應從三個層面進行構建：提升飛行員的狀態感知、增強飛機抗偏離特性和降低失控危害程度。

（2） 構建這三個層面的多重防御體系，能更好地符合新規章中失速尾旋適航條款的要求，達到提升通航飛機左邊界飛行安全的目的。

文章來源：《航空工程進展》

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