民用運輸類飛機最小飛行機組的適航符合性驗證研究

黃二利 王 飛

（上海飛機設計研究院，中國 上海 201210）

0 前言

在世界民用航空的發展過程中，為確保民用航空活動的安全，保障公眾的合法權益，在民用飛機的設計研制過程中，政府代表公眾制定了一系列的適航規章，對民用飛機的制造人進行監督。民用飛機的制造人必須向局方表明飛機滿足相應的適航標準，才能允許進入市場。適用于我國正在研制的某大型客機的適航標準是CCAR-25，同時為進入世界市場，它還要滿足國際上主要的適航標準，如美國聯邦航空局（FAA）制定的《運輸類飛機適航標準》（FAR-25），歐洲航空安全局制定的《大型運輸類飛機審定規范》（CS-25）。對于25.1523，即最小飛行機組條款要求，美國、歐洲、中國的運輸類飛機適航標準完全一樣，但這并不意味著最小飛行機組的適航符合性驗證比較容易。相反，最小飛行機組的確定是一個多學科綜合、復雜的適航驗證問題，國外民用航空強國在這方面已經進行了大量的研究，國內在這方面還處于起步階段，對于中國民機來說是適航取證的難點之一，需要投入科研力量進行專門研究。

1 最小飛行機組的由來

1964年1月1日以前，美國民用航空條例 （CAR）第40.263、41.263、42.263條規定，為保證安全運行，凡最大審定起飛重量超過8萬磅，或最大審定起飛重量超過3萬磅且裝配4臺發動機的民用飛機必須配備一名隨機機械師。當時的民用運輸類飛機除了正副駕駛員，可能還有隨機機械師、領航員、通訊員，共計可能多達5名。隨著民用運輸類飛機駕駛艙的設計朝著緊湊、自動化方向發展，駕駛員的工作量也逐步降低，人們開始意識到僅依據飛機的最大起飛重量和發動機臺數來確定是否需要一名隨機機械師是不科學的。1965年5月28日，在美國工業界和聯邦航空局的共同努力下，FAR-25第3號修正案正式生效，它在FAR-25中增加條款25.1523和附錄D，分別介紹最小飛行機組要求和具體確定標準，為1964年1月1日以后申請型號合格證的運輸類飛機建立了確定最小飛行機組的審定標準[1]。1981年初，美國總統華盛頓要求成立特別工作組，以研究由兩人飛行機組來駕駛新一代民用運輸類飛機是否安全。特別工作組的研究結果表明：由兩人飛行機組駕駛新一代民用運輸類飛機是安全的[2]。

上世紀80年代初，中國民用航空局在借鑒航空發達國家的《運輸類飛機適航標準》，特別是在FAR-25的基礎上制訂了CCAR-25。1985年12月31日，CCAR-25正式發布，目前有效適用的版本于2011年11月7日發布,規章中條款第25.1523條和附錄D的標準與FAR-25保持一致。

2 最小飛行機組的適航要求

《運輸類飛機適航標準》第25.1523條款規定，在適航驗證過程中必須考慮以下三個方面來確保安全運行：（1）每名機組成員的工作量；（2）有關機組成員對必需的操縱器件的可達性和操作簡易性；（3）按第25.1525條所核準的運行類型。運輸類飛機適航標準附錄D規定了確定最小飛行機組的準則，具體為下列6個基本工作職能和10個工作量因素以及核準的運行類型[3-5]：

6 個基本工作職能是∶（1）飛行航跡控制；（2）防撞；（3）導航；（4）通訊；（5）飛機發動機和系統的操作和監控；（6）指揮決策。

10個工作量因素是：（1）有關操縱器件的可達性和簡便程度；（2）儀表和故障警告裝置的可達性和醒目程度；（3）操作程序的數量、緊迫性和復雜性；（4）各種運行狀態下消耗精力和體力的大小和持續時間；（5）在航路飛行中需對各系統進行監控的程度；（6）需要機組成員離開座位才能完成的動作；（7）飛機系統的自動化程度；（8）通訊和導航的工作量；（9）由于任意應急情況可導致其它應急情況而增加工作量的可能性；（10）當適用的營運規則要求至少由兩名駕駛員組成最小飛行機組時，一名機組成員因故不能工作。

確定核準的運行類型時，要求考慮該飛機運行所依據的營運規則，即在目視飛行規則下運行還是在儀表飛行規則下運行,是否要在結冰氣象條件下運行，是否跨水域運行等，不同的運行類型在試驗場景的設計中有不同的考慮。

3 驗證最小飛行機組適航符合性考慮的因素

通常，飛機在初步設計階段就會確定所需飛行機組的數量，運輸類飛機最小飛行機組適航符合性驗證的目的是進一步確認：設計的最小飛行機組在已定的設備配置條件和預期真實的運行環境條件下能夠始終安全地駕駛飛機，且每名飛行機組的工作量符合適航標準。

若在驗證過程中發現任何不滿足標準的地方，應通過系統的重新設計或操作程序的調整來重新分配工作量以滿足適航標準的要求。盡管25.1523條款闡明了適航驗證需考慮的因素，附錄D列出了詳細的評定標準，但是實際評定飛行機組工作量的方法遠不是那么容易操作的。

民用運輸類飛機最小飛行機組的適航符合性驗證程序的復雜性可能由于型號的不同而不同，這主要取決于該機是一架全新研制的飛機，還是已取得型號合格證飛機的改進型，是要減少已取型號合格證飛機原定的飛行機組人數，還是申請會顯著增加飛行機組人員工作量的設計更改或補充型號合格證。

為確保最小飛行機組的適航符合性驗證順利進行，飛機型號合格證申請人應在飛機研制階段就與運輸類飛機型號合格審定方就機組定員和他們的工作量進行交流。交流應集中在識別出那些可能對飛行機組工作量有影響的設計特征，并在以后通過分析、演示和試驗來證實這些設計特征不會對任何一名飛行機組造成過重的工作量。每名飛行機組的職責和任務必須合適，能保證頭腦清醒地持續飛行[6]。

4 驗證最小飛行機組適航符合性的方法

驗證適航規章25.1523條款的符合性方法包括分析和試驗，試驗可分為模擬器試驗和真實飛行試驗。飛行試驗可用來證實分析和模擬器試驗的結果。針對具體的駕駛艙設計，飛機型號合格證申請人應在設計工作早期就進行分析，分析方法的選擇要基于該方法對審定飛機駕駛艙構型預測的有效性、可靠性和適用性，同時要特別考慮更改和是否裝有新設備，以及可用對比參考機型的適用性。

4.1 分析法

分析法最適用于設計的初期，具有成本低、耗時少等優點，可在設計初期就發現不合理的設計，從而優化操作程序，缺點是需要大量的使用統計數據。按照是否有可對比的參考機型，分析法可分為單獨分析法和與參考機型的對比分析法。

4.1.1 單獨分析法

單獨分析法適用于無參考機型的新穎獨特設計，最常用的一種分析方法是時間線分析法（Time Line Analysis）[6],它把工作量評估表示為完成各項任務的實際需用時間相比可用時間的百分比。本方法適用于在操作上有明顯時間限制的一組飛行階段，還非常適合于評估明顯的與飛行員任務相關的駕駛艙改變，如操縱器件的移動、數據的輸入。使用本方法通常要仔細選出一些在操作要求上具有代表性 （包括正常、非正常和應急程序）的飛行場景和時間段。當使用時間線分析法分析任務時，任務必須在重要的操作限制時間內執行才能得到有價值的數據。要使本方法有應用價值，還必須精確確定可用時間。根據該分析方法得出的時間雖然不能直接當作是絕對標準，但可供后續進行的模擬器或飛行試驗識別增加的工作量，并可與使用中飛機的飛行機組工作量進行比較。凡駕駛艙的更改影響到應急或非正常程序的制訂或執行時，還應進行專項評估。

4.1.2 與參考機型的對比分析法

在確定一項新設計是否符合適航標準時，除了要使用單獨分析法分析外，還通常要采用將新設計與已在運行服務中得到證實的成熟設計進行對比的方法。選擇參考機型時要考慮新設計與參考機型在飛機的類型和構型、預期使用用途、駕駛艙布局、駕駛艙系統的功能、機組操作程序等方面的相似性。通過對新設計在專門設計的飛行場景下進行分析，并將結果與已知參考機型進行比較，就可得到可靠的結果來證實新設計滿足適航要求。如果新設計僅是對參考駕駛艙的一種改進，并未增加影響機組工作量的重要系統，則可直接進行比較。若運行經驗表明，裝有與新設計類似系統的參考駕駛艙或飛機存在某些缺陷，則要在新設計中加以改進，不能讓問題遺留下來，甚至在新設計中使問題變得更大。在初步分析中發現的潛在問題要進行重點評估和分析，直到問題得到解決。

如果新設計與參考飛機相比，在自動化程序和駕駛員職責等方面有重大變化，那么與參考飛機的分析比較的價值就不是很大了。如果沒有可靠的有關完成正常和應急程序所需時間的數據，則應通過飛行模擬器試驗和（或）飛行試驗來驗證其對運輸類飛機適航標準 25.1523條款的符合性。

4.2 試驗

只有經過有經驗的、培訓合格的且還在從事飛行的飛行員試飛后，才能最后確定運輸類飛機的最小飛行機組。擔任評估的駕駛員不能僅限于飛機型號合格證申請人的飛行員和飛機型號合格審查方的飛行員，還要包括正在航空公司駕駛相似飛機執行例行飛行的航線飛行員，他們可基于實際運行經驗做出更加權威的判斷。試驗要在能代表預期運行類型的試驗場景下進行，按照模擬器試驗與飛行試驗的不同特點，需確定模擬器試驗場景和飛行試驗場景，還要記錄和分析試驗數據。

4.2.1 試驗場景的設計

試驗場景的設計要覆蓋運輸類飛機適航標準25.1523條款三個方面的考慮因素和附錄D的6個基本職能和10個工作量因素以及核準的運行類型。通常在制定運輸類飛機最小飛行機組的適航符合性驗證計劃時要考慮以下因素[6]：

1）航路，驗證計劃中選擇的航路應在導航手段、機場條件、儀表設備和空中交通管制等方面具有綜合代表性。

2）氣象，驗證計劃中選擇的航路應能提供飛機預計運行條件下可能遇到的不利氣象條件，例如儀表飛行氣象條件、夜間飛行、擾流和結冰等。

3）機組工作計劃，應向試飛機組制定代表研制飛機運行類型的日常工作計劃。該計劃包括工作日持續時間，預計出發和到達的最多次數，夜間起飛次數，允許駕駛員出勤的最多次數和最少的休息間隔時間。

4）最低設備清單，應在驗證計劃中納入具有最低設備清單的典型派遣構型。這種派遣構型與模擬的故障相組合可構成設計試驗場景的基礎。

5）空中交通密度，飛機應在儀表飛行氣象條件和目視飛行氣象條件下，在典型的空中交通高密度區的航線上飛行。同時也應包括精密和非精密進近、等待著陸、中斷著陸和轉向備降機場。

6）機組人員失去工作能力，當被審定飛機設計的最小飛行機組為兩人時，驗證計劃必須考慮在飛行的任何階段，當一名駕駛員完全失去工作能力后，另外一名駕駛員仍能安全地駕駛飛機并能在預定或非預定的備降機場安全地降落。

7）系統失效，應在驗證計劃中考慮系統從正常模式轉為失效模式時所造成的影響。不僅要考慮主、次系統的失效，并且應包括具有代表性的組合失效情況。

8）應急和非正常情況，驗證計劃中應列有典型的應急和非正常情況，以研究它們對機組工作量的影響。在驗證計劃制定需考慮的系統失效前，必須先對它們進行模擬和分析研究，以掌握在應急和非正常情況下操作飛機的工作量分布，確保選擇合適的失效模式。

4.2.2 模擬器試驗場景和飛行試驗場景的確定

考慮上述因素確定試驗場景后，就要進一步確定哪些試驗場景由模擬器來試驗，哪些場景由真實飛機試驗。模擬器試驗相比飛行試驗具有成本相對低、風險小的優點，但卻無法完全模擬真實運行環境下的飛行狀態，尤其是飛行員在模擬器飛行時要比在真實飛行試驗中心理感覺輕松得多，但一些高風險、氣象條件不易捕獲的試驗場景又不可能在真實的飛機上實施，而只能采用模擬器試驗。歸納起來，確定采用模擬器試驗還是真實飛機飛行試驗通常要考慮以下因素：（1）試驗的風險程度，風險太高無法在真實飛機上試驗時應考慮采用模擬器試驗，如一臺發動機起火；（2）所選擇的氣象條件難以捕捉到，如風切變、大側風條件下的試飛；（3）可用模擬器構型與真實飛機構型的相似性程度，只有模擬器可以以足夠的精度模擬被審定飛機時，才可用模擬器試驗代替真實飛行試驗；（4）是全新設計的飛機還是在原有已取得型號合格證飛機基礎上的改型，若是在已取得型號合格證飛機上的改型，則可考慮以較多的模擬器試驗來代替飛行試驗。

4.2.3 試驗數據的記錄和分析

運輸類飛機最小飛行機組的適航符合性驗證歸根到底是要證明在預期真實的運行環境中，每名機組的實際工作量都不超過機組的人為表現。由于影響機組工作量的因素非常復雜，工作量本身也難以量化，而且參與評估的人員來自不同的背景，所以目前結合試驗（包括模擬器試驗和飛行試驗）的評估方法不僅有飛行員主觀評定法，還有生理測量、性能評判法等三類。主要的飛行員主觀評定法有Cooper-Harper Scale，Bedford Scale，SWAT (Subjective Workload Assessment Technique)，NASA-TLX(Task Load Index)[7]。這些主觀評估法通過參與評估的飛行員試驗后填寫相應表格和問卷來比較被審定飛機與對比參考機型在相同或相似運行場景下操作飛機的難易程度來確定被審定飛機的工作量是否可被接受。生理測量法通過測量飛行員在整個飛行過程中的心跳、眨眼頻率、呼吸頻率等生理現象來判定機組的工作量。性能評判法通過測量操作參數的方法來判定機組工作量相比參考機型的增減。試驗的過程中，駕駛艙內通常還要設置攝像錄音設備，并安排飛行工程師、人為因素專家作為觀察員來記錄飛行機組的操作過程，機組錯誤（包括錯誤發生的次數、從錯誤中恢復的時間、由錯誤引發的不正常操作等），飛行機組之間及與客艙和地面人員的通信等。最后，綜合所有采集的數據來確定被審定飛機的最小飛行機組是否滿足適航標準的要求。

5 總結與展望

本文研究了驗證最小飛行機組所需考慮的因素和適航符合性驗證方法，其研究結果對我國民用運輸類飛機最小飛行機組的適航符合性驗證具有一定的指導作用，同時可作為CCAR-23部正常類、實用類、特技類、通勤類小飛機驗證最小飛行機組適航要求的參考資料。隨著科技的發展，驗證民用運輸類飛機最小機組的適航符合性驗證方法將向著更加客觀、更加自動化、更加高效、更加精確的方向發展，一些高科技的設備將被用于確定民用飛機的最小飛行組，如腦電波測量儀、肌電圖測量儀。由于篇幅所限，本文中的很多地方都沒有展開論述，希望在后續的研究中能做更加深入的探索。

［1］FAR Part 25 Amendment No∶25-3.Minimum Flight Crewmember Requirements for Transport Category Airplanes[R].Federal Aviation Administration,1965.

［2］McLucas,John L.;Drinkwater,Fred J.,III;Leaf,Howard W.Report of the President’s Task Force on Aircraft Crew Complement[R].President’s Task Force on Aircraft Crew Complement Washington DC,1981.

［3］CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局,2011.

［4］FAR Part 25.Airworthiness Standards∶Transport Category Airplanes[S].Washington∶Federal Aviation Administration,2011.

［5］CS-25 Amendment 11.Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [S].Koeln,Germany∶European Aviation Safety Agency,2011.

［6］FAA AC No∶25.1523-1.Minimum flight crew[S].Washington∶Federal Aviation Administration,1993.

［7］Susana Rubio,*Eva Díaz,Jesús Martín and José M.Puente,Evaluation of Subjective Mental Workload∶A Comparison of SWAT,NASA-TLX,and Workload Profile Methods[J].Applied Psychology∶An International Review,2004,53(1)∶61-86.