民用航空器座艙高低溫環境下適航符合性研究

唐慧儒 李 闖 李 晗

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

我國民用航空器在大規模生產及投入市場運營前，需通過適航審查獲得中國民用航空局(簡稱CAAC)頒發的型號合格證，而進行型號合格審定過程中，申請人需根據型號取證目標，以中國民用航空局及其授權機構適用的適航規章和環境保護要求為基礎，根據機型的設計特征，確定適用的條款，同時將美國聯邦航空局(簡稱FAA)、歐洲航空安全局(簡稱EASA)規章的相關條款、修正案，按需作為專用條件或等效安全。為表明對適航要求的符合性，申請人通常需采用不同的方法，而這些方法統稱為符合性驗證方法(Means of Compliance,簡稱MOC)。目前共歸納出十種經適航當局認可的符合性方法，包括符合性說明、分析/計算、安全性評估、實驗室試驗等。

民用航空器空調系統的功能是為座艙提供經調節后的溫度、壓力適宜的新鮮空氣，供飛行機組及乘客呼吸并維持舒適的座艙溫度環境，當空調系統失效時，飛機將關閉空調系統，下降飛行高度，啟用應急通風，外界沖壓空氣直接進入座艙，由于沖壓空氣流量和溫度都無法調節，直接供入座艙不僅影響乘員的舒適性，更可能導致座艙溫度環境出現溫度過高或溫度過低的情況，對乘員生命安全造成威脅，因此，申請人需通過特定符合性方法表明座艙高低溫環境下對適航條款的符合性。

1 適航背景

適航標準是保證民用航空器適航性的最低安全標準，CCAR 25部是我國運輸類飛機的適航標準。FAR 25部是美國的運輸類飛機適航標準。其中，FAR/CCAR 25.831(g)條款規定了空調系統失效狀態下座艙高溫的限定范圍，適航條款FAR/CCAR 25.831(g)要求“任何概率很小的失效工況發生后，在給定溫度下的持續時間不得超出下圖曲線所規定的值”。

圖1 溫度限制曲線

適航條款FAR/CCAR 25.831(g)的目的在于，保證飛機通風系統失效情況下，飛機座艙內所能達到的溫度和濕度不能對機組人員造成傷害。但制造商發現，在飛機下降和著陸時，無論在何種操作環境下，當通風系統失效時，艙內溫度和濕度很難達到25.831(g)適航條款的要求，特別是在溫暖或潮濕氣候環境下，更難滿足條款規定。因此，民用適航器存在無法直接驗證適航條款FAR/CCAR 25.831(g)的情況。

針對FAR25.831(g)條款的符合性，FAA與波音、空客等飛機制造商就此條款如何開展符合性驗證進行多輪協商，最終，FAA同意采用機械系統協調工作小組報告建議的、與適航條款FAR/CCAR 25.831(g)等效的安全法則：(a)人體核心溫度不能長期超過38 ℃；(b)人體核心溫度在最后進場和著陸階段不超過38.5 ℃，時間不超過20 min；(c)任何時候，人體核心溫度不能超過38.5 ℃。當前多數型號航空器均采用該等效安全法則進行分析表明其符合性。

關于座艙低溫環境，目前尚無明確的標準或規章定義在會導致環境溫度降低的飛機系統失效狀態下可接受的乘員低溫生理限制，但適航當局認為申請人需表明對FAR/CCAR 25.1309(a)(b)(d)條款符合性，避免出現駕駛艙和客艙的環境溫度極低，影響機組人員身體健康和思考能力而不能正常完成執飛任務。

適航條款FAR/CCAR 25.1309作為一個通用要求，可適用于任何安裝的設備或系統。

許多醫學著作指出，當人體核心溫度降至低于35 ℃(95 ℉)時，開始出現低溫癥，但CAAC擔心現有數據主要是通過對年輕軍人的觀察和試驗獲得，且考慮到嬰兒和老人更容易受到低溫的影響，因此認為申請人必須保證發生對座艙環境產生不利影響的未經表明是極不可能的失效狀態后，在任何穩態飛行階段不會導致人體核心溫度降至低于36 ℃ (96.8 ℉)，是證明符合25.1309(a)(b)( d)的可接受的方法。

2 人體核心溫度

人體核心溫度指的是包括大腦等重要器官在內的人體內部溫度，核心溫度超過一定限定值將嚴重影響人體的身體健康和工作可靠性。

根據2003年MSHWG(Mechanical Systems Harmonization Working Group)基于25.831(g)條款的研究結果，人體核心溫度升高對機組和乘客的生理影響以及對飛行安全的影響如表1所示；根據Gernot Kuhnen博士研究內容，人體核心溫度降低對機組和乘客的生理影響以及對飛行安全的影響如表2所示,其中飛行安全影響等級定義如表3所示。

表1 座艙高溫環境對人員的影響

表2 座艙低溫環境對人員的影響

表3 民用航空器飛行安全影響等級定義

綜上所述，人體核心溫度可作為衡量人的工作效率和生理安全的一個關鍵指標?；谌梭w核心溫度的艙內可接受的高低溫環境標準，是一種可行性強的等效安全分析方法。

3 適航符合性思路

民用航空器申請人針對座艙高低溫環境的適航審定，可從以下幾方面開展工作。

3.1 失效狀態下座艙高低溫環境預測

根據安全性分析，識別空調系統失效會導致座艙出現高低溫環境的失效狀態，評估不同失效狀態發生的概率及對應的座艙溫度變化。座艙溫度變化需進行座艙熱載荷計算，飛機座艙無論在飛行還是地面停機狀態，都會與周圍環境進行熱交換。座艙熱載荷包括有太陽輻射熱載荷、機身傳入艙內熱載荷、座艙結構壁熱載荷、艙內熱載荷、供氣熱載荷。座艙熱載荷分為穩態下熱載荷及瞬態下熱載荷計算，本文需得到座艙溫度隨時間變化值，因此需計算瞬態熱載荷，艙內瞬態熱載荷計算方法如公式(1)所示。

φ

+

φ

-+

φ

+

φ

+

φ

(1)

其中：

φ：機身傳入艙內熱載荷，

W

；φ：座艙結構壁熱載荷，

W

；φ：太陽輻射熱載荷，

W

；φ：艙內熱載荷，

W

；φ：供氣熱載荷，

W

；V：艙內空氣體積，

m

；：空氣密度，

kg/m

；Cp：空氣質量定壓熱容，

J/

(

kg

·℃)；

根據上述公式可計算得出座艙溫度隨時間變化曲線，座艙溫度變化是影響人體核心溫度的重要因素。

3.2 開展人體核心溫度仿真計算

為準確預測在不同座艙溫濕度環境下人體核心溫度的變化，需借助人體熱調節數學模型開展仿真分析。關于人體熱調節模型，早期大多由國外學者建立，表4羅列了國外不同時期具代表性的人體熱調節模型的發展。

表4 人體熱調節數學模型

申請者需根據模型適用范圍、準確性和成熟度選擇合適的人體熱調節數學模型，根據中國人群特點和極端環境條件進行修正改進，并結合數值模擬等手段建立起相應的局方認可的計算分析程序，同時根據實驗室人體核心溫度試驗測量數據進行修正，另外，該模型需可對試驗室無法開展的極高、極低溫環境人體核心溫度(由于醫學倫理限制無法開展試驗)通過仿真計算進行外推，實現不同溫度濕度組合下人體核心溫度預測及人員安全性評估，作為適航條款

FAR/CCAR

25.831(

g

)和

FAR/CCAR

25.1309條款等效安全驗證的有力支撐。目前已得到局方認可的人體核心溫度計算方法為

ISO/FDIS

7933《

Ergonomics

of

the

thermal

environment

—

Analytical

determination

and

interpretation

of

heat

stress

using

calculation

of

the

predicted

heat

strain

》，該標準基于出汗率的計算方法，分析熱環境中不同的特性參數對人體的熱應力影響。人體核心溫度可通過人體熱平衡方程求解，方程表達式如下：

M

-

W

=

C

+

E

+

K

+

C

+

R

+

E

+

S

(2)

其中,

M為人體新陳代謝率，

W/m

；W為有效機械功，

W/m

；C為感受到的皮膚處的對流換熱，

W/m

；R為感受到的皮膚處的輻射換熱，

W/m

；K為皮膚處的導熱熱流，

W/m

；E為皮膚處蒸發的總散熱熱流，

W/m

；C為呼吸作用引起的對流散熱熱流，

W/m

；E為呼吸作用引起的蒸發散熱熱流，

W/m

；S為人體的熱存儲，

W/m

。通過該方程可計算出人體熱存儲值S，它決定著人體核心溫度的大小。人體核心溫度的詳細計算過程可參考文獻[11]的附件

A

。值得注意的是，

ISO/FDIS

7933的人體核心溫度計算方法僅適用于高溫環境，低溫環境下不適用，目前尚未查詢到公開的局方認可的適用于低溫環境的人體核心溫度計算方法標準。

3.3 開展高低溫環境實驗室人體核心溫度試驗

由于人體溫度調節機理錯綜復雜，人體熱調節數學模型預測還不能做到完全準確，因此需要開展人體熱生理試驗，通過試驗對數學模型進行驗證和校準。

首先建立可調節溫度的高低溫環境試驗室，試驗室需可模擬3.1節的座艙溫度變化，模擬飛機座艙可能面臨的極端高低溫環境。根據相關機型經驗，在熱天完全喪失新鮮空氣的失效工況下座艙面臨極端高溫環境，座艙溫度最高可達40 ℃～50 ℃，在冷天雙側空調組件失效采用應急通風時，座艙可能面臨極端低溫環境，座艙溫度最低可到-20 ℃～30 ℃，因此高低溫環境實驗室需溫度和濕度參數可控，溫度控制范圍可覆蓋極端高低溫環境區間。同時在試驗室內建立一套人體核心溫度測試試驗臺架，可實時監測處于特定高低溫環境下試驗人員的心率、新陳代謝率、核心溫度、皮膚溫度、血氧飽和度等生理指標，人體生理實驗需考慮不同年齡、性別的受試者在不同的溫濕度工況下的實驗組合，最終測量結果用以驗證人體核心溫度模型數值模擬的準確性，并建立人體核心溫度試驗數據庫，分析不同座艙溫度環境下人體核心溫度數值并評價其生理反應，根據統計的生理反應確定危險等級，驗證表1及表2的正確性。

根據參考文獻[6],目前國內外有多種直接或間接測量人體核心溫度的方法。其中直接測量方法包括核磁測量、直腸測量、耳蝸測量、食道測量、肺動脈測量等；間接估算方法包括有體表溫度估算法及其它數據估算法。各種測量

/

計算方法在準確性、便攜性、成本、安全性等方面不盡相同。

目前已知一種用來檢測宇航員身體的人體核心溫度測量方法，通過將一次性無線傳感器裝在膠囊里，由受試者服用后進入人體的胃腸道，傳感器通過無線電將信息傳輸到無線接收器中，實時監測人體核心溫度，無線接收器可顯示實時溫度和存儲數據，并可以下載和分析數據，系統配有報警裝置，當受試者的體溫或心率到達設定的最低或最高值時將發出警報聲。一次性膠囊式傳感器對人體無害，已通過美國食品及藥品監管局注冊認證。

4 總結

本文對民用航空器座艙高低溫環境適航符合性開展分析，通過對座艙高低溫環境適用的適航條款

FAR/CCAR

25.831(

g

)和

FAR/CCAR

25.1309進行解讀和分析，進一步得出基于人體核心溫度的艙內可接受的高低溫環境標準，隨后，提出針對座艙高低溫環境適航符合性思路，包括識別導致座艙高低溫的失效狀態，模擬計算失效狀態下座艙溫度變化，并以此為輸入開展人體核心溫度數值模擬計算，然后開展高低溫環境下人體生理試驗以驗證人體核心溫度模型數值模擬的準確性，最終依據外界環境溫度-人體核心溫度-生理指標-安全性指標的等效安全準則來說明對座艙高低溫環境的適航符合性。本文內容可對民用航空器適航取證提供參考。